滑坡-碎屑流的堆积特征及机理分析*

郑 光 许 强 彭双麒

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学) 成都 610059)

0 引 言

人们对堆积特征的认识是从水下浊流中颗粒物质的沉积层序开始的。水下浊流是由紊流混合一定比例的沉渣而形成的，在水环境中，微小的密度差驱动浊流所挟带的颗粒不断运动，直到浊流的能量变小，颗粒开始沉积。由于大颗粒的沉淀速度较大，它们首先到达底部，这样就形成了正序分级(direct grading)堆积结构。而研究人员在调查远程滑坡-碎屑流的堆积体时，发现堆积物中较大的块石堆积于堆积体的上部，在垂直方向上呈现出上粗下细的颗粒结构特征(Blasio， 2011)。这种粒径上大下小的规律性结构，被称为反粒序结构(inverse grading)。

从已查阅文献来看，Heim(1932)在对Goldau滑坡-碎屑流堆积特征研究中最早发现了反粒序结构。其后一系列大型滑坡的调查中都有类似发现，这些滑坡包括伊朗的Saidmarreh滑坡(Watson et al.，1969)，美国怀俄明州的Madison滑坡(Hadley， 1978)，美国加州的BlackHawk滑坡(Johnson， 1978)，加拿大的Frank滑坡(Cruden et al.，1986)等。在国内，很多研究人员(许强等， 2009; Zhang et al.，2011； 王玉峰等， 2012)在对汶川地震触发的大量滑坡-碎屑流进行调查时，也发现了反粒序结构。当然，反粒序堆积结构在一些泥石流堆积物中也有发现(Van Dine， 1985； Hungr， 2000； 周公旦等， 2013)。在这些堆积体中，大块石或漂石颗粒多分布在表层或中上部，而越往堆积体下部，颗粒逐渐变细，到了一定的埋深，大粒径块石已经很少见(Crosta et al.， 2007)。

Kent(1966)认为是“圈闭空气导致流体化”从而使大颗粒位于堆积体上部； Cruden et al. (1986)认为这是由于剪切过程中的分散力和运动引起的振动所造成的； Shreve(1966； 1968)提出“气垫层说”； Habib(1975)等人提出“空隙流体汽化的基底润滑说”； Erisman(1979)提出“岩石破碎后的自我润滑”导致小颗粒在下部； Melosh提出了“声波流态化”观点； Solonenko(1972)等人提出了“地震动导致流态化说”等。最著名的是Bagnold(1954， 1956)提出的弥散压力说，他发现被运动颗粒之间会产生一种弥散压力，其与剪切速率，以及颗粒的半径的平方成正比，从而将碎屑流中的大颗粒推举到堆积体的上部。

本文通过开展滑槽试验，对碎屑流的颗粒分选过程进行重现分析，并定量化地分析堆积体中不同厚度、不同运动距离处大粒径颗粒的含量，以期获取碎屑流堆积体中块石的宏观分布规律。再结合滑坡-碎屑流实例，对堆积特征的成因机理进行分析研究。

图 1 滑槽试验装置结构图Fig. 1 Perspective view of the chute with 30°inclination anglea. 滑槽整体结构图； b. 滑槽挡板操作示意图； 1. 滑槽前挡板; 2. 滑槽后挡板; 3. 滑槽底板; 4. 圆弧转角; 5. 闸门; 6. 闸门上部空间

1 碎屑流物理模拟试验

1.1 滑槽试验装置

为开展碎屑流试验，作者设计了一套有机玻璃滑槽装置(图 1)。整个滑槽分为倾斜段、转角段和水平段3部分。其中，倾斜槽段长140icm，倾斜角30°； 水平滑槽长170icm； 圆弧段转角半径为255imm； 滑槽横截面尺寸为20icm×20icm。当倾斜滑槽上部的闸门打开时，碎屑体被释放。闸门上部空间的体积为20icm×20icm×20icm。图 2为滑槽实物照片。

图 2 滑槽试验装置实物图Fig. 2 Picture of the chute test device

为观测大粒径颗粒在碎屑流剪切运动过程中的迁移规律，需使碎屑流速度足够大(Bagnold， 1956)，故滑槽底面采用光滑的有机玻璃。

1.2 试验材料及其物理性质

采用体积1000icm3、粒径7.5imm的大石英砂颗粒和体积2000icm3、粒径1.0imm的小石英砂颗粒的混合材料开展试验(图 3)。颗粒材料的相关参数见表 1。本次试验没有考虑颗粒材料与滑槽侧壁的摩擦系数。

图 3 试验材料展示图Fig. 3 Samples of the quartz granular materialsa. 1.0 mm; b. 7.5 mm

表 1 石英砂颗粒材料性质参数表Table 1 Material constants of quartz granular materials

表中，d为颗粒的平均粒径；lmax为材料样本中颗粒的最大长度；ρ0为颗粒材料的密度；ρb为颗粒材料的堆积密度使用美国IDT公司的IDT-OS10-4K UlTRA HD高速数字相机进行拍照，拍照帧率为300ifps，即每2帧照片间隔1/300is。据相关研究(Bagnold， 1956)，选择观测斜槽中下部颗粒的运动状态。

图 4 碎屑颗粒混合材料释放前状态Fig. 4 Initial condition of mixed quartz granular materials before released

1.3 斜槽中混合颗粒的运动状态

试验前，将混合颗粒放置在挡板上部(图 4)。挡板打开后，颗粒体沿底板滑下。试验结束后，选取碎屑颗粒进入平稳流动阶段(约0.05is)的图像进行分析，每2帧照片选取1张展示在图 5中。受图像像素限制，大颗粒较明显，小颗粒则较模糊。具体过程描述如下：

(1)当混合颗粒进入平稳流动阶段时(图 5a)，很多大颗粒已位于流体表面。此时的相对时间点是(258/300=0.860i000)s，颗粒a和b混合在流体中，且恰好在表面露出，下滑速度(x方向，图 6)：va=1.75 m·s-1，vb=1.40 m·s-1。

(2)颗粒a在(262/300)is时刻到达流体表面(但未脱离)； 至(264/300)is，其与细颗粒体(浅色)之间没有了阴影的联结，说明颗粒a已脱离细颗粒体表面。相较于(258/300)is时刻，颗粒a在x方向运动了约3.3icm。此后，颗粒a逐渐远离浅色流体； 至(268/300)is，仍处于上升阶段。在(270/300)is时刻，颗粒a开始下降； 到(272/300)s时，颗粒a进入滑槽转角段。这一段已堆积了大量的碎屑体，颗粒a很快停积在已有堆积体上。

图 5 不同粒径混合颗粒流体在斜槽中的运动过程Fig. 5 Series of snapshots of mixed quartz granular materials moving down the chute图中箭头所指为跳跃运动较明显的石英砂颗粒

(3)颗粒b在(260/300)s时刻到达流体表面； 至(262/300)is完全脱离颗粒流，其顶部在y方向刻度达到1.5icm，此时，vb=1.56m·s-1。至(264/300)is，颗粒b顶部在y方向达到1.8icm刻度； 至(266/300)is，其顶部在y方向仍然在1.8icm刻度附近(图 5e)； 两个时刻的坐标近似，说明颗粒b在两个时刻之间达到位移最大值，(264/300)is时刻位于上升阶段，(266/300)is时刻位于下降阶段。至(268/300)is，颗粒b落回流体中，并停滞在流体表面。此后，颗粒b在流体表面沿x方向运动，y方向位移变化较小。

(4)颗粒c在(268/300)is时刻从颗粒流体中显露出来； 在(270/300)is时刻，其顶部在y方向达到1.6icm刻度； (272/300)is时刻，顶部y向刻度达到1.8icm。

图 6所示为颗粒a和颗粒b在x方向的速度，可以看到它们在跳跃阶段的速度值均在1.50～1.70im·s-1之间。这些速度值是通过跟踪颗粒上游边界的位移后换算得到的。

从碎屑流体中大颗粒的运动过程(图 5)和沿x方向的速度变化(图 6)，可以发现：

(1)在快速运动的斜槽流体中，小粒径颗粒在流体下部沿有机玻璃底面平稳流动，而大粒径颗粒不断地从平稳层流中跃起，又落下。说明伴随着颗粒流的剪切运动产生了一个垂直于x方向的力(Py)，该力将大粒径颗粒从流体下部推到上部，并将其抛起。

(2)大粒径颗粒跳跃过程仅在斜槽中下段才能够被明显观察到。说明只有当颗粒运动速度达到一定值后，产生的法向力(Py)才能够克服颗粒重力，将其抛起。

(3)大粒径颗粒上移后遗留下来的空间被细颗粒占据，且由于小颗粒的粒径远小于大颗粒体的空隙尺寸，这会使小颗粒在重力作用和滑移振动的双重作用下，主动沿大颗粒之间的缝隙运动到混合粒径流体的底部，造成小颗粒主要分布在流体下部，而大粒径颗粒逐渐向上层聚集。

图 6 跳跃颗粒x方向的速度曲线Fig. 6 Evolution of the speed in x direction of particle a and particle ba、b分别表示图 5、图6中跳跃石英砂颗粒a和b的运动速度

2 不同粒径混合体斜槽流的堆积特征

试验结束后的堆积体形态如图 7所示，其中图 7a是堆积体正视图，图 7b是侧视图。可以看到：

图 7 粒径混合颗粒的堆积特征Fig. 7 Depositing characteristics of grains of different size材料共计3 L，其中， 7.5imm石英砂颗粒， 1000icm3； 1.0imm石英砂颗粒， 2000icm3； a. 堆积体正视图； b. 堆积体侧视图

(1)堆积体总长约56icm(表面斜长)，前缘位于水平槽段，后缘位于倾斜槽段。其中位于水平槽段的堆积体长约24icm，约占总长度的43%。

(2)从正视图看(图 7a)，堆积体6～23icm刻度段大粒径颗粒分布密度较高； 其次是44～54icm刻度段。在23～44icm区段，大粒径颗粒的分布密度较小，但比较均匀。

(3)在堆积体后部，即2～6icm刻度段，存在一个小颗粒区，区内无大颗粒； 在堆积体前部，即54～58icm刻度段，存在一个大粒径颗粒稀少区。

(4)从侧视图(图 7b)可知，小粒径颗粒主要分布于堆积体下部，而大粒径颗粒主要分布于堆积体的中上部及表面，大颗粒间隙由小粒径颗粒填充。

图 8 堆积体分解示意图Fig. 8 Details of the separating arrangement of accumulation

为获得堆积体内部大颗粒的空间分布规律，开展12组滑槽试验，其中， 6组试验堆积体如图 8a所示等厚分层分析，上下共分5层； 6组试验堆积体如图 8b所示等距分段分析，前后分6段，每段长9～10icm。然后筛分并称重，计算大颗粒在不同层位和段位的质量百分比，绘制大颗粒质量百分比曲线(图 9)。以此来分析堆积体的粒序堆积特征：

图 9 堆积体不同位置大颗粒质量百分比曲线Fig. 9 Mass percentage curve of large particles in different arrangement of accumulationa. 不同层位大颗粒质量百分比曲线; b. 不同区段大颗粒质量百分比曲线

(1)在垂向(Y向)上，越往下7.5imm粒径颗粒的含量越低(图 9a)。第1层大颗粒质量百分比达到55.06%～64.41%，在最底层(第5层)大颗粒的质量百分比仅为5.47%～8.67%，相差近8～10倍，差异显著。

(2)在滑移方向(X向)上，堆积体后部a区段和b区段大颗粒的质量百分比最大，分别为42.86%～50%和38.52%～45.45%； 越向前，大颗粒含量越小，至e区段出现一个小增长(图 9b)。这样，在X方向上，大颗粒质量百分比曲线呈现后高前低的双峰形态。

(3)大粒径颗粒在垂向的分布规律印证了碎屑流堆积体中的反粒序分级结构，但其在滑移方向的双峰形分布规律则需要进一步在碎屑流实例中进行验证。

3 岩质滑坡-碎屑流堆积体块石粒径分布实例

碎屑流堆积体中存在的反粒序结构已在众多案例中被证实(王玉峰等， 2012)，本节主要用实例对堆积体中存在的大块石含量双峰形分布特性进行验证分析。

3.1 贵州纳雍普洒村崩塌-碎屑流块径分析

图 10所示为贵州纳雍县普洒村崩塌-碎屑流(简称普洒村崩塌， 2017年8月28日发生)的无人机正射影像图(郑光等， 2018)。沿碎屑流运动方向，由崩塌后缘130im处开始(此处为堆积体后缘边界，向后为基岩陡坡，坡表无堆积残留)，每隔50im划出1个宽100im的区域，共得13个区域，编号A1～A13。分别对13个区域内可见的块石粒径进行统计分析。

图 10 普洒村崩塌碎屑流块石统计分区Fig. 10 Aerial image of Pusacun rock avalanche which isdivided into 13 areas for grain statistic

受航拍图片分辨率限制(可分辨最小块径为0.25im)，将每个分区的颗粒直径以2im间隔分为6个范围(<2im， 2～4im， 4～6im， 6～8im， 8～10im，大于10im)，取左开右闭区间统计每个粒径范围内块石的数量，计算不同粒径等级块石在各区域所占比例，绘制直方图(图 11)，并结合现场调查，可以看到：

(1)堆积体上部主要以大于1im的块石为主，泥土等极细粒和细粒位于堆积体下部。

(2)对于小于2im的块石，堆积体后部的A1、A2区含量较多，而A3区、A4区和A5区小粒径较少； 从A3区开始越往堆积体前部，小颗粒在堆积块石所占的比例增加。2im以下的块石占比，A3区最低，含量为36.61%。

(3)对比图 11中a～di4张不同粒径块石含量柱状图，小于2im的块石含量在A3、A4区出现小值(鞍部)，而两端含量较高； 2～4im的块石含量在A8区间附近出现小值(鞍部)； 4～10im块石含量小值(鞍部)出现在A7区附近，A4区和A8区分别是其峰值区。

(4)堆积体中2～4im粒径的块石含量与小于2im的块石含量的变化趋势相反，但均具有双峰形分布形态。

总体来说，粒径大于4im的块石含量少，构成普洒村崩塌堆积体宏观骨架的粒径区间为2～4im，该粒径区间的块石含量分布(图 11b)具有明显的双峰形态。

3.2 四川茂县新磨村滑坡-碎屑流块径分析

受图像分辨率限制(可分辨最小块径0.6im)，将每个分区的颗粒直径间隔2im分为6个范围，取左开右闭区间统计每个粒径范围内块石的数量，并计算不同粒径等级块石在各区域所占比例，绘制如图 13所示直方图。可以看到：

图 11 不同粒径等级在普洒村崩塌-碎屑流各区域所占比例Fig. 11 Deposit particle size distributions in different areas of Pusacun rock avalanche

图 12 新磨村滑坡-碎屑流体分区示意图Fig. 12 Aerial image of Xinmocun landslide which isdivided into 45 areas for grain statistic

图 13 不同粒径等级在新磨村滑坡-碎屑流各区域所占比例Fig. 13 Deposit particle size distributions in different areas of Xinmocun landslide

(1)堆积体后部A1～A3区小于2im的块石含量超过50%，由图 13可知，该区域中大块石极少，主要为因粒径太小而无法分辨的白区。

(2)小于2im的块石，A1区含量最高，然后开始逐渐降低，至A11区时降低到谷底，在A12～A22区之间有回升，但基本处于20%～30%之间； 至A23区后，含量开始剧增，至堆积体最前部达到峰值，约为65%。

(3)2～4im区间及4～6im区间的块石含量变化趋势相近，且与小于2im的块石含量变化趋势相反。2～6im块石含量在A11区域达到第1个峰值，在A12～A22区域则在高含量值附近做小趋势变化，在A30区附近达到小值(鞍部)，其后含量又开始回升。整个趋势呈一个双峰形(图 13b、图 13c)，只是第2个峰值较小。

(4)对于6～10im直径的块石(图 13d)，主要分布在堆积体上部的A4～A25区域，前部堆积体中含量相对较少，A40区以后甚至已经没有了。

(5)大于10im的大块石的最少，主要分布在A4～A23区和A35～A43区，每个区只有1～2块。A24～A34之间的10个区域无大于10im块石。

图 14 碎屑流堆积体中大块石分布模式图Fig. 14 Conceptual models of particle distribution in accumulation of granular flowa. 大块石沿滑移方向分布模式曲线； b. 大块石在堆积体中的分布特征图； c. 大块石沿堆积体深度的分布模式曲线

经分析可知，大于2im的块石的含量分布形式，从堆积体后部至前部，都呈双峰形态，且第1个峰值大于第2个峰值，堆积体中部的大块石含量最低。这与滑槽试验的结果是一致的。堆积体中大块石含量分布模式图如图 14所示。

4 碎屑流物质运动中的分选成因分析

滑坡-碎屑流的运动机理是非常复杂的，据统计，目前约有4大类20余种碎屑流运动机理模型(郑光， 2018)。基于碎屑流滑槽试验研究和实例堆积体块石分布分析，作者认为是弥散应力和振动筛分以及两者相互耦合作用形成了堆积体中的反粒序和双峰型分布特征。其中，弥散应力来自于颗粒流内部颗粒间的相互碰撞和剪切作用，而振筛作用的动力来源为碎屑流滑移区不规则起伏引起的碎屑体振荡，以及由粒径差异造成的动量不均衡碰撞。

4.1 弥散应力的作用

由于颗粒流是一种比较特殊的两相流，颗粒之间的碰撞作用占优势，而流体相的影响则可忽略。这样，碎屑流的应力可以由3部分组成(王光谦， 1989)，即：

τtotal=τcoulomb+τdispersive+τcollision

其中，τcoulomb为库仑摩擦力，与颗粒受到的剪切速率无关，为颗粒间的连续接触力，仅在很低的剪切速度和近乎密实的高浓度条件下才占主要作用，在高剪切速率和低颗粒浓度条件下，库仑摩擦力可忽略不计，故在碎屑流运动中可不考虑τcoulomb项的影响。τcollision是碎屑颗粒间的碰撞作用力。τdispersive指弥散应力，是由于颗粒做弥散运动发生位置交换而引起动量交换所产生的。这3种力随颗粒不同的运动条件而相互消长。

对于弥散压力在碎屑远程运动中的作用，Bagnold(1956)发现弥散压力与剪切速率，以及颗粒的半径的平方成正比，也就是说当碎屑流的剪切速率越大，弥散压力越大； 颗粒的半径越大，受到的弥散压力越大。具体函数表达如式(1)。

(1)

这里，R是颗粒的半径，d是颗粒之间的平距距离，φ是速度矢量相对于垂直方向的夹角，λ=2R/(d-2R)是颗粒的线性浓度，C是0.5阶的几何因子，U是剪切运动速度，ρ是颗粒流的密度。PN是垂直于流向的，τ是由颗粒碰撞引起的剪应力。

当由颗粒碰撞剪切形成弥散压力PN大于颗粒的重力时，会将颗粒推到高速运动的流体表面，图 5就展示了这一过程。

4.2 振动筛分

在热力学体系中，任何物质都会朝着能量最低的稳定状态转化。对于密度相近的岩石碎屑物质来说，混合体系中存在着粒径大小不一的颗粒，当没有外力作用时，其相对分布状态不会发生改变。一旦该体系受到外力的作用，小颗粒就具有沿重力方向向大颗粒缝隙运动，并将其填满的趋势，最终小颗粒填满大颗粒下部，并开始支撑大粒径颗粒，直至达到系统均匀分布的平衡状态。

另有研究者通过开展试验发现，在垂向振动过程中颗粒体内形成了一个对流的垂向循环(Umbanhowar et al., 1998)，容器中心的颗粒向顶部移动，然后向外扩散后从容器壁附近下降。由于小颗粒的推动，大粒径颗粒漂移到顶部，在这里大颗粒由于尺寸太大而被困住而不再受到下降对流的影响。通过调整振动频率，可以在试验颗粒体中形成数量不一的垂向循环(郑文， 2013)。

总之，外部的振动作用使碎屑流颗粒发生了分聚现象。对于崩塌-滑坡-碎屑流来说，碎屑流体在远程运动过程中受到沿途崎岖不平的地形影响，与河谷岸坡不断地发生碰撞和剪切作用，引起内部的岩石块体之间不断的相互摩擦、碰撞和振动，形成一系列发振位置和方向都随机的振动激励源。这一过程使滑坡体自身所具有的势能和动能不断地向内部振动能转化，使得碎屑体不断地受到振动筛分和振动对流的作用，从而形成上大下小的反粒序堆积结构。

图 15 碎屑流体前部停积过程模式图Fig. 15 Schematic diagram of processes at work by kinematic sieving

在流体的前锋位置碎屑体最先停积，大粒径颗粒在惯性作用下多汇聚在堆积体前部，使其百分比含量较高(图 15)； 而尾端碎屑体由于处于碎屑流的停积阶段，厚度较薄，且多为单颗粒层运动，粒径间隙大，使小粒径颗粒在重力和振动作用下运动到流体下部，造成大块石多分布在碎屑流堆积体后部表层，从而使碎屑流堆积体中大块石的分布沿滑移方向具有双峰分布规律。

5 结论与认识

通过开展滑槽试验研究了碎屑流堆积体的内部结构，并对2处碎屑流实例的堆积体做了大块石含量分析，研究了大粒径块石的分布规律，得到以下主要结论：

(1)开展碎屑流滑槽试验，利用高速相机观测了大粒径颗粒在碎屑流剪切运动过程中的迁移规律，发现在粒径混合流体中，大粒径颗粒会逐渐向流体表面运动并做跳跃运动，以脱离“流体”表面。作者认为这是颗粒所受的弥散压力在克服颗粒重力作用后的宏观表现。加之碎屑流运动过程产生的振动筛分作用，使小颗粒沿大颗粒之间的缝隙向下滑落，共同作用形成了碎屑流堆积体中的反粒序堆积结构。

(2)通过分析堆积体中大颗粒含量，发现停积的堆积体不仅在深度方向上存在反粒序结构特征，在滑移方向上大颗粒的含量分布具有双峰形态特征。这两种堆积特征在茂县新磨村滑坡和纳雍普洒村崩塌堆积体的块石分布规律中得到验证。

(3)通过研究颗粒的停积过程，发现前锋位置的碎屑体最先停积，使大粒径颗粒在惯性作用下多汇聚在堆积体前部，使其含量较高； 而尾端碎屑体由于处于碎屑流的停积阶段，厚度较薄，且多为单颗粒层运动，粒径间隙大，使小粒径颗粒在重力和振动作用下运动到流体下部，造成大块石多分布在堆积体后部表层，从而使碎屑流堆积体中大块石的分布沿滑移方向具有双峰形态。

碎屑流在远程运动过程中，其内部颗粒间的相互作用是非常复杂的，且滑体受到运动路径上底滑面凹凸不平的碰撞-激振作用，使得碎屑流体与下伏滑床之间会产生强大的振动力和空气压力，所以很多学者不仅在研究碎屑体的堆积特征(许强等， 2016； 王畯才等， 2017)，还在研究碎屑体的气垫效应(殷跃平等， 2012)、触变液化效应、含水碎屑体基底不排水剪切的雪橇模型(Sassa， 2000)等。这些效应或特性难以在某一个碎屑流模型试验中完全重现，Friedman et al.(2006)认为，虽然常规模型试验能够模拟滑坡-碎屑流的一些特征，例如堆积物的形状等，但是却在模拟它的高速远程效应机制方面有很大局限性。因为碎屑流的基底摩擦力减小所需的边界条件或者所需的碎屑物质体积、压力等条件都是普通物理模型试验所无法模拟的。因此，本文所开展的试验仅仅是反映了干碎屑流在远程运动后的堆积特征，并得到了两个实例的验证。作者用弥散应力和振筛作用对上述特征的成因进行了解释，但是哪一个是主要作用，哪一个只是辅助，还需要在后续研究中进行深入探讨。