滑坡-碎屑流的堆積特征及機(jī)理分析*

鄭 光 許 強(qiáng) 彭雙麒

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)) 成都 610059)

0 引 言

人們對(duì)堆積特征的認(rèn)識(shí)是從水下濁流中顆粒物質(zhì)的沉積層序開(kāi)始的。水下濁流是由紊流混合一定比例的沉渣而形成的，在水環(huán)境中，微小的密度差驅(qū)動(dòng)濁流所挾帶的顆粒不斷運(yùn)動(dòng)，直到濁流的能量變小，顆粒開(kāi)始沉積。由于大顆粒的沉淀速度較大，它們首先到達(dá)底部，這樣就形成了正序分級(jí)(direct grading)堆積結(jié)構(gòu)。而研究人員在調(diào)查遠(yuǎn)程滑坡-碎屑流的堆積體時(shí)，發(fā)現(xiàn)堆積物中較大的塊石堆積于堆積體的上部，在垂直方向上呈現(xiàn)出上粗下細(xì)的顆粒結(jié)構(gòu)特征(Blasio， 2011)。這種粒徑上大下小的規(guī)律性結(jié)構(gòu)，被稱為反粒序結(jié)構(gòu)(inverse grading)。

從已查閱文獻(xiàn)來(lái)看，Heim(1932)在對(duì)Goldau滑坡-碎屑流堆積特征研究中最早發(fā)現(xiàn)了反粒序結(jié)構(gòu)。其后一系列大型滑坡的調(diào)查中都有類似發(fā)現(xiàn)，這些滑坡包括伊朗的Saidmarreh滑坡(Watson et al.，1969)，美國(guó)懷俄明州的Madison滑坡(Hadley， 1978)，美國(guó)加州的BlackHawk滑坡(Johnson， 1978)，加拿大的Frank滑坡(Cruden et al.，1986)等。在國(guó)內(nèi)，很多研究人員(許強(qiáng)等， 2009; Zhang et al.，2011； 王玉峰等， 2012)在對(duì)汶川地震觸發(fā)的大量滑坡-碎屑流進(jìn)行調(diào)查時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了反粒序結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，反粒序堆積結(jié)構(gòu)在一些泥石流堆積物中也有發(fā)現(xiàn)(Van Dine， 1985； Hungr， 2000； 周公旦等， 2013)。在這些堆積體中，大塊石或漂石顆粒多分布在表層或中上部，而越往堆積體下部，顆粒逐漸變細(xì)，到了一定的埋深，大粒徑塊石已經(jīng)很少見(jiàn)(Crosta et al.， 2007)。

Kent(1966)認(rèn)為是“圈閉空氣導(dǎo)致流體化”從而使大顆粒位于堆積體上部； Cruden et al. (1986)認(rèn)為這是由于剪切過(guò)程中的分散力和運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)所造成的； Shreve(1966； 1968)提出“氣墊層說(shuō)”； Habib(1975)等人提出“空隙流體汽化的基底潤(rùn)滑說(shuō)”； Erisman(1979)提出“巖石破碎后的自我潤(rùn)滑”導(dǎo)致小顆粒在下部； Melosh提出了“聲波流態(tài)化”觀點(diǎn)； Solonenko(1972)等人提出了“地震動(dòng)導(dǎo)致流態(tài)化說(shuō)”等。最著名的是Bagnold(1954， 1956)提出的彌散壓力說(shuō)，他發(fā)現(xiàn)被運(yùn)動(dòng)顆粒之間會(huì)產(chǎn)生一種彌散壓力，其與剪切速率，以及顆粒的半徑的平方成正比，從而將碎屑流中的大顆粒推舉到堆積體的上部。

本文通過(guò)開(kāi)展滑槽試驗(yàn)，對(duì)碎屑流的顆粒分選過(guò)程進(jìn)行重現(xiàn)分析，并定量化地分析堆積體中不同厚度、不同運(yùn)動(dòng)距離處大粒徑顆粒的含量，以期獲取碎屑流堆積體中塊石的宏觀分布規(guī)律。再結(jié)合滑坡-碎屑流實(shí)例，對(duì)堆積特征的成因機(jī)理進(jìn)行分析研究。

圖 1 滑槽試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Perspective view of the chute with 30°inclination anglea. 滑槽整體結(jié)構(gòu)圖； b. 滑槽擋板操作示意圖； 1. 滑槽前擋板; 2. 滑槽后擋板; 3. 滑槽底板; 4. 圓弧轉(zhuǎn)角; 5. 閘門(mén); 6. 閘門(mén)上部空間

1 碎屑流物理模擬試驗(yàn)

1.1 滑槽試驗(yàn)裝置

為開(kāi)展碎屑流試驗(yàn)，作者設(shè)計(jì)了一套有機(jī)玻璃滑槽裝置(圖 1)。整個(gè)滑槽分為傾斜段、轉(zhuǎn)角段和水平段3部分。其中，傾斜槽段長(zhǎng)140icm，傾斜角30°； 水平滑槽長(zhǎng)170icm； 圓弧段轉(zhuǎn)角半徑為255imm； 滑槽橫截面尺寸為20icm×20icm。當(dāng)傾斜滑槽上部的閘門(mén)打開(kāi)時(shí)，碎屑體被釋放。閘門(mén)上部空間的體積為20icm×20icm×20icm。圖 2為滑槽實(shí)物照片。

圖 2 滑槽試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig. 2 Picture of the chute test device

為觀測(cè)大粒徑顆粒在碎屑流剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的遷移規(guī)律，需使碎屑流速度足夠大(Bagnold， 1956)，故滑槽底面采用光滑的有機(jī)玻璃。

1.2 試驗(yàn)材料及其物理性質(zhì)

采用體積1000icm3、粒徑7.5imm的大石英砂顆粒和體積2000icm3、粒徑1.0imm的小石英砂顆粒的混合材料開(kāi)展試驗(yàn)(圖 3)。顆粒材料的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 1。本次試驗(yàn)沒(méi)有考慮顆粒材料與滑槽側(cè)壁的摩擦系數(shù)。

圖 3 試驗(yàn)材料展示圖Fig. 3 Samples of the quartz granular materialsa. 1.0 mm; b. 7.5 mm

表 1 石英砂顆粒材料性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Material constants of quartz granular materials

表中，d為顆粒的平均粒徑；lmax為材料樣本中顆粒的最大長(zhǎng)度；ρ0為顆粒材料的密度；ρb為顆粒材料的堆積密度使用美國(guó)IDT公司的IDT-OS10-4K UlTRA HD高速數(shù)字相機(jī)進(jìn)行拍照，拍照幀率為300ifps，即每2幀照片間隔1/300is。據(jù)相關(guān)研究(Bagnold， 1956)，選擇觀測(cè)斜槽中下部顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖 4 碎屑顆?；旌喜牧厢尫徘盃顟B(tài)Fig. 4 Initial condition of mixed quartz granular materials before released

1.3 斜槽中混合顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

試驗(yàn)前，將混合顆粒放置在擋板上部(圖 4)。擋板打開(kāi)后，顆粒體沿底板滑下。試驗(yàn)結(jié)束后，選取碎屑顆粒進(jìn)入平穩(wěn)流動(dòng)階段(約0.05is)的圖像進(jìn)行分析，每2幀照片選取1張展示在圖 5中。受圖像像素限制，大顆粒較明顯，小顆粒則較模糊。具體過(guò)程描述如下：

(1)當(dāng)混合顆粒進(jìn)入平穩(wěn)流動(dòng)階段時(shí)(圖 5a)，很多大顆粒已位于流體表面。此時(shí)的相對(duì)時(shí)間點(diǎn)是(258/300=0.860i000)s，顆粒a和b混合在流體中，且恰好在表面露出，下滑速度(x方向，圖 6)：va=1.75 m·s-1，vb=1.40 m·s-1。

(2)顆粒a在(262/300)is時(shí)刻到達(dá)流體表面(但未脫離)； 至(264/300)is，其與細(xì)顆粒體(淺色)之間沒(méi)有了陰影的聯(lián)結(jié)，說(shuō)明顆粒a已脫離細(xì)顆粒體表面。相較于(258/300)is時(shí)刻，顆粒a在x方向運(yùn)動(dòng)了約3.3icm。此后，顆粒a逐漸遠(yuǎn)離淺色流體； 至(268/300)is，仍處于上升階段。在(270/300)is時(shí)刻，顆粒a開(kāi)始下降； 到(272/300)s時(shí)，顆粒a進(jìn)入滑槽轉(zhuǎn)角段。這一段已堆積了大量的碎屑體，顆粒a很快停積在已有堆積體上。

圖 5 不同粒徑混合顆粒流體在斜槽中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig. 5 Series of snapshots of mixed quartz granular materials moving down the chute圖中箭頭所指為跳躍運(yùn)動(dòng)較明顯的石英砂顆粒

(3)顆粒b在(260/300)s時(shí)刻到達(dá)流體表面； 至(262/300)is完全脫離顆粒流，其頂部在y方向刻度達(dá)到1.5icm，此時(shí)，vb=1.56m·s-1。至(264/300)is，顆粒b頂部在y方向達(dá)到1.8icm刻度； 至(266/300)is，其頂部在y方向仍然在1.8icm刻度附近(圖 5e)； 兩個(gè)時(shí)刻的坐標(biāo)近似，說(shuō)明顆粒b在兩個(gè)時(shí)刻之間達(dá)到位移最大值，(264/300)is時(shí)刻位于上升階段，(266/300)is時(shí)刻位于下降階段。至(268/300)is，顆粒b落回流體中，并停滯在流體表面。此后，顆粒b在流體表面沿x方向運(yùn)動(dòng)，y方向位移變化較小。

(4)顆粒c在(268/300)is時(shí)刻從顆粒流體中顯露出來(lái)； 在(270/300)is時(shí)刻，其頂部在y方向達(dá)到1.6icm刻度； (272/300)is時(shí)刻，頂部y向刻度達(dá)到1.8icm。

圖 6所示為顆粒a和顆粒b在x方向的速度，可以看到它們?cè)谔S階段的速度值均在1.50～1.70im·s-1之間。這些速度值是通過(guò)跟蹤顆粒上游邊界的位移后換算得到的。

從碎屑流體中大顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程(圖 5)和沿x方向的速度變化(圖 6)，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在快速運(yùn)動(dòng)的斜槽流體中，小粒徑顆粒在流體下部沿有機(jī)玻璃底面平穩(wěn)流動(dòng)，而大粒徑顆粒不斷地從平穩(wěn)層流中躍起，又落下。說(shuō)明伴隨著顆粒流的剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)垂直于x方向的力(Py)，該力將大粒徑顆粒從流體下部推到上部，并將其拋起。

(2)大粒徑顆粒跳躍過(guò)程僅在斜槽中下段才能夠被明顯觀察到。說(shuō)明只有當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定值后，產(chǎn)生的法向力(Py)才能夠克服顆粒重力，將其拋起。

(3)大粒徑顆粒上移后遺留下來(lái)的空間被細(xì)顆粒占據(jù)，且由于小顆粒的粒徑遠(yuǎn)小于大顆粒體的空隙尺寸，這會(huì)使小顆粒在重力作用和滑移振動(dòng)的雙重作用下，主動(dòng)沿大顆粒之間的縫隙運(yùn)動(dòng)到混合粒徑流體的底部，造成小顆粒主要分布在流體下部，而大粒徑顆粒逐漸向上層聚集。

圖 6 跳躍顆粒x方向的速度曲線Fig. 6 Evolution of the speed in x direction of particle a and particle ba、b分別表示圖 5、圖6中跳躍石英砂顆粒a和b的運(yùn)動(dòng)速度

2 不同粒徑混合體斜槽流的堆積特征

試驗(yàn)結(jié)束后的堆積體形態(tài)如圖 7所示，其中圖 7a是堆積體正視圖，圖 7b是側(cè)視圖?？梢钥吹剑?/p>

圖 7 粒徑混合顆粒的堆積特征Fig. 7 Depositing characteristics of grains of different size材料共計(jì)3 L，其中， 7.5imm石英砂顆粒， 1000icm3； 1.0imm石英砂顆粒， 2000icm3； a. 堆積體正視圖； b. 堆積體側(cè)視圖

(1)堆積體總長(zhǎng)約56icm(表面斜長(zhǎng))，前緣位于水平槽段，后緣位于傾斜槽段。其中位于水平槽段的堆積體長(zhǎng)約24icm，約占總長(zhǎng)度的43%。

(2)從正視圖看(圖 7a)，堆積體6～23icm刻度段大粒徑顆粒分布密度較高； 其次是44～54icm刻度段。在23～44icm區(qū)段，大粒徑顆粒的分布密度較小，但比較均勻。

(3)在堆積體后部，即2～6icm刻度段，存在一個(gè)小顆粒區(qū)，區(qū)內(nèi)無(wú)大顆粒； 在堆積體前部，即54～58icm刻度段，存在一個(gè)大粒徑顆粒稀少區(qū)。

(4)從側(cè)視圖(圖 7b)可知，小粒徑顆粒主要分布于堆積體下部，而大粒徑顆粒主要分布于堆積體的中上部及表面，大顆粒間隙由小粒徑顆粒填充。

圖 8 堆積體分解示意圖Fig. 8 Details of the separating arrangement of accumulation

為獲得堆積體內(nèi)部大顆粒的空間分布規(guī)律，開(kāi)展12組滑槽試驗(yàn)，其中， 6組試驗(yàn)堆積體如圖 8a所示等厚分層分析，上下共分5層； 6組試驗(yàn)堆積體如圖 8b所示等距分段分析，前后分6段，每段長(zhǎng)9～10icm。然后篩分并稱重，計(jì)算大顆粒在不同層位和段位的質(zhì)量百分比，繪制大顆粒質(zhì)量百分比曲線(圖 9)。以此來(lái)分析堆積體的粒序堆積特征：

圖 9 堆積體不同位置大顆粒質(zhì)量百分比曲線Fig. 9 Mass percentage curve of large particles in different arrangement of accumulationa. 不同層位大顆粒質(zhì)量百分比曲線; b. 不同區(qū)段大顆粒質(zhì)量百分比曲線

(1)在垂向(Y向)上，越往下7.5imm粒徑顆粒的含量越低(圖 9a)。第1層大顆粒質(zhì)量百分比達(dá)到55.06%～64.41%，在最底層(第5層)大顆粒的質(zhì)量百分比僅為5.47%～8.67%，相差近8～10倍，差異顯著。

(2)在滑移方向(X向)上，堆積體后部a區(qū)段和b區(qū)段大顆粒的質(zhì)量百分比最大，分別為42.86%～50%和38.52%～45.45%； 越向前，大顆粒含量越小，至e區(qū)段出現(xiàn)一個(gè)小增長(zhǎng)(圖 9b)。這樣，在X方向上，大顆粒質(zhì)量百分比曲線呈現(xiàn)后高前低的雙峰形態(tài)。

(3)大粒徑顆粒在垂向的分布規(guī)律印證了碎屑流堆積體中的反粒序分級(jí)結(jié)構(gòu)，但其在滑移方向的雙峰形分布規(guī)律則需要進(jìn)一步在碎屑流實(shí)例中進(jìn)行驗(yàn)證。

3 巖質(zhì)滑坡-碎屑流堆積體塊石粒徑分布實(shí)例

碎屑流堆積體中存在的反粒序結(jié)構(gòu)已在眾多案例中被證實(shí)(王玉峰等， 2012)，本節(jié)主要用實(shí)例對(duì)堆積體中存在的大塊石含量雙峰形分布特性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.1 貴州納雍普灑村崩塌-碎屑流塊徑分析

圖 10所示為貴州納雍縣普灑村崩塌-碎屑流(簡(jiǎn)稱普灑村崩塌， 2017年8月28日發(fā)生)的無(wú)人機(jī)正射影像圖(鄭光等， 2018)。沿碎屑流運(yùn)動(dòng)方向，由崩塌后緣130im處開(kāi)始(此處為堆積體后緣邊界，向后為基巖陡坡，坡表無(wú)堆積殘留)，每隔50im劃出1個(gè)寬100im的區(qū)域，共得13個(gè)區(qū)域，編號(hào)A1～A13。分別對(duì)13個(gè)區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)的塊石粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖 10 普灑村崩塌碎屑流塊石統(tǒng)計(jì)分區(qū)Fig. 10 Aerial image of Pusacun rock avalanche which isdivided into 13 areas for grain statistic

受航拍圖片分辨率限制(可分辨最小塊徑為0.25im)，將每個(gè)分區(qū)的顆粒直徑以2im間隔分為6個(gè)范圍(<2im， 2～4im， 4～6im， 6～8im， 8～10im，大于10im)，取左開(kāi)右閉區(qū)間統(tǒng)計(jì)每個(gè)粒徑范圍內(nèi)塊石的數(shù)量，計(jì)算不同粒徑等級(jí)塊石在各區(qū)域所占比例，繪制直方圖(圖 11)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可以看到：

(1)堆積體上部主要以大于1im的塊石為主，泥土等極細(xì)粒和細(xì)粒位于堆積體下部。

(2)對(duì)于小于2im的塊石，堆積體后部的A1、A2區(qū)含量較多，而A3區(qū)、A4區(qū)和A5區(qū)小粒徑較少； 從A3區(qū)開(kāi)始越往堆積體前部，小顆粒在堆積塊石所占的比例增加。2im以下的塊石占比，A3區(qū)最低，含量為36.61%。

(3)對(duì)比圖 11中a～di4張不同粒徑塊石含量柱狀圖，小于2im的塊石含量在A3、A4區(qū)出現(xiàn)小值(鞍部)，而兩端含量較高； 2～4im的塊石含量在A8區(qū)間附近出現(xiàn)小值(鞍部)； 4～10im塊石含量小值(鞍部)出現(xiàn)在A7區(qū)附近，A4區(qū)和A8區(qū)分別是其峰值區(qū)。

(4)堆積體中2～4im粒徑的塊石含量與小于2im的塊石含量的變化趨勢(shì)相反，但均具有雙峰形分布形態(tài)。

總體來(lái)說(shuō)，粒徑大于4im的塊石含量少，構(gòu)成普灑村崩塌堆積體宏觀骨架的粒徑區(qū)間為2～4im，該粒徑區(qū)間的塊石含量分布(圖 11b)具有明顯的雙峰形態(tài)。

3.2 四川茂縣新磨村滑坡-碎屑流塊徑分析

受圖像分辨率限制(可分辨最小塊徑0.6im)，將每個(gè)分區(qū)的顆粒直徑間隔2im分為6個(gè)范圍，取左開(kāi)右閉區(qū)間統(tǒng)計(jì)每個(gè)粒徑范圍內(nèi)塊石的數(shù)量，并計(jì)算不同粒徑等級(jí)塊石在各區(qū)域所占比例，繪制如圖 13所示直方圖?？梢钥吹剑?/p>

圖 11 不同粒徑等級(jí)在普灑村崩塌-碎屑流各區(qū)域所占比例Fig. 11 Deposit particle size distributions in different areas of Pusacun rock avalanche

圖 12 新磨村滑坡-碎屑流體分區(qū)示意圖Fig. 12 Aerial image of Xinmocun landslide which isdivided into 45 areas for grain statistic

圖 13 不同粒徑等級(jí)在新磨村滑坡-碎屑流各區(qū)域所占比例Fig. 13 Deposit particle size distributions in different areas of Xinmocun landslide

(1)堆積體后部A1～A3區(qū)小于2im的塊石含量超過(guò)50%，由圖 13可知，該區(qū)域中大塊石極少，主要為因粒徑太小而無(wú)法分辨的白區(qū)。

(2)小于2im的塊石，A1區(qū)含量最高，然后開(kāi)始逐漸降低，至A11區(qū)時(shí)降低到谷底，在A12～A22區(qū)之間有回升，但基本處于20%～30%之間； 至A23區(qū)后，含量開(kāi)始劇增，至堆積體最前部達(dá)到峰值，約為65%。

(3)2～4im區(qū)間及4～6im區(qū)間的塊石含量變化趨勢(shì)相近，且與小于2im的塊石含量變化趨勢(shì)相反。2～6im塊石含量在A11區(qū)域達(dá)到第1個(gè)峰值，在A12～A22區(qū)域則在高含量值附近做小趨勢(shì)變化，在A30區(qū)附近達(dá)到小值(鞍部)，其后含量又開(kāi)始回升。整個(gè)趨勢(shì)呈一個(gè)雙峰形(圖 13b、圖 13c)，只是第2個(gè)峰值較小。

(4)對(duì)于6～10im直徑的塊石(圖 13d)，主要分布在堆積體上部的A4～A25區(qū)域，前部堆積體中含量相對(duì)較少，A40區(qū)以后甚至已經(jīng)沒(méi)有了。

(5)大于10im的大塊石的最少，主要分布在A4～A23區(qū)和A35～A43區(qū)，每個(gè)區(qū)只有1～2塊。A24～A34之間的10個(gè)區(qū)域無(wú)大于10im塊石。

圖 14 碎屑流堆積體中大塊石分布模式圖Fig. 14 Conceptual models of particle distribution in accumulation of granular flowa. 大塊石沿滑移方向分布模式曲線； b. 大塊石在堆積體中的分布特征圖； c. 大塊石沿堆積體深度的分布模式曲線

經(jīng)分析可知，大于2im的塊石的含量分布形式，從堆積體后部至前部，都呈雙峰形態(tài)，且第1個(gè)峰值大于第2個(gè)峰值，堆積體中部的大塊石含量最低。這與滑槽試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。堆積體中大塊石含量分布模式圖如圖 14所示。

4 碎屑流物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中的分選成因分析

滑坡-碎屑流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理是非常復(fù)雜的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前約有4大類20余種碎屑流運(yùn)動(dòng)機(jī)理模型(鄭光， 2018)。基于碎屑流滑槽試驗(yàn)研究和實(shí)例堆積體塊石分布分析，作者認(rèn)為是彌散應(yīng)力和振動(dòng)篩分以及兩者相互耦合作用形成了堆積體中的反粒序和雙峰型分布特征。其中，彌散應(yīng)力來(lái)自于顆粒流內(nèi)部顆粒間的相互碰撞和剪切作用，而振篩作用的動(dòng)力來(lái)源為碎屑流滑移區(qū)不規(guī)則起伏引起的碎屑體振蕩，以及由粒徑差異造成的動(dòng)量不均衡碰撞。

4.1 彌散應(yīng)力的作用

由于顆粒流是一種比較特殊的兩相流，顆粒之間的碰撞作用占優(yōu)勢(shì)，而流體相的影響則可忽略。這樣，碎屑流的應(yīng)力可以由3部分組成(王光謙， 1989)，即：

τtotal=τcoulomb+τdispersive+τcollision

其中，τcoulomb為庫(kù)侖摩擦力，與顆粒受到的剪切速率無(wú)關(guān)，為顆粒間的連續(xù)接觸力，僅在很低的剪切速度和近乎密實(shí)的高濃度條件下才占主要作用，在高剪切速率和低顆粒濃度條件下，庫(kù)侖摩擦力可忽略不計(jì)，故在碎屑流運(yùn)動(dòng)中可不考慮τcoulomb項(xiàng)的影響。τcollision是碎屑顆粒間的碰撞作用力。τdispersive指彌散應(yīng)力，是由于顆粒做彌散運(yùn)動(dòng)發(fā)生位置交換而引起動(dòng)量交換所產(chǎn)生的。這3種力隨顆粒不同的運(yùn)動(dòng)條件而相互消長(zhǎng)。

對(duì)于彌散壓力在碎屑遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中的作用，Bagnold(1956)發(fā)現(xiàn)彌散壓力與剪切速率，以及顆粒的半徑的平方成正比，也就是說(shuō)當(dāng)碎屑流的剪切速率越大，彌散壓力越大； 顆粒的半徑越大，受到的彌散壓力越大。具體函數(shù)表達(dá)如式(1)。

(1)

這里，R是顆粒的半徑，d是顆粒之間的平距距離，φ是速度矢量相對(duì)于垂直方向的夾角，λ=2R/(d-2R)是顆粒的線性濃度，C是0.5階的幾何因子，U是剪切運(yùn)動(dòng)速度，ρ是顆粒流的密度。PN是垂直于流向的，τ是由顆粒碰撞引起的剪應(yīng)力。

當(dāng)由顆粒碰撞剪切形成彌散壓力PN大于顆粒的重力時(shí)，會(huì)將顆粒推到高速運(yùn)動(dòng)的流體表面，圖 5就展示了這一過(guò)程。

4.2 振動(dòng)篩分

在熱力學(xué)體系中，任何物質(zhì)都會(huì)朝著能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。對(duì)于密度相近的巖石碎屑物質(zhì)來(lái)說(shuō)，混合體系中存在著粒徑大小不一的顆粒，當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)，其相對(duì)分布狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。一旦該體系受到外力的作用，小顆粒就具有沿重力方向向大顆?？p隙運(yùn)動(dòng)，并將其填滿的趨勢(shì)，最終小顆粒填滿大顆粒下部，并開(kāi)始支撐大粒徑顆粒，直至達(dá)到系統(tǒng)均勻分布的平衡狀態(tài)。

另有研究者通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在垂向振動(dòng)過(guò)程中顆粒體內(nèi)形成了一個(gè)對(duì)流的垂向循環(huán)(Umbanhowar et al., 1998)，容器中心的顆粒向頂部移動(dòng)，然后向外擴(kuò)散后從容器壁附近下降。由于小顆粒的推動(dòng)，大粒徑顆粒漂移到頂部，在這里大顆粒由于尺寸太大而被困住而不再受到下降對(duì)流的影響。通過(guò)調(diào)整振動(dòng)頻率，可以在試驗(yàn)顆粒體中形成數(shù)量不一的垂向循環(huán)(鄭文， 2013)。

總之，外部的振動(dòng)作用使碎屑流顆粒發(fā)生了分聚現(xiàn)象。對(duì)于崩塌-滑坡-碎屑流來(lái)說(shuō)，碎屑流體在遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到沿途崎嶇不平的地形影響，與河谷岸坡不斷地發(fā)生碰撞和剪切作用，引起內(nèi)部的巖石塊體之間不斷的相互摩擦、碰撞和振動(dòng)，形成一系列發(fā)振位置和方向都隨機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)源。這一過(guò)程使滑坡體自身所具有的勢(shì)能和動(dòng)能不斷地向內(nèi)部振動(dòng)能轉(zhuǎn)化，使得碎屑體不斷地受到振動(dòng)篩分和振動(dòng)對(duì)流的作用，從而形成上大下小的反粒序堆積結(jié)構(gòu)。

圖 15 碎屑流體前部停積過(guò)程模式圖Fig. 15 Schematic diagram of processes at work by kinematic sieving

在流體的前鋒位置碎屑體最先停積，大粒徑顆粒在慣性作用下多匯聚在堆積體前部，使其百分比含量較高(圖 15)； 而尾端碎屑體由于處于碎屑流的停積階段，厚度較薄，且多為單顆粒層運(yùn)動(dòng)，粒徑間隙大，使小粒徑顆粒在重力和振動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)到流體下部，造成大塊石多分布在碎屑流堆積體后部表層，從而使碎屑流堆積體中大塊石的分布沿滑移方向具有雙峰分布規(guī)律。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)開(kāi)展滑槽試驗(yàn)研究了碎屑流堆積體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對(duì)2處碎屑流實(shí)例的堆積體做了大塊石含量分析，研究了大粒徑塊石的分布規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

(1)開(kāi)展碎屑流滑槽試驗(yàn)，利用高速相機(jī)觀測(cè)了大粒徑顆粒在碎屑流剪切運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的遷移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在粒徑混合流體中，大粒徑顆粒會(huì)逐漸向流體表面運(yùn)動(dòng)并做跳躍運(yùn)動(dòng)，以脫離“流體”表面。作者認(rèn)為這是顆粒所受的彌散壓力在克服顆粒重力作用后的宏觀表現(xiàn)。加之碎屑流運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)篩分作用，使小顆粒沿大顆粒之間的縫隙向下滑落，共同作用形成了碎屑流堆積體中的反粒序堆積結(jié)構(gòu)。

(2)通過(guò)分析堆積體中大顆粒含量，發(fā)現(xiàn)停積的堆積體不僅在深度方向上存在反粒序結(jié)構(gòu)特征，在滑移方向上大顆粒的含量分布具有雙峰形態(tài)特征。這兩種堆積特征在茂縣新磨村滑坡和納雍普灑村崩塌堆積體的塊石分布規(guī)律中得到驗(yàn)證。

(3)通過(guò)研究顆粒的停積過(guò)程，發(fā)現(xiàn)前鋒位置的碎屑體最先停積，使大粒徑顆粒在慣性作用下多匯聚在堆積體前部，使其含量較高； 而尾端碎屑體由于處于碎屑流的停積階段，厚度較薄，且多為單顆粒層運(yùn)動(dòng)，粒徑間隙大，使小粒徑顆粒在重力和振動(dòng)作用下運(yùn)動(dòng)到流體下部，造成大塊石多分布在堆積體后部表層，從而使碎屑流堆積體中大塊石的分布沿滑移方向具有雙峰形態(tài)。

碎屑流在遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其內(nèi)部顆粒間的相互作用是非常復(fù)雜的，且滑體受到運(yùn)動(dòng)路徑上底滑面凹凸不平的碰撞-激振作用，使得碎屑流體與下伏滑床之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的振動(dòng)力和空氣壓力，所以很多學(xué)者不僅在研究碎屑體的堆積特征(許強(qiáng)等， 2016； 王畯才等， 2017)，還在研究碎屑體的氣墊效應(yīng)(殷躍平等， 2012)、觸變液化效應(yīng)、含水碎屑體基底不排水剪切的雪橇模型(Sassa， 2000)等。這些效應(yīng)或特性難以在某一個(gè)碎屑流模型試驗(yàn)中完全重現(xiàn)，F(xiàn)riedman et al.(2006)認(rèn)為，雖然常規(guī)模型試驗(yàn)?zāi)軌蚰M滑坡-碎屑流的一些特征，例如堆積物的形狀等，但是卻在模擬它的高速遠(yuǎn)程效應(yīng)機(jī)制方面有很大局限性。因?yàn)樗樾剂鞯幕啄Σ亮p小所需的邊界條件或者所需的碎屑物質(zhì)體積、壓力等條件都是普通物理模型試驗(yàn)所無(wú)法模擬的。因此，本文所開(kāi)展的試驗(yàn)僅僅是反映了干碎屑流在遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)后的堆積特征，并得到了兩個(gè)實(shí)例的驗(yàn)證。作者用彌散應(yīng)力和振篩作用對(duì)上述特征的成因進(jìn)行了解釋，但是哪一個(gè)是主要作用，哪一個(gè)只是輔助，還需要在后續(xù)研究中進(jìn)行深入探討。