季憲軍, 梁 瑛, 潘華利, 歐國(guó)強(qiáng)

(1.南陽(yáng)理工學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473004; 2.中國(guó)科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 四川 成都 610041)

泥漿對(duì)黏性碎屑流坡面運(yùn)移過程的影響

季憲軍1, 梁 瑛1, 潘華利2, 歐國(guó)強(qiáng)2

(1.南陽(yáng)理工學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473004; 2.中國(guó)科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 四川 成都 610041)

[目的] 分析泥漿對(duì)黏性碎屑流坡面運(yùn)動(dòng)形態(tài)、橫向?qū)挾取⒖v向運(yùn)動(dòng)距離及運(yùn)動(dòng)速度影響，為此類災(zāi)害防治提供參考。[方法] 制作黏性碎屑流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，將不同含水率成都黏土泥漿與粗顆?；旌?，制備黏性碎屑流試樣，開展系列黏性碎屑流物理模型試驗(yàn)。[結(jié)果] 隨泥漿密度增大，粗顆粒間粘連作用增強(qiáng)，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)由無(wú)黏碎屑流向黏性碎屑流再到整體塊狀運(yùn)動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變；坡面橫向?qū)挾?、縱向運(yùn)移距離和速度隨泥漿密度增加而減??；不同密度泥漿組成黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程具有分類現(xiàn)象：密度低于1.413 g/cm3時(shí)，速度隨時(shí)間增長(zhǎng)快，變化梯度較穩(wěn)定；密度大于1.413 g/cm3時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度變化過程可分為2個(gè)階段：前期速度隨時(shí)間增長(zhǎng)慢，變化梯度較??；后期速度隨時(shí)間增長(zhǎng)快，且較前階段變化梯度有所增大，各高密度泥漿情況趨于一致。[結(jié)論] 泥漿影響?zhàn)ば运樾剂鬟\(yùn)移形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程。

黏性碎屑流; 運(yùn)動(dòng)形態(tài)； 模型試驗(yàn); 泥漿

文獻(xiàn)參數(shù)： 季憲軍, 梁瑛, 潘華利, 等.泥漿對(duì)黏性碎屑流坡面運(yùn)移過程的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：088-092.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.016； Ji Xianjun, Liang Ying, Pan Huali, et al. Influence of mud on migration process of viscous debris flow[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：088-092.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.016

崩塌、滑坡是常見山地災(zāi)害，降雨是誘發(fā)崩塌滑坡災(zāi)害主要因素之一，邊坡土體失穩(wěn)后的運(yùn)移過程中，水與細(xì)顆粒土混合形成泥漿，泥漿與無(wú)粘粗顆?；旌?，以黏性碎屑流形式沿坡面運(yùn)移，給國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重破壞[1-3]。因其具有長(zhǎng)距離高速運(yùn)移和沖擊集中，沖擊力大及破壞嚴(yán)重等特征，受到社會(huì)及國(guó)內(nèi)外從事地質(zhì)災(zāi)害研究者廣泛關(guān)注[4-7]。對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程研究成為此類災(zāi)害控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究方法主要有數(shù)值模擬[8-10]和物理模型試驗(yàn)。因物理模型試驗(yàn)具有良好的直觀性而多為研究者所采用。如左自波等[11]探討含了石量對(duì)土坡破壞模式具有顯著的影響。周中等[12]分析了土石混合體邊坡在降雨入滲作用下的形成條件、變形位移特征及破壞滑移規(guī)律；劉波等[13]以三峽庫(kù)區(qū)某滑坡為例,通過物理模型試驗(yàn)探討庫(kù)水位變化對(duì)該滑坡穩(wěn)定性的影響。吳火珍等[14]運(yùn)用非飽和土力學(xué)方法，分析了滑坡體在降雨條件下的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性特征；李煥強(qiáng)等[15]開展模型試驗(yàn)，分析了降雨入滲作用下邊坡形狀的變化規(guī)律；尹洪江等[16]在室內(nèi)構(gòu)建泥石流源區(qū)松散堆積土體斜坡模型，分析了不同降雨強(qiáng)度下斜坡土體流失規(guī)律與斜坡的失穩(wěn)方式。

以上多是對(duì)其失穩(wěn)機(jī)制、變形和破壞模式進(jìn)行研究，對(duì)其失穩(wěn)后的運(yùn)動(dòng)過程研究較少，特別是泥漿對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程影響未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。泥漿作為黏性碎屑流的基本組成，泥漿與粗顆粒相互作用，泥漿對(duì)粗顆粒的粘連作用影響?zhàn)ば运樾剂髌旅鏅M向縱向范圍，探討泥漿對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程的影響，對(duì)此類災(zāi)害防治具有重要的工程意義。為深入分析泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響，本文擬以不同密度泥漿與固定組成粗顆?；旌辖M成的黏性碎屑流，開展黏性碎屑流物理模型試驗(yàn)，用攝像機(jī)記錄其運(yùn)移過程，分析泥漿對(duì)

黏性碎屑流坡面運(yùn)動(dòng)形態(tài)、運(yùn)移速度的影響，以期為此類災(zāi)害的防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

崩滑土體組成復(fù)雜，一般具有多組分、寬粒徑等特點(diǎn)，且同類別土體的力學(xué)性質(zhì)受含水量影響較大。根據(jù)本文的研究目的，旨在探索泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響，選用成都市龍泉區(qū)黏土(又稱成都黏土)作為黏性碎屑流粗顆粒間的泥漿。成都黏土(Q3eol)，棕黃、褐黃、灰黃等色，自由膨脹率為40%～72%，液限為38%～50.6%，蒙脫石含量M=13.29%～39.55%，屬弱—中等膨脹土，厚5—15 m。野外取樣(黏土)，經(jīng)晾干、磨細(xì)等過程，試驗(yàn)測(cè)定其顆粒組成(表1)及液塑限。液限含水量wL為66.5%，塑限含水量wP為24.5%。塑性指數(shù)IP為：

IP=wL-wP=42， >17

(1)

泥漿樣品制備：取成都黏土土樣若干，加水浸泡，軟化土樣，測(cè)定其密度。取軟化后土樣若干放置量杯內(nèi)，分別向杯內(nèi)加水配制不同密度的泥漿，制備的泥漿試樣，各試樣編號(hào)、密度和含水率見表2。粗顆粒為粒徑1～2cm的卵石。用不同含水量的黏土(泥漿)與粗顆?；旌希纬捎纱诸w粒與黏土組成的黏性碎屑流。

表1 成都黏土顆粒組成

表2 泥漿密度與含水率

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?/p>

物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕煞e土槽、滑動(dòng)面、堆積面組成。土樣寬度為0.2 m，積土槽出口位置到水平堆積面的y向距離為1.5 m，垂直高度1.0 m?；瑒?dòng)面坡度約為34°，堆積面水平。在堆積面的末端和滑動(dòng)面?zhèn)让娓靼卜?臺(tái)攝像機(jī)，堆積面末端攝像機(jī)距堆積面的垂直距離為0.5 m?；瑒?dòng)面?zhèn)让鏀z像機(jī)距堆積面的垂直距離為0.5 m。

傾斜滑動(dòng)面和堆積面以10 cm的方格劃分，用以標(biāo)定黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中的橫向?qū)挾群涂v向位置。在滑動(dòng)面的一側(cè)，放置于滑動(dòng)面垂直的豎向高度標(biāo)尺，記錄黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程中的豎向厚度。將制備泥漿與粗顆粒摻混，形成黏性碎屑流試樣，將摻混料裝入一定體積的積土槽內(nèi)并放置在指定高度位置，準(zhǔn)備試驗(yàn)。

對(duì)于每種密度的泥漿和粗顆粒組成的黏性碎屑流，在進(jìn)行試驗(yàn)前，向滑動(dòng)面和堆積面上撒稀性泥漿水，以盡可能保證在不同試驗(yàn)時(shí)，滑動(dòng)面和堆積面的摩擦系數(shù)相等。試驗(yàn)過程中，在堆積面的前端和傾斜滑動(dòng)面的側(cè)面放置攝像機(jī)，記錄黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程形態(tài)，用于黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響

攝像的起始時(shí)間為積土槽前擋板撤去后開始計(jì)算，終止時(shí)間為黏性碎屑流在堆積面運(yùn)動(dòng)停止時(shí)。根據(jù)分析需要，對(duì)錄制正面、側(cè)面視頻資料進(jìn)行解譯。根據(jù)攝像記錄不同泥漿情況下黏性碎屑流沿坡面運(yùn)動(dòng)過程，截取不同工況下黏性碎屑流側(cè)面形態(tài)隨時(shí)間變化過程(以每5幀為間隔，側(cè)面圖像省略)進(jìn)行對(duì)比(圖1)，分析泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響。

圖1 泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響正面形態(tài)對(duì)比

圖1表明，泥漿密度不同，黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)形態(tài)存在較大差異，泥漿黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度影響明顯：密度小，粗顆粒間的粘連作用弱，對(duì)崩滑粗顆粒運(yùn)動(dòng)影響小，與無(wú)粘碎屑流運(yùn)動(dòng)類似；隨泥漿密度增大，粗顆粒間的粘連作用增強(qiáng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程影響不容忽略，運(yùn)動(dòng)形態(tài)變?yōu)轲ば运樾剂鬟\(yùn)動(dòng)(顆粒碰撞和粘連)，最終演變?yōu)轭w粒不分離的整體塊狀沿坡面的滑移運(yùn)動(dòng)。因此，隨泥漿密度增大，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)由無(wú)粘碎屑流運(yùn)動(dòng)逐漸向黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)到整體塊狀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

2.2 泥漿密度對(duì)坡面形態(tài)演化過程影響

根據(jù)模型試驗(yàn)攝像記錄結(jié)果，分析不同幀位黏性碎屑流坡面橫向?qū)挾群涂v向坡面位置，分析泥漿密度對(duì)黏性碎屑流坡面運(yùn)動(dòng)過程的影響(圖2)。

圖2 黏性碎屑流坡面運(yùn)動(dòng)形態(tài)隨時(shí)間變化過程

圖2表明，同一泥漿條件下，黏性碎屑流在重力作用下，其坡面橫向展寬和縱向長(zhǎng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，但增大幅度隨泥漿密度的增加逐漸減??；黏性碎屑流的坡面展寬和縱向長(zhǎng)度隨泥漿密度的增大而減小，即密度大，黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)坡面展寬和長(zhǎng)度小，密度小，坡面展寬和長(zhǎng)度大。密度越大，其切向剪切應(yīng)力和法向的粘連力越大，從而對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)縱向和橫向發(fā)展抑制作用越強(qiáng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程影響越顯著。

2.3 同一時(shí)刻黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)坡面形態(tài)對(duì)比

根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析不同泥漿情況下黏性碎屑流的坡面形態(tài)。為分析泥漿對(duì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響，選擇在撤除前擋板后第25幀，距前擋板70 cm位置的坡面形態(tài)進(jìn)行對(duì)比(坡面橫向?qū)挾?、縱向長(zhǎng)度及與沿滑動(dòng)面垂直厚度值,見圖3—4)。

注：泥漿密度大于1.452 g/cm3后，以整體形式沿坡面運(yùn)移，但還沒運(yùn)移到相應(yīng)位置，所以沒有厚度。圖3 第25幀不同泥漿密度黏性碎屑流坡面尺寸對(duì)比

圖3—4表明，當(dāng)泥漿密度較小時(shí)，泥漿對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)約束和抑制作用較弱，當(dāng)積土槽擋板撤除后，槽內(nèi)粗顆粒迅速沿坡面下泄，在第25幀(1 s)，在坡面中部展開，其橫向?qū)挾?、縱向距離及豎向厚度較大。泥漿密度較大(大于1.413 g/cm3)時(shí)，對(duì)粗顆粒的抑制作用增強(qiáng)，限制黏性碎屑流坡面發(fā)展，在第25幀(1 s)，在未運(yùn)移至坡面中部，其豎向厚度較小甚至為0。

2.4 泥漿密度對(duì)運(yùn)動(dòng)距離影響

不同密度泥漿條件下，黏性碎屑流坡面演進(jìn)位置與時(shí)間關(guān)系見圖5。

圖4 第25幀不同泥漿密度黏性碎屑流坡面形態(tài)對(duì)比

圖5 泥漿運(yùn)動(dòng)位置與時(shí)間的關(guān)系

圖5表明，同一時(shí)刻，由低密度泥漿組成的黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)距離較低密度泥漿組成的黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)位置遠(yuǎn)，并隨泥漿密度的增大，其在滑動(dòng)坡面的運(yùn)移距離逐漸減小。

2.5 泥漿密度對(duì)運(yùn)動(dòng)速度影響

圖1證實(shí)不同密度泥漿影響下的黏性碎屑流坡面形態(tài)存在很大的差異，運(yùn)動(dòng)形態(tài)由顆粒的碰撞運(yùn)動(dòng)(顆粒流)向整體塊狀滑移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變；為進(jìn)一步分析泥漿對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)速度的影響，通過試驗(yàn)攝像記錄，分析不同泥漿情況下黏性碎屑流坡面縱向運(yùn)動(dòng)距離不同，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度。并分析泥漿密度對(duì)運(yùn)移速度的影響。采用如下辦法確定黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)速度：

從撤去積土槽前擋板開始為計(jì)時(shí)幀位，記錄不同幀位時(shí)黏性碎屑流在坡面的最前端位置(根據(jù)滑動(dòng)面以標(biāo)記的10 cm×10 cm網(wǎng)格粗略估計(jì))。相鄰兩次記錄位置差值(li-li-1)與相應(yīng)幀位差值(ti-ti-1)的比值即為該時(shí)刻(幀位)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)速度。黏性碎屑流前端運(yùn)動(dòng)至坡腳位置停止計(jì)時(shí)。

速度計(jì)算公式為：

不同密度泥漿條件下，黏性碎屑流坡面演進(jìn)速度與時(shí)間關(guān)系見圖6。

圖6 黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)速度—時(shí)間關(guān)系

圖6表明，在同一時(shí)刻，密度越大，運(yùn)動(dòng)速度越小，最大速度隨密度的增大而減小。速度隨時(shí)間變化情況存在分類現(xiàn)象：密度低于1.413 g/cm3時(shí)，速度隨時(shí)間增加較迅速，且變化梯度較穩(wěn)定；密度大于1.413 g/cm3時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度變化梯度大致可分為2個(gè)階段：前期速度隨時(shí)間的變化梯度較??；之后速度隨時(shí)間變化梯度有所增大，但各高密度情況下趨于一致。

3 結(jié)論與討論

(1) 隨泥漿密度增大，粗顆粒間的粘連作用增強(qiáng)，對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度影響明顯，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)由無(wú)粘碎屑流運(yùn)動(dòng)逐漸向黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)到整體塊狀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變；

(2) 黏性碎屑流坡面橫向?qū)挾取⒖v向運(yùn)移距離和運(yùn)動(dòng)速率隨泥漿密度的增加而減小。

(3) 根據(jù)縱向位置和速度隨時(shí)間變化情況，其不同密度泥漿組成黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程具有分類現(xiàn)象：密度低于1.413 g/cm3時(shí)，速度隨時(shí)間的變化梯度較穩(wěn)定；密度大于1.413 g/cm3時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度變化梯度大致可分為2個(gè)階段：前期速度隨時(shí)間的變化梯度較??；之后速度隨時(shí)間變化梯度有所增大，但各高密度情況下趨于一致。

另外，本模型試驗(yàn)僅以不同密度成都黏土作為泥漿，分析其對(duì)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)過程的影響，而具體崩滑災(zāi)害其物質(zhì)組成極其復(fù)雜，需根據(jù)其物質(zhì)組成做具體分析。再者本文根據(jù)黏性碎屑流運(yùn)動(dòng)位置和速度分析結(jié)果，在泥漿密度為1.413 g/cm3時(shí)，速度、位置變化過程存在分類現(xiàn)象，但此密度值絕非是不同運(yùn)動(dòng)類別閾值；其內(nèi)在力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，可能與坡度、崩滑體物質(zhì)組成等有關(guān)，有待于做進(jìn)一步研究。

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Influence of Mud on Migration Process of Viscous Debris Flow

JI Xianjun1, LIANG Ying1, PAN Huali2, OU Guoqiang2

(1.NanyanInstituteofTechnology,Nanyang，He’nan473004,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China)

[Objective] The aim of the study is to analyze the influence of mud on the moving ways, width and longitudinal distance and velocity of viscous debris flow on slope, and help to provide the references for disaster prevention. [Methods] The experimental model was built for viscous debris flow, and a series of model experiments were carried out through the device. The viscous debris flow composed of Chengdu clay mud and coarse particles. [Results] The adhesion force between the coarse particles increased, and the movement patterns changed from the inviscid debris flow to the viscous debris flow, and to the massive sliding with increasing mud density. The width and distance on slope decreased with increasing mud density. The migration process could be differentiated according to mud density. The velocity increases rapidly and the gradient is large when mud density was lower than 1.413 g/cm3. The migration process can be divided into two stages when mud density was higher than 1.413 g/cm3, the velocity increased slowly and the gradient changes little in the first stage but the velocity increased quickly, and the gradient changed quickly in the second stage. [Conclusion] The mud affects the movement pattern and the moving process of viscous debris flow.

viscous debris flow; movement pattern; model experiment; mud

2016-05-28

2016-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“黏性碎屑流坡面運(yùn)移動(dòng)力過程研究”(41672357)； 國(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(41372331)； 國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA21720)； 河南省科技公關(guān)項(xiàng)目(162102310253); 河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A410005)

季憲軍(1974—),男(漢族),河南省信陽(yáng)人,博士,副教授,主要從事巖土工程的教學(xué)與理論研究。E-mail:jifeng988@163.com。

歐國(guó)強(qiáng)(1958—),男(漢族)，四川省成都市人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事泥石流與泥沙研究。E-mail:ougq@imde.ac.cn。

A

1000-288X(2017)01-0088-05

TU411， P642.2