顆粒粒徑對泥石流形成影響的試驗(yàn)研究①

李翠娜， 李業(yè)勛

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092;2.中交三航局第二工程有限公司，上海200122)

0 引言

泥石流是固體顆粒與水的均勻混合物沿坡體迅速下滑的大體積移動(dòng)［1］，具有爆發(fā)突然、歷時(shí)短暫、來勢兇猛等特點(diǎn)［2］，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和人類生活造成巨大破壞.

泥石流與其形成區(qū)顆粒粒徑分布關(guān)系密切［3］.Wang G 等(2001，2003)［4，5］對不同粒徑的兩種硅砂進(jìn)行人工降雨誘發(fā)泥石流試驗(yàn)，粒徑為D50=0.13mm時(shí)發(fā)生分層下滑破壞(retrogressive sliding)，粒徑為D50=0.05mm時(shí)發(fā)生流滑現(xiàn)象(flowslides).陳曉清［6］結(jié)合蔣家溝徑流和人工降雨試驗(yàn)，對寬級配礫石土原位滲透、滑坡轉(zhuǎn)化泥石流起動(dòng)進(jìn)行研究.Zhou J等(2011)［7］通過自行設(shè)計(jì)的可視化砂土泥石流室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置，結(jié)合數(shù)碼測量變形技術(shù)對泥石流形成的破壞形態(tài)進(jìn)行了研究.

為研究泥石流受土體顆粒粒徑的影響，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn).室內(nèi)模型試驗(yàn)試樣采用中砂和細(xì)砂混合，按照不同細(xì)砂質(zhì)量比配置了6組不同顆粒粒徑試樣，進(jìn)行降雨誘發(fā)泥石流的室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了不同顆粒粒徑下泥石流的形成模式，并分析中砂坡體泥石流形成過程中孔隙水壓力變化規(guī)律.本文為泥石流的研究提供理論參考價(jià)值.

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置

(1)泥石流發(fā)生模型槽

試驗(yàn)坡體厚度為10cm，寬度為25cm，上表面長度為60cm，試驗(yàn)比例為1∶20，模擬坡體厚度為2m的淺層坡體.泥石流發(fā)生模型槽寬度為25cm，長度為40cm，一、二級坡底長度均為75cm(見圖1).一、二級坡底與水平面的夾角分別為35°和15°，泥石流在一級坡體上發(fā)生，在第二級坡體上流通.

圖1 泥石流室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置

(2)降雨設(shè)備

利用5個(gè)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(yàn)過程中通過流量計(jì)控制人工降雨流量，保證降雨均勻穩(wěn)定，降雨強(qiáng)度采用22.0mm/12h進(jìn)行泥石流的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究.

(3)數(shù)據(jù)采集

數(shù)字圖像采集采用Canon 350D數(shù)碼相機(jī)隔5s拍攝一張模型照片.

1.2 室內(nèi)模型試驗(yàn)土樣

室內(nèi)模型試驗(yàn)土樣采用中砂和細(xì)砂混合，按不同質(zhì)量比配置6組不同顆粒粒徑的試驗(yàn)試樣，細(xì)砂比例分別為 0(中砂)、10%，20%，30%，40%，100%(細(xì)砂)，試驗(yàn)標(biāo)號分別為 C －0，C －10，C －20，C －30，C －40，C －100，在縮尺條件下分析顆粒粒徑對泥石流形成的影響.不同顆粒粒徑試驗(yàn)土樣的級配曲線見圖2.

圖2 不同顆粒粒徑試樣的級配曲線

試驗(yàn)所用中砂的粒徑范圍為0.075 mm～2.0 mm，相關(guān)參數(shù)為:d50=0.85mm，不均勻系數(shù)，Cu=1.90，Cc=1.10;顆粒比重為 Gz=2.64g/cm3，相對密度為 Dr=0.43，內(nèi)摩擦角為 32.8°，滲透系數(shù)為k=0.005cm/s.試驗(yàn)所用細(xì)砂的粒徑范圍為0.075mm ～0.25 mm，相關(guān)參數(shù)為:d50=0.15mm，Cu=1.70，Cc=1.03;顆粒比重為 Gs=2.69g/cm3，內(nèi)摩擦角為 28.5°，滲透系數(shù)為 k=0.0018 cm/s.

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為不同細(xì)砂含量時(shí)坡體發(fā)生破壞形成泥石流的形成模式，根據(jù)試驗(yàn)觀測結(jié)果，泥石流的形成模式分為滑坡型和流滑型兩種類型.

2.1 滑坡型破壞

在人工降雨作用下，試驗(yàn)編號C－0，C－10，C－20和C－30主要發(fā)生滑坡型破壞形成泥石流，即坡體先從坡腳發(fā)生破壞，然后逐漸向上分層分塊下滑發(fā)生滑坡破壞，滑坡破壞形成的松散土體與水混合快速向下滑動(dòng)形成泥石流，見圖3中(a)，(b)，(c)和(d).滑坡型泥石流形成過程表現(xiàn)為入滲軟化、分層滑動(dòng)和泥石流三個(gè)階段.

在入滲軟化階段，由于細(xì)砂含量較少，顆粒骨架以粗顆粒為主，滲透系數(shù)相對較大，試驗(yàn)觀測到雨水浸潤線快速下降.隨著浸潤線下降，雨水在坡體內(nèi)部滲透，使土體飽和度增加，抗剪強(qiáng)度降低，這個(gè)過程為入滲軟化階段.

在分層滑動(dòng)階段，觀測到坡體的坡腳發(fā)生滲透變形，坡腳表面出現(xiàn)多條拉裂縫隙，發(fā)生坡腳破壞;坡腳發(fā)生滲透破壞后，坡體自坡腳開始發(fā)生漸進(jìn)式分層滑動(dòng)，后方土體因失去前方土體支撐發(fā)生滑坡并在雨水沖刷作用下向下流動(dòng)形成泥石流.坡體自坡腳向后發(fā)生分層滑動(dòng)，這個(gè)過程為分層滑動(dòng)階段.

在泥石流階段，此時(shí)坡體已經(jīng)完全破碎，在雨水滲透和沖刷作用下，松散土體與雨水向下快速流動(dòng)形成泥石流.

滑坡型泥石流發(fā)生坡腳滲透破壞，然后坡體發(fā)生滑坡破壞，造成松散土體和雨水混合為快速流動(dòng)的水石混合體形成泥石流，整個(gè)過程具有歷時(shí)長、速度小的特點(diǎn)，形成過程具有漸進(jìn)性.

2.2 流滑型破壞

在人工降雨作用下，試驗(yàn)編號C－40和C－100主要發(fā)生流滑型破壞，即隨著浸潤線的下降坡體發(fā)生表面沉降，當(dāng)浸潤線達(dá)到坡體底部后不久，坡體突然以整體快速向下滑動(dòng)發(fā)生流滑破壞形成泥石流，見圖3中(e)和(f).流滑型泥石流形成過程表現(xiàn)為入滲軟化、整體流滑和泥石流三個(gè)階段.

在入滲軟化階段，由于細(xì)砂含量增加，顆粒骨架以細(xì)顆粒為主，雨水浸潤線下降緩慢.浸潤線下降過程中，沒有觀測到孔隙水從坡腳滲出，此試驗(yàn)現(xiàn)象表明孔隙水在坡體內(nèi)積聚.孔隙水在坡體內(nèi)積聚提高了坡體的含水率，導(dǎo)致孔隙水壓力增加和有效應(yīng)力減小，土體抗剪強(qiáng)度降低，土體發(fā)生入滲軟化.

在整體流滑階段，坡體突然快速向下滑動(dòng)發(fā)生整體流滑.流滑型泥石流具有兩個(gè)特點(diǎn):1)坡體發(fā)生整體流滑前，坡腳處土體出現(xiàn)小規(guī)模滲透破壞，但發(fā)生滲透破壞的區(qū)域在坡腳中所占比例很小，沒有削弱坡腳對后方土體的支撐作用;2)坡體后方土體的滑動(dòng)速度大于前方土體，前方土體在后方土體的推動(dòng)下向前滑動(dòng)，坡體發(fā)生流滑破壞并形成典型的魚形坡體斷面.

在泥石流階段，坡體滑動(dòng)后形成的松散土體和雨水混合在一起，形成快速流動(dòng)的泥石流.

流滑型泥石流后方產(chǎn)生明顯的沉降，未發(fā)現(xiàn)明顯的坡腳滲透破壞，坡體突然以整體快速向下滑動(dòng)發(fā)生流滑破壞形成泥石流，整個(gè)滑動(dòng)過程具有歷時(shí)短、速度大等特點(diǎn)，形成過程具有突發(fā)性.

表1歸納了不同顆粒粒徑時(shí)，土體發(fā)生的主要形成模式、試驗(yàn)現(xiàn)象描述以及初始滑動(dòng)時(shí)間.

圖3 不同顆粒粒徑下泥石流的形成模式

不同顆粒粒徑下降雨誘發(fā)泥石流的室內(nèi)模型試驗(yàn)表明:顆粒粒徑對泥石流的形成模式具有重要影響，隨著細(xì)砂含量的增加，泥石流的形成模式表現(xiàn)為滑坡型破壞和流滑型破壞.當(dāng)細(xì)砂含量小于40%時(shí)，坡體發(fā)生滑坡型破壞，即發(fā)生分層塊體滑動(dòng);當(dāng)細(xì)砂含量大于40%時(shí)，坡體發(fā)生流滑型破壞，即坡體以整體快速向下滑動(dòng).這主要是因?yàn)橥馏w的流動(dòng)性隨著細(xì)砂含量的增加而逐漸加強(qiáng)，細(xì)顆粒含量越高，土體內(nèi)部的孔壓消散速度就越慢，土體內(nèi)存在的高孔壓將使得土體更易發(fā)生流動(dòng).

表1 不同顆粒粒徑下泥石流形成的室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果

2.3 典型顆粒粒徑下孔隙水壓力分析

本小節(jié)選取了中砂坡體進(jìn)行泥石流形成的室內(nèi)模型試驗(yàn)，在縮尺條件下分析典型顆粒粒徑下泥石流形成的孔隙水壓力變化規(guī)律.

孔隙水壓力反映了降雨作用下的土體破壞過程中土水作用關(guān)系.很多學(xué)者都通過試驗(yàn)利用孔隙水壓力的變化來解釋泥石流的啟動(dòng)原因.部分學(xué)者認(rèn)為，在強(qiáng)降雨情況下由降雨引起滑坡進(jìn)而演化為泥石流主要是由孔壓升高引起的(Sidle RC等(1982)［8］，Anderson SA(1995)［9］).

為了分析泥石流形成過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律，在坡體中設(shè)置了4個(gè)孔隙水壓力測量點(diǎn)，見圖4.其中，1#、2#、3#布置在斜槽底部中心線上的前、中、后三個(gè)位置，間距為10.0cm;孔隙水壓力計(jì)4#位于2#的上方5.0cm處.圖5為室內(nèi)模型試驗(yàn)過程中各孔隙水壓力曲線.在入滲軟化階段(0～180s)，1#觀測點(diǎn)的孔隙水壓力在160s出現(xiàn)后開始緩慢增加，2#、3#和4#觀測點(diǎn)孔隙水壓力值為0.

在坡腳滑動(dòng)階段(180s～260s)，孔隙水壓力整體上表現(xiàn)為上升，但上升過程中出現(xiàn)波動(dòng)，孔隙水壓力出現(xiàn)小幅度下降，這可能是坡腳滑動(dòng)時(shí)，造成孔隙水壓力消散所引起的孔隙水壓力波動(dòng).

在坡體分層滑動(dòng)階段(260s～400s)，坡體發(fā)生分層滑動(dòng)后，孔隙水壓力開始出現(xiàn)下降，但孔隙水壓力相對于坡體滑動(dòng)稍有滯后.當(dāng)坡腳土體滑動(dòng)引起坡體出現(xiàn)張拉裂縫時(shí)，1#觀測點(diǎn)處孔隙水壓力首先出現(xiàn)下降，這主要是1#觀測點(diǎn)據(jù)坡腳最近，此處孔隙水壓力最先出現(xiàn)下降，但是下降幅度較小，從280s～300s孔隙水壓力下降了0.03kPa.在試驗(yàn)進(jìn)行到300s時(shí)，各個(gè)觀測點(diǎn)的孔隙水壓力也依次出現(xiàn)下降.從300s到400s，1#和4#觀測點(diǎn)孔隙水壓力下降幅度較大，分別下降了 0.43kPa和 0.22kPa;2#和3#觀測點(diǎn)的孔隙水壓力下降幅度也逐漸增大，分別下降了0.47kPa 和0.32kPa.

圖4 孔隙水壓力傳感器布置圖

在泥石流流通階段(400s以后)，坡體已經(jīng)完全坍塌，形成松散的砂土顆粒在水流攜帶下向下滑動(dòng)，孔隙水壓力基本保持穩(wěn)定，P1、P2，P3和P4處的孔隙水壓力逐漸穩(wěn)定于 0.36kPa，0.22kPa，0.20kPa 和 0.20kPa.

圖5 孔隙水壓力變化曲線

室內(nèi)模型試驗(yàn)中，孔隙水壓力先增加、后隨著坡體分層滑動(dòng)而下降.孔壓的升高主要由兩部分組成:一是降雨入滲使得土體的靜孔隙水壓力升高;二是降雨引起土體結(jié)構(gòu)發(fā)生滲透破壞，土體發(fā)生剪縮而產(chǎn)生超孔壓，產(chǎn)生類似于靜力液化現(xiàn)象.降雨入滲使得坡底土體逐漸趨于飽和，在坡體中形成滲流，致使孔隙水壓力升高，孔隙水壓力上升導(dǎo)致土體有效應(yīng)力降低，進(jìn)而降低土體抗剪強(qiáng)度而導(dǎo)致土體破壞下滑.隨著坡體發(fā)生滑動(dòng)破壞，孔隙水壓力出現(xiàn)下降.

孔隙水壓力反映了降雨作用下泥石流形成過程中水土作用關(guān)系.中砂(0.075mm ～2.0 mm)坡體發(fā)生滑坡型破壞形成泥石流的過程中，孔隙水壓力經(jīng)歷了積聚和消散兩個(gè)過程，孔隙水壓力峰值為0.84 kPa.在試驗(yàn)初期，坡體單位時(shí)間滲水量小于降雨量，孔隙水在坡體內(nèi)積聚造成孔隙水壓力增加;當(dāng)孔隙水壓力達(dá)到峰值后，坡體發(fā)生分層滑動(dòng)，孔隙水壓力隨著坡體滑動(dòng)而逐漸消散.

3 結(jié)論

采用室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行6組降雨誘發(fā)泥石流的室內(nèi)模型試驗(yàn)，在縮尺條件下研究了顆粒粒徑對泥石流形成模式的影響，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)顆粒粒徑對泥石流的形成模式具有重要影響，隨著細(xì)砂含量的增加，泥石流的形成模式由滑坡型破壞變?yōu)榱骰推茐?

(2)當(dāng)細(xì)砂含量小于40%時(shí)，坡體發(fā)生滑坡型破壞，即發(fā)生分層塊體滑動(dòng);當(dāng)細(xì)砂含量大于40%時(shí)，坡體發(fā)生流滑型破壞，即坡體以整體快速向下滑動(dòng).

(3)滑坡型泥石流整個(gè)過程具有歷時(shí)長、速度小的特點(diǎn)，形成過程具有漸進(jìn)性;流滑型泥石流整個(gè)滑動(dòng)過程具有歷時(shí)短、速度大等特點(diǎn)，形成過程具有突發(fā)性.

(4)孔隙水壓力反映了降雨作用下泥石流形成過程中水土作用關(guān)系.在試驗(yàn)初期，孔隙水在坡體內(nèi)積聚造成孔隙水壓力增加;當(dāng)孔隙水壓力達(dá)到峰值后，孔隙水壓力隨著坡體滑動(dòng)而逐漸消散.

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