粒径对岩崩-碎屑流滑震特征的影响_罗肖.pdf

第 卷第期 年月地 球 科 学 与 环 境 学 报 罗肖，程谦恭，王玉峰，等粒径对岩崩碎屑流滑震特征的影响地球科学与环境学报，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：投稿网址：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：罗肖（），男，四川蒲江人，工学硕士研究生，：。通讯作者：程谦恭（），男，甘肃静宁人，教授，博士研究生导师，理学博士，：。：粒径对岩崩碎屑流滑震特征的影响罗肖，程谦恭，王玉峰，李天话（西南交通大学 地质工程系，四川 成都 ；西南交通大学 高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川 成都 ）摘要：岩崩碎屑流是一种发生在高山峡谷地区，具有高位性、隐蔽性、事件突发性和灾害巨大危害性等特征的地质灾害，滑震信号监测可实现对地质灾害体运动信息的实时捕获，为灾害预警及灾后评估提供重要信息。以颗粒集合体崩落运动过程为研究对象，设计并开展了物理模型实验，分析了颗粒粒径对滑震信号特征的影响，探讨了岩崩碎屑流撞击过程产生的滑震信号特征及其现实意义。结果表明：颗粒集合体总质量一定时，滑震信号最大振幅值为 .，且随着颗粒粒径的增大而增大；颗粒集合体总质量一定时，滑震信号包络线平均值、阿里亚斯强度随着颗粒粒径的增大而增大；粒径为的颗粒集合体产生的滑震信号平均频率为 ，且在总质量一定时，滑震信号的平均频率随着颗粒粒径的增大而减小。本文研究成果以期进一步加深对滑震信号影响因素的认识，并为灾害潜在区域监测预警系统建立、重大地质灾害灾后快速评估、应急响应措施制定等提供理论依据。关键词：地质灾害；岩崩碎屑流；颗粒流；物理模型实验；滑震；环境地震学；地震动信号；参数反演中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，；，；，；，：；引言岩崩碎屑流是一种发生在高山峡谷地区，具有高位性、隐蔽性、事件突发性和灾害巨大危害性等特征的地质灾害，严重威胁着我国高山峡谷地区的长治久安，以及重大工程的安全建设与运行，近年来引起广泛关注。根据 等（）的定义，岩崩是岩体沿着一个很小或者没有剪切位移发生的表面，从陡峭的斜坡岩体上剥离，然后沿着临空面通过自由下落、滚动、大角度碰撞等方式运动的一种地质灾害。崩塌体在运动过程中经过碎屑化作用而解体为碎屑颗粒，以类似流体的形式运移或扩散，形成岩崩碎屑流。规模巨大的基岩岩体失稳后，经过强烈的碎屑化作用形成长距离运动且具有极端破坏力的高速远程滑坡。通过分析地质灾害体岩性特征、岩体结构、源区特征等因素，可对其进行空间分析与评估。兰恒星等研究认为，岩体结构单元主导下的碎屑化过程是研究大型岩质滑坡远程运移机制的关键，而滑坡体破碎程度的最直接反映即为碎屑颗粒的粒径大小 。受岩体岩性、岩体结构面类型和发育程度等因素的影响，崩塌、滑坡体运动过程中将产生不同程度的破碎，进而产生不同粒径的碎屑颗粒 。碎屑颗粒的粒径是影响碎屑流动力学特征的重要因素 。然而，岩崩碎屑流灾害的源头常位于人烟稀少地区，因缺乏足够观测资料，在一定程度上为此类地质灾害运动过程及机理研究增加了难度。由密集的地震动监测台站组成的地震台网为监测区域内地球表面及内部活动提供了基础条件。现有研究表明，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生过程中，地震台站会监测到不同于构造地震等天然地震的地震动信号，即滑震（）。开展滑震信号研究已发展成为一种新的地质灾害研究手段，不仅能实现灾难性地质灾害的监测预警，还可用于表征地球物理颗粒流的运动学过程并揭示其动力学机理。国内外许多学者以地质灾害发生时区域地震台站监测到的低频滑震信号为基础，通过反演获得力时间函数，进而对其运动演化过程及特性进行研究。黄兴辉等以四川茂县新磨滑坡为例，赵娟等以 年三峡库区千将坪滑坡为例，许世民等以贵州纳雍崩塌碎屑流为例 ，基于滑震信号反演分别对其运动阶段进行分析，推导出相关运动学参数，进而还原了灾害发生的整个过程。严炎等提出了一套基于滑震信号的灾害重构思路和方法体系，通过反演 灾 害 的 基 本 特 征 实 现 对 灾 害 过 程 重 构。以加拿大西部 岩崩碎屑流为例，等以巴基斯坦北部 滑坡为例，等以印度北阿肯德邦一次岩崩为例，在滑震信号反演的基础上，结合遥感影像、野外调查资料等对灾害特性进行了研究。相比于低频滑震信号，高频滑震信号包含与地质灾害有关更为丰富的信息，可实现对地质灾害更细微研究的目的。李俊等通过对 年西藏易贡滑坡碎屑流主频 的滑震波进行解译，获得滑震信号参数、动力学过程及其特征参数；曾求等以四川丹巴梭坡滑坡发生时短周期地震仪记录的滑震信号为基础，对滑坡体性质进行了分析。通过对高频滑震信号特征与地质事件重要特性之间的关系研 究，可以 定量 化评价和反演地质灾害特征。第期罗肖，等：粒径对岩崩碎屑流滑震特征的影响 等对法国阿尔卑斯山岩崩滑震信号持续时间进行估计，结合平均速度实现对运动距离的估计；等基于法国 火山岩崩高频滑震数据，建立滑震能与灾害体参数定量化关系，进而对其体积进行了反演；等依据印度 碎屑流体滑震数据，对其摩擦弱化、能量转换等进行了研究；等基于阿尔卑斯山中部岩滑 滑震信号数据，通过多元线性回归分析，对其体积进行了预测。滑震信号传播过程中受到多种因素影响，如地层岩性、地形地貌、地质构造等导致滑震信号的抑制、弥散或衰减。通过在条件可控的实验室环境中进行小尺度模型实验，安装数据采集仪器对实验过程进行监测，可弥补上述研究手段的缺陷和不足。等选用不同的球体颗粒及碎石开展了撞击室内模型实验，基于碰撞理论模型对产生的振动信号进行了分析；进而设计并开展了钢珠在斜板上的颗粒柱体坍塌实验，建立了振动信号与动力学参数之间的关系 。邓凯丰等通过开展岩崩碎屑流撞击地面的物理模型实验，建立了初始条件与滑震特征参数的关系 。杨宗佶等通过室内模型实验，对不同坡度下山前平地型碎屑流和堵河型碎屑流运动过程震动特征进行了分析。自然环境中的现场实验更接近真实情况，等在采石场进行了单一块石的下落撞击破碎实验，依据振动信号数据进行了块体体积参数的反演。等通过户外落石实验，同步分析其振动信号和声波信号的演化特征。斜槽实验常用于地球物理流体的模拟，等通过颗粒流斜槽物理模型实验，对比研究了高 频 地 震 信 号 特 征 的 种 理 论 模 型 结 果。等通过斜槽实验数据分析了斜坡上近稳定颗粒流所产生的高频辐射信号特征，并使用一个简化稳定颗粒流模型进行了参数预测。目前，滑震信号研究大多聚焦于低频滑震信号力时间函数反演以及高频滑震信号与动力学参数经验关系式的获取，进而对地质灾害过程进行分析并预测其规模、速度等参数，而初始条件对滑震参数具有怎样的影响仍需进一步探索。前文述及，崩塌体经过碎屑化作用而解体为由大量离散颗粒组成的碎屑流体，岩体破碎程度的差异影响着碎屑颗粒粒径的大小，进而影响着颗粒流内部的复杂动力学过程，造成不同粒径颗粒流运动速度和运动距离的差异，也进一步影响着灾害体的致灾效应。因此，本文设计并开展了岩崩碎屑流室内物理模型实验，旨在探究颗粒流体粒径与滑震信号特征之间的定量关系，为岩崩碎屑流灾害的应急响应及快速研判工作提供定量化实验数据支撑和科学依据。模型实验概述 装置介绍岩崩碎屑流通常发育于陡峭临空面，具有滑移、倾倒、坠落等失稳模式，其中坠落模式的典型特征之一是其近自由落体的运动过程，并在坡脚处发生大角度碰撞。为分析此失稳模式下的岩崩碎屑流撞击坡脚并辐射振动波的过程，本文设置并开展了不同粒径颗粒集合体的自由落体实验，以颗粒集合体模拟失稳体运动撞击过程。物理模型实验装置主要由物料盒、释放装置、撞击底板、数据采集仪器及支撑装置组成（图）。物料盒底部装有两片可以活动的扇叶。当扇叶关闭时，物料盒形成一个上部开口的长方体容器，将用于模拟岩崩碎屑流物质的颗粒体密集地放置于其中；当扇叶突然打开时，物料盒变成一个无底容器，放置其中的物体可以近似无初速度自由下落。释放装置由抽板及滑轮组成，通过抽动抽板，控制物料盒扇叶的开闭。物料盒与释放装置通过螺栓连接在一起，二者作为整体与一根亚克力棒相连，并固定于脚手架上。已有研究表明，材质均匀的亚克力板能够保障振动波的稳定传播，确保实验现象及典型振动信号特征的良好重复性，。鉴于此，本实验采用尺寸为 的亚克力板作为撞击底板，水平布置于物料盒正下方 处。数据采集装置由一台高速摄像机和一台加速度传感器组成，拍摄帧率为 的 型高速摄像机布设在实验装置正前方，用于监测颗粒的 下 落撞 击 过 程；频 响 范 围 为 的 型加速度传感器安装于亚克力板背面，距离撞击点 处（图），用于监测关键振动信号。高速摄像机与加速度传感器分别通过东华 动态数据采集仪与一台高性能计算机相连。材料选取物理模型实验材料的选择，首要考虑的是实验材料的稳定性，不应在实验过程中发生变化而对实验结果产生影响，其次还需考量其是否能满足研究的要求。通过对同领域研究进行文献调研发现，钢珠、玻璃珠等球形颗粒材质均一、形状统一、物理力学性质稳定 ，在常规物理模型实验条件下不地球科学与环境学报 年图物理模型实验装置示意图 会发生性质变化，选用此类实验材料既能聚焦离散颗粒组成的颗粒流与底面碰撞并辐射振动波这一关键动力过程，又能排除潜在影响因素对实验结果造成的干扰，避免系统误差。鉴于此，本文选用不同粒径的 钢珠作为实验材料。工况设计本文主要探究岩崩碎屑流颗粒粒径对滑震信号特征的影响，因此，选用种不同粒径的 钢珠颗粒进行实验。颗粒总质量及下落高度作为本次研究的无关变量，应尽量消除其影响。为保证实验结果的可靠性，每组工况至少进行次重复实验。具体的工况设计见表。表工况设计 工况编号实验材料粒径总质量下落高度 钢珠 钢珠 钢珠 钢珠 钢珠 滑震信号处理 预处理为保证滑震信号的可靠性，本研究中对每一工况下的滑震信号进行了预处理，基于预处理结果，分析了滑震信号的分布与演化特征。参考前人研究成果，对于滑震信号的预处理主要包括去趋势处理和去噪处理两个步骤。去趋势处理加速度传感器采集到的原始滑震信号存在一定偏移 图（）。等研究认为，这是由复杂系统中各元素之间的强相互作用所产生的长程空间或时间相关性造成的。这一问题在一定程度上可以通过去趋势处理来解决，即考虑去除多项式步长之间的幂律相关性趋势。等提出的去趋势波动分析（，）方法已经成为一种广泛使用的技术，被用于确定噪声、非平稳时间序列中的（单）分形标度性质和检测长程相关性。本文基于去趋势分析和处理方法，使用 软件编写程序对原始滑震信号数据进行去趋势处理。经过去趋势处理后的数据各阶趋势已经得到极大消除 图（）。图（）是颗粒流从下落撞击反弹后再次撞击过程的滑震信号时域曲线。图（）中，区域是撞击发生之前的滑震信号数据，即被传感器采集到的环境噪声数据；区域是从撞击开始到结束过程的滑震信号数据；区域之后是碎屑颗粒与底板撞击反弹后再次撞击底板及颗粒滚动产生的滑震信号数据。本研究主要关注碎屑颗粒的撞击过程，即图（）中区域的滑震信号数据，且后续分析处理也只针对这一部分。去噪处理为评估环境噪声对实验数据的影响，利用加速度传感器采集了未进行实验时的信号数据，发现人声、飞机轰鸣、人走动等都会产生振幅较小的信号数据。因此，在实验开展过程中，尽量避开环境嘈杂的时间段，在实验操作过程中尽量避免发出声响。尽管实验中抽动抽板产生噪声不可避免，但本文主要研究颗粒集合体撞击阶段数据，抽动抽板后颗粒集合体下落到撞击底板过程需要一定时间，这段时间成功避免了该噪声对目标数据的影响。通过对环境噪声信号数据与实验信号数据进行快速傅里叶变换（），将其从时域转换到频域进行分析，转换后的结果如图所示。通过对二者频域特征进行分析，发现环境噪声信号的频率处于 以下占绝大部分，碎屑颗粒撞击产生的滑震信号频率则大部分分布在较高频段，越接近 （奈奎斯特频率）越少，说明本实验的采样频率（）满足要求。去噪处理可以减小实验数据中环境噪声的影响，常用的去噪方法主要有高通滤波、低通滤波、带通滤波、带阻滤波及小波去噪等。因为已知环境噪声及目标信号的频率范围，本文选用带通滤波进行去噪处理，带通滤波的通带设置为 。特征参数计算 包络线平均值包络线平均值是通过在持续时间内对信号包络线求取平均值得到，用以表征地震信