泥石流“錨桿－護坡”防治模型試驗宏細觀機理＊

周 健，李業(yè)勛，張 姣，王連欣

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；3.上海城市管理職業(yè)技術學院 土木工程與交通學院，上海 200432）

泥石流具有爆發(fā)突然、歷時短暫、來勢兇猛和破壞力巨大等特點，給當?shù)丨h(huán)境和人類生活造成巨大影響.特別是2010年8月7日甘肅舟曲爆發(fā)特大型泥石流以來，泥石流及其防治受到更多關注，成為目前的熱點科研課題之一.

國內(nèi)外學者對泥石流及其防治進行了許多研究并取得了一定成果[1－11］.López S等[12］基于 1999年委內(nèi)瑞拉泥石流災害，比較分析了非工程防治措施和工程防治措施效果的差別.陳寧生等[13］通過對中國西南山區(qū)巖土工程和生物工程措施綜合防治的調(diào)查發(fā)現(xiàn)巖土工程措施的直接效益是攔蓄泥沙和調(diào)節(jié)泥石流固體物質(zhì)總量.李峰等[14］采用室內(nèi)模擬實驗研究了稀性泥石流攔擋壩壩高和溝床縱比降對壩后回淤坡度的影響.文聯(lián)勇等[15］以文家溝泥石流為基礎，詳細論證了排導、攔擋、固源和截水分流等措施在該泥石流溝防治工程中的效果和局限性，論證了“水石分離”綜合治理措施的可行性和治理效果.陳曉清等[16］提出了鋼筋混凝土框架＋漿砌石壩體式泥石流攔砂壩和預制鋼筋混凝土箱體組裝式攔砂壩的新型泥石流攔擋結(jié)構(gòu).在水土作用機理方面，高冰等[17］采用室內(nèi)模型試驗對泥石流啟動過程中的水土作用機制進行了分析.以上成果大部分從宏觀層面上對泥石流及其防治進行研究，從細觀尺度探討泥石流防治機理的研究較少.

本文利用“錨桿固定大面積護坡”進行滑坡型泥石流防治室內(nèi)模型試驗，研究滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治的宏細觀機理.利用無標點數(shù)字圖像量測技術和模型內(nèi)埋設的高精度測試傳感器，分析坡體變形、單位時間雨水滲出量和孔隙水壓力等宏觀變化.采用可視化細觀測試系統(tǒng)分析了顆粒在“錨桿－護坡”防治下的運動規(guī)律，從細觀尺度探討“錨桿－護坡”防治下模型試驗坡體結(jié)構(gòu)的變化.最后，綜合“錨桿－護坡”防治試驗現(xiàn)象、孔隙水變化、細觀顆粒運動和坡體結(jié)構(gòu)變化總結(jié)了滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治模型試驗的宏細觀機理.

1 滑坡型泥石流防治室內(nèi)模型試驗

1.1 室內(nèi)模型試驗裝置

1.1.1 泥石流發(fā)生模型槽

泥石流發(fā)生模型槽如圖1所示，寬度為25cm，深度為40cm，1級和2級坡底長度均為75cm.1級和2級坡底與水平面的夾角分別為35°和15°[18］，泥石流在1級坡體上啟動發(fā)育，在第2級坡體上流通.

圖1 滑坡型泥石流防治模型設備示意圖Fig.1 The sketch map and flume model of debris flow on slope prevention

1.1.2 降雨設備

利用5個低壓霧化噴頭單排排列構(gòu)成均勻降雨器.霧化噴頭（WP1304）的工作壓力為0.07MPa，噴口直徑為1.0mm，噴灑的水滴小、均勻呈霧狀，試驗過程中人工降雨強度保持為1mm/min.

1.1.3 數(shù)據(jù)采集設備

數(shù)據(jù)采集設備由數(shù)字圖像采集、細觀圖像采集等部分構(gòu)成.數(shù)字圖像采集采用Canon 350D數(shù)碼相機拍攝；細觀圖像采集采用Dino－life Digital Microscope（放大倍數(shù)為0～200倍）采集.

1.2 室內(nèi)模型試驗材料

根據(jù)泥石流堆積區(qū)現(xiàn)場土樣粒徑篩分結(jié)果，采用等量代替法將粒徑大于2mm的顆粒等量代換為粒徑為2mm的顆粒，按照現(xiàn)場土樣的粒徑分布配置試驗砂樣（圖2和表1）.試樣初始含水量為5%，通過3組常水頭試驗測定試樣的滲透系數(shù)k＝0.005cm/s，標準差σ＝0.001.試驗坡體厚度為10 cm，寬度為25cm，上表面長度為60cm，相對密度為Dr＝0.43.

圖2 砂土試樣級配曲線Fig.2 The grading curve of sandy sample

表1 砂土試樣的物理參數(shù)Tab.1 The physical parameters of sandy sample

1.3 滑坡型泥石流防治模型試驗方案

前期研究表明，滑坡型泥石流是從坡腳開始發(fā)生分層滑動，在2級坡體以水土混合體的形態(tài)流動形成泥石流.

網(wǎng)狀植被護坡工程和錨固工程[19］是治坡工程措施之一，鋼筋混凝土格構(gòu)式錨桿擋墻[20］是滑坡防治中的工程措施之一.本文從控源防災角度出發(fā)，結(jié)合泥石流治坡和滑坡治理的工程措施，設計“錨桿固定大面積護坡”進行滑坡型泥石流防治室內(nèi)模型試驗，主要適用于坡體淺層破壞進而引發(fā)泥石流的工程防治.試驗過程中采用“錨桿－護坡”防治（圖3）坡體下部，減少泥石流形成所需的松散土體，以降低大規(guī)模滑坡型泥石流的發(fā)生幾率.試驗采用的護坡模型為有機玻璃制作.

圖3 “錨桿－護坡”防治試驗模型圖Fig.3 The experimental test of anchor and slope protection

表2為護坡模型參數(shù)，護坡防治深度為1cm（坡體厚度的10%）.試驗中采用拉繩拉結(jié)護坡來模擬錨桿錨固.

表2 護坡尺寸參數(shù)Tab.2 The physical parameters of slope protection cm

2 滑坡型泥石流防治試驗結(jié)果分析

利用高清數(shù)碼成像設備對滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治模型試驗過程進行觀測，分析坡體變形、單位時間雨水滲出量和孔隙水壓力等宏觀變化.

2.1 滑坡型泥石流及防治試驗現(xiàn)象分析

圖4為滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治的試驗現(xiàn)象.根據(jù)圖4滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治過程表現(xiàn)為入滲軟化、孔隙水積蓄、蠕動密實和相對穩(wěn)定4個階段.入滲軟化階段，雨水入滲導致含水量增加，坡體軟化并出現(xiàn)表面沉降，在本階段后期有少量清水從坡腳滲出，見圖4（a）.孔隙水積蓄階段，孔隙水在坡體中積蓄，坡體重量增加導致出現(xiàn)張拉裂縫，形成潛在的軟弱面，見圖4（b）.蠕動密實階段，坡體發(fā)生若干次小規(guī)模蠕動，坡體在蠕動中逐漸密實，見圖4（c）.相對穩(wěn)定階段，經(jīng)過小規(guī)模蠕動后坡體到達相對穩(wěn)定，坡體結(jié)構(gòu)不再變化，雨水可以自由排出，見圖4（d）.

圖4 滑坡型泥石流防治的試驗現(xiàn)象Fig.4 The process of debris flow on slope prevention

對比滑坡型泥石流護坡防治與未防治的試驗參數(shù)，如表3所示，防治后坡體的初始滑動時間延緩了30%，最終滑動量減小了84%，“錨桿－護坡”防治減緩了滑坡型泥石流爆發(fā).這主要是因為“錨桿－護坡”防治改變了坡體的變形機制，“錨桿－護坡”在坡體表面形成了一個濾水固土的拉索網(wǎng)，使雨水自由排出而限制了土體滑動.坡體未發(fā)生分層滑動而形成大量的松散土體，不能形成大規(guī)模的泥石流.

表3 滑坡型泥石流防治與未防治參數(shù)表Tab.3 The parameters before and after the debris flow on slope prevention

2.2 滑坡型泥石流防治單位時間雨水滲出量分析

單位時間雨水滲出量為單位時間內(nèi)雨水從坡體中的滲出體積，試驗通過對比分析單位時間內(nèi)降雨量和雨水滲出量來分析坡體內(nèi)雨水的積蓄情況.

圖5為滑坡型泥石流防治前后坡體的單位時間雨水滲出量.由圖5可知，單位時間雨水滲出量隨時間的增加而逐漸增大，最后與降雨量達到動態(tài)平衡.

在入滲軟化階段（0～170s）的后期，有少量雨水滲出，雨水在坡體內(nèi)積聚，坡體含水量增加；在孔隙水積蓄和蠕動密實階段（170～520s），坡體出水量從20mL/min快速增加到520mL/min，單位時間內(nèi)雨水滲出量接近降雨量，滯留在坡體內(nèi)雨水逐漸減小；在相對穩(wěn)定階段（520～700s），單位時間內(nèi)坡體雨水滲出量達到600mL/min，雨水滲出量和降雨量已經(jīng)達到動態(tài)平衡，表明坡體內(nèi)部已經(jīng)形成穩(wěn)定的過水通道，雨水已不在坡體內(nèi)積聚.坡體的單位時間雨水滲出量變化曲線也反映了降雨使孔隙水在坡體內(nèi)部積蓄，改變了坡體含水量，土體濕重度增加、抗滑強度減小，導致坡體發(fā)生滑動.

圖5對比了滑坡型泥石流形成試驗中坡體在單位時間雨水滲出量，護坡防治前后坡體的單位時間內(nèi)雨水滲出量變化和規(guī)律基本相同，表明在坡體表面進行“錨桿－護坡”防治后并沒有造成雨水在坡體內(nèi)的大規(guī)模滯留，沒有影響坡體排水.

圖5 單位時間雨水滲出量Fig.5 The exudation amount of rain water per unit time

2.3 滑坡型泥石流防治孔隙水壓力分析

孔隙水壓力影響了坡體變形和顆粒運動，因此，在試驗過程中坡體底部布置了6（1?！?＃）個孔隙水壓力測點，測點位置見圖1.圖6為各測點孔隙水壓力隨時間的變化曲線.

圖6 孔隙水壓力變化曲線Fig.6 The curve of pore water pressure

在入滲軟化階段（0～170s），浸潤線還沒有達到坡體底部，6個觀測點的孔隙水壓力均為0；孔隙水積蓄階段（170～335s），2?！?＃觀測點孔隙水壓力依次增大，而1＃觀測點孔隙水壓力依然為0；蠕動密實階段（335～520s），孔隙水壓力在340s出現(xiàn)大幅增長，平均增長值為0.29kPa，坡體前方的孔隙水壓力大于后方的孔隙水壓力，坡體發(fā)生第1次蠕動；相對穩(wěn)定階段（520～700s），孔隙水壓力基本趨于穩(wěn)定，3?！?＃觀測點孔隙水壓力相近，約為0.83kPa，2＃觀測點的孔隙水壓力為0.69kPa，1＃觀測點孔隙水壓力出現(xiàn)小幅度增加達到0.36kPa.

坡體內(nèi)部孔隙水壓力變化說明：孔隙水在坡體內(nèi)積蓄，導致孔隙水壓力增大，坡體的抗滑強度減小，最終坡體發(fā)生變形和蠕動.坡體發(fā)生蠕動后，由于“錨桿－護坡”的濾水固土作用，坡體滑移規(guī)模較小.經(jīng)過若干次蠕動，坡體的雨水滲出量和降雨量達到動態(tài)平衡后，孔隙水壓力最終也趨于平衡，坡體達到相對穩(wěn)定狀態(tài).

2.4 滑坡型泥石流防治水土作用細觀分析

為了進一步研究滑坡型泥石流 “錨桿－護坡”防治過程中水土作用的細觀機理，試驗選擇在顆粒移動和位移場變化較大的斷面上1＃，2＃，3＃點進行細觀觀測，從細觀尺度探討滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治下水土作用機制.1＃，2＃和3＃點距坡底高度分別為2.5cm，5.0cm 和7.5cm，如圖7所示，觀測區(qū)域的面積為10mm×10mm，放大倍數(shù)50.

圖7 細觀觀測區(qū)域在坡體位置Fig.7 The micro observation area in experimental slope

2.4.1 不同區(qū)域內(nèi)細觀顆粒變化分析

通過試驗過程中對不同深度細觀觀測區(qū)域（1＃，2＃，3＃點）的細觀觀測表明：坡底處細顆粒比例較大，坡體上方細顆粒比例較小，細顆粒含量隨觀測區(qū)域距坡底高度的增加而逐漸減?。▓D8）.

1＃細觀觀測區(qū)域[圖8（a）］距坡底2.5cm，細顆粒沉積比較明顯，細顆?；咎畛淞巳康念w?？障?，細顆粒所占比例較大.2＃細觀觀測點[圖8（b）］距坡底5.0cm，細顆粒所占比例小于1＃細觀觀測點.在2＃細觀觀測區(qū)域的粗實標記線附近可以觀測到細顆粒沉積的分界線.分界線以上土體以粗顆粒為主；分界線以下細顆粒沉積，細顆粒含量較大且土體接近飽和.3＃細觀觀測區(qū)域[圖8（c）］距坡底7.5cm，土體以粗顆粒為主，細顆粒含量最小.

圖8 不同高度細觀觀測區(qū)域觀測圖片F(xiàn)ig.8 The micro－picture of different micro－area

顆粒細觀運動分析表明：細顆粒隨著雨水滲透下沉，因“錨桿－護坡”的濾水固土作用，細顆粒在坡體底部沉積并填充了粗顆粒骨架之間的空隙，提高了土體密實度；坡體上部細顆粒流失，粗顆粒構(gòu)成土體骨架.

2.4.2 細顆粒沉積效應分析

由圖8（b）可知，坡體中細顆粒沉積的分界線以上土體以粗顆粒為主，分界線以下細顆粒含量較大且土體接近飽和.通過對試驗過程中細顆粒沉積線的細觀觀測，繪制出不同時間的細顆粒沉積線，如圖9所示.圖9中第1個細顆粒沉積線的起始時間為190s，根據(jù)試驗時間共繪制了10條細顆粒沉積線.

圖9 不同時間細顆粒沉積線Fig.9 The distribution map of seepage face

由圖9可知，細顆粒沉積線基本平行于第2級坡體平面，并隨時間的增加而逐漸增高.入滲軟化階段（0～170s），浸潤線還沒有達到坡底，沒有出現(xiàn)細顆粒沉積；孔隙水積蓄階段（170～335s），細顆粒沉積，坡體內(nèi)出現(xiàn)第1個細顆粒沉積線，且細顆粒沉積線逐漸上升；蠕動密實階段（335～520s），細顆粒沉積線在340s出現(xiàn)大幅升高，這與孔隙水壓力的增長趨勢基本相同，隨后細顆粒沉積線又繼續(xù)緩慢上升且主要集中在坡體后方；相對穩(wěn)定階段（520～700s），細顆粒沉積線基本趨于穩(wěn)定，僅有小幅度增高，坡體雨水滲出量和降雨量達到動態(tài)平衡，坡體中水的細顆粒沉積線基本趨于穩(wěn)定.

3 滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治的宏細觀機理

根據(jù)滑坡型泥石流防治的宏細觀試驗研究，結(jié)合試驗過程中水體的滲透規(guī)律和坡體結(jié)構(gòu)變化，從細觀尺度總結(jié)了滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治機制的宏細觀機理.滑坡型泥石流“錨桿－護坡”防治過程中，坡體中存在一條細顆粒沉積線，如圖10所示.坡體中水土的運動以細顆粒沉積線為界限分為2種形式：水在顆粒中滲透和顆粒在水中浮動.

細顆粒沉積線以上土體飽和度較小，孔隙水以弱結(jié)合水或者毛細水的形式附著在顆粒表面，在顆粒表面形成一層水膜[見圖8（c）］.隨著降雨的持續(xù)，水膜厚度和體積越來越大，一方面導致坡體重度增加，顆粒間摩擦力減小，土體發(fā)生軟化變形，宏觀表現(xiàn)為表層沉降；另一方面，水體在自重應力作用下沿著顆粒與顆粒之間的接觸點傳遞，將一部分水體傳給下一個顆粒，即水體以豎直方向為主在顆粒之間滲透，見圖10中細顆粒沉積線以上所示的滲透方向.細顆粒沉積線以下土體接近飽和，孔隙水在坡體中以連續(xù)流體形態(tài)流動[見圖8（a）］.由于水的浮力和滲流力，部分細顆粒發(fā)生懸浮或下沉過程中在水流的帶動下隨水流以平行坡底向下方向移動，類似于顆粒在水中浮動，見圖10中細顆粒沉積線以下所示的滲流方向.

圖10 水土作用機理示意圖Fig.10 The schematic diagram of water－soil interaction

細顆粒隨著雨水滲透下沉，然后隨著滲流在粗顆粒骨架之間流動，最后受到護坡濾水固土作用而在坡體前方沉積，填充了粗顆粒骨架之間的孔隙.細顆粒沉積堵塞了顆粒間的空隙，減小了過水斷面的面積，在坡體下方形成一種沉積堵塞效應.這種沉積堵塞效應宏觀上表現(xiàn)為雨水滲出量小于降雨量，造成孔隙水在坡體內(nèi)部積蓄，孔隙水壓力增加，細顆粒沉積線升高.最后，顆粒間的摩擦力和滑動摩擦力因含水量增加而減小，土體抗剪強度降低.當孔隙水積蓄到一定程度，所產(chǎn)生的下滑分力大于坡體的抗滑分力時，坡體發(fā)生蠕動.

坡體發(fā)生蠕動時，坡體中積蓄的孔隙水得到釋放并沖擊顆粒一起運動.但“錨桿－護坡”在泥石流發(fā)生坡體表面形成一個拉索網(wǎng)，使水從坡體中排出，而阻擋了坡腳土體滑動.坡腳土體在后方土體的滑動勢能擠壓下密實，后方坡體受到坡腳土體的支撐而保持穩(wěn)定或僅發(fā)生小規(guī)模蠕動.經(jīng)過若干次小規(guī)模蠕動，土體的滑動在“錨桿－護坡”濾水固土作用下逐漸密實，最后就形成了“底部細顆粒積聚密實，上部粗顆粒骨架穩(wěn)定”的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，見圖10.

在圖10所示的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中，坡體上層以粗顆粒為主構(gòu)成顆粒骨架，上部粗顆粒骨架達到穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒間空隙較大透水性好，不會造成孔隙水積聚.坡體下層以細顆粒為主，經(jīng)過前期小規(guī)模蠕動，細顆粒填充了顆粒間的空隙，導致下層坡體的透水性相對較差，但土體已經(jīng)基本到達飽和狀態(tài)，坡體的含水量不再增加.因此，在“錨桿－護坡”防治下，坡體形成“底部細顆粒積聚密實，上部粗顆粒骨架穩(wěn)定”的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，坡體含水量保持穩(wěn)定，坡體產(chǎn)生再次滑動并形成泥石流的幾率較小.

滑坡型泥石流為稀釋的土石混合物，本文研究不考慮粉土與黏土等細粒土，將其簡化為顆粒介質(zhì)開展研究，揭示理想狀況下“錨桿－護坡”防治的宏細觀機理.而且室內(nèi)模型試驗條件有限，試驗坡體較薄，不可能完全模擬現(xiàn)場實際工程條件.因此，在后續(xù)研究中，將結(jié)合離心機模型試驗和現(xiàn)場試驗深入探討滑坡型泥石流防治效果和機理.

4 結(jié) 語

根據(jù)“錨桿固定大面積護坡”進行滑坡型泥石流防治室內(nèi)模型試驗，研究了滑坡型泥石流防治的宏細觀機理，得出如下結(jié)論：

1）滑坡型泥石流坡體進行“錨桿－護坡”防治后，“錨桿－護坡”限制了坡體的變形和位移，坡體發(fā)生入滲軟化和小規(guī)模蠕動，坡體未發(fā)生分層滑動而形成滑坡型泥石流.

2）坡體的雨水滲出量和降雨量差異造成孔隙水在坡體內(nèi)積蓄，孔隙水壓力增大、顆粒間滾動摩擦力和滑動摩擦力減小、坡體的抗滑強度降低，導致坡體發(fā)生變形和小規(guī)模蠕動.

3）“錨桿－護坡”防治下水土細觀運動分為：水在顆粒中滲透和顆粒在水中浮動.細顆粒沉積線以上水體在顆粒之間滲透；細顆粒沉積線以下細顆粒發(fā)生懸浮隨水流平行坡底浮動.

4）在模型試驗中，“錨桿－護坡”的濾水固土作用減小了顆粒運動，坡體形成了“底部細顆粒積聚密實，上部粗顆粒骨架穩(wěn)定”的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減小了滑坡型泥石流發(fā)生幾率.

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