滑坡碎屑流运动及堵江堰塞体堆积特性模型试验_王涓.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 16基金项目:国家自然科学基金项目(42107189)作者简介:王涓，女，硕士研究生，主要从事滑坡堵江机理研究。E mail:1095573876 qq com通信作者:廖海梅，女，副教授，博士，主要从事水利水电工程及灾害研究。E mail:291408646 qq com文章编号:1001 4179(2023)02 0191 09引用本文:王涓，宋丽婧，刘轶，等 滑坡碎屑流运动及堵江堰塞体堆积特性模型试验 J 人民长江，2023，54(2):191 199滑坡碎屑流运动及堵江堰塞体堆积特性模型试验王涓，宋 丽 婧，刘轶，廖 海 梅(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)摘要:滑坡堰塞体形成机制复杂，掌握堰塞体堆积特征对其溃决风险评估具有重要意义。通过开展物理模型试验，研究了滑床坡度、滑体物质组成与体积对滑体特性及堰塞体堆积特性的影响。试验结果表明:滑体运动时间随颗粒粒径增大、坡度变陡而变短;单粒径滑体在滑槽前段速度的影响因素重要性排序为粒径、坡度、体积，中后段则为粒径、体积、坡度;分层多粒径滑体在滑槽前后两段的速度主要受坡度影响。单粒径堰塞体长度随着滑体体积增大而增加，且增加速率在陡坡下更快;堰塞体宽度随着体积及颗粒粒径增大而增加，且在陡坡下更敏感。试验数据的逻辑回归分析结果表明:影响堰塞体高度的因素其重要性排序由高到低依次为粒径、体积、坡度;分层多粒径堰塞体长度与坡度无明显相关关系，宽度和高度则随坡度增大而增大。关键词:堰塞体;滑坡碎屑流;运动过程;堆积特征;模型试验中图法分类号:P642文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0290引 言由降雨、地震、冰雪融化、火山喷发等因素触发山体崩塌、滑坡、泥石流阻塞河道而形成的天然堆积体称为堰塞体。堰塞体的物质结构往往比较松散，颗粒间的胶结情况较差，当上游库水位迅速上涨、静水压力陡增时，堰塞体极易遭受破坏。堰塞体的形成具有突发性、高危险性，而人类活动空间范围的迅速扩展也加剧了堰塞体的致灾风险，致使上下游区域的人民生命财产安全及生态环境稳定受到严重威胁。其中滑坡碎屑流是形成堰塞体的一种主要物质来源，通常具有规模大、运动机制复杂等特点，致使其造成的堰塞体特性至今尚未被完全掌握1 5。例如 2018 年西藏白格村金沙江右岸先后 2 次发生滑坡堵江，造成的堰塞湖与溃坝洪水给沿岸居民与生活基础设施带来巨大灾害6。2008 年汶川地震，发生大规模滑坡并堵塞通口河形成库容近 3 亿 m3的唐家山堰塞湖，对下游百万群众构成巨大威胁7。目前针对滑坡碎屑流形成的堰塞体研究方法主要包括现场勘察、物理模型试验及数值模拟等。邓建辉等6 通过对白格滑坡现场勘察资料的分析，研究滑坡产生的地质环境、滑坡堆积区特性和产生诱因等条件，分析总结了白格滑坡形成机制与过程。周月等2 通过开展物理模型试验，模拟滑坡运动过程，对滑体运动特性进行分析，得出了滑坡运动过程中冲击破碎是能量耗散的重要因素。吴建川等8 和张龙等9 利用PFC3D 软件模拟了滑坡运动过程和堵江堆积体形态，并分析了灾害影响范围。同时，滑源体物质组成、滑坡路径地形条件对滑坡碎屑流运动过程具有重要影响。周公旦等10 通过泥石流滑坡颗粒物质运动的离散元分析，提出了滑体颗粒分选作用能增强颗粒流动性从而影响颗粒运动的流态。王玉峰等11 以谢家店子滑人民长江2023 年坡地形条件为基础，开展相关物理模型试验并量化分析了滑坡流态化过程及堆积特性，发现滑坡运动路径中复杂地形的分布会引起碎屑流能量的耗散从而影响碎屑流的运动距离。此外，滑坡碎屑流在运动过程中常伴随碰撞飞溅的现象，其在滑动发生的斜坡甚至对岸斜坡上都会发生，因此会出现最大坝高在对岸的情形12 14。例如 1987 年 7 月在意大利 Adda iver 发生的大体积滑坡堵江事件，碎屑物在河谷对岸爬高约300 m15;2008 年汶川地震形成的枷担湾堰塞坝，其最大坝高也出现在对岸;2008 年唐家山滑坡强烈碰撞对岸山体，使堰塞体呈现出边缘破碎严重、中部较为完整的结构特征11，16。天然滑坡运动速度快、运动过程短，目前技术尚难以捕捉其运动全过程，而物理模型试验在数据监测方面具有较好的可实现性，因此模型试验是分析滑坡运动和堰塞体几何形态、物质组成特征的重要研究手段。国内外学者开展了大量滑坡运动与堆积体过程的几何学、动力学模型试验研究，其中大部分基于碎屑流的运动机制，研究颗粒尺寸、滑坡体积等不同因素对滑体运动特征和沉积特性的影响。Man-zella17、Scheidegger18、Davies19等通过无侧边约束的斜面进行干颗粒流试验，并与现实案例数据进行比较，提出了沉积物纵向标准化范围;ManzellaI20、Denlinger21等通过分析影响因素与滑体运动过程、堰塞体堆积特征之间的关系，建立了与速度相关的能量耗散模型。郝明辉等22通过开展室内模型试验，研究了碎屑粒径、滑床粗糙度和挑坎对滑体运动特性的影响，但未量化其影响因素对堆积体几何特性的影响。葛云峰等23通过 PIV 技术分析滑体运动过程，获得了滑体的速度和位移等运动参数，阐述了滑体颗粒间存在碰撞及能量传递现象。通过物理模型试验研究滑体运动过程，揭示不同因素对堆积特性的影响，具有较强的可行性，但现阶段研究滑坡堰塞体形成过程的模型试验研究还较少。本文以碎屑物作为滑体，采用室内滑槽物理模型试验模拟滑坡碎屑流堵江运动过程及其堰塞体特性，研究滑坡碎屑流堰塞体的形成过程，分析滑坡体体积、滑体物质及滑床坡度对堰塞体几何形态与颗粒分布的影响，并进一步定量描述了颗粒粒径、滑槽坡度和滑体体积对堰塞体堆积特性的影响。实验过程中，采用 1 台高速摄像机(千眼狼高速 2F04，最大帧率可达到 4 700)和 4 台摄像机观察滑坡 堵江运动全过程。最后利用卷尺和设置装置的参考点获取堰塞体的关键几何参数，并通过透明玻璃截取堰塞体 3 个横断面，进而推测堰塞体内部颗粒的分布规律。1试验方法及试验过程1 1试验装置试验装置包括模拟滑坡运动的斜槽和模拟河道的横槽两部分，如图 1 所示。斜槽为矩形断面，总长4 5 m，宽 0 5 m，深 0 5 m，与地面夹角范围为 30 60，在距离顶端 0 5 m 处设置了一个闸门。为方便观察，滑槽两侧及底部均采用透明亚克力板材质，并在两侧的亚克力板底部标志了刻度，精度为 1 mm。为近似模拟天然河道形状，横槽采用梯形断面，总长2 m，下底宽 0 36 m，两侧斜边长 0 6 m，坡角为 50。为记录完整的试验在斜槽侧面布置了 4 台录像机，并采用高速摄像机获得滑体在出口的运动参数。本次试验没有考虑水流对滑体入河堵江过程和堰塞体特性的影响。图 1滑坡物理模型装置Fig 1Physical modeling test apparatus for landslides1 2试验材料及设计方案基于滑坡物质组成的多样性，本次试验采用 4 种不同尺寸颗粒，分别为 d=1 2 mm 的细颗粒、d=3 5 mm 的中细颗粒、d=6 9 mm 的中颗粒、d=12 15mm 的粗颗粒以及细颗粒、中颗粒、粗颗粒的混合体，291第 2 期王涓，等:滑坡碎屑流运动及堵江堰塞体堆积特性模型试验如图 2 所示。同时，考虑到部分实际滑源体存在明显分层现象，如石柱县龙井滑坡24、三峡库区多处出现的大型 特大型滑坡25，因此设置了水平分层的层状滑源体，如图 3 所示。其中，中颗粒(d=6 9 mm)在底部，细颗粒(d=1 2 mm)在中间，粗颗粒(d=12 15 mm)在上部，不同颗粒层间的接触面较为平整。另外，为了分析滑床坡度对运动过程及堆积特性的影响，斜槽坡度设置了 32及 36两种情况。本文共开展了24 组试验，单粒径 16 组，分层的多粒径 8 组，具体试验方案见表 1。图 2不同粒径试验材料Fig 2Experimental material of different particle sizes图 3滑坡体放置图Fig 3Landslide placement diagram试验开始前，将配置好的颗粒铺设在斜槽闸门后面，使滑体表面为水平面。接着，在滑槽同一侧面安装并调试 4 台录像机，相机 1 观察区域为滑槽前段，相机2 观察区域为滑槽中段，相机 3 观察区域为滑槽后段，相机 4 主观察区域为水槽段，即滑体入河堵江阶段。另外，利用高速摄像机捕获距离斜槽出口 30 cm 区域内的滑体速度。为了获得完整、连续的滑体运动过程形态与数据，相邻录像机之间确保存在有交叉的共同摄像区域，并在斜槽闸门开启前已保持开启状态。最后，提起闸门，试验开始，滑体在重力作用下发生运动，当所有颗粒进入横槽后，一组试验结束然后对堰塞体的几何参数与颗粒分布进行量测。表 1试验方案设计Tab 1Design of experiment schemes试验组坡度/()组成物质粒径/mm体积V1/L试验组坡度/()组成物质粒径/mm体积V2/L试验组坡度/()多粒径组成比例132细(d=1 2)124932细(d=1 2)2351732细 中 粗=111232中细(d=3 5)1241032 中细(d=3 5)2351832细 中 粗=211332中(d=6 9)1241132中(d=6 9)2351932细 中 粗=121432粗(d=12 15)1241232 粗(d=12 15)2352032细 中 粗=112536细(d=1 2)1241336细(d=1 2)2352136细 中 粗=111636中细(d=3 5)1241436 中细(d=3 5)2352236细 中 粗=211736中(d=6 9)1241536中(d=6 9)2352336细 中 粗=121836粗(d=12 15)1241636 粗(d=12 15)2352436细 中 粗=1122试验结果分析2 1滑体运动过程分析滑坡堵江运动过程可分为斜槽滑动阶段和入河堆积堵江阶段。本文以第 4 组试验为例介绍单粒径滑体运动过程。如图 4(a)所示，当滑体位于斜槽前段，观察到提起闸门后位于滑体底部的颗粒会率先移动并牵引滑体前缘移动，随后滑体上部迅速掉落滑下。当滑体进入斜槽中段时，由于滑槽底部在两块亚克力板拼接处形成了起伏微小的滑面，滑坡体通过时出现了颗粒碰撞飞溅的现象。当滑体进入后段，速度明显加快，飞溅现象也更加显著。其他各组单粒径滑体试验的运动过程现象与第 4组相类似，但存在些许不同。如第 1 组滑体颗粒主要贴着滑槽底部运动，在滑槽中段起伏处以及出口处的飞溅程度较弱，而第 2 组滑体在这两处的飞溅高度则更大。分层多粒径滑体以第22 组试验为例说明。其滑体运动状态与单粒径滑体相似，颗粒经过起伏滑面时也出现了飞溅、碰撞现象，出口处的飞溅以大颗粒为主，细颗粒主要沿着滑槽底板运动。同时，滑体前缘多为粗颗粒，细颗粒主要分布在滑体后缘，如图4(b)所示。图 4滑坡体运动过程Fig 4Movement process of landslide2 1 1运动时间分析将闸门提起的瞬间定为初始时刻 t=0，滑体完全滑出斜槽出口的时间视为滑坡结束时间，当出口处颗391人民长江2023 年粒呈现不连续状态作为滑坡运动结束的标志。各组滑体的滑坡运动时间如表 2 所列。表 2非黏性物质滑坡运动时间统计Tab 2Time statistics of non cohesive materiallandslide movements组号时间组号时间组号时间组号时间131972 46133 3319317227682 26142 8720324327393 46152 56212594246102 79162 4222635276112 77172 63232676269122 72183 124283如图 5(a)所示，对于单粒径滑体，当滑床坡度一定时，滑体运动时