謝湘平 王小軍 王瑩瑩 李亞倩 秦旭洋 徐 舒

(安陽工學院，土木與建筑工程學院，安陽 455000，中國)

0 引 言

根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計數(shù)據(jù)，滑坡是形成堰塞壩的主要原因(Costa et al.，1988；石振明等，2014；年廷凱等，2018)?；卵呷麎渭瓤梢远氯蠼蠛?，也可以堵塞普通溝道。地震往往誘發(fā)大量滑坡并形成大規(guī)模堵河型堰塞壩，如唐家山堰塞壩、紅石巖堰塞壩等(胡卸文等，2009；李守定等，2010；劉健康等，2016)。堵河堰塞壩在上游攔截河水形成大規(guī)模堰塞湖，穩(wěn)定性差，對周邊區(qū)域及下游群眾的生命財產(chǎn)帶來極大的威脅。例如，唐家山堰塞壩形成后29d發(fā)生潰決，迫使下游20萬人撤離(Shi et al.，2015)；金沙江白格堰塞壩3d內(nèi)潰決，影響下游500余公里，迫使2.5萬人撤離(Fan et al.，2019)。而存在于山區(qū)溝道中的眾多中小型堵溝堰塞壩也可能帶來不良的災(zāi)害效應(yīng)。研究表明，在一定的來流條件下，溝道中的堰塞體會發(fā)生級聯(lián)潰決效應(yīng)，產(chǎn)生潰決型泥石流(Zhou et al.，2013)，形成滑坡-堰塞壩-潰決型泥石流災(zāi)害鏈，如2010年平武縣唐房溝泥石流(柳金峰等，2010)、2013年7月汶川七盤溝泥石流(覃浩坤等，2016)等。因此，對滑坡堰塞體的穩(wěn)定性進行分析和評估對滑坡-堰塞壩-泥石流災(zāi)害鏈的識別和減災(zāi)工作具有重要的意義。

堰塞壩穩(wěn)定性的影響因素眾多(Costa et al.，1988; 劉懷湘等，2011；劉漢冬等，2013；單熠博等，2020)，其中：堰塞體的物質(zhì)組成分布特征與結(jié)構(gòu)特征為主要的內(nèi)在因素，決定了壩體的滲透性和力學特性，從而決定了堰塞壩的穩(wěn)定性及潰決模式(王兆印等，2010)。目前，關(guān)于滑坡碎屑流堆積特征主要通過調(diào)查統(tǒng)計、室內(nèi)模型試驗及數(shù)值模擬等手段展開研究。Casagli et al.(2003)通過對42個滑坡堰塞壩進行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)堰塞壩體組成材料的顆粒級配存在雙峰值的現(xiàn)象，中值粒徑D50不能作為顆粒級配的代表值。Chang et al.(2011)通過對東河口堰塞壩和紅石河堰塞壩的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堰塞壩體材料的顆粒級配、孔隙率、塑性指數(shù)等參數(shù)隨深度方向有明顯差異。雷先順等(2016)通過室內(nèi)模型試驗，研究了無黏性土堆積體在無側(cè)限條件下沿斜面的滑動和堆積運動過程，認為坡體體積、顆粒粒徑、坡高、啟動區(qū)坡度等因素對滑坡碎屑流的堆積范圍和形態(tài)均有影響。王畯才等(2017)通過物理實驗?zāi)M了無黏性顆粒堆積于平坦無限制地面的情況，初步探討了坡體物源分布與堆積體分布之間的關(guān)聯(lián)性。彭雙麒等(2018，2019)通過圖像識別系統(tǒng)PCAS統(tǒng)計了普灑村崩塌碎屑流堆積物的表面物質(zhì)粒度分布特征。鄭光等(2019)通過現(xiàn)場調(diào)查及模擬試驗研究了滑坡碎屑流自由堆積體橫向和垂向上的物質(zhì)分布。趙高文等(2019)基于DEM研究了溝道斷面形態(tài)、滑坡速度、溝床坡度等對堰塞壩橫向、縱向幾何形態(tài)產(chǎn)生的影響。Zhou et al.(2019a，2019b)通過模型試驗和數(shù)值模擬研究了滑坡碎屑流的堆積形態(tài)與分布規(guī)律，分析了滑坡距離、方量對堆積體形態(tài)的影響。潘青等(2020)基于EDEM研究了流槽坡度、攔擋結(jié)構(gòu)角度以及顆粒級配對碎屑流運動過程及沖擊性能的影響。

上述研究表明，滑坡堆積體的物質(zhì)組成分布不均勻，形態(tài)結(jié)構(gòu)也受到多方面因素的影響。在自然界中，滑坡堰塞壩的形成往往具有突發(fā)性、難到達性，因此，很難及時直接獲知堰塞體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成(王光謙等，2015)。如果能將源區(qū)失穩(wěn)坡體的特征與堰塞體的物質(zhì)組成分布特征和形態(tài)特征等堆積特征聯(lián)系起來，則可通過源區(qū)坡體特征來快速識別堰塞體堆積特征，為堰塞體穩(wěn)定性的快速評估和決策提供依據(jù)。因此，本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，通過物理模型試驗，重點探討不同坡體特征條件下滑坡的動力過程及形成堰塞體條件下的堆積特征，在此基礎(chǔ)上進一步分析坡體特征與堰塞體堆積特征之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗?zāi)Ｐ团c裝置

根據(jù)黃潤秋(2007)總結(jié)的20世紀我國典型滑坡，結(jié)合近年發(fā)生的典型滑坡如大光包滑坡、唐家山滑坡、金沙江白格滑坡等數(shù)據(jù)(黃潤秋等，2008；李守定等，2010；馮文凱等，2019)，得出典型滑坡相關(guān)數(shù)據(jù)的范圍如表1所示。選取長度比尺λL=1︰500，體積比尺λV=1.25×108，模型與原型相關(guān)數(shù)據(jù)對照見表1。據(jù)此，設(shè)計滑坡試驗裝置，如圖1所示。

表1 試驗參數(shù)取值依據(jù)(長度比尺1︰500)Table 1 The basis of parameter values for model tests(length scaling 1：500))

考慮到裝置的安全及可操作性，坡體高度及滑體體積適當減小。因原型數(shù)據(jù)均來自有詳細記載的超大型滑坡，自然界還存在更多規(guī)模相對較小的滑坡

該裝置分為啟動段、滑動段和堆積段3部分。啟動段模擬滑源區(qū)，由滑坡后壁、兩側(cè)側(cè)壁和可旋轉(zhuǎn)的底板組成，滑坡后壁坡度50°，側(cè)壁高100cm，底板長80cm，寬67cm，旋轉(zhuǎn)板坡度可調(diào)。旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)至設(shè)計角度后作為啟動段滑面與滑動段相連?；瑒佣螢槲锪霞铀龠\動區(qū)，斜長230cm、寬77cm、高30cm，坡度30°。堆積段設(shè)置為溝道，長400cm，高30cm，寬26.5cm，目的是為了形成堰塞體。其中：遠離滑動段一側(cè)安裝透明玻璃板，并以5cm為間隔畫上刻度線，以便觀察縱剖面形態(tài)。分別在啟動段、滑動段和堆積段設(shè)置攝像機，拍攝坡體啟動、運動和堆積過程。

1.2 試驗方案與材料

本研究主要探討坡體物質(zhì)組成與分布特征對堰塞壩的形態(tài)特征與物質(zhì)組成分布特征的影響。坡體材料采用粗礫石(20～40mm)、中礫石(5～10mm)和細砂(0.1～0.5mm)3種不同粒徑的顆粒組成(圖2)，各物料休止角分別為45.6°、36.3°和34.9°。每種材料各20kg，將粗礫石進行三等分，分別噴涂紅、綠、藍噴漆，待噴漆完全干透后使用，以便進行示蹤分析。

坡體材料分布特征包括物料均勻混合和不同物料分層分布。其中：分層情況又根據(jù)巖土層層面與滑面的關(guān)系分為巖土層與滑面平行(簡稱平行坡體)和巖土層與滑面斜交(簡稱斜交坡體)兩種工況，如圖3所示。

同時，在分層情況下又進一步探討了不同層序的影響，以1、2、3代表層位號，改變不同層位上物料的種類即可獲得巖土層不同的層序。為了實現(xiàn)上述兩種分層坡體模型的堆置，首先將旋轉(zhuǎn)板固定在水平位置，分別按圖4a、圖5a所示的方式堆置坡體模型，不同物料層面與旋轉(zhuǎn)板的夾角即為各物料的休止角，再通過旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)到固定坡度后形成平行與斜交特征的坡體。

不同坡體特征下示蹤粒子的放置也不同，平行坡體中示蹤粒子分為橫向分布與縱向分布(圖4b)；斜交坡體中示蹤粒子分布方式為橫向與垂向(圖5b)，不同坡體特征的試驗工況如表2所示。

項目劃分工作要先進行初步規(guī)劃方案，后進行實施“細則”。開工前根據(jù)初步設(shè)計的工程項目、設(shè)計方案、施工部署劃分單位工程和分部工程，開工后結(jié)合各施工單位的施工部署、設(shè)計結(jié)構(gòu)、質(zhì)量考核、工種工序以及現(xiàn)場條件等再劃分單元工程。開工前的劃分主要考慮施工質(zhì)量評定的宏觀控制因素，開工后的劃分是考慮施工質(zhì)量評定的微觀控制因素，即具體工藝的實施。

表2 試驗工況Table 2 Experimental conditions

1.3 試驗操作過程與測量參數(shù)

(1)清理整個試驗裝置。

(2)將旋轉(zhuǎn)板固定在水平位置，依據(jù)相應(yīng)的試驗工況堆置坡體模型。

(3)開啟攝像機進入拍攝模式，解開固定旋轉(zhuǎn)板的掛鉤，釋放旋轉(zhuǎn)板旋轉(zhuǎn)至固定位置；在振動與重力作用下啟動形成滑坡。

(4)記錄堆積體不同物料的堆積寬度，堆積體深度，三維激光掃描儀掃描堆積體的表觀特征。

(5)分區(qū)、分層取樣，并將相應(yīng)區(qū)域的物料進行篩分、稱重。

其中：對堆積體的區(qū)域劃分如圖1c所示。縱向(沿主溝方向)劃分為滑動段對應(yīng)寬度的主堆積區(qū)以及兩側(cè)外擴的左外(LO)、右外(RO)區(qū)域，主堆積區(qū)又劃分為左(L)、中(M)、右(R)3個區(qū)域；在橫向上，將主堆積區(qū)劃分為斜坡區(qū)(S)、近坡區(qū)(A)和遠坡區(qū)(B)；在垂向上，將主堆積區(qū)按厚度均分為上層(U)和下層(D)兩層。

2 滑坡堰塞體堆積特征

2.1 滑坡堰塞體形態(tài)特征

不同坡體條件下形成的滑坡堆積體均完全堵塞溝道，形成了完全堵溝堰塞體，但堰塞體的幾何形態(tài)存在一定差異。圖6a顯示了不同工況下滑坡堰塞體縱向?qū)挾?、橫向長度、最大高度和水平投影面積的情況，物料均勻混合的坡體(下文簡稱均勻坡體)形成的滑坡堰塞壩上述各參數(shù)均介于平行坡體和斜交坡體形成的堰塞壩之間。平行坡體和斜交坡體物料層序不同，形成的堰塞壩幾何參數(shù)也不同。平行坡體形成的堰塞壩縱向?qū)挾瓤傮w大于斜交坡體條件下的，不同工況下的縱向?qū)挾炔▌虞^其他參數(shù)更大，橫向長度和水平投影面積的分布規(guī)律基本保持一致，最大高度的變化幅度不大，但最大高度出現(xiàn)的位置有所不同，大部分情況下最大高度出現(xiàn)在滑體前緣，P-CMF、P-MCF、PMFC、I-CMF以及ICFM等工況下最大高度出現(xiàn)在滑體中部。

不同材料位于不同的坡體結(jié)構(gòu)及層序時，在堰塞壩中分布的寬度也不同，如圖6b所示。3種材料組成的坡體，平行坡體不同層序條件下堰塞壩中不同物料的分布寬度基本滿足中礫石>粗礫石>細砂的規(guī)律。斜交坡體材料的層序不同，其在堰塞壩中的分布范圍變化較大?？傮w而言，位于1號層位(臨空面一側(cè))的材料在堰塞壩中的分布寬度總是最大的，3號層位的材料在堰塞壩中的分布寬度總是最小的，即越靠近坡體臨空面的材料在滑坡堰塞壩中的分布寬度越大。分層坡體形成的滑坡堰塞壩最大寬度出現(xiàn)在I-FCM的中顆粒，其相對寬度達到2.52。

堰塞壩的縱坡面基本呈中間高兩側(cè)低的拋物線型，但橫剖面形態(tài)存在一定區(qū)別。根據(jù)各工況下堰塞體中部橫剖面的三維掃描圖，大至可將橫剖面形態(tài)分為3類：平坦型、傾斜型和起伏型(圖7)。所謂平坦型，指斷面任意最高點與最低點的高差與兩點水平距離的比值小于0.3，傾斜型指橫斷面總體層一側(cè)高一側(cè)低的形態(tài)，兩端高差與水平距離的比值大于0.3，起伏型指有明顯的起伏，由局部傾斜型和平坦型組合而成的形態(tài)。均勻坡體形成的堰塞壩橫剖面為平坦型，平行坡體形成的堰塞壩也多出現(xiàn)平坦型或傾斜型橫剖面，而斜交坡體則多呈傾斜型或起伏型。

2.2 滑坡堰塞體物質(zhì)組成分布特征

利用篩分數(shù)據(jù)，計算得出各區(qū)域內(nèi)不同物質(zhì)所占百分比(Pma)，可以直觀得出各區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的分布特征，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 滑坡堰塞體不同區(qū)域各物質(zhì)含量百分率Pma(%)Table 3 Percentage of different material in different areas of the landslide barrier dam

從表2可知，對于均勻坡體，其形成的堰塞體在縱向上表現(xiàn)為兩側(cè)外擴區(qū)域內(nèi)粗礫石含量相對較大，而主堆積體各區(qū)域物質(zhì)分布相對均勻，占比相差不大；在橫向上的各區(qū)域內(nèi)不同物質(zhì)分布同樣較均勻，各物質(zhì)所占百分比均達30%以上；在垂向上，上下層各物質(zhì)含量區(qū)分明顯，上層細砂少于中礫石少于粗礫石，下層反之，也即前人總結(jié)的上粗下細的反粒序分布特征(Luzio et al.，2004; 許強等，2009；王玉峰等，2012；鄭光等，2019)。

平行坡體形成的堰塞體物質(zhì)組成分布在縱向和垂向上與均勻坡體基本類似(圖8a，圖8b)。在橫向上，總體而言B區(qū)內(nèi)細砂含量較粗中礫石的含量要少，特別是在P-CMF、P-MCF和P-FCM工況下，A區(qū)內(nèi)各物質(zhì)含量相差不大，S區(qū)中細砂含量則明顯高于粗、中礫石，也即在橫向上細砂主要分布在S區(qū)，而中、粗礫石在A區(qū)和B區(qū)的含量要大于S區(qū)。

進一步根據(jù)示蹤粒子分布到各區(qū)域的情況，計算出不同顏色的示蹤粒子在各區(qū)域內(nèi)的量占該顏色示蹤粒子總量的百分率(Pms)，可以探討坡體物源滑動后的去向，從而將堆積體中物質(zhì)分布特征與坡體物質(zhì)分布特征聯(lián)系起來。

從圖8可以直觀看出，沿坡體縱向分布的物質(zhì)滑動后主要堆積在堰塞體相對應(yīng)的縱向區(qū)域。圖9a、圖9b和圖10a、圖10b表明，約70%～80%的示蹤粒子滑向堆積體相應(yīng)區(qū)域，10%～30%滑往相鄰兩側(cè)區(qū)域，無跨區(qū)域分布現(xiàn)象，也即堆積體外擴區(qū)域內(nèi)沒有來自坡體中部的綠色示蹤粒子，堆積體右側(cè)區(qū)域(R區(qū))沒有來自坡體左側(cè)的藍色示蹤離子，反之亦然。沿坡體橫向分布的示蹤粒子滑動后堆積在堰塞體橫向上相應(yīng)區(qū)域，這與斜交坡體在橫向上保持原有層序是一個道理(圖8b)。坡體中垂向分布的不同顏色示蹤粒子在堰塞體垂向上隨機出現(xiàn)(圖8d)，且與粗礫石在坡體中的層位有關(guān)。當粗礫石位于1號層位時，不同顏色的示蹤粒子滑動后均表現(xiàn)為下層分布含量大于上層，位于坡體上部的紅色示蹤粒子60%左右堆積于堰塞體下層(圖10c)；當粗礫石位于3號層位時，各示蹤粒子滑向上層的含量均明顯大于下層，位于坡體底部的藍色示蹤粒子60%以上堆積在堰塞體上層(圖10d)，這說明同種物質(zhì)在運動堆積過程中存在垂向上的交換。

值得說明的是上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)受到取樣時人為操作的誤差及對物料擾動的影響，特別是在垂向上的分布規(guī)律。由于取樣時上層的細顆粒會往下層滲漏，導(dǎo)致下層細顆粒含量增大，因此，垂向上的分布規(guī)律還需進一步結(jié)合滑坡堆積動力過程及對物料的分選機制來進一步分析。

3 滑坡堰塞體形成動力過程

3.1 運動過程

本實驗?zāi)M的滑坡堰塞體形成過程可分為3個階段：

(1)旋轉(zhuǎn)啟動階段：指旋轉(zhuǎn)板由水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至固定角度并導(dǎo)致物料啟動的過程。從視頻資料顯示，該階段又可根據(jù)物料運動狀態(tài)細分為旋轉(zhuǎn)階段和啟動階段。前者指旋轉(zhuǎn)板由水平旋轉(zhuǎn)至設(shè)計角度的過程，后者指旋轉(zhuǎn)板定位后物料啟動并滑動至旋轉(zhuǎn)板與滑動段接觸處的過程。

(2)運動階段：即滑體龍頭開始在滑動段運動至到達堆積區(qū)的過程。

(3)堆積階段：滑體龍頭到達堆積區(qū)直至所有物料全部堆積的過程。又可分為主堆積階段和兩側(cè)壁少量細砂堆積形成馬鞍形尾部的過程。

不同坡體特征條件下滑坡運動堆積過程的特征具體見表4所述。坡體特征不同，其啟動運動特征有一定的差異。均勻坡體和平行坡體呈現(xiàn)整體失穩(wěn)啟動，在坡體中部會形成輕微剪切裂縫；斜交坡體則以不同物料的層面為啟動滑動面，呈現(xiàn)分層啟動模式。

表4 不同坡體特征條件下滑坡碎屑流堆積體形成動力過程Table 4 Dynamic processes of landslide debris avalanche under different slope conditions

3.2 機理分析

表5顯示了不同坡體特征下滑動堆積各階段的歷時，平行坡體運動階段歷時最長和最短的分別P-FMC和P-CMF，斜交坡體為I-CMF和I-FCM，均勻坡體的運動階段歷時介于平行坡體和斜交坡體不同工況之間。根據(jù)表4分析的各階段特點，對于平行坡體和斜交坡體，運動階段歷時分別取決于3號層位和1號層位的物料，其顆粒粒徑越粗，運動速度越大，運動歷時越短。均勻坡體的物料為粗細混合體，其運動速度自然小于純粗顆粒。這也解釋了平行坡體中當?shù)讓游锪舷嗤瑫r，細砂位于中間層時的運動階段歷時整體大于其位于頂層時(如P-FMC

表5 不同實驗工況下滑坡碎屑流動力過程各階段時長Table 5 Duration of every dynamic process of landslide debris avalanche under different experimental conditions

根據(jù)斜交坡體啟動運動特征，其在運動階段不存在垂向滲透，因此，在率先啟動均為粗礫石的情況下，I-CMF的運動歷時要小于P-CMF，但斜交坡體部分工況下存在水平滲透作用，這可以從主堆積階段的歷時分析。表4數(shù)據(jù)顯示所有工況中，主堆積階段歷時最短的為I-FMC，最長的為I-CMF，這兩組工況均為斜交坡體的工況。I-FMC工況下細、粗顆粒先后啟動、運動和堆積，運動在最后而速度最大的粗礫石對前面的中礫石產(chǎn)生推擠，而中礫石又進一步對細砂產(chǎn)生推擠，這樣層層遞進的推擠作用，加速了整個堆積過程，使堰塞體在橫向上更密實，表現(xiàn)為橫向長度普遍較短，如I-CFM、I-MFC、I-FCM(圖6a)。存在推擠過程的工況中，又以I-CFM工況下的堰塞體橫向長度最短，I-MFC次之，這是由于推擠作用與水平滲透作用的疊加造成的，即I-CFM工況下中礫石對細砂的推擠作用使細砂滲入到前面粗礫石空隙中；而I-MFC中，中礫石的空隙率顯著減小，細砂水平滲透作用減?。煌瑫r，由于運動在后的粗顆粒速度較大，會爬升堆積于細顆粒之上，從而導(dǎo)致堆積體在垂向上呈現(xiàn)較大范圍的重疊區(qū)域(圖11a)，這是斜交坡體部分工況下堰塞體垂向上呈現(xiàn)上粗下細分布特征的主要原因。反之，I-CMF為粗、細顆粒先后啟動運動，粗顆粒比細顆粒運動在前且運動速度大，運動堆積過程推擠、爬升和水平滲透作用均不明顯，堆積時間最終取決于細砂的堆積，因此歷時最長，且各物料在橫向上呈并列式堆積，由于各物料休止角不同，導(dǎo)致不同物料交界處產(chǎn)生較明顯突變(圖11b)堆積體橫向上的長度最長(圖6b)，各物料并列式的分布，從而導(dǎo)致各物質(zhì)在上下層的含量相差不大，垂向上上下層各物料所含百分率相差不大。

4 結(jié) 論

通過模型試驗探討了不同坡體物源特征條件下形成的滑坡堰塞體物質(zhì)組成分布特征與形態(tài)特征，分析了不同坡體特征下滑坡堰塞體形成過程的運動過程，得出以下結(jié)論：

(1)坡體物質(zhì)分布特征不同，滑坡堰塞體的幾何形態(tài)不同。平行坡體形成的滑坡堰塞體堆積寬度最大，均勻坡體次之，斜交坡體最小。均勻坡體形成的堰塞體橫剖面為平坦型，平行坡體形成的堰塞體多為平坦型或傾斜型橫剖面，而斜交坡體條件下多呈起伏型。

(2)坡體物質(zhì)分布特征不同，形成的堰塞體物質(zhì)組成分布規(guī)律也不同。均勻坡體形成的堰塞體物質(zhì)分布在縱向和橫向上都較均勻，而垂向上呈現(xiàn)明顯的上粗下細分布特征。平行坡體形成的堰塞體，縱向和垂向上的物質(zhì)分布規(guī)律與均勻坡體類似，在橫向上粗顆粒在近坡區(qū)與遠坡區(qū)含量大、細砂主要分布在斜坡區(qū)。斜交坡體的層序?qū)ρ呷w物質(zhì)分布影響大，具體表現(xiàn)在橫向上的分布與坡體原有層序基本保持一致；垂向上部分工況下上粗下細的特征不明顯。

(3)坡體物質(zhì)組成分布特征與滑坡堰塞體物質(zhì)組成堆積特征之間存在聯(lián)系。沿坡體縱向和橫向分布的物質(zhì)滑動后分布在堰塞體相對應(yīng)的縱向和橫向區(qū)域，沿坡體垂向分布的同種物質(zhì)在運動中存在垂向交換作用。

(4)坡體巖土層產(chǎn)狀及層序不同，滑坡運動、堆積過程及特征不同。均勻坡體與平行坡體呈整體啟動，運動過程中物料混合程度高，運動過程中細顆粒的垂直滲透作用影響滑體運動速度和堆積體物質(zhì)的垂向分布。斜交坡體呈分層啟動，運動堆積過程中保持原有層序，物料混合程度低；細、粗顆粒先后啟動運動情況下，顆粒間存在推擠作用、爬升作用和水平滲透作用，使得滑坡運動過程歷時更短，堆積體更密實并在垂向上存在重疊區(qū)域。