顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響研究

周健　王連欣　賈敏才　李業(yè)勛

摘要：利用自主設(shè)計(jì)的小比例尺模型槽，采用粗砂（1～2 mm）和細(xì)砂（0.075～0.25 mm）按照不同質(zhì)量比例制作模型，在人工降雨條件下研究了不同的顆粒組分對(duì)砂性土泥石流形成形態(tài)的影響.模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著細(xì)砂含量由20%增加至100%，泥石流破壞形態(tài)由分級(jí)塊體滑落向整體流滑型轉(zhuǎn)變.利用GeoDog軟件分析位移場，利用孔壓計(jì)測量孔壓變化.研究發(fā)現(xiàn)：分級(jí)塊體滑落破壞過程存在明顯的潛在滑動(dòng)面的發(fā)展，孔壓隨裂縫的產(chǎn)生而耗散、隨雨水滲入裂縫而升高，呈波浪式下降；整體流滑型突發(fā)性強(qiáng)，破壞前沒有明顯滑動(dòng)面出現(xiàn)，孔壓呈一次性陡降.通過測定啟動(dòng)過程單位時(shí)間啟動(dòng)量發(fā)現(xiàn)，流滑型破壞單位時(shí)間啟動(dòng)量大于分級(jí)塊體滑落型.分層塊體滑落形成機(jī)理為土體滲透系數(shù)大，雨水快速滲透破壞坡腳，使上部土體失去支撐而分層坍塌；流滑型破壞機(jī)理為土體滲透系數(shù)小，后部高度飽和呈流態(tài)化推動(dòng)坡腳土體快速下滑.基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，初步分析了縮尺試驗(yàn)條件下降雨誘發(fā)泥石流形成形態(tài)機(jī)理，為降雨誘發(fā)泥石流的進(jìn)一步研究提供參考.

關(guān)鍵詞：泥石流；顆粒組分；降雨

中圖分類號(hào)：P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國幅員遼闊，山川河流眾多，地形地貌復(fù)雜，泥石流危害也就較為嚴(yán)重.泥石流能夠攜帶大量泥砂和礫石，水土混合物攜帶著巨大能量洶涌而下，極具破壞性.特別是云貴川等地，山川眾多，泥石流災(zāi)害頻頻發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成非常嚴(yán)重的損失.泥石流研究有重大的現(xiàn)實(shí)意義.

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流進(jìn)行了許多研究并取得了一定成果.Hungr O[1]對(duì)泥石流、碎屑崩、流滑3種自然現(xiàn)象進(jìn)行了區(qū)分.陳曉清[2]把泥石流全過程劃分為啟動(dòng)過程、流動(dòng)過程和堆積過程：啟動(dòng)就是準(zhǔn)泥石流體轉(zhuǎn)化為泥石流體.Wang G和Sassa K[3]對(duì)不同粒徑的兩種硅砂（D50=0.13 mm和D50=0.05 mm）進(jìn)行降雨誘發(fā)泥石流試驗(yàn)，分析滑動(dòng)距離與土體內(nèi)孔壓的關(guān)系.Yang W M等[4]基于野外調(diào)查和室內(nèi)測試分析，從坡面型泥石流形成的影響因素、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力條件、形成與演化過程等方面，探討了降雨誘發(fā)坡面型泥石流的形成機(jī)理.

本文利用自主設(shè)計(jì)的小比例尺室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，用砂土制作模型，在降雨條件下研究顆粒組分對(duì)砂性土泥石流形成形態(tài)的影響.利用GeoDog程序分析數(shù)碼相機(jī)拍攝的土體破壞過程圖像，分析土體位移場、滑動(dòng)帶形成位置和演化規(guī)律.利用孔壓計(jì)跟蹤土體破壞過程孔隙水壓力的變化，從水土相互作用角度分析土體不同破壞形態(tài).通過測量啟動(dòng)過程單位時(shí)間啟動(dòng)量，分析了顆粒組分對(duì)單位時(shí)間啟動(dòng)量影響.通過小比例尺室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究了降雨條件下顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響機(jī)理.

1模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)土樣

模型試驗(yàn)采用1～2 mm和0.075～0.25 mm兩種顆粒粒徑砂土按不同質(zhì)量比例配比制作模型.試驗(yàn)降雨量強(qiáng)度4 mL/min.參照高冰[5]等學(xué)者的研究，本次試驗(yàn)土體選用初始含水量5%、密實(shí)度0.43制作模型，土體自穩(wěn)能力強(qiáng)、試樣松散防止結(jié)塊.模型試驗(yàn)進(jìn)行細(xì)砂含量20%～100%共8組試驗(yàn).土樣級(jí)配曲線以及滲透系數(shù)見圖1和圖2.

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)《中國泥石流研究》[6]，坡體坡度>45°多發(fā)生崩塌型破壞，坡度為25°～45°多發(fā)生滑坡型破壞.本文主要研究滑坡型泥石流，因此設(shè)定坡度25°.制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨菻=100 mm，寬度B=250 mm，長度L=300 mm+250 mm=550 mm.加工制作模型槽，尺寸為1 500 mm×400 mm×250 mm，模型槽兩側(cè)和后壁均采用光滑鋼化玻璃，底部用木板模擬坡體基巖，并用聚氨酯在底部粘結(jié)砂土顆粒模擬邊界.模型試驗(yàn)裝置示意圖如圖3.降雨器通過空氣壓縮器加壓，由流量計(jì)控制出水量，降雨噴頭采用霧化噴頭，雨滴細(xì)小、降雨均勻，減小了雨滴對(duì)表層土體的侵蝕.

Lourenco[7]認(rèn)為在人工降雨作用下，土體破壞模式受到邊界條件影響.本文重點(diǎn)研究淺層砂土在降雨條件下發(fā)生破壞并產(chǎn)生流動(dòng)下滑的泥石流形態(tài).為防止降雨直接沖刷坡腳，采用三角斜坡的方式固定上部淺層土體以阻止其下滑，達(dá)到簡化研究對(duì)象的目的.試驗(yàn)中人工降雨只發(fā)生在上部土體表面，沒有降落至三角斜坡坡面.

由模型試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)砂含量由20%增大至100%，模型土體破壞形態(tài)由分級(jí)塊體滑落向整體流滑型破壞轉(zhuǎn)變.分層塊體滑落和整體流滑型破壞為泥石流兩種典型破壞形態(tài).以下章節(jié)將針對(duì)這兩種典型破壞形態(tài)進(jìn)行深入研究.

3顆粒組分對(duì)泥石流破壞形態(tài)影響

室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.以下分別通過細(xì)砂30%和70%分析顆粒組分對(duì)泥石流典型破壞形態(tài)影響.

3.1試驗(yàn)過程土體典型破壞形態(tài)

圖9細(xì)砂70%位移云圖表明：土體破壞特征為整體瞬時(shí)滑動(dòng)，后部土體位移大，推動(dòng)前部土體滑動(dòng)，與細(xì)砂30%位移場明顯不同.開啟降雨300 s時(shí)，試樣處于雨水入滲階段，土體主要發(fā)生豎向位移，最大位移達(dá)到2.3 mm，如圖9（a）.降雨350 s時(shí)雨水已經(jīng)達(dá)到底部，并開始在水平方向的滲透如圖9（b）.降雨365 s時(shí)中部土體剪切變形不斷擴(kuò)大，最大9 mm，如圖9（c）.隨著降雨繼續(xù)，坡腳三角區(qū)域土體強(qiáng)度降低，后部矩形區(qū)域滲透力不斷增大，土體產(chǎn)生大變形，呈流態(tài)狀，推動(dòng)前部土體快速向下滑動(dòng)，從而發(fā)生流滑現(xiàn)象.整個(gè)位移場分析中，未見到明顯的滑動(dòng)面.

根據(jù)細(xì)砂含量60%～100%土體模型試驗(yàn)結(jié)果可知，整體流滑型破壞機(jī)理為土體滲透系數(shù)小，坡腳上部土體高度飽和、呈流態(tài)化，推動(dòng)下部坡腳土體快速流動(dòng)形成泥石流.對(duì)比兩種破壞形態(tài)，雨水在土體中的入滲速度對(duì)土體破壞影響明顯，而入滲速度取決于土體的滲透系數(shù).滲透系數(shù)是泥石流形成的關(guān)鍵影響因素.

本次模型試驗(yàn)分析了顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)的影響.模型試驗(yàn)土層厚度薄，還不能完全反映現(xiàn)實(shí)情況下泥石流的形成，但是可以定性分析泥石流形成機(jī)理，在泥石流破壞形態(tài)和破壞機(jī)理研究中能夠提供一些有意義的借鑒.

5結(jié)語

通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)的小比例尺室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，借助相關(guān)測量設(shè)備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響，得到以下結(jié)論：

1）降雨條件下，細(xì)顆粒含量小于30%時(shí)，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩(wěn)定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發(fā)生分級(jí)塊體滑落；60%～100%土體發(fā)生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復(fù)雜，為過渡形式.

2）發(fā)生分級(jí)塊體滑落試驗(yàn)土體試驗(yàn)中有明顯的裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，裂縫出現(xiàn)伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導(dǎo)致孔壓再次升高，孔壓呈現(xiàn)出波浪起伏減小特點(diǎn)；整體流滑破壞土體試驗(yàn)中沒有明顯裂縫的發(fā)展，孔壓變化呈一次性瞬時(shí)陡降.

3）流滑型破壞單位時(shí)間啟動(dòng)量大于分級(jí)塊體滑動(dòng)破壞，并且存在一個(gè)最優(yōu)的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對(duì)較大同時(shí)基質(zhì)吸力減小也相對(duì)較大，從而使得泥石流最容易發(fā)生，災(zāi)害規(guī)模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級(jí)塊體滑落破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)較大，雨水快速滲透使坡腳發(fā)生破壞，上部土體失去坡腳支撐發(fā)生坍塌，發(fā)生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態(tài)化，后部土體推動(dòng)前部坡腳土體快速流動(dòng)而形成整體流滑破壞.

參考文獻(xiàn)

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

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[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.

5結(jié)語

通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)的小比例尺室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，借助相關(guān)測量設(shè)備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響，得到以下結(jié)論：

1）降雨條件下，細(xì)顆粒含量小于30%時(shí)，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩(wěn)定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發(fā)生分級(jí)塊體滑落；60%～100%土體發(fā)生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復(fù)雜，為過渡形式.

2）發(fā)生分級(jí)塊體滑落試驗(yàn)土體試驗(yàn)中有明顯的裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，裂縫出現(xiàn)伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導(dǎo)致孔壓再次升高，孔壓呈現(xiàn)出波浪起伏減小特點(diǎn)；整體流滑破壞土體試驗(yàn)中沒有明顯裂縫的發(fā)展，孔壓變化呈一次性瞬時(shí)陡降.

3）流滑型破壞單位時(shí)間啟動(dòng)量大于分級(jí)塊體滑動(dòng)破壞，并且存在一個(gè)最優(yōu)的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對(duì)較大同時(shí)基質(zhì)吸力減小也相對(duì)較大，從而使得泥石流最容易發(fā)生，災(zāi)害規(guī)模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級(jí)塊體滑落破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)較大，雨水快速滲透使坡腳發(fā)生破壞，上部土體失去坡腳支撐發(fā)生坍塌，發(fā)生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態(tài)化，后部土體推動(dòng)前部坡腳土體快速流動(dòng)而形成整體流滑破壞.

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5結(jié)語

通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)的小比例尺室內(nèi)模型槽試驗(yàn)，借助相關(guān)測量設(shè)備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響，得到以下結(jié)論：

1）降雨條件下，細(xì)顆粒含量小于30%時(shí)，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩(wěn)定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發(fā)生分級(jí)塊體滑落；60%～100%土體發(fā)生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復(fù)雜，為過渡形式.

2）發(fā)生分級(jí)塊體滑落試驗(yàn)土體試驗(yàn)中有明顯的裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，裂縫出現(xiàn)伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導(dǎo)致孔壓再次升高，孔壓呈現(xiàn)出波浪起伏減小特點(diǎn)；整體流滑破壞土體試驗(yàn)中沒有明顯裂縫的發(fā)展，孔壓變化呈一次性瞬時(shí)陡降.

3）流滑型破壞單位時(shí)間啟動(dòng)量大于分級(jí)塊體滑動(dòng)破壞，并且存在一個(gè)最優(yōu)的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對(duì)較大同時(shí)基質(zhì)吸力減小也相對(duì)較大，從而使得泥石流最容易發(fā)生，災(zāi)害規(guī)模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級(jí)塊體滑落破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)較大，雨水快速滲透使坡腳發(fā)生破壞，上部土體失去坡腳支撐發(fā)生坍塌，發(fā)生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機(jī)理是土體滲透系數(shù)小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態(tài)化，后部土體推動(dòng)前部坡腳土體快速流動(dòng)而形成整體流滑破壞.

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