松散土坡结构特征与滑坡堰塞体堆积特征之间的关系试验研究*

谢湘平 王小军 王莹莹 李亚倩 秦旭洋 徐 舒

(安阳工学院，土木与建筑工程学院，安阳 455000，中国)

0 引 言

根据国内外统计数据，滑坡是形成堰塞坝的主要原因(Costa et al.，1988；石振明等，2014；年廷凯等，2018)。滑坡堰塞坝既可以堵塞大江大河，也可以堵塞普通沟道。地震往往诱发大量滑坡并形成大规模堵河型堰塞坝，如唐家山堰塞坝、红石岩堰塞坝等(胡卸文等，2009；李守定等，2010；刘健康等，2016)。堵河堰塞坝在上游拦截河水形成大规模堰塞湖，稳定性差，对周边区域及下游群众的生命财产带来极大的威胁。例如，唐家山堰塞坝形成后29d发生溃决，迫使下游20万人撤离(Shi et al.，2015)；金沙江白格堰塞坝3d内溃决，影响下游500余公里，迫使2.5万人撤离(Fan et al.，2019)。而存在于山区沟道中的众多中小型堵沟堰塞坝也可能带来不良的灾害效应。研究表明，在一定的来流条件下，沟道中的堰塞体会发生级联溃决效应，产生溃决型泥石流(Zhou et al.，2013)，形成滑坡-堰塞坝-溃决型泥石流灾害链，如2010年平武县唐房沟泥石流(柳金峰等，2010)、2013年7月汶川七盘沟泥石流(覃浩坤等，2016)等。因此，对滑坡堰塞体的稳定性进行分析和评估对滑坡-堰塞坝-泥石流灾害链的识别和减灾工作具有重要的意义。

堰塞坝稳定性的影响因素众多(Costa et al.，1988; 刘怀湘等，2011；刘汉冬等，2013；单熠博等，2020)，其中：堰塞体的物质组成分布特征与结构特征为主要的内在因素，决定了坝体的渗透性和力学特性，从而决定了堰塞坝的稳定性及溃决模式(王兆印等，2010)。目前，关于滑坡碎屑流堆积特征主要通过调查统计、室内模型试验及数值模拟等手段展开研究。Casagli et al.(2003)通过对42个滑坡堰塞坝进行调查分析发现堰塞坝体组成材料的颗粒级配存在双峰值的现象，中值粒径D50不能作为颗粒级配的代表值。Chang et al.(2011)通过对东河口堰塞坝和红石河堰塞坝的实地调查发现，堰塞坝体材料的颗粒级配、孔隙率、塑性指数等参数随深度方向有明显差异。雷先顺等(2016)通过室内模型试验，研究了无黏性土堆积体在无侧限条件下沿斜面的滑动和堆积运动过程，认为坡体体积、颗粒粒径、坡高、启动区坡度等因素对滑坡碎屑流的堆积范围和形态均有影响。王畯才等(2017)通过物理实验模拟了无黏性颗粒堆积于平坦无限制地面的情况，初步探讨了坡体物源分布与堆积体分布之间的关联性。彭双麒等(2018，2019)通过图像识别系统PCAS统计了普洒村崩塌碎屑流堆积物的表面物质粒度分布特征。郑光等(2019)通过现场调查及模拟试验研究了滑坡碎屑流自由堆积体横向和垂向上的物质分布。赵高文等(2019)基于DEM研究了沟道断面形态、滑坡速度、沟床坡度等对堰塞坝横向、纵向几何形态产生的影响。Zhou et al.(2019a，2019b)通过模型试验和数值模拟研究了滑坡碎屑流的堆积形态与分布规律，分析了滑坡距离、方量对堆积体形态的影响。潘青等(2020)基于EDEM研究了流槽坡度、拦挡结构角度以及颗粒级配对碎屑流运动过程及冲击性能的影响。

上述研究表明，滑坡堆积体的物质组成分布不均匀，形态结构也受到多方面因素的影响。在自然界中，滑坡堰塞坝的形成往往具有突发性、难到达性，因此，很难及时直接获知堰塞体的内部结构和物质组成(王光谦等，2015)。如果能将源区失稳坡体的特征与堰塞体的物质组成分布特征和形态特征等堆积特征联系起来，则可通过源区坡体特征来快速识别堰塞体堆积特征，为堰塞体稳定性的快速评估和决策提供依据。因此，本文在已有研究成果基础上，通过物理模型试验，重点探讨不同坡体特征条件下滑坡的动力过程及形成堰塞体条件下的堆积特征，在此基础上进一步分析坡体特征与堰塞体堆积特征之间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验模型与装置

根据黄润秋(2007)总结的20世纪我国典型滑坡，结合近年发生的典型滑坡如大光包滑坡、唐家山滑坡、金沙江白格滑坡等数据(黄润秋等，2008；李守定等，2010；冯文凯等，2019)，得出典型滑坡相关数据的范围如表1所示。选取长度比尺λL=1︰500，体积比尺λV=1.25×108，模型与原型相关数据对照见表1。据此，设计滑坡试验装置，如图1所示。

表1 试验参数取值依据(长度比尺1︰500)Table 1 The basis of parameter values for model tests(length scaling 1：500))

考虑到装置的安全及可操作性，坡体高度及滑体体积适当减小。因原型数据均来自有详细记载的超大型滑坡，自然界还存在更多规模相对较小的滑坡

该装置分为启动段、滑动段和堆积段3部分。启动段模拟滑源区，由滑坡后壁、两侧侧壁和可旋转的底板组成，滑坡后壁坡度50°，侧壁高100cm，底板长80cm，宽67cm，旋转板坡度可调。旋转板旋转至设计角度后作为启动段滑面与滑动段相连。滑动段为物料加速运动区，斜长230cm、宽77cm、高30cm，坡度30°。堆积段设置为沟道，长400cm，高30cm，宽26.5cm，目的是为了形成堰塞体。其中：远离滑动段一侧安装透明玻璃板，并以5cm为间隔画上刻度线，以便观察纵剖面形态。分别在启动段、滑动段和堆积段设置摄像机，拍摄坡体启动、运动和堆积过程。

1.2 试验方案与材料

本研究主要探讨坡体物质组成与分布特征对堰塞坝的形态特征与物质组成分布特征的影响。坡体材料采用粗砾石(20～40mm)、中砾石(5～10mm)和细砂(0.1～0.5mm)3种不同粒径的颗粒组成(图2)，各物料休止角分别为45.6°、36.3°和34.9°。每种材料各20kg，将粗砾石进行三等分，分别喷涂红、绿、蓝喷漆，待喷漆完全干透后使用，以便进行示踪分析。

坡体材料分布特征包括物料均匀混合和不同物料分层分布。其中：分层情况又根据岩土层层面与滑面的关系分为岩土层与滑面平行(简称平行坡体)和岩土层与滑面斜交(简称斜交坡体)两种工况，如图3所示。

同时，在分层情况下又进一步探讨了不同层序的影响，以1、2、3代表层位号，改变不同层位上物料的种类即可获得岩土层不同的层序。为了实现上述两种分层坡体模型的堆置，首先将旋转板固定在水平位置，分别按图4a、图5a所示的方式堆置坡体模型，不同物料层面与旋转板的夹角即为各物料的休止角，再通过旋转板旋转到固定坡度后形成平行与斜交特征的坡体。

不同坡体特征下示踪粒子的放置也不同，平行坡体中示踪粒子分为横向分布与纵向分布(图4b)；斜交坡体中示踪粒子分布方式为横向与垂向(图5b)，不同坡体特征的试验工况如表2所示。

项目划分工作要先进行初步规划方案，后进行实施“细则”。开工前根据初步设计的工程项目、设计方案、施工部署划分单位工程和分部工程，开工后结合各施工单位的施工部署、设计结构、质量考核、工种工序以及现场条件等再划分单元工程。开工前的划分主要考虑施工质量评定的宏观控制因素，开工后的划分是考虑施工质量评定的微观控制因素，即具体工艺的实施。

表2 试验工况Table 2 Experimental conditions

1.3 试验操作过程与测量参数

(1)清理整个试验装置。

(2)将旋转板固定在水平位置，依据相应的试验工况堆置坡体模型。

(3)开启摄像机进入拍摄模式，解开固定旋转板的挂钩，释放旋转板旋转至固定位置；在振动与重力作用下启动形成滑坡。

(4)记录堆积体不同物料的堆积宽度，堆积体深度，三维激光扫描仪扫描堆积体的表观特征。

(5)分区、分层取样，并将相应区域的物料进行筛分、称重。

其中：对堆积体的区域划分如图1c所示。纵向(沿主沟方向)划分为滑动段对应宽度的主堆积区以及两侧外扩的左外(LO)、右外(RO)区域，主堆积区又划分为左(L)、中(M)、右(R)3个区域；在横向上，将主堆积区划分为斜坡区(S)、近坡区(A)和远坡区(B)；在垂向上，将主堆积区按厚度均分为上层(U)和下层(D)两层。

2 滑坡堰塞体堆积特征

2.1 滑坡堰塞体形态特征

不同坡体条件下形成的滑坡堆积体均完全堵塞沟道，形成了完全堵沟堰塞体，但堰塞体的几何形态存在一定差异。图6a显示了不同工况下滑坡堰塞体纵向宽度、横向长度、最大高度和水平投影面积的情况，物料均匀混合的坡体(下文简称均匀坡体)形成的滑坡堰塞坝上述各参数均介于平行坡体和斜交坡体形成的堰塞坝之间。平行坡体和斜交坡体物料层序不同，形成的堰塞坝几何参数也不同。平行坡体形成的堰塞坝纵向宽度总体大于斜交坡体条件下的，不同工况下的纵向宽度波动较其他参数更大，横向长度和水平投影面积的分布规律基本保持一致，最大高度的变化幅度不大，但最大高度出现的位置有所不同，大部分情况下最大高度出现在滑体前缘，P-CMF、P-MCF、PMFC、I-CMF以及ICFM等工况下最大高度出现在滑体中部。

不同材料位于不同的坡体结构及层序时，在堰塞坝中分布的宽度也不同，如图6b所示。3种材料组成的坡体，平行坡体不同层序条件下堰塞坝中不同物料的分布宽度基本满足中砾石>粗砾石>细砂的规律。斜交坡体材料的层序不同，其在堰塞坝中的分布范围变化较大。总体而言，位于1号层位(临空面一侧)的材料在堰塞坝中的分布宽度总是最大的，3号层位的材料在堰塞坝中的分布宽度总是最小的，即越靠近坡体临空面的材料在滑坡堰塞坝中的分布宽度越大。分层坡体形成的滑坡堰塞坝最大宽度出现在I-FCM的中颗粒，其相对宽度达到2.52。

堰塞坝的纵坡面基本呈中间高两侧低的抛物线型，但横剖面形态存在一定区别。根据各工况下堰塞体中部横剖面的三维扫描图，大至可将横剖面形态分为3类：平坦型、倾斜型和起伏型(图7)。所谓平坦型，指断面任意最高点与最低点的高差与两点水平距离的比值小于0.3，倾斜型指横断面总体层一侧高一侧低的形态，两端高差与水平距离的比值大于0.3，起伏型指有明显的起伏，由局部倾斜型和平坦型组合而成的形态。均匀坡体形成的堰塞坝横剖面为平坦型，平行坡体形成的堰塞坝也多出现平坦型或倾斜型横剖面，而斜交坡体则多呈倾斜型或起伏型。

2.2 滑坡堰塞体物质组成分布特征

利用筛分数据，计算得出各区域内不同物质所占百分比(Pma)，可以直观得出各区域内物质的分布特征，具体数据见表3。

表3 滑坡堰塞体不同区域各物质含量百分率Pma(%)Table 3 Percentage of different material in different areas of the landslide barrier dam

从表2可知，对于均匀坡体，其形成的堰塞体在纵向上表现为两侧外扩区域内粗砾石含量相对较大，而主堆积体各区域物质分布相对均匀，占比相差不大；在横向上的各区域内不同物质分布同样较均匀，各物质所占百分比均达30%以上；在垂向上，上下层各物质含量区分明显，上层细砂少于中砾石少于粗砾石，下层反之，也即前人总结的上粗下细的反粒序分布特征(Luzio et al.，2004; 许强等，2009；王玉峰等，2012；郑光等，2019)。

平行坡体形成的堰塞体物质组成分布在纵向和垂向上与均匀坡体基本类似(图8a，图8b)。在横向上，总体而言B区内细砂含量较粗中砾石的含量要少，特别是在P-CMF、P-MCF和P-FCM工况下，A区内各物质含量相差不大，S区中细砂含量则明显高于粗、中砾石，也即在横向上细砂主要分布在S区，而中、粗砾石在A区和B区的含量要大于S区。

进一步根据示踪粒子分布到各区域的情况，计算出不同颜色的示踪粒子在各区域内的量占该颜色示踪粒子总量的百分率(Pms)，可以探讨坡体物源滑动后的去向，从而将堆积体中物质分布特征与坡体物质分布特征联系起来。

从图8可以直观看出，沿坡体纵向分布的物质滑动后主要堆积在堰塞体相对应的纵向区域。图9a、图9b和图10a、图10b表明，约70%～80%的示踪粒子滑向堆积体相应区域，10%～30%滑往相邻两侧区域，无跨区域分布现象，也即堆积体外扩区域内没有来自坡体中部的绿色示踪粒子，堆积体右侧区域(R区)没有来自坡体左侧的蓝色示踪离子，反之亦然。沿坡体横向分布的示踪粒子滑动后堆积在堰塞体横向上相应区域，这与斜交坡体在横向上保持原有层序是一个道理(图8b)。坡体中垂向分布的不同颜色示踪粒子在堰塞体垂向上随机出现(图8d)，且与粗砾石在坡体中的层位有关。当粗砾石位于1号层位时，不同颜色的示踪粒子滑动后均表现为下层分布含量大于上层，位于坡体上部的红色示踪粒子60%左右堆积于堰塞体下层(图10c)；当粗砾石位于3号层位时，各示踪粒子滑向上层的含量均明显大于下层，位于坡体底部的蓝色示踪粒子60%以上堆积在堰塞体上层(图10d)，这说明同种物质在运动堆积过程中存在垂向上的交换。

值得说明的是上述统计数据受到取样时人为操作的误差及对物料扰动的影响，特别是在垂向上的分布规律。由于取样时上层的细颗粒会往下层渗漏，导致下层细颗粒含量增大，因此，垂向上的分布规律还需进一步结合滑坡堆积动力过程及对物料的分选机制来进一步分析。

3 滑坡堰塞体形成动力过程

3.1 运动过程

本实验模拟的滑坡堰塞体形成过程可分为3个阶段：

(1)旋转启动阶段：指旋转板由水平状态旋转至固定角度并导致物料启动的过程。从视频资料显示，该阶段又可根据物料运动状态细分为旋转阶段和启动阶段。前者指旋转板由水平旋转至设计角度的过程，后者指旋转板定位后物料启动并滑动至旋转板与滑动段接触处的过程。

(2)运动阶段：即滑体龙头开始在滑动段运动至到达堆积区的过程。

(3)堆积阶段：滑体龙头到达堆积区直至所有物料全部堆积的过程。又可分为主堆积阶段和两侧壁少量细砂堆积形成马鞍形尾部的过程。

不同坡体特征条件下滑坡运动堆积过程的特征具体见表4所述。坡体特征不同，其启动运动特征有一定的差异。均匀坡体和平行坡体呈现整体失稳启动，在坡体中部会形成轻微剪切裂缝；斜交坡体则以不同物料的层面为启动滑动面，呈现分层启动模式。

表4 不同坡体特征条件下滑坡碎屑流堆积体形成动力过程Table 4 Dynamic processes of landslide debris avalanche under different slope conditions

3.2 机理分析

表5显示了不同坡体特征下滑动堆积各阶段的历时，平行坡体运动阶段历时最长和最短的分别P-FMC和P-CMF，斜交坡体为I-CMF和I-FCM，均匀坡体的运动阶段历时介于平行坡体和斜交坡体不同工况之间。根据表4分析的各阶段特点，对于平行坡体和斜交坡体，运动阶段历时分别取决于3号层位和1号层位的物料，其颗粒粒径越粗，运动速度越大，运动历时越短。均匀坡体的物料为粗细混合体，其运动速度自然小于纯粗颗粒。这也解释了平行坡体中当底层物料相同时，细砂位于中间层时的运动阶段历时整体大于其位于顶层时(如P-FMC

表5 不同实验工况下滑坡碎屑流动力过程各阶段时长Table 5 Duration of every dynamic process of landslide debris avalanche under different experimental conditions

根据斜交坡体启动运动特征，其在运动阶段不存在垂向渗透，因此，在率先启动均为粗砾石的情况下，I-CMF的运动历时要小于P-CMF，但斜交坡体部分工况下存在水平渗透作用，这可以从主堆积阶段的历时分析。表4数据显示所有工况中，主堆积阶段历时最短的为I-FMC，最长的为I-CMF，这两组工况均为斜交坡体的工况。I-FMC工况下细、粗颗粒先后启动、运动和堆积，运动在最后而速度最大的粗砾石对前面的中砾石产生推挤，而中砾石又进一步对细砂产生推挤，这样层层递进的推挤作用，加速了整个堆积过程，使堰塞体在横向上更密实，表现为横向长度普遍较短，如I-CFM、I-MFC、I-FCM(图6a)。存在推挤过程的工况中，又以I-CFM工况下的堰塞体横向长度最短，I-MFC次之，这是由于推挤作用与水平渗透作用的叠加造成的，即I-CFM工况下中砾石对细砂的推挤作用使细砂渗入到前面粗砾石空隙中；而I-MFC中，中砾石的空隙率显著减小，细砂水平渗透作用减小；同时，由于运动在后的粗颗粒速度较大，会爬升堆积于细颗粒之上，从而导致堆积体在垂向上呈现较大范围的重叠区域(图11a)，这是斜交坡体部分工况下堰塞体垂向上呈现上粗下细分布特征的主要原因。反之，I-CMF为粗、细颗粒先后启动运动，粗颗粒比细颗粒运动在前且运动速度大，运动堆积过程推挤、爬升和水平渗透作用均不明显，堆积时间最终取决于细砂的堆积，因此历时最长，且各物料在横向上呈并列式堆积，由于各物料休止角不同，导致不同物料交界处产生较明显突变(图11b)堆积体横向上的长度最长(图6b)，各物料并列式的分布，从而导致各物质在上下层的含量相差不大，垂向上上下层各物料所含百分率相差不大。

4 结 论

通过模型试验探讨了不同坡体物源特征条件下形成的滑坡堰塞体物质组成分布特征与形态特征，分析了不同坡体特征下滑坡堰塞体形成过程的运动过程，得出以下结论：

(1)坡体物质分布特征不同，滑坡堰塞体的几何形态不同。平行坡体形成的滑坡堰塞体堆积宽度最大，均匀坡体次之，斜交坡体最小。均匀坡体形成的堰塞体横剖面为平坦型，平行坡体形成的堰塞体多为平坦型或倾斜型横剖面，而斜交坡体条件下多呈起伏型。

(2)坡体物质分布特征不同，形成的堰塞体物质组成分布规律也不同。均匀坡体形成的堰塞体物质分布在纵向和横向上都较均匀，而垂向上呈现明显的上粗下细分布特征。平行坡体形成的堰塞体，纵向和垂向上的物质分布规律与均匀坡体类似，在横向上粗颗粒在近坡区与远坡区含量大、细砂主要分布在斜坡区。斜交坡体的层序对堰塞体物质分布影响大，具体表现在横向上的分布与坡体原有层序基本保持一致；垂向上部分工况下上粗下细的特征不明显。

(3)坡体物质组成分布特征与滑坡堰塞体物质组成堆积特征之间存在联系。沿坡体纵向和横向分布的物质滑动后分布在堰塞体相对应的纵向和横向区域，沿坡体垂向分布的同种物质在运动中存在垂向交换作用。

(4)坡体岩土层产状及层序不同，滑坡运动、堆积过程及特征不同。均匀坡体与平行坡体呈整体启动，运动过程中物料混合程度高，运动过程中细颗粒的垂直渗透作用影响滑体运动速度和堆积体物质的垂向分布。斜交坡体呈分层启动，运动堆积过程中保持原有层序，物料混合程度低；细、粗颗粒先后启动运动情况下，颗粒间存在推挤作用、爬升作用和水平渗透作用，使得滑坡运动过程历时更短，堆积体更密实并在垂向上存在重叠区域。