碎裂化柱状危岩体崩塌-堆积特征概化模型研究

时间：2020年05月23日分类：科学技术论文次数：

摘要:高密度颗粒流动现象与许多崩滑碎屑流类似，颗粒柱体崩塌试验一直是崩滑碎屑流动力研究的有效方法。基于野外柱状危岩体的成生及运动边界条件，在颗粒图像测速技术支持下，开展了一系列单面临空的颗粒柱体三维崩塌-堆积试验。结果表明:颗粒柱体的高宽比a

　　摘要:高密度颗粒流动现象与许多崩滑碎屑流类似，颗粒柱体崩塌试验一直是崩滑碎屑流动力研究的有效方法。基于野外柱状危岩体的成生及运动边界条件，在颗粒图像测速技术支持下，开展了一系列单面临空的颗粒柱体三维崩塌-堆积试验。结果表明:颗粒柱体的高宽比a值决定了其失稳模式和堆积形式，当a<1.5时，柱体临空侧颗粒沿着库伦破坏角运动，但柱体底部一部分颗粒仍保持不动，当a≥1.5时，颗粒体发生下沉-剪切-推出破坏，随后发生复杂的崩塌流动-堆积过程;柱体内颗粒呈近似的二维运动，柱体外则呈类扇体的扩展堆积，且圆心在X轴上往前移动，颗粒的运动与堆积的相关参数均可采用a的多个幂指数函数来定量刻画。高柱体的崩塌堆积试验结果可为压溃式柱状危岩体的运动评估及防治提供较多启示。

　　关键词:颗粒柱体;崩塌-堆积;颗粒图像测速;速度场;破坏过程

中国地质调查

　　地质论文投稿刊物：中国地质调查以“宣传地质调查重要理论和技术研究成果，介绍地质调查领域新发现和地质调查工作部署，探讨地质学理论认识和技术方法创新，搭建地学领域信息交流平台”为办刊宗旨。

　　0引言

　　我国西南地区是危岩体崩塌的高发区域，柱状危岩体发生失稳解体形成的碎屑颗粒向前方开阔地段运动，开阔地段是山区人们社会经济活动的集中区域，灾难性崩滑事件常导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失。坐落在挪威西部Loen湖西南部的拉夫内吉尔斜坡，在1905至1950年期间共发生7次大型崩塌，总计方量近3×106m3，先后夺走上百条人命[1]。在我国也发生过几起高陡危岩体解体失稳事件，1980年湖北宜昌发生盐池河大型崩塌，崩塌山体的体积约1×106m3，崩塌堆积物摧毁多处建筑物，造成上百人遇难[2]。2004年重庆市金佛山甑子岩危岩带发生大型崩塌灾害，崩滑体在崖脚运动距离近800m，幸运的是由于预警及时，尚未造成人员伤亡[3]。

　　上述危岩体均具有相似的工程地质条件，且碎裂化程度较高。由此可见，高陡柱状危岩体失稳的影响范围广且破坏力强，碎屑流对其运动途径上人民的生命财产安全构成了极大威胁。由于颗粒柱体的高密度颗粒流动现象与许多大型柱状崩塌碎屑流动力过程类似[4]，针对颗粒柱体的崩塌问题，大量的物理试验和数值模拟研究很早就已经开展[5-9]。

　　水平面上颗粒状柱体崩塌试验是颗粒流物理试验和数值试验中最经典的案例之一，LUBE等[10]利用物理模型试验，分析了颗粒柱体测得初始堆积体的高宽比a对失稳后颗粒体的运动-堆积特征的影响，并定量化得到了颗粒体最远运动距离与初始堆积体的高宽比的关系。与此不同地，NGUYEN等[11]为实现颗粒体的真二维断面观测，采用铝棒作为试验材料，模拟了二维剖面上铝棒堆积体的崩塌试验。LAJEUNESSE等[12]开展颗粒体崩塌试验，认为颗粒体崩塌的过程是在动力学的基础上由颗粒间相互作用控制的。

　　IONESCU等[13]基于迭代分解—协调公式法和增广拉格朗日法建立数值模型，进行的二维模拟很好地再现了坍塌颗粒柱的动力学机制和堆积过程。国内学者李祥龙等[14]、王玉峰等[15]和陆鹏源等[16]则针对复杂的地形进行了颗粒流动-铲刮分析，得到了复杂地形下高密度颗粒堆积特性与铲刮规律。基于大量柱状危岩体在我国西南山区集中发育，且该区域中崩塌灾害事件频发。前人仅在单纯二维或三维断面中研究了颗粒崩塌运动规律，揭示了颗粒体的运动-堆积特性，但由于边界条件的设定尚不能很好地与现实中柱状危岩体崩塌运动-堆积建立有机联系，本文则建立新边界条件开展物理模型试验，运用自行研制的崩塌试验装置，对柱状颗粒体崩塌的运动-堆积现象进行深入地研究分析。所得试验结果对揭示柱状危岩体失稳的动力学机制和失稳堆积特征有着重要意义。

　　1试验设计

　　IVERSON等[17]和王玉峰等[15]都开展了高密度颗粒流物理试验与滑坡/崩塌-碎屑流研究，提出了相关相似性准则。他们都认为完全相似很难实现，但通过主要因素的相似可实现对滑坡-碎屑流动力学特性影响因素的近似相似。采用在重力相似条件下，取几何相似系数CL=λ，重力加速度相似常数Cg=1，密度相似系数Cρ=1时，速度相似系数为槡λ，时间相似系数为槡λ，力相似系数为λ3，其他物理量可进行类推。

　　这一相似性原理，可保证颗粒柱体崩塌动力观测具有现实的科学意义。由于三维切割边界发育问题，大量柱状危岩体实质上是“嵌固”在母岩中，例如重庆南川甑子岩崩塌[18]和重庆巫峡箭穿洞危岩体[19]。甑子岩在2004年发生了崩塌碎屑流灾害[13]，从边界条件来看，这些柱状危岩体只有一个临空面方向，类似二维颗粒状柱体崩塌的边界条件。但岩体破坏-解体离开“嵌固”的“二维”区域后，破碎的岩块运动方向不再受约束，类似三维颗粒柱体崩塌的全开放边界条件，边界条件的差异显然会造成相关动力特征的差异[20-21]。

　　根据这些实际案例的三维边界情况，概化形成了本次颗粒柱体崩塌试验的边界条件，即柱体和三侧挡板垂直立于水平面上，仅柱体的一扇门受控开放。以上述危岩体为原型，根据边界条件和相似准则，构建了颗粒柱状崩塌动力观测系统和试验平台。试验平台由柱状玻璃体、门、开门滑轮装置、水平板、高速工业相机和计算机及相关控制软件等构成。

　　柱状玻璃体的尺寸为20cm×20cm×80cm，该柱状箱体中的一侧挡板由重物+滑轮装置高速向上抽出。二台高速工业相机的像素均为2560×2048，能够识别0.1mm的颗粒，图像采集频率为100Hz，图像数据实时传输。一台相机镜头朝颗粒初始流出方向的垂直方向(Y轴)上观测XZ面情况;另外一台则垂直悬挂在顶上，观测水平面(XY面)情况。计算机进行数据实时存储、相关设备的管理控制和颗粒图像速度解析。颗粒图像速度解析利用较为成熟的粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry，PIV)，这一技术采用非接触式测量，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息[22]。

　　试验采用的颗粒为白色和黑色的灰岩岩粒，为了更接近野外实际情况，其形状是无规律、形态各异的次棱角状。颗粒进行了精细筛分，分为5±1mm、7±1mm、13±1mm和15±1mm等4种粒径范围。颗粒密度、堆积密度、休止角和底面摩擦角等材料性质如表1所列。根据本次研究目标与内容，进行了试验组次设计。试验A1—A8主要采用颗粒D7开展不同柱体高度的崩塌试验，试验A9—A17则采用不同粒径和不同柱体高度进行试验。

　　试验中重物的重量为20kg，放置高度约为1.5m;当重物释放时，柱体的门就被高速向上抽出。由于门从门框内抽出的时间非常短暂，对颗粒运动基本没有影响。同时，针对第A6组试验进行了四次重复试验。试验所记录数据结果显示，采用该装置系统进行颗粒柱体崩塌试验所得数据结果具有很好的可重复性。因此，采用本试验装置得到的相关试验结果具有较好的准确性，可以用于相关物理力学过程分析。

　　2颗粒柱体崩塌失稳模式与运动过程

　　以往研究表明，重力作用下颗粒柱体崩塌的主要控制因素是柱体的几何形状，可采用无量纲高宽比a(又称为形状系数)进行描述，有a=Hi/di，其中Hi为初始高度，di为柱体宽度。柱体失稳后，残留在柱体内的高度为Hc，运动最远距离为d∞。在单纯的二维和三维柱体颗粒崩塌运动中，NGUYEN等[11]认为a≤0.65时，LAJEUNESSE等[12]认为当a≤0.7(三维时a<0.74)时，LUBE等[10]认为当a<1.15时，柱体的初始顶面会少量保留。在本次研究中发现a<1.5时，会出现这类现象。这种临界值不同的原因可能与试验所采用的材质及颗粒形状等有关。更加有意义的是，根据全场瞬时运动矢量，发现当a<1.5和a≥1.5时，矮或高的柱体运动方式及其机制有较大差异。不同颗粒粒径在这一方面表现基本相同。

　　2.1矮柱体的颗粒运动方式

　　以A2试验(a=1)为例，利用形态和速度场来说明a<1.5时矮柱体的颗粒运动方式。首先从颗粒体的瞬时形态演化来看，矮柱颗粒体的破坏更像沿着最终坡面发生的流动。但柱体内的颗粒破坏面(破坏面角度约为55°)并不是柱体内最终形成的坡面。颗粒的运动-堆积形成了最终的坡面，大量处于破裂面和最终坡面之间的颗粒都不是原位的，都是发生了位移而更替出现的。通过速度场来看，在破坏面之上颗粒先后发生不同程度的运动，破坏面之下颗粒基本保持静止。在运动中，每个时刻颗粒流动层或运动的颗粒并不完全相同。

　　矮柱体运动可分为3个典型阶段:

　　(1)初始(破坏面形成)阶段。展示了门被抽出瞬时颗粒的典型速度场，较大速度的点阵形成了一个靠近门的梯形。速度方向近乎垂直，少量向临空侧偏转。显示重力向下传递，颗粒相互挤压且形成了水平向分力。速度场的形成实质上形成了剪切滑移破坏面。这一阶段基本在门被抽取时瞬时完成。在动力显示上，集中在柱体前缘0.1m高度处的颗粒以0.015m/s的速度开始运动，此时，也是柱体破坏前蓄能阶段。

　　(2)破坏(剪切滑移-水平推出)阶段。初始阶段完成后，颗粒立即进入这一阶段。破坏面之上柱体内大多数颗粒的运动方向与破坏面平行。在柱体外颗粒的运动方向起初都是基本呈水平运动的。在门附近，运动方向发生偏转。颗粒通过斜向下运动穿过门后，颗粒主要从柱体中下部推出。在这一阶段的早期，柱体内越靠近坡顶和临空侧，速度越大，速度达到0.6m/s;这一阶段的后期，柱体内破坏面与顶面中间颗粒的速度更大，出现颗粒从柱体中部推出现象，前缘颗粒速度达到0.9m/s。颗粒体在柱体外的瞬时平面形态上为类矩形。当颗粒基本从中部开始推出后，意味着颗粒体进入了表面流动阶段。

　　(3)后破坏(表面颗粒流动)阶段。颗粒的运动仅在浅表层发生，从柱体内向外流动，柱体外的表层颗粒也向外辐射流动。柱体内浅表层颗粒速度均较小，距表层一定距离的速度相对大，形成少量位移调整。箱体内表层颗粒速度以顺坡向外为主，在流动过程中逐渐变大，大部分表层颗粒的速度高达0.9m/s。箱体外，颗粒呈放射状向外流动，其平面形态为圆度更高的类矩形。从表层颗粒流动至静止，这一阶段的时间相对较长。从矮柱体破坏的形态和运动可知，矮柱体的破坏模式类似折线型滑动;随着滑面法向的变化，滑动方向发生变化。从力的角度来看，矮柱体的失稳方式为剪切滑移-水平推出，即柱体内沿破坏面剪切滑移，柱体外沿底面水平推出。

　　2.2高柱体的颗粒运动方式

　　A11试验的a值为3，是一个典型的高柱体。从颗粒体的瞬时形态来看，高柱体的运动演化进程和矮柱体的不一样。柱体内也存在破坏面，但在运动早期上部颗粒存在明显的整体下落。同时，在运动过程中，柱体外颗粒瞬时形态的圆度明显高于矮柱体的。高柱体运动也可分为4个典型阶段:

　　(1)初始(破坏面形成)阶段。与矮柱体类似，门被抽出瞬时，高的颗粒柱体应力重新分布，形成剪切破坏面。柱体内颗粒根据速度矢量方向可分为两个大区域，一个是位于柱体上部的颗粒，其速度方向垂直向下，该区域颗粒速度值较小，在0.2～0.3m/s之间;另一个是接近破坏面和临空面的区域，其速度倾斜向下，最大的速度达到0.5m/s左右，这一区域是平行于破坏面(倾角50°)的剪切带，这一剪切带非常厚，在A11试验t=0.08s时约为0.2m厚。

　　(2)破坏阶段(下沉-剪切滑移-水平推出)。根据初始阶段形成的速度场，颗粒柱体开始破坏。在柱体内部，上部颗粒开始下沉运动，大体速度达到0.6m/s。颗粒经由厚的剪切层从下部水平推出，下部颗粒速度最大速度达到近1m/s。随着颗粒下沉和向外推出，箱体内外高度差减少后，下沉现象消失，转而为剪切-水平推出。

　　(3)后破坏I阶段(颗粒崩塌流动-堆积)。柱体内的颗粒水平或顺坡向流出，然后在柱体外呈扇形分散流动。从高柱体破坏的形态和运动可知，高柱体的破坏模式类似错落-滑动。这一阶段与矮柱体的后破坏类似，不同的是，高柱体的流动明显分为2个区域，一个是从柱体内向外崩塌流动并堆积;另外一个是柱体外扇体外围的分散流动。该阶段颗粒速度达到整个破坏过程的最大，速度值达1.2m/s，此时，形成的类扇体平面形态随时间演化为圆度不断变高的类圆形，扇体的覆盖面积增加速率先增加后减少，且圆心在X轴上往前移动。

　　(4)后破坏II阶段(表层颗粒流动)，该阶段是高柱体破坏特有的。后破坏I阶段中表层颗粒流动至最远处堆积并停止时，箱体内颗粒体尚未稳定。在空间上，箱体临空侧外部堆积体呈脊形堆积，遂该阶段欠稳定颗粒从侧边界受限的箱体内向无侧限的箱体外发生“直流-分流”流动，此时的最大流动速度仍达到0.9m/s。颗粒体在箱体外堆积并形成扇形堆积体。还统计了A11试验组中平面上堆积体在运动过程中的变化，可以看出，堆积扇的半径和其圆心运动距离随时间的推移不断增加，而其覆盖面积的增长率呈一个先增加后减少的趋势。

　　仔细查阅颗粒崩塌速度矢量场可发现，不管颗粒粒径和不同形状系数a值，所有试验中都存在破坏面;破坏面之上的颗粒发生运动，破坏面之下的颗粒均保持静止。系统测量所有试验的破坏面，破坏面的倾角在50°～55°之间，高a值的破坏面小。根据库伦失稳准则预测失稳破坏角θy=45°+φ/2，φ值为颗粒内摩擦角。内摩擦角与休止角接近，因此预测破坏角θy=45°+30°/2=60°。这一预测值与试验观测的50°～55°基本一致。

　　3颗粒柱体堆积形态函数表达

　　从高速相机中，可以获得A1—A17试验的能量转化过程持续时间或停止时间t∞。这一运动持续时间显然与宽度di、初始高度Hi有关。

　　4物理试验的启示及讨论

　　本次颗粒柱体崩塌试验的边界条件与一些实际柱状危岩体的崩塌相近，试验具有重力相似性，因此试验得到的现象与数据可以为柱状危岩体崩塌过程提供借鉴与启示。从失稳形式上来看，颗粒柱体与柱状危岩体的失稳形式有类似之处。HUNGR等[23]和HUANG等[19]采用自重应力和抗压强度之比Ns做判据，判断柱状危岩体压溃式失稳模式的可能性。从重庆甑子岩压溃式破坏过程来看[3]，压溃式运动过程与a≥1.5时颗粒柱体的运动过程非常类似。它们的运动基本以下沉、剪切和滑出为主，后期碎屑在地面流(滑)动。

　　这两者的动力机制也类似。根据HUNGR等[23]和HUANG等[19]的研究，压溃式破坏是在自重作用下柱体底部岩体中产生侧向张力破坏，底部岩体压碎-挤出后，上部岩体在重力作用下下坠然后呈复杂状态破坏运动。颗粒柱体的破坏力学机制可以由粮仓颗粒理论解释[23]，柱体的重力依靠颗粒接触传递至底部，底部颗粒依靠摩擦力和水平侧向挤压力支撑。柱体门抽出后，临空侧水平侧挤压力迅速消散，底部颗粒被挤出，柱体顶部在自重力下坠落，然后也呈复杂的崩塌形式破坏。

　　当然，边界条件的差异显然会对崩塌体的相关运动特征产生影响，本试验所采用的三维边界条件较前人的所研究的二维边界条件更好地将实验模型与工程实际建立了有机联系。在边界条件差异的影响下，本文三维崩塌试验中颗粒的最远堆积距离较前人所做二维试验的结果更近。在针对碎裂化柱状危岩体的崩塌堆积特征时，文中所得到的公式更具参考价值。因此，柱状危岩体压溃式破坏后运动距离可在考虑斜坡加减速度的条件下近似采用颗粒柱体崩塌试验相关公式进行估算。其次，从堆积特征上来讲，前人所开展的二维崩塌试验中仅仅得到的是最终堆积体的剖面形态。而本次三维崩塌试验中既得到了堆积体的剖面形态，还得到平面上的堆积形态，相比前人所做的试验研究，更好地体现了崩塌体的堆积特征。

　　从力学机制来看，前人的二维试验和本次三维试验中颗粒体的失稳特征具有一致性，二者都从基座发生失稳破坏。于是，防治柱状危岩体则可重点从底部岩体和压力传导入手。从影响最终覆盖范围的因素来看，形状系数变小和颗粒粒径增大会造成堆积距离的减少，因此要想减少柱状危岩体的运动距离，减小形状系数和减少破碎程度是可以做的有效减灾措施。

　　5结论

　　在柱状危岩体野外原型的基础上，设计开展了17组颗粒柱体崩塌物理试验，得到了以下结论:(1)颗粒柱体的形状系数a决定了柱体的失稳模式与运动过程。a<1.5的矮柱体破坏以剪切-滑移为主;而a≥1.5的高柱体先发生下沉-剪切-滑移破坏过程，然后会崩塌流动堆积。柱体外堆积形态为类扇形体，扇形体的覆盖面积增加速率先增加后减少，且圆心在X轴上往前移动。(2)试验模型基于单向临空的边界条件，首次发现堆积扇的圆心沿X轴方向向前运动。可采用形状系数a的多个幂指数函数来定量刻画颗粒的运动时间、堆积距离、堆积高度和堆积平面形态，并得到一系列函数关系式，这些函数预测值与试验值的相关性好，误差率较低。(3)高柱体的崩塌运动与压溃式柱状危岩体破坏运动相似，相关试验结果可为该类型危岩体的运动评估及防治提供启示。

　　参考文献:

　　[1]GRIMSTADE，NESDALS.TheLoenrockslides:ahistoricalreview[J].NorwegianGeotechnicalInstitute，1991，182:1-6.

　　[2]姚宝魁，孙玉科.宜昌盐池河磷矿山崩及其崩塌破坏机制[C]//殷跃平.中国典型滑坡.北京:科学出版社，1988:89-98.

　　[3]贺凯，殷跃平，李滨，等.塔柱状岩体崩塌运动特征分析[J].工程地质学报，2015，24(1):86-95.

　　[4]HSKJ.Catastrophicdebrisstreams(Sturzstroms)generatedbyrockfalls[J].BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica，1975，86(1):129-140.

　　[5]BAGNOLDRA.Experimentsonagravity-freedispersionoflargesolidspheresinanewtonianfluidundershear[J].Proc.roy.soc.london，1954，225(1160):49-63.

　　[6]IVERSONRM.Thephysicsofdebrisflows[J].ReviewsofGeophysics，1997，35(3):245-296

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