易侵蚀层厚度对滑坡运动过程与堆积特征影响的模型试验研究

段 钊,张 庆,李 明,朱 锟,吴延斌

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054;2.西安科技大学 西部矿山生态环境修复研究院,陕西 西安 710054;3.西安建材地质工程勘察院有限公司,陕西 西安 710003;4.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司,陕西 西安 710054;5.西安市地质环境监测站,陕西 西安 710018;6.浙江大学 海洋学院,浙江 杭州310058)

0 引 言

滑坡作为一种常见的地质现象,运动时在复杂的地形和各种基底层(易侵蚀层)上快速扩散,不可避免地对运动路径上的易侵蚀层造成动力侵蚀,经历铲刮、推挤后其体积显著增加,运动过程变得更为复杂[1-3]。易侵蚀层指存在于滑坡运动路径上的堆积层,滑坡的运动过程和堆积特征会受到易侵蚀层的强烈影响[4-5]。

野外调查是研究滑体运动过程与堆积特征的主要方法之一。ZENG和WANG发现青藏高原尼续滑坡堆积体下伏的易侵蚀层中形成了底辟侵入体、卷曲层理、断层和平卧不对称褶皱等构造,同时受扰动易侵蚀层中颗粒具有较好的定向性,在地层内部存在大量的破裂浮石,认为该滑坡在运动过程中与下伏易侵蚀层存在强烈的相互作用[6-7]。DUFRESNE在新西兰圆顶滑坡中发现滑坡下伏易侵蚀层存在底辟侵入体、旋卷层理和局部小断层等构造现象,并在维多利亚兰普卢滑坡研究中发现了类似的现象,认为这些滑坡在运动过程中对易侵蚀层造成了剧烈的扰动[8-9]。DUAN对泾阳南塬黄土滑坡研究发现,在滑坡堆积体内部有从阶地层中向上跃层流动的流态砂质粉土,在地表形成“砂沸”现象,在滑体前缘地表形成了横向脊、径向裂缝等特征,认为滑体在运动过程中对阶地饱和易侵蚀层造成了强烈冲击和推挤[10]。

滑坡与沿途路径上易侵蚀层的相互作用是普遍存在的,其作用下的形态特征与构造迹象可作为推断滑坡运动过程与受力特征的重要依据[11-12]。滑坡通常被视为一种单次性事件,导致在野外调查中所获取的数据并不能系统地反映易侵蚀层对滑坡运动特征的影响[13-14]。滑坡的形成背景差异性很大,仅通过地质调查难以有效地分析该类滑坡的共性特征。而物理模型试验的引入对易侵蚀层与滑坡相互作用过程的研究提供了定量研究的方法和思路。MANGENEY进行了斜板上铺设有厚度可变易侵蚀层的滑坡模拟试验,表明滑体在与易侵蚀层碰撞后表现出高速扩展和缓慢细流2个阶段,在后一个阶段侵蚀作用强烈,易侵蚀层的存在对滑坡的运动起到促进作用,随着厚度的增加,滑体运移距离远且耗时更长[15]。IVERSON进行了在斜面上铺设易侵蚀层的大型滑坡物理模型试验,发现当易侵蚀层处于高饱和状态下时,会产生较大超孔隙压力,同时发生夹带和动量增加现象[16]。DUFRESNE在斜槽底部铺设了厚度分别为15 mm和30 mm的PVC球和面粉制成的易侵蚀层[17],易侵蚀层距坡脚有一定距离且表面与底板面齐平,试验结果表明在这种试验条件下易侵蚀层对滑坡运动能力有显著的抑制作用,同时滑坡造成易侵蚀层发生水平剪切和挤压,并将其夹带至较远距离。SHEA将3 mm厚的易侵蚀层铺设于光滑的铝质斜曲面上以研究滑体与易侵蚀层之间的相互作用[18],试验结果显示经历碰撞后的堆积体后缘广泛发育正断层,而前缘发育大量的逆冲断层,认为滑体与易侵蚀层相互作用时后缘表现出强烈的拉伸作用,而前缘主要以推挤作用为主。

在滑坡路径上普遍存在易侵蚀层,这对于滑坡的运移以及堆积形态有着显著影响,滑体与易侵蚀层碰撞时存在强烈的相互作用,造成一系列复杂的堆积体形态与构造变化。目前对于易侵蚀层所在的位置和材料类型往往是研究的重点,而对于易侵蚀层的厚度变化没有被系统研究。通过砂盒物理模型试验在滑坡运动路径上设置不同厚度的易侵蚀层,研究滑坡运动过程和堆积特征,以期为计算滑坡运动路径中存在易侵蚀时的影响范围提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验仪器和材料

采用砂盒试验装置研究滑坡冲击易侵蚀层的过程,装置包含物理模型系统和监测系统。物理模型系统包括斜板、底板和砂盒。斜板1.5 m×1.2 m(长×宽),通过支架调节角度;底板1.5 m×1.2 m(长×宽),水平放置,两侧有滑轨;砂盒用于装滑体,为对开门结构。监测系统包括1台3D扫描仪(8 fps)用于获取滑体的运动过程以及堆积体的数字高程模型数据(DEM);2台高速相机(120 fps),分别用于记录滑体运动过程中的正视和俯视影像(图1)。

图1 砂盒试验装置Fig.1 Experimental device of sand box

滑体与易侵蚀层均采用干燥的中细石英砂作为材料(图2),该材料能很好的模拟出由于孔隙水压力积累超过有效应力而发生滑坡的地质现象,在试验中能表现出良好的流态化特征[14,19]。砂的粒径在0.075～0.5 mm范围内累积百分比为87.71%,粒径分布曲线如图3所示。通过直剪试验测得砂的内摩擦角φ为34°,黏聚力为0,摩擦系数为0.675。在直剪试验中用有机玻璃替换下剪切盒中的砂样,测得有机玻璃与砂的界面摩擦系数为0.474。试验所用石英砂为染色砂,目的是为更好地区分滑体与易侵蚀层,不同颜色石英砂的物理、力学性质一致。

图2 石英砂细观影像Fig.2 Microscopic image of the quartz sand

图3 石英砂粒径级配曲线Fig.3 Particle size distribution curve of the quartz sand

1.2 试验方法

尺度效应的存在,使得野外实际滑坡的一些重要物理力学过程无法在模型试验中反映出来,包括动力学、静电现象[20]、岩石破碎和大型滑坡中的地震效应[21]。野外滑坡复杂的边界条件和多样的材料性质也难以在模型试验中再现[22]。这使得很难阐明单一因素如何影响滑坡的演变。在本研究中,简化了边界条件和材料选择,便于测试的重复性[23]。

在60°时,滑动质量可以从以往的研究中识别出运动学参数[10,24]。在进行预试验时发现,当易侵蚀层为24 mm时将不能完全侵蚀,易侵蚀层底部存在1～2 mm原始地层(图14(c))。砂盒重心高度设置为1 m,使得滑体在坡面转折点处可以拥有足够的动能,与易蚀层相互作用,产生更多可见的内外沉积物结构。本次选用的砂体试验材料具有与自然事件相似的低流变强度和沉积行为[25],因此被作为试验材料。

试验设置斜板与水平板之间的角度α为60°,砂盒重心高度H为1 m,滑体体积为3.6×103cm3。在砂盒中装砂时控制砂的质量与体积,使每次试验时滑体的初始密度均达到1.5 g/cm3。设置易侵蚀层厚度分别为0,4,8,12,16,20 mm和24 mm,密度为1.5 g/cm3,其中0 mm为水平底板未铺设易侵蚀层试验组。易侵蚀层由铺砂器进行铺设。将彩砂装入铺砂器内,随着铺砂器沿着底板两侧导轨向前移动,抽出挡板使铺砂器内的彩砂向下流出,并通过铺砂器后侧的刮刀将彩砂表面整平。通过高度调节卡口调整铺砂厚度,每4 mm更换彩砂颜色(图4)。

图4 易侵蚀层的铺设过程Fig.4 Laying process of erodible layer

打开砂盒底部的对开门,将滑体从砂盒释放,利用监测系统记录滑坡运动过程和堆积特征。为了明确试验条件和滑坡堆积体特征,定义了滑体重心高度、斜板角度、滑体滑动距离、易侵蚀层厚度、滑坡堆积体长度、滑坡堆积体宽度、堆积厚度、堆积体面积以及堆积体周长(图5)。设滑坡运移方向为Y轴,垂直方向为X轴,滑坡位移为水平投影位移。在滑坡运动停止后,利用有机玻璃切板对滑坡堆积体进行切割,观察并分析内部构造特征。

图5 滑坡堆积体示意Fig.5 Deposition morphology of landslide

2 结果与分析

2.1 滑体运动过程

根据滑体与易侵蚀的相互作用过程,将滑体的运动过程划分为3个阶段。初始阶段滑体启动下滑,在与易侵蚀层碰撞之前,滑体在斜板上快速滑动,在该阶段,各试验组下滑体运动特征一致;加速阶段滑体与易侵蚀层猛烈碰撞且互相混入,滑体滑动受阻,长度被显著压缩,滑速降低;稳定阶段滑坡夹带易侵蚀层以低速滑移最终停止,过程中前缘滑体与易侵蚀层不会产生更多的相对位移。相比之下,未铺设易侵蚀层的试验组,滑体在与水平底板碰撞后,滑体长度压缩幅度小,滑体在加速阶段至稳定阶段滑动速度的阶段性变化不显著(图6)。

图6 滑体运动分解Fig.6 Movement processes of the sliding mass

2.1.1 速度特征

初始阶段(未与易侵蚀层发生碰撞前)滑体速度迅速增加,最快速度达到2.7×103～3×103mm/s。在该阶段,所有试验组下的速度场特征是一致的。当滑体与易侵蚀层(或易侵蚀层厚度为0 mm)碰撞瞬间,滑体运动进入加速阶段,加速度迅速降低到负值,速度因惯性小幅增加后快速降低。易侵蚀层厚度越大,易侵蚀层对滑体运动的抑制作用越强,滑体加速度的下降幅度越大,碰撞后滑体减速越显著。易侵蚀层厚度为24 mm时,易侵蚀层对滑体的阻力达到最大,在撞击后的0.125 s内速度下降80%。而易侵蚀层厚度为0 mm时,在撞击后的0.125 s内速度仅下降48%。在稳定阶段,滑体的加速度由负值趋于0,减速运动逐渐减缓。滑体与易侵蚀层相互作用减弱,滑体速度逐渐降低,直至运动停止。当易侵蚀层厚度为4,12,16 mm和20 mm时,滑体加速度出现短暂的正值,滑体做加速运动,表现为二次加速。主要是由于受前侧滑体和被扰动的易侵蚀层的阻碍,后侧滑体在惯性力作用下在深度上出现了速度差,一部分滑体沿滑坡表层滑动并快速翻越阻力较大的隆起区,在下坡过程中出现二次加速(图7、图8)。

图7 不同易侵蚀层厚度下速度-时间曲线Fig.7 Displacement-time curves of the sliding mass at different layer depths

2.1.2 位移特征

试验累计位移从砂盒底部开始计算(位移为0),以任意时刻滑体前缘位置与起点的差值作为该时刻滑体的累计位移(图9)。初始阶段,滑体的位移大致相同,但在后2个阶段,随着易侵蚀层厚度的增加,滑体位移显著减小。当易侵蚀层厚度为0时,滑体位移为1 533.9 mm,而易侵蚀层厚度为4 mm和24 mm时,位移分别下降至1 414.3 mm和1 312.7 mm,比易侵蚀层厚度为0时比例分别下降了7.7%和14.4%。

图9 不同易侵蚀层厚度下位移-时间曲线Fig.9 Speed-time curves of the sliding mass at different layer depths

水平底板上易侵蚀层的存在对滑坡的运动能力有显著的抑制作用。易侵蚀层在与滑坡相互作用下密度增加,厚度变大,滑体前缘的地形隆高,在滑体的推动作用下易侵蚀层抗剪强度充分发挥,滑体运动阻力增大。易侵蚀层通过与滑体间颗粒的碰撞和摩擦来实现对速度和位移的抑制[26-29]。

2.2 堆积体平面形态

随着易侵蚀层厚度的增加,滑坡堆积体范围明显缩小,几何形态由椭圆形至舌形过渡,且X轴长Y轴短(图10)。相比于未铺设易侵蚀层的试验组,存在易侵蚀层时堆积体前缘有明显的拱形隆脊[30]。以隆脊为界可将堆积体划分为前坡和后坡,所有试验组下前坡均比后坡的面积更大且坡角更陡,在未铺设侵蚀层和侵蚀层较薄的试验组下,堆积体的后缘形成不连续洼地(图11)。

图10 滑坡堆积体平面形态Fig.10 Surface morphologies of deposits of the sliding mass

图11 堆积体Y轴剖面Fig.11 Y-axis profile of the deposits

提取堆积体数字高程模型(DEM),分析其形态参数(图12)。在易侵蚀层厚度为0 mm时,堆积体长、宽、厚以及面积分别为503.35,775.90,32.51 mm和2.9×105mm2;在底板存在易侵蚀层时,堆积体长度和面积都显著下降,但厚度和宽度增加。随着易侵蚀层厚度的增加,堆积体长度和厚度的变化量相对于宽度更为显著。当易侵蚀层厚度为4～24 mm,堆积体长度从368.94 mm下降至291.34 mm;宽度从626.0 mm增加至650.6 mm;厚度由56.42 mm增加至74.60 mm;面积由1.9×105mm2下降至1.7×105mm2;堆积体前坡角度由27.87°增加至36.32°;后坡角度由23°增加至29°(图12(a)(b)(c)(d)和(e))。

图12 堆积形态参数曲线Fig.12 Parameters curves of deposits

随着易侵蚀层厚度增加,堆积体周长面积比呈现出先增大后减小的变化趋势,在20 mm达到最大(图12(d))。相对于铺设易侵蚀层的试验组,未铺设易侵蚀层的试验组下堆积体周长面积比数值要小很多。堆积体周长面积比数值越大,表明堆积体边界越复杂,也说明了滑体与易侵蚀层相互作用过程越强烈,作用形式越复杂。

易侵蚀层厚度越大,对滑坡运动的抑制作用越显著,尤其表现在平面形态上。易侵蚀层厚度在20 mm及以下的条件下,均符合该规律。当易侵蚀层厚度增加至24 mm时,堆积体长和宽却表现出增加趋势。通过断面可知在易侵蚀层厚度达到24 mm时,滑体未将易侵蚀层完全侵蚀,即侵蚀深度未至底板(图14)。滑体体积和易侵蚀材料一定,滑体的侵蚀深度存在最大限度,当易侵蚀层厚度大于这个深度,滑体的冲击力则不能将其击穿。滑体在撞击易侵蚀层后并不能沿光滑底板向前滑动,侵蚀面上移,前缘易侵蚀层隆起程度低,在后部主滑体的推动下前部表层滑体轻易翻过隆起区,形成运动距离增大的现象。

2.3 堆积体内部构造

通过分析滑坡堆积体的内部构造特征,推演滑体与易侵蚀层的相互作用形式是砂箱试验中的常见方法[31-32]。为记录堆积体内部构造特征,试验利用透明切割板沿滑坡堆积体Y轴(中轴)进行了切割(图13)。除易侵蚀层厚度为24 mm外,易侵蚀层在深度上均被完全侵蚀。在滑体和易侵蚀层的相互作用下,堆积体内部出现了直立褶皱、平卧褶皱、逆冲剪切、水平剪切、包卷等构造现象(图14)。

图13 堆积体切割位置Fig.13 Cutting position of deposits

图14 堆积体纵切面结构Fig.14 Longitudinal section structure of deposits

直立褶皱分布于堆积体前缘的易侵蚀层中,表明该区域受到滑体推力的影响,形成垂直于推力方向的挤压变形。直立褶皱在所有试验组下普遍存在,随着易侵蚀层厚度的增加,直立褶皱的范围偏移至滑体下方,厚度有所增加。平卧褶皱发育于堆积体前坡下伏的堆积体中。其成因为滑体在运动过程中将易侵蚀层完全铲起并通过推动和覆盖使其发生折叠形成地层重复对称。平卧褶皱在所有试验组下均有发育。当易侵蚀层厚度较薄时(4 mm和8 mm),平卧褶皱的核部在水平方向上远于隆脊位置,随着易侵蚀层厚度的增加,平卧褶皱核部和隆脊位置均向斜坡坡脚运移。逆冲剪切主要发育于平卧褶皱的核部和上侧翼部,该区域所受到的剪应力最集中。逆冲剪切在易侵蚀层厚度为4 mm和8 mm时不发育,随着易侵蚀层厚度增加至20 mm,剪切面角度逐渐变陡。平卧褶皱的形成,使得滑体下伏的扰动易侵蚀层厚度增加,导致滑坡水平方向运动阻力增大。受滑坡推力作用,扰动的易侵蚀层会沿着褶皱的轴线发生相应的变形和剪切位移。因剪切面倾向与滑体运动方向相反,表现为逆冲剪切构造特征。水平剪切主要分布于平卧褶皱的上侧翼部,仅在易侵蚀层厚度为20 mm和24 mm的试验组中发育。滑体在运动的过程中,下部滑体(及被扰动的易侵蚀层)受到的阻力大于上部滑体二者之间产生速度差,在二者接触面附近形成水平剪切。包卷主要发育于前坡下部,仅在易侵蚀层厚度为16 mm和20 mm试验组下发育。在滑体将易侵蚀层铲起的同时,下部滑坡阻力增大,而上部滑体在惯性力作用下继续向前运动并卷入平卧褶皱核部,最终被后侧滑体覆盖形成包卷构造。

3 结 论

1)滑体运动过程可以分为3个阶段：初始阶段滑体沿斜板下滑,速度和加速度快速增加,该阶段所有试验组下滑体速度场,位移场的特征都是类似的;在加速、稳定阶段,滑体与易侵蚀层碰撞后速度迅速降低,加速度瞬间降低至负值。

2)在滑体体积一定的条件下,易侵蚀层的存在,在一定厚度的范围内会对滑体的运动产生抑制作用。随着易侵蚀层厚度的增加,滑坡堆积体范围明显缩小。隆脊将堆积体分为前坡和后坡,所有试验组下前坡均比后坡的面积更大且坡角更陡。

3)滑体体积一定,所具有的侵蚀能力是一定的。当超过滑体的影响范围时,深层次的易侵蚀层将难以受到扰动和侵蚀。在受到扰动和侵蚀的地层内部会出现直立褶皱、平卧褶皱、逆冲剪切、水平剪切、包卷等现象。这表明在滑体内部,随着易侵蚀层厚度的增加,滑体对易侵蚀层的作用形式逐渐由挤向覆转变。