杨 鹏,郑 光,刘 建 强,黄 金 成,刘 震 东,陈 明 浩

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

0 引 言

在中国西部山区,常有一些大型岩质滑坡失稳后在运动过程中不断解体破碎,在极强的碎屑化作用下形成高速、远程的“崩→滑→流”复合灾害体,带来毁灭性破坏,这种灾害体被称为远程滑坡-碎屑流[1-4]。与其他地质灾害相比,高速远程滑坡发生频率更低,但是因其发生突然、规模大、高速和超强的流动性等特点,造成的破坏更加严重,因此引起地质学者们的广泛关注。近年来,发生的典型碎屑流灾害有重庆武隆鸡尾山滑坡、贵州关岭大寨滑坡、四川茂县新磨村滑坡和贵州纳雍普洒村崩塌碎屑流[5-8]。高速远程滑坡运动过程中最显著的特征在于滑体物质的转变,即固态(岩崩或者岩滑)经破碎到流态(此处指碎屑流的各种似流体运动的形态和特征)[9]。

滑坡碎屑化过程中失稳岩块的破碎,及其超远的运动距离是滑坡-碎屑流的特征之一。对于碎屑流的运动距离,Heim在研究Elm滑坡时提出了碎屑流等效摩擦系数的概念(H/L的比值),以此量化碎屑流体的流动性[1]。滑源区岩体失稳下滑,在地形转折处发生撞击破碎,在摩擦作用下停积于水平处。将质心运动距离Lg定义为滑体发生破碎后地形转折处至最终堆积体质心的水平距离,最远运动距离Ls定义为地形转折处至岩体最终堆积体的最末端颗粒的水平距离。

岩块破碎过程可能受失稳块体的几何形状、地形、环境条件和滑体材料强度的影响[10]。对于失稳岩块的破碎,现有研究主要通过物理模型和数值模拟手段进行。Bowman等[11]通过离心机物理模型试验,利用煤块设置简单叠加的组合体滑块(正交组合),发现滑块的破碎程度影响着最远运动距离。Bowman等[12]利用白垩岩块和煤块的不同组合体进行模型实验,发现滑块的组合形式在破碎过程中起到一定作用,并影响着堆积物的破碎特征和运动距离。Haug等[13]通过滑槽试验,研究单个完整滑块失稳破碎对堆积物的质心运动距离影响,利用109次试验数据结合定义的参数,较好拟合出了质心运动距离与破碎程度的关系。Blasio等[14]以数值模拟为基础,从应力和能量角度分析滑块在地形转折处的爆炸性破碎现象和滑槽滑面角度的变化对滑块破碎特征的影响,推测在破碎过程中临界滑面角度的存在,使得滑块破碎过程中的动量提升,继而导致碎块运动距离明显增加。Zhao等[15]通过数值模拟手段设置不同方向节理组合,研究滑块在失稳后的破碎分布特征和粒径范围,发现规则节理(正交组合型)与倾斜节理(相交组合型)产生的破碎特征明显不同。

对于岩块的破碎研究,目前学者们多考虑完整块体或不同材料之间的组合体,而关于节理组合形式对滑块失稳下滑后的破碎特征研究较少。因此本文开展撞击破碎斜槽模型试验,通过控制变量,研究不同节理方向(水平向、竖向、横向及其组合型)是否会使滑块失稳破碎产生不同的破碎特征和运动距离。

1 斜槽试验

1.1 试验装置

本次试验采用斜槽模型,其水平段无侧向约束,主要针对常见的平面敞开型滑坡。模型主要由倾斜段和水平段两部分构成,其中,倾斜段长300 cm,水平段长400 cm,如图1所示。

图1 试验装置示意(尺寸单位:cm)Fig.1 Sketches of experimental apparatus

1.2 试验材料及其物理性质

基于前人成果[15-16],确定试验材料的配比方案如下:将400目硫酸钡、80目石英砂、抗裂石膏、羧甲基纤维素钠、自来水,按照骨料比4∶6、骨胶比50∶1、羧甲基纤维素钠含量1.0%(占骨料加胶凝材料总质量的1.0%)、拌合水量22.5%(占骨料加胶凝材料总质量的22.5%)的配比方案混合搅拌制成。其中骨料指硫酸钡和石英砂,胶凝材料指石膏;骨料比为石英砂与硫酸钡质量之比,骨胶比指骨料的总质量与石膏的质量之比。按照相同配比制成不同形状的试块分别进行模型试验和物理力学试验,部分试块如图2所示。通过力学试验获取的物理力学基本参数如下:单轴抗压强度为0.27 MPa,弹性模量E为0.122 GPa,黏聚力C为0.103 MPa,φ为42°。

图2 试验材料Fig.2 Materials of experiments

1.3 试验方案

为研究不同节理组合下岩块失稳下滑是否会产生不同的破碎特征和运动距离。试验中设置8种不同组合形式,分别在60°滑面失稳下滑,撞击底板后破碎停积。块体是通过控制相同拌合物的质量,从而得到统一体积的试样,以此来研究滑块在不同组合方式下引起的破碎和运动特征。完整试块质量为2 kg,体积为15 cm×15 cm×4 cm,强度为0.27 MPa。其中T1为单个完整块体,T8为8个完整块体,作为其它工况的对照。T2～T7是考虑相同质量、体积下,不同节理方向及其组合型对滑块失稳后破碎和运动特征的影响。T2～T8中试块之间都不存在黏结,用来模拟贯通节理面。节理的组数主要考虑1组、2组,方向为:水平向(T2)、竖向(T3)、横向(T4)、以及三者之间的组合型(T5～T7),如图3所示。

图3 试验工况(尺寸单位:cm)Fig.3 Test conditions

1.4 试验数据处理

为观察滑块破碎过程并获取相应的运动参数,通过局部的监测方法对试块的破碎过程进行记录。利用高速摄影机(帧率500 fps)进行图像采集,相机1安装于倾斜段与水平段转折处正上方,并在装置侧面设置一台高速摄像机2(帧率500 fps),用来记录滑块运动的整个过程,如图1所示。对于高速相机图像数据,选用开源软件GeoPIV进行处理分析,从而获得滑块在撞击底板后的破碎过程和运动参数。

2 试验结果及分析

2.1 不同节理条件下块体的破碎过程分析

在实际滑坡失稳过程中,不同结构形式的岩体失稳下滑会产生不同的破碎特征。本次试验设计能较好地与实际滑坡相联系,并且在实际滑坡中均能找到相似的岩体结构形式。比如2009年重庆武隆鸡尾山滑坡[5]被两组近于正交的陡倾结构面切割,形成“积木块”状的灰岩山体,其沿缓倾软弱夹层发生整体滑动,形成高速运动的碎屑流体,这与本试验中设置的两组正交组合型节理相似。2017年新磨村发生的高位远程岩质顺层滑坡[17],滑体在高速运动过程中不断发生解体破碎,以碎屑流态高速运动,最终因前缘阻挡以及能量的不断消耗逐渐停积下来,这种顺层结构与本次试验中设置的水平向节理类似。

为对8种组合的破碎过程进行分析,选取滑块下滑至底板时这一典型过程进行分析,T2、T3、T4和T5、T6、T7分别为一组节理和两组节理的不同组合形式,在同一位置失稳下滑产生的破碎特征明显不同,破碎过程如图4所示。因为节理面之间无黏结且为贯通节理面,在不考虑横向组合长度时T1与T3、T2与T6、T4与T5及T7与T8有都有着相似的破碎过程,选取T1、T2、T4、T7的破碎过程进行分析,破碎过程示意如图5所示。

图4 破碎过程Fig.4 Fragmention process

图5 部分破碎过程示意Fig.5 Schematic diagram of the fragmenting process

对于T1、T2、T3和T6,都是块体前缘与底板接触,前缘发生强烈破碎,裂缝从前延伸至后部,并在运动停积过程中逐渐解体。而T4、T5、T7和T8与底板接触后前部块体发生明显的破碎,继而又在后部块体的二次碰撞下,前部块体发生二次破碎,生成大量的细小颗粒,并为后部块体起到缓冲阻挡作用,导致后部块体停积于转折处附近,并且堆积块径一般都较大,整体的破碎程度相比于无二次碰撞的组合方式小。这说明滑块的破碎主要产生于第一次与底板撞击的瞬间,而后部块体的二次碰撞作用只是增加了前部块体的破碎程度,并为后部块体提供了“保护垫作用”,使后部块体仍然保持较大的块径和形态。这也解释了,为何在同体积不同组合下T3和T6的堆积体更破碎,变形更强烈,正是缺少了这种保护垫作用。

根据不同的接触破碎方式将滑块的破坏模式分为:撞击破碎、二次碰撞破碎、滑动摩擦破碎。从滑块的破碎程度来看,撞击破碎>二次碰撞破碎>滑动摩擦破碎。

(1) 撞击破碎指的是滑块在下滑过程中只与底板发生接触撞击,从而导致其破碎。这种破碎方式主要发生于无后部块体条件下的T1、T2、T3、T6,并且与底板的撞击是导致块体严重破碎的主要原因。滑块下滑至底板发生强烈的撞击,前缘迅速产生多条裂缝并迅速向后部延展,随后解体破碎产生大量细小颗粒。Haug[13]认为试验中块体破碎主要来自于块体撞击底板后被迫发生转向导致块体弹性弯曲,从而引起滑块拉张断裂。如图5所示T1和T2的撞击破碎过程,在滑块前缘发生剧烈变形,生成较多细小颗粒,大块径堆积体主要来自后缘块体和上部块体。这与实际滑坡失稳崩滑过程中,滑体与地形转折处或者坚硬岩层发生撞击时岩体产生破碎解体的过程类似。并且这种堆积形态与滑坡碎屑流堆积物中常见的反逆序结构[18]相似。

(2) 二次碰撞破碎指的是在前部块体与底板发生撞击作用后,又因为后部块体的存在发生二次碰撞,导致前部块体发生两次破碎生成大量小颗粒,并且为后部块体提供缓冲平台,使得后部块体破坏较小,以较完整的形态堆积于平台。二次碰撞破碎主要发生于T4、T5、T7、T8中,这与实际滑坡失稳崩滑过程中,滑体间的岩块发生相互碰撞产生破碎解体的过程类似。郑光等[18]在对四川茂县新磨村滑坡-碎屑流进行块径分析时,发现6～10 m直径的块石主要分布在堆积体后部区域,前部堆积体中含量相对较少,而小于2 m的块石整个堆积区域中几乎都存在。这说明在实际滑坡失稳过程中同样也存在保护垫效应,使得滑体破碎减小,堆积体从而能保持大的块径。在同体积不同组合下,T3和T6组合产生的破碎程度明显大于其他两种,正是因为缺少这种保护作用,使得整体破碎程度要大于其他两种,如图5中T4和T7破碎过程。

(3) 滑动摩擦破碎是由于滑块与斜槽和底板接触时因不可避免的摩擦作用,使其产生少量的破碎。与底板接触时,因为摩擦力的作用,导致滑块产生少量的颗粒,并且形成一定的滑痕,比如(图4,T3,0.32 s)。这种摩擦破坏在整个过程中都存在,但并不是引起滑块破碎变形的主要原因。该现象与现实滑坡中滑床与滑带发生的剪切破碎相似,是部分细颗粒和滑痕产生的主要原因之一。

2.2 不同节理条件下块体的破碎特征分析

由于试块强度相对于一般的岩石强度较低,破碎产生的小块体若采用振动筛分,会引起二次破碎影响试验的准确性,故本次试验采用人工测量粒径并记录质量,测量时最小的粒径定为1 cm,小于1 cm的归为一类。Hardin[19]根据颗粒试验前后分布曲线的变化,从能量角度定义了破碎势能Bp0和总破碎量Bt,进而提出了相对破碎率的概念,其表达式为Br=Bt/Bp0,并且认为粒径小于0.074 mm的细颗粒对颗粒破碎的影响不大。为了更好地量化滑块的破碎程度,本文采用相对破碎率Br来量化堆积体的破碎程度。

如图6所示,根据人工测量堆积体粒径和质量,发现滑块的堆积距离在25～250 cm之间,并占据90%以上的累积质量,而最远处往往为小碎片,累积质量不足1%。0～25 cm范围内的累积质量曲线大多呈直线较陡峭,25 cm之后则呈现出圆弧状逐渐变缓。这说明块体大粒径堆积体主要停积于转折处附近,并且块径大小向堆积物前部逐渐减小,级配范围和破碎程度逐渐增加。Zhao等[15]在其数值模拟中发现,滑块在一定滑面角度时前缘与底板发生剧烈撞击,使得前缘产生强烈变形生成大量破碎块体起到阻挡后部块体运动的作用,使得堆积体主要停积于转折处附近。大量细小颗粒也在大块体的屏障作用下堆积于转折处,导致转折处堆积体累积质量增加。

图6 堆积体不同堆积距离处颗粒质量百分比曲线Fig.6 Mass percentage curves of particles at different distances of accumulation

每次试验的堆积分布图和粒径级配曲线如图7所示。因为所有组合都是由单个滑块组成,所以只考虑每次试验堆积体的最终级配。表1为所有试验破碎特征参数的结果。

表1 破碎特征参数Tab.1 Parameters of fragmenting

图7 颗粒堆积特征和颗粒质量百分比曲线Fig.7 Depositing characteristics and mass percentage curve of particles

(1) 对于单滑块条件,如图7(a)所示T1作为参照试验,破碎主要发生在与底板撞击的时刻,堆积体主要堆积在0～0.75 m之间,粒径范围主要集中在1～15 cm之间,大块径堆积体(粒径10～15 cm)主要位于堆积距离的中部,而小颗粒(粒径1 cm)则在所有的堆积区域中均能见到。这说明滑块的破碎主要来自于转折处的撞击,小颗粒抛洒而出,而大块径堆积体受底板的摩擦作用,停积于转折处附近。

(2) 对于两滑块条件,若设置不同方向的节理面,最终产生的破碎特征也不一样。如图7(b)所示,T2在堆积图上也能见到较大块径的试块,并且粒径累积曲线明显较其他两种陡峭,相对破碎率也远低于其他两组工况。这是因为存在水平向节理使得破碎颗粒主要来自与底板发生接触的滑块,所以上部块体仅发生沿边缘的细微变形,而下部块体则出现明显破碎解体。

如图7(c)、(d) 所示,T3和T4被节理面切割后产生的块体大小一样,区别在于节理面的设置方向不同。T3粒径累积曲线相对于T4较平缓,相对破碎率大于T4。这是因为T3为竖向节理,是撞击破碎模式;而T4为横向节理,是二次碰撞破碎模式;对滑块的破碎作用上,撞击破碎大于二次碰撞破碎。通过设置不同节理方向,发现两滑块失稳下滑时产生的破碎效果和运动距离排序为:竖向(T3)>横向(T4)>水平向(T2)。

(3) 对于4滑块条件下,T5、T6与底板直接发生撞击的块体数量相同(2块),但是破碎特征却明显不同,如图7(e)、(f)所示。由于T5存在横向节理,使得其存在后部块体,从而发生二次碰撞破碎,整体破碎率和运动距离下降,并且远小于T6。T6与T7都存在水平节理面,区别在于T6为水平和竖向的组合,T7为水平和横向的组合。将两者与T3、T4的破碎特征对比,具有一定的相似性。在两组节理条件下,4滑块失稳下滑时产生的破碎效果和运动距离排序为:水平向+竖向(T6)>竖向+横向(T5)>水平向+横向(T7)。结合两滑块结果,说明竖向节理的存在具有增加破碎和运动距离的作用。

(4) 对于8滑块T8,设置3组节理(水平向、竖向和横向),其与4滑块T5的区别在于增加了水平向节理。因为横向节理的存在,分割形成了后部块体,两者都为二次碰撞破碎模式,从堆积图中发现在转折处都堆积了较大块径的堆积体,如图7(e)、(h)所示。在这种组合形式下,相比于T5,T8的破碎率和运动距离并没有增加,这是因为节理面的切割程度增加,使得滑块在失稳下滑过程中破碎率和运动距离减小,如图7(h)中所示大块体主要堆积体于转折处,运动距离相比T5明显减小,并且相对破碎率也处于一个较低值。

2.3 相对破碎率与运动距离、能量的关系

为了得到块体的运动距离与相对破碎率间的关系,将LS进行无量纲处理。

(1)

式中:LS为最远运动距离,cm;V为滑块体积,cm3。

图8为最远运动距离LS与相对破碎率Br的线。观察图8中各点的分布,最远运动距离与相对破碎率关系不是很明显,但是整体上最远运动距离随相对破碎率增大而增大。Bowman等[11]使用天然煤块,通过离心机模型实验也同样得出同样的趋势和规律。试验中假设滑块在斜槽上运动时以滑动为主,当不考虑滑块破碎和体积扩张耗能[20],按照能量守恒具有:

图8 的线Fig.8 Relation curve of

(2)

当滑块撞击底板停积后,v=0,有如下关系:

Ep=ρgVH=fL

(3)

式中:Ep为滑块的势能,J;m为滑体质量,kg;H为滑体下落高度,m;v为滑体运动速度,m/s;f为滑体与滑床之间的摩擦力,N;L为滑体运动距离,m;ρ为滑体密度,kg/m3。

因此决定滑块破碎解体最远运动距离的是其势能。滑块在转折处与底板发生碰撞从而产生碎屑化,滑块碎屑化后大部分都相对较小,并且在碰撞瞬间的能量变化难以量化。为了更好地研究滑坡冲击破碎过程中的能量耗能变化规律,使用碰撞后破碎动能Ek与势能Ep之比来分析试验中不同工况破碎能的变化情况,将计算结果列于表1。利用动能定理计算碰撞后破碎动能的公式为:

(4)

式中:m为滑块质量,kg;v0为碰撞前滑块轮廓的瞬间速度,m/s;v1为碰撞后滑块轮廓的瞬间速度,m/s;Ek为碰撞破碎动能,J。

滑块失稳下滑时破碎能占比随着相对破碎率增加而增加,破碎耗能与相对破碎率之间存在着线性关系,如图9所示。在一次完整的运动中破碎耗动能占总势能的比例越大,其破碎程度越高,粒径累积曲线趋于平缓,相对破碎率越大。这说明在实际滑坡中若因为地形因素引起的动能变化,相对应的也会形成较大的破碎能和相对破碎率。Blasio等[14]提到随着滑面角度增加,存在一个临界滑面角度使得动量提升明显,在这个角度之上,使其增加运动距离的水平动量提升5%～10%,从而影响堆积物的破碎特征和最远运动距离。当然这个临界值目前还是难以确定的,并且目前的研究也大多是根据数值计算结果来分析推测的。

图9 Ek/Ep～Br的线Fig.9 Relation curve of Ek/Ep～Br

3 讨 论

本文研究对象主要是常见的前缘开阔平面撒开型滑坡。根据各类地貌的空间分布特征,可将滑坡区自后向前划分为物源区、流通区和堆积区[21]。当物源区岩体发育有优势结构面时,其沿不同方向切割,在滑坡失稳破碎过程中可能会引起不同的破碎特征和运动距离。破碎在滑坡的运动过程中是普遍存在的现象,之前的相关研究都表明了破碎会增加滑坡堆积体的最远运动距离。本次斜槽物理模型试验主要考虑了水平向、竖向、横向节理以及组合型节理分割滑块后,不同组合对滑块失稳-堆积过程的影响。

图10 本文试验结果与Bowman试验及实际滑坡对比的曲线Fig.10 curve in this paper compared with Bowman′s test and actual landslides

斜槽试验中当滑块具有类似的节理切割方式时,其最远运动距离随着相对破碎率的增大而增大,并且对于真实滑坡也具有类似规律。说明无论是在室内小尺寸的斜槽试验中还是实际的大体积滑坡中,都具有最远运动距离随相对破碎率的增加而增加的趋势。Bowman 试验中得到的标准化最远运动距离要比斜槽试验中小得多,这是由于他的试验是在土工离心机中进行的,倾斜段长度要小于斜槽试验,同时倾斜段和堆积区域采用的是中等粗糙的砂纸,摩擦力较大,摩擦耗能增多,导致最终的运动距离要远小于斜槽试验。

4 结 论

通过开展斜槽试验研究了不同节理组合的试块在自重作用下失稳下滑的破碎特征和运动距离。利用布设的高速摄像机和人工测量的方法对不同组合滑块的破碎过程和特征进行研究,得到以下主要结论:

(1) 通过图像数据分析滑块破碎的完整过程,发现与底板发生的剧烈撞击在滑块破碎解体中起主导作用,而滑块间的碰撞则次之。根据滑块的接触破碎方式提出了三种破碎模式:撞击破碎、二次碰撞破碎、滑动摩擦破碎。

(2) 滑块破碎在高速远程滑坡碎屑化运动中起关键作用,岩块结构控制着滑体的变形、破坏特征和运动距离,对于不同节理条件下的岩块更是如此。在两滑块条件中,发现滑块失稳下滑时产生的破碎效果和运动距离排序为:竖向(T3)>横向(T4)>水平向(T2);在4滑块条件组合型节理则为:水平向+竖向(T6)>竖向+横向(T5)>水平向+横向(T7)。说明竖向节理的存在有助于滑块的破碎和运动距离的增加,但随着节理面的切割程度增加,滑块在失稳下滑过程中破碎率和运动距离会相对减小。