易侵蝕層厚度對滑坡運動過程與堆積特征影響的模型試驗研究

段 釗,張 慶,李 明,朱 錕,吳延斌

(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 西部礦山生態環境修復研究院,陜西 西安 710054;3.西安建材地質工程勘察院有限公司,陜西 西安 710003;4.中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司,陜西 西安 710054;5.西安市地質環境監測站,陜西 西安 710018;6.浙江大學 海洋學院,浙江 杭州310058)

0 引 言

滑坡作為一種常見的地質現象,運動時在復雜的地形和各種基底層(易侵蝕層)上快速擴散,不可避免地對運動路徑上的易侵蝕層造成動力侵蝕,經歷鏟刮、推擠后其體積顯著增加,運動過程變得更為復雜[1-3]。易侵蝕層指存在于滑坡運動路徑上的堆積層,滑坡的運動過程和堆積特征會受到易侵蝕層的強烈影響[4-5]。

野外調查是研究滑體運動過程與堆積特征的主要方法之一。ZENG和WANG發現青藏高原尼續滑坡堆積體下伏的易侵蝕層中形成了底辟侵入體、卷曲層理、斷層和平臥不對稱褶皺等構造,同時受擾動易侵蝕層中顆粒具有較好的定向性,在地層內部存在大量的破裂浮石,認為該滑坡在運動過程中與下伏易侵蝕層存在強烈的相互作用[6-7]。DUFRESNE在新西蘭圓頂滑坡中發現滑坡下伏易侵蝕層存在底辟侵入體、旋卷層理和局部小斷層等構造現象,并在維多利亞蘭普盧滑坡研究中發現了類似的現象,認為這些滑坡在運動過程中對易侵蝕層造成了劇烈的擾動[8-9]。DUAN對涇陽南塬黃土滑坡研究發現,在滑坡堆積體內部有從階地層中向上躍層流動的流態砂質粉土,在地表形成“砂沸”現象,在滑體前緣地表形成了橫向脊、徑向裂縫等特征,認為滑體在運動過程中對階地飽和易侵蝕層造成了強烈沖擊和推擠[10]。

滑坡與沿途路徑上易侵蝕層的相互作用是普遍存在的,其作用下的形態特征與構造跡象可作為推斷滑坡運動過程與受力特征的重要依據[11-12]?；峦ǔ１灰暈橐环N單次性事件,導致在野外調查中所獲取的數據并不能系統地反映易侵蝕層對滑坡運動特征的影響[13-14]?；碌男纬杀尘安町愋院艽?僅通過地質調查難以有效地分析該類滑坡的共性特征。而物理模型試驗的引入對易侵蝕層與滑坡相互作用過程的研究提供了定量研究的方法和思路。MANGENEY進行了斜板上鋪設有厚度可變易侵蝕層的滑坡模擬試驗,表明滑體在與易侵蝕層碰撞后表現出高速擴展和緩慢細流2個階段,在后一個階段侵蝕作用強烈,易侵蝕層的存在對滑坡的運動起到促進作用,隨著厚度的增加,滑體運移距離遠且耗時更長[15]。IVERSON進行了在斜面上鋪設易侵蝕層的大型滑坡物理模型試驗,發現當易侵蝕層處于高飽和狀態下時,會產生較大超孔隙壓力,同時發生夾帶和動量增加現象[16]。DUFRESNE在斜槽底部鋪設了厚度分別為15 mm和30 mm的PVC球和面粉制成的易侵蝕層[17],易侵蝕層距坡腳有一定距離且表面與底板面齊平,試驗結果表明在這種試驗條件下易侵蝕層對滑坡運動能力有顯著的抑制作用,同時滑坡造成易侵蝕層發生水平剪切和擠壓,并將其夾帶至較遠距離。SHEA將3 mm厚的易侵蝕層鋪設于光滑的鋁質斜曲面上以研究滑體與易侵蝕層之間的相互作用[18],試驗結果顯示經歷碰撞后的堆積體后緣廣泛發育正斷層,而前緣發育大量的逆沖斷層,認為滑體與易侵蝕層相互作用時后緣表現出強烈的拉伸作用,而前緣主要以推擠作用為主。

在滑坡路徑上普遍存在易侵蝕層,這對于滑坡的運移以及堆積形態有著顯著影響,滑體與易侵蝕層碰撞時存在強烈的相互作用,造成一系列復雜的堆積體形態與構造變化。目前對于易侵蝕層所在的位置和材料類型往往是研究的重點,而對于易侵蝕層的厚度變化沒有被系統研究。通過砂盒物理模型試驗在滑坡運動路徑上設置不同厚度的易侵蝕層,研究滑坡運動過程和堆積特征,以期為計算滑坡運動路徑中存在易侵蝕時的影響范圍提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器和材料

采用砂盒試驗裝置研究滑坡沖擊易侵蝕層的過程,裝置包含物理模型系統和監測系統。物理模型系統包括斜板、底板和砂盒。斜板1.5 m×1.2 m(長×寬),通過支架調節角度;底板1.5 m×1.2 m(長×寬),水平放置,兩側有滑軌;砂盒用于裝滑體,為對開門結構。監測系統包括1臺3D掃描儀(8 fps)用于獲取滑體的運動過程以及堆積體的數字高程模型數據(DEM);2臺高速相機(120 fps),分別用于記錄滑體運動過程中的正視和俯視影像(圖1)。

圖1 砂盒試驗裝置Fig.1 Experimental device of sand box

滑體與易侵蝕層均采用干燥的中細石英砂作為材料(圖2),該材料能很好的模擬出由于孔隙水壓力積累超過有效應力而發生滑坡的地質現象,在試驗中能表現出良好的流態化特征[14,19]。砂的粒徑在0.075～0.5 mm范圍內累積百分比為87.71%,粒徑分布曲線如圖3所示。通過直剪試驗測得砂的內摩擦角φ為34°,黏聚力為0,摩擦系數為0.675。在直剪試驗中用有機玻璃替換下剪切盒中的砂樣,測得有機玻璃與砂的界面摩擦系數為0.474。試驗所用石英砂為染色砂,目的是為更好地區分滑體與易侵蝕層,不同顏色石英砂的物理、力學性質一致。

圖2 石英砂細觀影像Fig.2 Microscopic image of the quartz sand

圖3 石英砂粒徑級配曲線Fig.3 Particle size distribution curve of the quartz sand

1.2 試驗方法

尺度效應的存在,使得野外實際滑坡的一些重要物理力學過程無法在模型試驗中反映出來,包括動力學、靜電現象[20]、巖石破碎和大型滑坡中的地震效應[21]。野外滑坡復雜的邊界條件和多樣的材料性質也難以在模型試驗中再現[22]。這使得很難闡明單一因素如何影響滑坡的演變。在本研究中,簡化了邊界條件和材料選擇,便于測試的重復性[23]。

在60°時,滑動質量可以從以往的研究中識別出運動學參數[10,24]。在進行預試驗時發現,當易侵蝕層為24 mm時將不能完全侵蝕,易侵蝕層底部存在1～2 mm原始地層(圖14(c))。砂盒重心高度設置為1 m,使得滑體在坡面轉折點處可以擁有足夠的動能,與易蝕層相互作用,產生更多可見的內外沉積物結構。本次選用的砂體試驗材料具有與自然事件相似的低流變強度和沉積行為[25],因此被作為試驗材料。

試驗設置斜板與水平板之間的角度α為60°,砂盒重心高度H為1 m,滑體體積為3.6×103cm3。在砂盒中裝砂時控制砂的質量與體積,使每次試驗時滑體的初始密度均達到1.5 g/cm3。設置易侵蝕層厚度分別為0,4,8,12,16,20 mm和24 mm,密度為1.5 g/cm3,其中0 mm為水平底板未鋪設易侵蝕層試驗組。易侵蝕層由鋪砂器進行鋪設。將彩砂裝入鋪砂器內,隨著鋪砂器沿著底板兩側導軌向前移動,抽出擋板使鋪砂器內的彩砂向下流出,并通過鋪砂器后側的刮刀將彩砂表面整平。通過高度調節卡口調整鋪砂厚度,每4 mm更換彩砂顏色(圖4)。

圖4 易侵蝕層的鋪設過程Fig.4 Laying process of erodible layer

打開砂盒底部的對開門,將滑體從砂盒釋放,利用監測系統記錄滑坡運動過程和堆積特征。為了明確試驗條件和滑坡堆積體特征,定義了滑體重心高度、斜板角度、滑體滑動距離、易侵蝕層厚度、滑坡堆積體長度、滑坡堆積體寬度、堆積厚度、堆積體面積以及堆積體周長(圖5)。設滑坡運移方向為Y軸,垂直方向為X軸,滑坡位移為水平投影位移。在滑坡運動停止后,利用有機玻璃切板對滑坡堆積體進行切割,觀察并分析內部構造特征。

圖5 滑坡堆積體示意Fig.5 Deposition morphology of landslide

2 結果與分析

2.1 滑體運動過程

根據滑體與易侵蝕的相互作用過程,將滑體的運動過程劃分為3個階段。初始階段滑體啟動下滑,在與易侵蝕層碰撞之前,滑體在斜板上快速滑動,在該階段,各試驗組下滑體運動特征一致;加速階段滑體與易侵蝕層猛烈碰撞且互相混入,滑體滑動受阻,長度被顯著壓縮,滑速降低;穩定階段滑坡夾帶易侵蝕層以低速滑移最終停止,過程中前緣滑體與易侵蝕層不會產生更多的相對位移。相比之下,未鋪設易侵蝕層的試驗組,滑體在與水平底板碰撞后,滑體長度壓縮幅度小,滑體在加速階段至穩定階段滑動速度的階段性變化不顯著(圖6)。

圖6 滑體運動分解Fig.6 Movement processes of the sliding mass

2.1.1 速度特征

初始階段(未與易侵蝕層發生碰撞前)滑體速度迅速增加,最快速度達到2.7×103～3×103mm/s。在該階段,所有試驗組下的速度場特征是一致的。當滑體與易侵蝕層(或易侵蝕層厚度為0 mm)碰撞瞬間,滑體運動進入加速階段,加速度迅速降低到負值,速度因慣性小幅增加后快速降低。易侵蝕層厚度越大,易侵蝕層對滑體運動的抑制作用越強,滑體加速度的下降幅度越大,碰撞后滑體減速越顯著。易侵蝕層厚度為24 mm時,易侵蝕層對滑體的阻力達到最大,在撞擊后的0.125 s內速度下降80%。而易侵蝕層厚度為0 mm時,在撞擊后的0.125 s內速度僅下降48%。在穩定階段,滑體的加速度由負值趨于0,減速運動逐漸減緩?；w與易侵蝕層相互作用減弱,滑體速度逐漸降低,直至運動停止。當易侵蝕層厚度為4,12,16 mm和20 mm時,滑體加速度出現短暫的正值,滑體做加速運動,表現為二次加速。主要是由于受前側滑體和被擾動的易侵蝕層的阻礙,后側滑體在慣性力作用下在深度上出現了速度差,一部分滑體沿滑坡表層滑動并快速翻越阻力較大的隆起區,在下坡過程中出現二次加速(圖7、圖8)。

圖7 不同易侵蝕層厚度下速度-時間曲線Fig.7 Displacement-time curves of the sliding mass at different layer depths

2.1.2 位移特征

試驗累計位移從砂盒底部開始計算(位移為0),以任意時刻滑體前緣位置與起點的差值作為該時刻滑體的累計位移(圖9)。初始階段,滑體的位移大致相同,但在后2個階段,隨著易侵蝕層厚度的增加,滑體位移顯著減小。當易侵蝕層厚度為0時,滑體位移為1 533.9 mm,而易侵蝕層厚度為4 mm和24 mm時,位移分別下降至1 414.3 mm和1 312.7 mm,比易侵蝕層厚度為0時比例分別下降了7.7%和14.4%。

圖9 不同易侵蝕層厚度下位移-時間曲線Fig.9 Speed-time curves of the sliding mass at different layer depths

水平底板上易侵蝕層的存在對滑坡的運動能力有顯著的抑制作用。易侵蝕層在與滑坡相互作用下密度增加,厚度變大,滑體前緣的地形隆高,在滑體的推動作用下易侵蝕層抗剪強度充分發揮,滑體運動阻力增大。易侵蝕層通過與滑體間顆粒的碰撞和摩擦來實現對速度和位移的抑制[26-29]。

2.2 堆積體平面形態

隨著易侵蝕層厚度的增加,滑坡堆積體范圍明顯縮小,幾何形態由橢圓形至舌形過渡,且X軸長Y軸短(圖10)。相比于未鋪設易侵蝕層的試驗組,存在易侵蝕層時堆積體前緣有明顯的拱形隆脊[30]。以隆脊為界可將堆積體劃分為前坡和后坡,所有試驗組下前坡均比后坡的面積更大且坡角更陡,在未鋪設侵蝕層和侵蝕層較薄的試驗組下,堆積體的后緣形成不連續洼地(圖11)。

圖10 滑坡堆積體平面形態Fig.10 Surface morphologies of deposits of the sliding mass

圖11 堆積體Y軸剖面Fig.11 Y-axis profile of the deposits

提取堆積體數字高程模型(DEM),分析其形態參數(圖12)。在易侵蝕層厚度為0 mm時,堆積體長、寬、厚以及面積分別為503.35,775.90,32.51 mm和2.9×105mm2;在底板存在易侵蝕層時,堆積體長度和面積都顯著下降,但厚度和寬度增加。隨著易侵蝕層厚度的增加,堆積體長度和厚度的變化量相對于寬度更為顯著。當易侵蝕層厚度為4～24 mm,堆積體長度從368.94 mm下降至291.34 mm;寬度從626.0 mm增加至650.6 mm;厚度由56.42 mm增加至74.60 mm;面積由1.9×105mm2下降至1.7×105mm2;堆積體前坡角度由27.87°增加至36.32°;后坡角度由23°增加至29°(圖12(a)(b)(c)(d)和(e))。

圖12 堆積形態參數曲線Fig.12 Parameters curves of deposits

隨著易侵蝕層厚度增加,堆積體周長面積比呈現出先增大后減小的變化趨勢,在20 mm達到最大(圖12(d))。相對于鋪設易侵蝕層的試驗組,未鋪設易侵蝕層的試驗組下堆積體周長面積比數值要小很多。堆積體周長面積比數值越大,表明堆積體邊界越復雜,也說明了滑體與易侵蝕層相互作用過程越強烈,作用形式越復雜。

易侵蝕層厚度越大,對滑坡運動的抑制作用越顯著,尤其表現在平面形態上。易侵蝕層厚度在20 mm及以下的條件下,均符合該規律。當易侵蝕層厚度增加至24 mm時,堆積體長和寬卻表現出增加趨勢。通過斷面可知在易侵蝕層厚度達到24 mm時,滑體未將易侵蝕層完全侵蝕,即侵蝕深度未至底板(圖14)?；w體積和易侵蝕材料一定,滑體的侵蝕深度存在最大限度,當易侵蝕層厚度大于這個深度,滑體的沖擊力則不能將其擊穿?；w在撞擊易侵蝕層后并不能沿光滑底板向前滑動,侵蝕面上移,前緣易侵蝕層隆起程度低,在后部主滑體的推動下前部表層滑體輕易翻過隆起區,形成運動距離增大的現象。

2.3 堆積體內部構造

通過分析滑坡堆積體的內部構造特征,推演滑體與易侵蝕層的相互作用形式是砂箱試驗中的常見方法[31-32]。為記錄堆積體內部構造特征,試驗利用透明切割板沿滑坡堆積體Y軸(中軸)進行了切割(圖13)。除易侵蝕層厚度為24 mm外,易侵蝕層在深度上均被完全侵蝕。在滑體和易侵蝕層的相互作用下,堆積體內部出現了直立褶皺、平臥褶皺、逆沖剪切、水平剪切、包卷等構造現象(圖14)。

圖13 堆積體切割位置Fig.13 Cutting position of deposits

圖14 堆積體縱切面結構Fig.14 Longitudinal section structure of deposits

直立褶皺分布于堆積體前緣的易侵蝕層中,表明該區域受到滑體推力的影響,形成垂直于推力方向的擠壓變形。直立褶皺在所有試驗組下普遍存在,隨著易侵蝕層厚度的增加,直立褶皺的范圍偏移至滑體下方,厚度有所增加。平臥褶皺發育于堆積體前坡下伏的堆積體中。其成因為滑體在運動過程中將易侵蝕層完全鏟起并通過推動和覆蓋使其發生折疊形成地層重復對稱。平臥褶皺在所有試驗組下均有發育。當易侵蝕層厚度較薄時(4 mm和8 mm),平臥褶皺的核部在水平方向上遠于隆脊位置,隨著易侵蝕層厚度的增加,平臥褶皺核部和隆脊位置均向斜坡坡腳運移。逆沖剪切主要發育于平臥褶皺的核部和上側翼部,該區域所受到的剪應力最集中。逆沖剪切在易侵蝕層厚度為4 mm和8 mm時不發育,隨著易侵蝕層厚度增加至20 mm,剪切面角度逐漸變陡。平臥褶皺的形成,使得滑體下伏的擾動易侵蝕層厚度增加,導致滑坡水平方向運動阻力增大。受滑坡推力作用,擾動的易侵蝕層會沿著褶皺的軸線發生相應的變形和剪切位移。因剪切面傾向與滑體運動方向相反,表現為逆沖剪切構造特征。水平剪切主要分布于平臥褶皺的上側翼部,僅在易侵蝕層厚度為20 mm和24 mm的試驗組中發育?；w在運動的過程中,下部滑體(及被擾動的易侵蝕層)受到的阻力大于上部滑體二者之間產生速度差,在二者接觸面附近形成水平剪切。包卷主要發育于前坡下部,僅在易侵蝕層厚度為16 mm和20 mm試驗組下發育。在滑體將易侵蝕層鏟起的同時,下部滑坡阻力增大,而上部滑體在慣性力作用下繼續向前運動并卷入平臥褶皺核部,最終被后側滑體覆蓋形成包卷構造。

3 結 論

1)滑體運動過程可以分為3個階段：初始階段滑體沿斜板下滑,速度和加速度快速增加,該階段所有試驗組下滑體速度場,位移場的特征都是類似的;在加速、穩定階段,滑體與易侵蝕層碰撞后速度迅速降低,加速度瞬間降低至負值。

2)在滑體體積一定的條件下,易侵蝕層的存在,在一定厚度的范圍內會對滑體的運動產生抑制作用。隨著易侵蝕層厚度的增加,滑坡堆積體范圍明顯縮小。隆脊將堆積體分為前坡和后坡,所有試驗組下前坡均比后坡的面積更大且坡角更陡。

3)滑體體積一定,所具有的侵蝕能力是一定的。當超過滑體的影響范圍時,深層次的易侵蝕層將難以受到擾動和侵蝕。在受到擾動和侵蝕的地層內部會出現直立褶皺、平臥褶皺、逆沖剪切、水平剪切、包卷等現象。這表明在滑體內部,隨著易侵蝕層厚度的增加,滑體對易侵蝕層的作用形式逐漸由擠向覆轉變。