成 浩，韓培鋒,2，蘇有文

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010; 2.水利部山洪地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430010)

0 引言

土石混合體是由細(xì)粒土體、塊石及孔隙構(gòu)成的，且具有一定含石量的極端不均勻松散巖土介質(zhì)系統(tǒng)[1]，是一種介于均質(zhì)土體和破碎巖體之間的復(fù)雜地質(zhì)混合堆積體[2]。土石混合體崩塌具有突發(fā)性、破壞力大、致災(zāi)范圍廣等特征，其運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，給廣大受災(zāi)山區(qū)的人民財(cái)產(chǎn)、交通運(yùn)營(yíng)及生態(tài)環(huán)境等造成巨大損失。我國(guó)14個(gè)集中連片貧困山區(qū)，已調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害及隱患點(diǎn)116 428處，其中崩塌18 827處，占比達(dá)16.17%，因崩塌地質(zhì)災(zāi)害造成的貧困人口比例逐年增加，現(xiàn)已成為我國(guó)集中連片貧困山區(qū)扶貧和脫貧工作所面臨的重要問題[3]。所以，研究土石混合體崩塌，對(duì)山區(qū)規(guī)劃和發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)已開展了大量研究工作，主要采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析四種研究方法?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，黃潤(rùn)秋等[4-5]研究認(rèn)為影響崩塌落石運(yùn)動(dòng)特征最主要的因素是坡度和坡面形態(tài)；GIANI等[6]研究發(fā)現(xiàn)崩塌落石形狀越規(guī)則，其運(yùn)動(dòng)形式越復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)方面，OKURA等[7]研究發(fā)現(xiàn)花崗巖崩塌體的體積與落石運(yùn)動(dòng)距離成正相關(guān)；宋波等[8]研究發(fā)現(xiàn)落石形狀的不同，其運(yùn)動(dòng)距離受遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用影響較大。數(shù)值模擬方面，楊慶華等[9]采用二維顆粒流離散單元法模擬了崩塌過程，研究發(fā)現(xiàn)地震烈度越大，其崩塌規(guī)模越大、偏離臨界坡腳越大、距離臨界坡越遠(yuǎn)；黃小福等[10]運(yùn)用非連續(xù)變形分析(DDA)法研究了地震荷載對(duì)危巖崩塌塊體運(yùn)動(dòng)特性的影響。理論分析方面，裴向軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)滾石水平運(yùn)動(dòng)距離與坡度總體成正相關(guān)，塊石運(yùn)動(dòng)形式有滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍及其組合；賀凱等[12]基于影像資料，詳細(xì)剖析塔狀巖體的崩塌失穩(wěn)過程。

綜上研究成果對(duì)于崩塌的研究主要集中在落石的崩塌運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)特征，由于單體的巖石崩塌與坡面的接觸面較小，其摩阻力相對(duì)較小，相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度較快、沖擊力較大，所以對(duì)于單個(gè)物體容易造成嚴(yán)重的破壞。經(jīng)過野外和文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，發(fā)生崩塌災(zāi)害的物源往往是土石混合狀態(tài)的堆積體斜坡，而這些堆積體斜坡的坡度和含石量又各有差異；若斜坡在重力或外界條件作用下發(fā)生崩塌運(yùn)動(dòng)，那么含石量和坡度因素對(duì)其影響有多大，二者變化對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生何種效應(yīng)規(guī)律，目前對(duì)于這兩方面還鮮有研究。所以，本文基于野外典型崩塌災(zāi)害調(diào)研資料為根據(jù)，運(yùn)用離散元素法構(gòu)建不同計(jì)算條件下的土石混合體三維數(shù)值模型，探究其崩塌運(yùn)動(dòng)規(guī)律。旨在為山區(qū)道路交通建設(shè)、建筑物的選址和崩塌災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。

1 崩塌區(qū)域概況及誘發(fā)原因

寶成鐵路略陽至廣元段，線路長(zhǎng)132 km。本段位于龍門、大巴山區(qū)，沿嘉陵江上游的深切河谷下部行進(jìn)，隔江與川陜公路并行。地理與氣候方面：為龍門山邊緣低山丘陵區(qū)，屬大陸季風(fēng)氣候帶，年降雨量800～1 200 mm，最大達(dá)1 900 mm。地形與地貌方面：嘉陵江是本區(qū)的最主要河流，近南北流向，區(qū)間線路在嘉陵江峽谷右岸；線路多位于陡坡陡崖下、高路塹或構(gòu)造影響帶內(nèi)，最大切割高差約200 m，有好的臨空面和墜落環(huán)境。地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造方面：區(qū)間出露地層有志留系、二疊系、三疊系，在坡頂，坡腳廣泛發(fā)育第四紀(jì)坡、崩積物，其中大小碎石含量約50%；本段地處龍門山褶皺帶與大巴山褶皺帶的復(fù)合過渡區(qū)，曾受多期次地殼運(yùn)動(dòng)和巖漿侵入影響，硬質(zhì)巖層多，地層擠壓強(qiáng)烈，斷層節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化破碎嚴(yán)重[13-15]。所以，誘發(fā)崩塌的原因是，有利的地形地貌條件、復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，再加上降雨等外界條件的作用下，將會(huì)大大增加崩塌發(fā)生的概率和危害程度。

例如：2018年7月12—13日7時(shí)，受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，寶成鐵路略陽段王家沱站至樂素河站連續(xù)發(fā)生山體崩塌災(zāi)害，崩塌體約75 000 m3；其中上行線被掩埋線路約100 m，高約20 m，寬6 m，約4 000 m3；另外，除一部分堆積在坡面上，還有一部分越過鐵路堆積在鐵路下方至江灘間。截至7月13日10∶00，除了影響22趟列車的正常運(yùn)營(yíng)和生態(tài)破壞外，還給沿線居民生命和財(cái)產(chǎn)帶來威脅。通過Google Earth Pro得到崩塌前的山體形態(tài)，崩塌前后對(duì)比(圖1)。

2 三維離散元數(shù)值模型

2.1 離散元的基本原理

離散元素法(Discrete Element Method，DEM)最早由Cundall[16-18]教授首次提出應(yīng)用于解決準(zhǔn)靜力或者動(dòng)力條件下巖石力學(xué)運(yùn)動(dòng)問題。根據(jù)力與位移的關(guān)系，可以由位移得到顆粒受到的作用力，再由牛頓第二定律得出顆粒i的運(yùn)動(dòng)方程；利用歐拉法對(duì)式(1)兩邊同時(shí)積分，得到下一時(shí)間步長(zhǎng)的更新速度；對(duì)式(2)兩邊進(jìn)行積分，得到位移的更新表達(dá)式(3)；將該新位移代入力-位移關(guān)系計(jì)算新的作用力，如此循環(huán)反復(fù)，實(shí)時(shí)跟蹤每個(gè)顆粒在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)[16](圖2)。

(1)

(2)

(3)

∑F、∑M——分別是顆粒在質(zhì)心處受到的合外力和合外力距；

Δt——是時(shí)間步長(zhǎng)；

N——對(duì)應(yīng)時(shí)間t。

圖2 顆粒運(yùn)動(dòng)計(jì)算示意圖Fig.2 Calculation schematic diagram of particle movement

由上述顆粒運(yùn)動(dòng)求解過程可知，顆粒單元在相互作用過程中，顆粒形狀、顆粒間及顆粒和滑槽間的作用點(diǎn)、時(shí)間步長(zhǎng)等屬性對(duì)模擬結(jié)果影響較大。由于顆粒表面的粘接力很小，故接觸模型選用Hertz-Mindlin(no slip)(圖3)。根據(jù)野外崩塌調(diào)研發(fā)現(xiàn)，塊石并非是球形的，往往是有棱角的多面塊體；所以，本文假定顆粒為有棱角形狀的剛性體顆粒(圖4)。為確保仿真計(jì)算穩(wěn)定，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為6.266 16×10-5s。

圖3 顆粒接觸模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of particle contact model

圖4 單個(gè)塊石顆粒組成大樣圖Fig.4 Detail of single rock particle

2.2 數(shù)值模型的建立

由于實(shí)際崩塌都有著十分復(fù)雜的地形，崩塌體的體量往往很大，且土石粒徑組成極不均勻，這些因素都會(huì)限制離散元方法無法模擬現(xiàn)實(shí)的崩塌。根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn),這類問題的物理試驗(yàn)研究一般利用滑槽進(jìn)行，通過在滑槽的頭部設(shè)置料箱，將土質(zhì)顆?；蛩槭湃肫渲校划?dāng)料箱前緣擋板打開后，松散堆積體沿著滑槽向底部運(yùn)動(dòng)，以此來模擬滑坡、崩塌、泥石流的運(yùn)動(dòng)過程[19-20]；數(shù)值模擬的研究與此類似[21-23]。

因此本文基于相似比原理，合理簡(jiǎn)化模型，用滑槽模擬坡面地形，滑槽頭部放置料箱模擬崩塌體，用坡腳底板模擬鐵路及前緣區(qū)域；整個(gè)崩塌模型由料箱、崩塌體、滑槽和坡腳底板組成。在離散元軟件EDEM中，數(shù)值模擬的整個(gè)過程主要有三部分；一是，設(shè)定模擬參數(shù)，導(dǎo)入崩塌模型，建立顆粒工廠生成顆粒，在重力作用下進(jìn)入料箱形成崩塌體；二是，打開料箱前緣擋板，崩塌體在重力作用下發(fā)生崩塌運(yùn)動(dòng)，最后堆積在底板的過程；三是，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的在線分析、導(dǎo)出數(shù)據(jù)計(jì)算分析及崩塌過程的三維展示?；蹘缀纬叽纾洪L(zhǎng)1 800 mm，寬350 mm，高300 mm；料箱：長(zhǎng)400 mm，寬350 mm，高200 mm；坡腳底板：長(zhǎng)3 000 mm，寬2 000 mm，厚10 mm。顆粒密度2 100 kg/m3，顆?？倲?shù)51 247顆。圖5為坡度65°崩塌模型示意圖。試驗(yàn)材料顆粒級(jí)配表(表1)。

圖5 崩塌模型示意圖Fig.5 Sketch map of collapse

表1 試驗(yàn)材料顆粒級(jí)配表

2.3 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)的標(biāo)定

基于野外調(diào)查選取典型土樣開展土工試驗(yàn)，確定數(shù)值模擬顆粒材料特征參數(shù)以及彈性恢復(fù)系數(shù)，顆粒與滑槽間的靜摩擦系數(shù)可以通過物理試驗(yàn)確定[24-25]。休止角是顆粒間流動(dòng)特性和摩擦特性的宏觀描述，是顆粒間靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)標(biāo)定的常用指標(biāo)[26-28]。因此，在前人對(duì)崩塌離散元的數(shù)值模擬參數(shù)標(biāo)定基礎(chǔ)上，以顆粒間的靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)作為試驗(yàn)因素，采用堆積法模擬休止角，經(jīng)多次對(duì)比計(jì)算，以使模擬結(jié)果與實(shí)際崩塌運(yùn)動(dòng)相吻合，最終計(jì)算參數(shù)見表2、表3。

表2 材料屬性表

表3 接觸屬性表

2.4 崩塌試驗(yàn)方案

本次模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同計(jì)算條件下的崩塌運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而探究含石量和坡度變化對(duì)土石混合體崩塌運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，方案見表4。

表4 崩塌試驗(yàn)方案

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 土石混合體崩塌運(yùn)動(dòng)速度研究分析

3.1.1含石量對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)速度的影響

土石混合體中有細(xì)顆粒和大粒徑塊石，其在崩塌運(yùn)動(dòng)過程中速度各異，圖6、圖7為不同計(jì)算條件下細(xì)顆粒和塊石平均運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)程曲線。

由圖6、圖7可知，各種工況速度時(shí)程曲線的走勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為速度加速上升階段和速度下降階段，而在兩階段臨界點(diǎn)處出現(xiàn)速度峰值的時(shí)刻差異很小。其中，前者階段為崩塌體從變形失穩(wěn)至坡腳底板的運(yùn)動(dòng)過程，細(xì)顆粒和塊石速度曲線差異不大；可能是因?yàn)榛墼O(shè)計(jì)的長(zhǎng)度較短，速度還未區(qū)分就達(dá)到了速度峰值。后者階段是崩塌體在底板上運(yùn)動(dòng)直到穩(wěn)定堆積的過程，表現(xiàn)出含石量越大，細(xì)顆粒和塊石速度下降越快，差異越明顯；這是因?yàn)楹吭酱?，崩塌體自身摩擦力越大，底板對(duì)崩塌體摩阻力相應(yīng)增大。

為研究含石量對(duì)崩塌體內(nèi)部塊石與細(xì)顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度峰值的影響情況，得到圖8。分析可知，塊石與細(xì)顆粒曲線走勢(shì)變化較平緩，無論含石量何種變化，平均速度峰值變化的趨勢(shì)很小。這就說明含石量對(duì)崩塌體內(nèi)部塊石和細(xì)顆粒平均速度峰值影響較小。

圖6 細(xì)顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curve of average velocity of fine particles

圖7 塊石平均運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.7 Time-history curve of average velocity of rocks

3.1.2坡度對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)速度的影響

圖9、圖10為不同坡度條件下各含石量崩塌體內(nèi)部細(xì)顆粒和塊石平均運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線。分析可知，各種工況速度曲線走勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為速度上升達(dá)到峰值后速度下降。其中，坡度65°平均速度變化最為顯著，坡度45°次之，坡度30°最小。從圖中可以觀察到，坡度越大，細(xì)顆粒和塊石出現(xiàn)平均速度峰值的時(shí)刻越早。這是因?yàn)槠露仍酱螅浪叨群捅浪w重力勢(shì)能相應(yīng)增大，使得崩塌體運(yùn)動(dòng)速度加快，速度變化更加劇烈。

為進(jìn)一步研究坡度對(duì)崩塌體內(nèi)部塊石與細(xì)顆粒平均速度峰值的影響，得到圖11。分析可知，細(xì)顆粒與塊石平均速度峰值曲線走勢(shì)基本一致，且隨坡度增大而增大。從平均速度峰值斜率來看，坡度30°最小、65°次之、45°最大，可能是由于滑槽長(zhǎng)度有限，崩塌體在達(dá)到坡度臨界點(diǎn)后速度峰值增速開始減緩。這就說明坡度對(duì)崩塌體內(nèi)部塊石和細(xì)顆粒平均速度峰值影響顯著。

崩塌運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)現(xiàn)平均速度小于0.01 m/s時(shí)，崩塌運(yùn)動(dòng)基本停止，通過提取其崩塌時(shí)間數(shù)據(jù)以分析含石量與坡度變化對(duì)崩塌體運(yùn)動(dòng)總耗時(shí)的影響，如圖12所示。圖12(a)表明，崩塌體運(yùn)動(dòng)總耗時(shí)曲線隨含石量的增大，呈逐漸減小的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并不明顯。其中，坡度30°曲線波動(dòng)較大。原因是30°坡度較緩，崩塌體全由細(xì)顆粒組成，在運(yùn)動(dòng)中整體滑動(dòng)性較好，所以運(yùn)動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短；但隨著塊石含量的增大，相應(yīng)的顆粒間摩擦和自身重力增大，從而影響崩塌體整體的滑動(dòng)性。圖12(b)表明，坡度越大，崩塌體從崩塌到堆積靜止的總時(shí)間越短；表現(xiàn)為坡度30°時(shí)運(yùn)動(dòng)總耗時(shí)最長(zhǎng)，坡度45°次之，坡度65°最短。當(dāng)坡度由30°增大到45°時(shí)，總耗時(shí)降幅較大；而坡度從45°增大到65°時(shí)，總耗時(shí)降幅則較?。豢赡苁且?yàn)楸浪w坡度在達(dá)到臨界坡度前運(yùn)動(dòng)增速較快，則運(yùn)動(dòng)時(shí)間變化較大，而到達(dá)臨界坡度后運(yùn)動(dòng)增速和總耗時(shí)變化差異較小。

圖8 崩塌體內(nèi)部平均速度峰值隨含石量變化曲線Fig.8 Variation curve of average velocity peak value inside collapse body with rock content

圖9 細(xì)顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curve of average velocity of fine particles

圖10 塊石平均運(yùn)動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.10 Time-history curve of average velocity of rock

圖11 崩塌體內(nèi)部平均速度峰值隨坡度變化曲線Fig.11 Variation curve of average velocity peak value inside collapse body with slope

綜上圖6～圖12可知，細(xì)顆粒與塊石平均速度均表現(xiàn)為速度加速上升階段和速度下降階段。同一坡度下，含石量對(duì)崩塌體內(nèi)部塊石和細(xì)顆粒平均速度峰值和出現(xiàn)峰值的時(shí)刻影響較小，平均速度曲線變化不明顯；相同含石量時(shí)，坡度越大，速度峰值越大，出現(xiàn)平均速度峰值的時(shí)刻越早，速度變化越劇烈。所以坡度的變化對(duì)崩塌平均運(yùn)動(dòng)速度影響顯著，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 土石混合體含石量和坡度對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)距離的影響

3.2.1含石量對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)距離的影響

圖13為崩塌體和內(nèi)部塊石最大水平運(yùn)距與含石量變化的關(guān)系。分析可知，崩塌體和塊石曲線變化趨勢(shì)大體一致，表現(xiàn)為含石量越大，曲線斜率越大，其運(yùn)距越遠(yuǎn)。圖14是以含石量0%的最大水平運(yùn)距為基準(zhǔn)，進(jìn)一步研究含石量變化對(duì)最大水平運(yùn)距增幅的影響；圖中三類坡度增幅走勢(shì)基本呈上升趨勢(shì)，且含石量越大，其增幅逐漸增大，三條曲線逐漸分離。為探究崩塌體自身高度與最大水平運(yùn)距之間的關(guān)系，得到圖15；分析可知，當(dāng)崩塌體自身高度越大，其最大水平運(yùn)距越遠(yuǎn)，且含石量越大，曲線整體水平向右移動(dòng)。這就說明含石量變化對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)距離影響較顯著。

3.2.2坡度對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)距離的影響

圖16表明，崩塌體與內(nèi)部塊石的最大水平運(yùn)距曲線整體都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，且隨坡度增大而增大。圖17表明，最大水平運(yùn)距增幅也表現(xiàn)出坡度越大增幅越大，坡度65°增幅最大、45°次之、30°最小。由圖18可知，坡度增大的同時(shí)崩塌體自身高度變大，曲線整體向右上方向移動(dòng)，其運(yùn)距越遠(yuǎn)，三者成正相關(guān)。坡度影響崩塌運(yùn)動(dòng)距離的原因是，滑槽的長(zhǎng)度是固定的，若坡度增大，勢(shì)必崩塌高度增大，崩塌體的重力勢(shì)能和重力加速度都變大，轉(zhuǎn)化為更大的動(dòng)能，所以運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。

為了使得崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)距離更具規(guī)律性和普適性，本文以運(yùn)距比來評(píng)價(jià)水平運(yùn)距與豎直運(yùn)距之間的關(guān)系；其運(yùn)距比定義為：崩塌體最大水平運(yùn)距與最大豎直運(yùn)距之間的比值。表5為最大運(yùn)距比和平均運(yùn)距比的計(jì)算結(jié)果。分析可知，含石量越大，最大運(yùn)距比比值越大，平均運(yùn)距比無明顯變化趨勢(shì)；坡度越大，其最大運(yùn)距比和平均運(yùn)距比都越??；這就說明崩塌高度越高，豎直運(yùn)距就更接近水平運(yùn)距。

綜上圖13～圖18及表5可知，坡度一定時(shí)，含石量越大、崩塌體自身高度越大，使得其最大水平運(yùn)距越遠(yuǎn)、最大運(yùn)距比增大；相同含石量時(shí)，坡度越大，其崩塌體最大水平運(yùn)距越遠(yuǎn)，最大運(yùn)距比和平均運(yùn)距比都越小。所以，含石量和坡度變化對(duì)崩塌地質(zhì)災(zāi)害運(yùn)動(dòng)距離、危害范圍影響很大，在對(duì)復(fù)雜地質(zhì)山區(qū)土石混合體斜坡進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注此類崩塌體。

圖12 崩塌運(yùn)動(dòng)總耗時(shí)隨含石量和坡度變化曲線Fig.12 The total time of collapse varies with rock and slope

圖13 最大水平運(yùn)距隨含石量變化曲線Fig.13 The variation of maximum horizontal movement distance with rock content

圖14 最大水平運(yùn)距增幅隨含石量變化曲線Fig.14 The variation of the increase of maximum horizontal movement distance with the stone content

圖15 最大水平運(yùn)距隨崩塌體高度變化曲線Fig.15 The variation of the maximum horizontal movement distance with the height of the collapse

3.3 土石混合體含石量和坡度對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)沖擊力的影響

3.3.1含石量對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)沖擊力的影響

圖16 最大水平運(yùn)距隨坡度變化Fig.16 The variation of maximum horizontal movement distance with slope

圖17 最大水平運(yùn)距增幅隨坡度變化曲線Fig.17 The variation of the increase of maximum horizontal motion distance with the slope

通過提取各含石量崩塌體對(duì)滑槽和坡腳底板的接觸合力，進(jìn)而分析其沖擊力的影響，得到圖19。圖19表明，同一坡度下，各含石量沖擊力曲線走勢(shì)基本一致。其中，圖19(a)各含石量崩塌體整體以滑動(dòng)為主，沖擊力曲線波動(dòng)很??；圖19(b)崩塌體重力勢(shì)能增大，沖擊力表現(xiàn)較好，在運(yùn)動(dòng)時(shí)刻1～1.75 s對(duì)坡腳底板有明顯的沖擊，但沖擊力不大。圖19(c)可以觀察到各含石量在整個(gè)崩塌運(yùn)動(dòng)中均出現(xiàn)明顯的A、B、C三個(gè)沖擊階段分別對(duì)應(yīng)滑動(dòng)沖擊階段、動(dòng)態(tài)沖擊階段和穩(wěn)定堆積階段。其中，滑動(dòng)沖擊階段為0.35～0.88 s，沖擊力曲線波動(dòng)不大，是因?yàn)楸浪w快速傾塌對(duì)滑槽產(chǎn)生的撞擊力很小。動(dòng)態(tài)沖擊階段為0.88～1.16 s，沖擊力曲線快速上升，達(dá)到峰值后快速下降；這是因?yàn)榇丝瘫浪w前緣開始沖擊底板，后續(xù)顆粒接力補(bǔ)上位置繼續(xù)沖擊，當(dāng)整個(gè)崩塌體都接觸到坡底底板時(shí)，隨著含石量的增大，依次出現(xiàn)沖擊力峰值587.34 N、639.21 N、643.96 N、683.43 N，出現(xiàn)峰值的時(shí)刻分別為0.98 s、0.97 s、0.96 s、0.95 s；這就說明含石量越大，沖擊力峰值越大，出現(xiàn)峰值的時(shí)間越早。第三個(gè)階段崩塌體運(yùn)動(dòng)總能量完全耗散，表現(xiàn)為穩(wěn)定堆積的過程。

3.3.2坡度對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)沖擊力的影響

圖20是不同坡度變化對(duì)崩塌體沖擊力的影響情況。分析可知，相同含石量，不同坡度的沖擊力曲線各有差異。其中，坡度65°沖擊力曲線波動(dòng)最大、坡度45°次之、坡度30°最??；坡度越大，沖擊力峰值越大，出現(xiàn)沖擊力峰值的時(shí)間越早。這是由于30°坡度較緩，其重力勢(shì)能較小，各含石量崩塌體整體以滑動(dòng)為主；45°坡度增大，其重力勢(shì)能增大，沖擊力表現(xiàn)較好；65°坡度陡峻，沖擊力表現(xiàn)劇烈，不同時(shí)間段沖擊力較為集中。

圖18 最大水平運(yùn)距隨崩塌體高度變化曲線Fig.18 The variationof the maximum horizontal movement distance with the height of the collapse

圖19 不同含石量下沖擊力時(shí)程曲線Fig.19 Time-history curves of impact force with different rock content

表5 崩塌體水平運(yùn)距與豎直運(yùn)距的關(guān)系

圖20 不同坡度下沖擊力時(shí)程曲線Fig.20 Time-history curves of impact force with different slope

3.4 含石量和坡度對(duì)土石混合體運(yùn)動(dòng)形式的影響

為研究土石混合體在實(shí)際崩塌運(yùn)動(dòng)中的特性，在前面的研究中發(fā)現(xiàn)坡度65°下含石量70% 崩塌體平均運(yùn)動(dòng)速度最大、最大水平運(yùn)距最遠(yuǎn)、對(duì)底板沖擊力最大。所以，有必要通過反演該崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)全過程進(jìn)行分析研究。其中，塊石為黃色顆粒，細(xì)顆粒為藍(lán)色顆粒(圖21)。

圖21 坡度65°、70%含石量崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)演化過程Fig.21 The evolution process of the collapse movement with a slope of 65°and the rock content is 70%

當(dāng)t=0.5 s時(shí)，位于前緣和表面的細(xì)顆粒與塊石開始脫離崩塌體；這是因?yàn)楸浪w在重力作用下快速變形失穩(wěn)，而前緣顆粒受約束很小，速度加持較快，后緣顆粒受前緣顆粒的阻擋加速緩慢，由此產(chǎn)生變形滑動(dòng)。崩塌體在滑槽高速運(yùn)動(dòng)中，細(xì)顆粒與塊石出現(xiàn)了翻滾、跳躍和滑動(dòng)混雜的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象；塊石向崩塌流表層運(yùn)動(dòng)的同時(shí)細(xì)顆粒相對(duì)向底層運(yùn)動(dòng)，可能是因?yàn)閴K石相較于細(xì)顆粒動(dòng)能大，發(fā)生碰撞多，細(xì)顆粒順著塊石間的間隙下滲到底層，由此出現(xiàn)顆粒逆向分選效應(yīng)。t=0.86 s時(shí)，前緣顆粒最先接觸坡底，由于坡腳底板的阻擋而發(fā)生彈跳現(xiàn)象；此時(shí)，后緣顆粒接力補(bǔ)上前緣顆粒位置，形成長(zhǎng)長(zhǎng)的崩塌流。崩塌體受底板摩阻力影響較大，運(yùn)動(dòng)形式為減速滑滾，直至摩阻力大于其運(yùn)動(dòng)的力時(shí)，崩塌運(yùn)動(dòng)停止，t=2 s時(shí)為最終堆積形態(tài)。所以，該類崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)演化經(jīng)歷了變形滑動(dòng)、高速滑滾、準(zhǔn)靜態(tài)堆積三個(gè)階段，其運(yùn)動(dòng)形式有變形-滑動(dòng)-翻滾-跳躍-堆積及組合，滑動(dòng)在整個(gè)崩塌運(yùn)動(dòng)中為主要運(yùn)動(dòng)形式。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本文模擬結(jié)果中的運(yùn)動(dòng)形式與蘇學(xué)清對(duì)寶成鐵路朝天至觀音壩段崩塌現(xiàn)場(chǎng)研究所得出的運(yùn)動(dòng)形式[14]，以及一般的崩塌運(yùn)動(dòng)形式基本一致[4，11]；其中，從最終的顆粒堆積形態(tài)來看，模擬的細(xì)顆粒與塊石存在顆粒逆向反序效應(yīng)，這與實(shí)際的崩塌堆積中大部分塊石位于表層或者被土顆粒包裹，如前文圖1(b)所示。

由圖22(a)可知，1.4 s時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量的運(yùn)動(dòng)形式有兩種情況：一是，由底面和后緣向表面和前緣運(yùn)動(dòng)；二是，堆積體后緣矢量先呈現(xiàn)出藍(lán)色狀態(tài)，且矢量速度不斷下降。圖22(b)為崩塌體1.27 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以觀察到大部分顆粒單元的運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)變化的，呈現(xiàn)出流體性質(zhì)，只有一小部分的紅色流運(yùn)動(dòng)速度較快，脫離崩塌體；其中，在沖擊底板的過程中離散性較大，這是因?yàn)楸浪w表面和前緣的顆粒受約束較小，在相互碰撞中出現(xiàn)翻滾、跳躍現(xiàn)象。

圖22 坡度65°、70%含石量崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)圖Fig.22 Collapse movement with a slope of 65°and rock content is 70%

4 結(jié)論

本文通過定量與定性結(jié)合的分析方法，探究含石量和坡度變化對(duì)土石混合體崩塌運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)細(xì)顆粒與塊石平均速度均表現(xiàn)為速度加速上升階段和速度下降階段。平均速度峰值與坡度和含石量變化成正相關(guān)，出現(xiàn)速度峰值的時(shí)刻越早，崩塌運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短。相同含石量時(shí)，坡度越大，平均速度峰值越大，出現(xiàn)平均速度峰值的時(shí)刻越早，速度變化越劇烈。

(2)坡度一定時(shí)，崩塌體含石量越大，其最大水平運(yùn)距越遠(yuǎn)、最大運(yùn)距比越大；相同含石量時(shí)，崩塌體坡度越大，其最大水平運(yùn)距越遠(yuǎn)。

(3)沖擊力峰值隨坡度和含石量的增大而增大，達(dá)到峰值的時(shí)間越早；坡度65°時(shí)，各含石量在滑動(dòng)沖擊階段和穩(wěn)定堆積階段無明顯差異，動(dòng)態(tài)沖擊階段沖擊力波動(dòng)強(qiáng)烈。

(4)崩塌體崩塌運(yùn)動(dòng)演化經(jīng)歷了變形滑動(dòng)、高速滑滾、準(zhǔn)靜態(tài)堆積三個(gè)階段，其運(yùn)動(dòng)形式有變形-滑動(dòng)-翻滾-跳躍-穩(wěn)定堆積。崩塌運(yùn)動(dòng)矢量和位移矢量前緣較后緣變化強(qiáng)烈；大部分顆粒單元的運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)變化的，呈現(xiàn)出流體性質(zhì)，僅有一小部分的紅色流速度較快，脫離崩塌流。