細(xì)粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)影響的離心機(jī)模型試驗(yàn)*

周健，陳成，杜強(qiáng)，張姣

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 3.內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；4.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程與交通學(xué)院，上海 200432)

細(xì)粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)影響的離心機(jī)模型試驗(yàn)*

周健1，2，陳成1?，杜強(qiáng)1，3，張姣4

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092； 3.內(nèi)蒙古大學(xué) 交通學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；4.上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程與交通學(xué)院，上海 200432)

采用自主研發(fā)的離心機(jī)可視化試驗(yàn)裝置，在坡度和降雨強(qiáng)度不變的條件下，配置6組不同細(xì)粒含量的坡體，進(jìn)行降雨誘發(fā)泥石流離心機(jī)模型試驗(yàn).通過(guò)分析坡體破壞形態(tài)、孔隙水壓力變化、雨水遷移規(guī)律等，研究細(xì)粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)過(guò)程的影響.研究結(jié)果表明：泥石流啟動(dòng)存在臨界細(xì)粒含量(約為15%)，在臨界細(xì)粒含量范圍內(nèi)，坡體表現(xiàn)為分層滑動(dòng)破壞，10%細(xì)粒含量的泥石流啟動(dòng)時(shí)間最短；泥石流啟動(dòng)過(guò)程中坡內(nèi)孔壓逐漸上升至峰值后波浪狀下降，隨著細(xì)粒含量的增加，孔壓曲線趨于平緩；細(xì)粒含量影響雨水的滲透速度和路徑，這是影響坡體破壞形態(tài)和決定泥石流能否啟動(dòng)的直接原因.

細(xì)粒含量；泥石流；離心機(jī)模型試驗(yàn)

Abstract：Using the self-developed visualization test apparatus with constant slope and rainfall intensity and making six sets of slopes with different fine contents，centrifuge model tests on rainfall-induced debris flow were carried out.Through the analysis of slope failure patterns，the development of pore water pressure，moisture migration，and the influence of fine contents on the debris flow initiation process were studied.The test results indicate that there is a critical fine content(about15%)with the initiation of debris flow，the failure pattern of slopes is retrograded sliding when fine contents are blow the critical value，and the start time of debris flow with 10% fine content is the shortest.During the initiation of debris flow，the pore pressure increases to the peak before it declines like a wave and the curve of pore pressure tends to be gentle with the increase of fine contents.Fine contents influence the infiltration rate and the path of water，which affects slope failure patterns and determines whether the debris flow can start.

Keywords：fine content; debris flow; centrifugal model test

泥石流爆發(fā)突然、破壞性強(qiáng)，起動(dòng)過(guò)程受眾多因素影響，包括坡度、降雨特征、地震、人類活動(dòng)等外部因素以及泥石流巖土體自身礦物成分、顆粒級(jí)配、化學(xué)成分、土體分散性和地下水環(huán)境等內(nèi)部因素[1].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者考慮了內(nèi)外部因素，對(duì)泥石流啟動(dòng)過(guò)程做了研究，取得了一些研究成果[2-10].在研究降雨因素方面，李馳等[11]通過(guò)室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了降雨入滲誘發(fā)泥石流的啟動(dòng)最先出現(xiàn)在坡腳附近，隨著降雨強(qiáng)度增大、土體飽和度增大，坡體穩(wěn)定性降低促進(jìn)泥石流的啟動(dòng)；林鴻州等[12]通過(guò)降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的模型試驗(yàn)，探討了降雨特性對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響.在研究坡度因素方面，陳中學(xué)等[13]通過(guò)在特定降雨強(qiáng)度下進(jìn)行的室內(nèi)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)坡度越大，泥石流易發(fā)性越好，特別是當(dāng)坡度大于45°時(shí)，泥石流啟動(dòng)所需時(shí)間大大縮短.在研究顆粒級(jí)配方面，周健等[14-15]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)以及離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究了不同級(jí)配的砂土顆粒組分對(duì)泥石流啟動(dòng)形態(tài)的影響；Wang等[16]對(duì)不同粒徑的兩種硅砂進(jìn)行降雨誘發(fā)泥石流試驗(yàn)，分析了滑動(dòng)距離與土內(nèi)孔壓之間的關(guān)系；陳曉清等[17]通過(guò)蔣家溝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步探索了黏土顆粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)的影響.

以上研究大多是采用室內(nèi)模型試驗(yàn)手段對(duì)泥石流啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行的研究，其缺點(diǎn)是試驗(yàn)坡體深度、寬度均比實(shí)際坡體小，與實(shí)際應(yīng)力差距大.離心機(jī)模型試驗(yàn)在高應(yīng)力場(chǎng)條件下模擬接近實(shí)際土體的應(yīng)力狀態(tài)，比室內(nèi)模型試驗(yàn)更接近泥石流現(xiàn)場(chǎng)條件.

本文通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)，在坡度和降雨強(qiáng)度不變的條件下，利用高清數(shù)碼相機(jī)記錄坡體破壞過(guò)程；利用孔隙水壓力計(jì)記錄坡內(nèi)孔隙水壓力變化；通過(guò)分析不同細(xì)粒含量坡體的破壞過(guò)程、破壞特征時(shí)刻、累計(jì)滑動(dòng)量、雨水遷移規(guī)律、孔壓變化規(guī)律等研究細(xì)粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)過(guò)程的影響.

1 離心機(jī)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣

考慮到離心機(jī)的放大效應(yīng)，本文采用石英砂(0.005～0.100 mm)摻入不同比例的細(xì)粒(0.005～0.075 mm)作為試驗(yàn)土樣.石英砂的相關(guān)參數(shù)為d50=0.056 mm，Gs=2.75 g/cm3，φ=27°，其滲透系數(shù)經(jīng)離心機(jī)重力場(chǎng)(20g)放大后與粗砂滲透系數(shù)接近，其模擬的粗砂粒徑分布如表1所示.細(xì)粒塑性指數(shù)為19，屬于黏土范疇，由于本身粒徑極小，難以用其他材料替代，并且其含量相對(duì)較少，所以可以近似認(rèn)為：在離心機(jī)的放大效應(yīng)作用下，試驗(yàn)土坡整體的滲透系數(shù)與實(shí)際土坡滲透系數(shù)一致.雖然野外泥石流的粒徑組分復(fù)雜，包含黏粒、粉粒、砂土、礫石土等多種組分，呈寬級(jí)配混合土體，但本文旨在單獨(dú)考慮細(xì)粒含量對(duì)泥石流起動(dòng)過(guò)程的影響，因此試驗(yàn)土樣與泥石流原狀土樣存在一定差異.前人研究表明坡面型泥石流以平移式滑動(dòng)破壞為主，通常發(fā)生在殘積土層厚度小于2 m的坡地[18].受限于本次試驗(yàn)所用的模型槽尺寸較小，將坡體厚度定為10 cm，經(jīng)過(guò)20g重力場(chǎng)放大基本滿足研究坡面型泥石流啟動(dòng)機(jī)理的要求.

表1 模擬粗砂粒徑分布

不同區(qū)域的泥石流在形成時(shí)，堆積土體的密實(shí)度是不同的.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)密實(shí)度處于0.33～0.47的砂土邊坡，土體顆粒容易發(fā)生平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒間孔隙較大，具有較高的滲透性，更易形成泥石流，因此本文試驗(yàn)中控制坡體密實(shí)度Dr=0.45.在較小的初始含水率下，坡體容易自立，并可以保證松散程度，防止土體結(jié)塊，便于均勻裝樣，因此，控制土樣初始含水率為5%.試驗(yàn)制備6組不同細(xì)粒含量的土樣研究細(xì)粒對(duì)泥石流起動(dòng)的影響，土樣編號(hào)及滲透系數(shù)如表2所示，土樣顆粒級(jí)配曲線如圖1所示.

表2 離心機(jī)模型試驗(yàn)土樣編號(hào)及滲透系數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

本文的降雨誘發(fā)泥石流離心機(jī)模型試驗(yàn)裝置采用邊坡降雨及動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)有土工離心機(jī)的基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)完成的，包括離心機(jī)內(nèi)部遠(yuǎn)程可調(diào)控人工降雨系統(tǒng)(圖2)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和泥石流發(fā)生槽(圖3).離心機(jī)的主要參數(shù)：最大荷載能力為150 g·t；最大離心加速度為200g；有效轉(zhuǎn)臂半徑為3.0 m.經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該套邊坡降雨及動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)離心機(jī)內(nèi)部霧化均勻、強(qiáng)度可控的人工降雨，遠(yuǎn)程控制動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)可以通過(guò)高清數(shù)碼相機(jī)、攝像頭、孔壓計(jì)完整地記錄泥石流形成全過(guò)程力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律.邊坡降雨及動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具體描述見(jiàn)文獻(xiàn)[19].

1.3 試驗(yàn)坡體及降雨強(qiáng)度

試驗(yàn)坡體如圖4所示，一級(jí)坡體15°，二級(jí)坡體35°，坡體厚度為10.0 cm，寬度為25.0 cm，上表面為80.0 cm.結(jié)合參考文獻(xiàn)[20]中中國(guó)山區(qū)災(zāi)害暴雨泥石流發(fā)生臨界雨量閾值(表3)，發(fā)現(xiàn)泥石流通常在降雨強(qiáng)度40 mm/h以上發(fā)生，所以離心機(jī)模型試驗(yàn)中控制降雨強(qiáng)度為 50 mm/h.

圖2 遠(yuǎn)程可調(diào)控人工降雨系統(tǒng)

圖3 泥石流模型槽

表3 中國(guó)山區(qū)災(zāi)害暴雨泥石流發(fā)生臨界雨量閾值

圖4 試驗(yàn)坡體

2 離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文采用6種不同細(xì)粒含量的土樣制作試驗(yàn)坡體進(jìn)行降雨誘發(fā)泥石流試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)沿用土樣編號(hào)S1，S2，S3，S4，S5和S6，對(duì)應(yīng)細(xì)粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，5%，10%，15%，20%和25%.

2.1 坡體破壞形態(tài)分析

離心機(jī)模型試驗(yàn)中，在降雨強(qiáng)度50 mm/h下，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～10%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動(dòng)型，形成泥石流；細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動(dòng)向坡面沖刷的過(guò)渡型，形成泥石流；細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%的坡體破壞形態(tài)為沖刷型，沒(méi)有形成泥石流.選取細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，15%，25%的坡體破壞過(guò)程進(jìn)行分析.

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動(dòng)型，其過(guò)程如圖5所示.

圖5 5%細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的坡體破壞過(guò)程

降雨至85 s時(shí)，坡面沉降明顯，未滲入坡體的雨水形成徑流(圖5(b))；降雨至125 s時(shí)，坡腳在坡面徑流以及坡內(nèi)滲流共同作用下開(kāi)始破壞，靠近坡腳位置出現(xiàn)較大裂縫(圖5(d))；降雨至187 s時(shí)，坡腳附近土體裂縫貫通，坡體發(fā)生初始滑動(dòng)(圖5(c))；隨后坡面裂縫擴(kuò)展，雨水加速入滲，滑動(dòng)范圍向坡體上部發(fā)展，相繼發(fā)生多次滑動(dòng)(圖5(e)).

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動(dòng)向坡面沖刷的過(guò)渡型，其過(guò)程如圖6所示.

降雨至32 s時(shí)，由于該坡體的滲透系數(shù)相比細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的坡體更小，所以徑流較早出現(xiàn)，并在坡面沖刷出溝壑(圖6(b))；降雨至64 s時(shí)，坡腳被坡面徑流逐漸侵蝕，開(kāi)始破壞(圖6(d))；降雨至218 s時(shí)，坡體失去坡腳支撐發(fā)生初始滑動(dòng)(圖6(c))，相比細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的坡體，其滑動(dòng)深度較淺，坡體上部的滑動(dòng)范圍也較小(圖6(e)).

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的坡體破壞形態(tài)為沖刷型破壞，其過(guò)程如圖7所示.降雨至11 s時(shí)，大量未滲入坡體的雨水在坡面形成徑流(圖7(b))；降雨至22 s時(shí)，坡面沖刷破壞明顯，溝壑逐漸加深，坡腳被侵蝕(圖7(d))；降雨至100 s時(shí)，坡體在徑流沖刷下嚴(yán)重流失(圖7(c)，7(e)).

圖6 15%細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的坡體破壞過(guò)程

圖7 25%細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)坡體破壞過(guò)程

2.2 坡體破壞特征時(shí)刻分析

不同細(xì)粒含量坡體破壞類型和特征時(shí)刻如表4所示，坡體破壞特征時(shí)刻擬合曲線如圖8所示.

表4 不同細(xì)粒含量坡體破壞形態(tài)和特征時(shí)刻

圖8 不同細(xì)粒含量坡體破壞特征時(shí)刻擬合曲線

圖8的擬合曲線可知：隨著細(xì)粒含量的增加，由于坡體滲透系數(shù)減小，坡面出現(xiàn)徑流以及坡腳開(kāi)始破壞的時(shí)刻均提前，兩條曲線的時(shí)間間隔逐漸縮短，說(shuō)明隨著細(xì)粒含量的增加，坡腳破壞由坡面徑流與坡內(nèi)滲流共同作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛善旅鎻搅鳛橹鲗?dǎo)，所以坡體破壞形態(tài)由分層滑動(dòng)型向坡面沖刷型過(guò)渡.

通過(guò)分析上述不同細(xì)粒含量坡體的破壞形態(tài)及泥石流啟動(dòng)過(guò)程，并考慮到試驗(yàn)坡體的細(xì)粒含量分組較為粗糙，初步認(rèn)為：泥石流啟動(dòng)存在某個(gè)臨界細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(約為15%).在該值范圍內(nèi)(約為0%～15%)，隨著細(xì)粒含量的增加，泥石流啟動(dòng)時(shí)間先減小后增大，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%坡體的泥石流啟動(dòng)時(shí)間最短.

2.3 累計(jì)滑動(dòng)量分析

本文采用立體觀測(cè)估算法(即通過(guò)在坡體側(cè)面以及頂部設(shè)置數(shù)碼觀測(cè)相機(jī)，拍攝側(cè)面及頂部數(shù)碼相機(jī)的圖片，確定坡體的滑動(dòng)深度及形狀輪廓、坡體表層的滑動(dòng)輪廓及尺寸(圖9))來(lái)估測(cè)坡體累次滑動(dòng)形成的松散土體土方量并研究細(xì)粒含量對(duì)泥石流起動(dòng)過(guò)程中累計(jì)滑動(dòng)量的影響.

圖9 滑動(dòng)量計(jì)算示意圖

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～15%的坡體在降雨作用下發(fā)生分層滑動(dòng)，形成泥石流，其累計(jì)滑動(dòng)量如圖10所示.由圖10可以發(fā)現(xiàn)：在臨界細(xì)粒含量范圍內(nèi)，隨著細(xì)粒含量的增加，坡體初始滑動(dòng)量從5 564 cm3(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%)減少至1 712 cm3(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)，表明泥石流起動(dòng)規(guī)模逐漸縮小；坡體后繼滑動(dòng)次數(shù)增加，曲線趨于平緩，表明泥石流形成的突發(fā)性下降；泥石流的土方總量從9 309 cm3(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%)減少至1 712 cm3(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)，表明坡體破壞形式從分層滑動(dòng)型向沖刷型破壞過(guò)渡.

圖10 累計(jì)滑動(dòng)量折線圖

2.4 孔隙水壓力分析

在模型槽一級(jí)坡底部布置3個(gè)孔隙水壓力計(jì)3#，2#和1#(圖11)，分別距坡底0 mm，100 mm和200 mm，記錄試驗(yàn)過(guò)程中坡內(nèi)孔隙水壓力.選取細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，10%，15%和20%坡體的孔隙水壓力變化曲線(圖12～15)研究細(xì)粒含量對(duì)泥石流起動(dòng)過(guò)程中孔隙水壓力的影響.

圖11 孔隙水壓力計(jì)布置圖

圖12 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%坡體的孔隙水壓力變化曲線

圖13 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%坡體的孔隙水壓力變化曲線

圖14 細(xì)粒含量15%坡體的孔隙水壓力變化曲線

結(jié)合不同細(xì)粒含量坡體的孔隙水壓力圖以及宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，可以將泥石流啟動(dòng)過(guò)程分為3個(gè)階段：入滲軟化階段、坡腳破壞階段、分層滑動(dòng)階段.

圖15 細(xì)粒含量20%坡體的孔隙水壓力變化曲線

以細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%坡體的孔隙水壓力變化圖(圖12)為例，在入滲軟化階段(0～85 s)，坡內(nèi)孔隙水壓力保持不變，雨水逐漸從坡面滲透至坡底孔壓計(jì)位置.在坡腳破壞階段(85～187 s)，坡內(nèi)滲流及坡面徑流逐漸使坡腳破壞，坡體出現(xiàn)多條裂縫，坡內(nèi)孔隙水壓力迅速上升，說(shuō)明雨水到達(dá)坡底，沿基巖面從坡腳滲出的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雨水在孔隙內(nèi)積聚的速度；3#，2#和1#孔壓計(jì)到坡腳距離逐漸增加，對(duì)應(yīng)位置孔壓依次增長(zhǎng).在分層滑動(dòng)階段(187～350 s)，由于初始滑動(dòng)范圍較大，在185 s，3處孔壓基本同時(shí)從峰值(分別為13.6 kPa，11.8 kPa 和5.9 kPa)下降，孔壓下降過(guò)程受裂縫擴(kuò)展的影響呈現(xiàn)波浪狀，最后1#孔壓趨于0.2 kPa，2#孔壓趨于0.25 kPa，3#孔壓趨于-1.8 kPa.

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的坡體在試驗(yàn)降雨條件下沖刷破壞，不形成泥石流，結(jié)合其孔隙水壓力圖(圖15)以及宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象可知：由于細(xì)粒含量較大，坡體滲透系數(shù)極小，雨水入滲速度慢，徑流沖刷侵蝕坡體；當(dāng)沖刷至接近坡底孔壓計(jì)位置，孔隙水壓力曲線出現(xiàn)波動(dòng)，隨后基本保持不變.

將細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，15%的坡體與細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，15%的坡體的孔隙水壓力變化圖進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：隨著細(xì)粒含量的增加，在坡腳破壞階段，由于坡體滲透系數(shù)變小，孔壓上升速度減慢，靠近坡腳的3#孔壓先達(dá)到峰值，2#，1#孔壓隨后依次接近峰值，3處孔壓峰值均逐漸減小(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的為5.7 kPa，7.4 kPa和3.7 kPa，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的為2.1 kPa，3.9 kPa和3.3 kPa)；在分層滑動(dòng)階段，孔壓下降仍受裂縫擴(kuò)展的影響，表現(xiàn)為波浪狀，但下降速度減慢；當(dāng)細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近臨界值(15%)，孔隙水壓力曲線整體趨勢(shì)與坡體沖刷型破壞的孔隙水壓力曲線較為相似.

綜合上述分析可知：泥石流啟動(dòng)過(guò)程可分為3個(gè)階段，在入滲軟化階段，孔隙水壓力基本保持不變；在坡腳破壞階段，孔隙水壓力迅速增大接近峰值；在分層滑動(dòng)階段，坡腳附近率先發(fā)生初始滑動(dòng)，孔隙水壓力釋放并且受到坡體裂縫擴(kuò)展的影響，表現(xiàn)為波浪狀下降.隨著細(xì)粒含量的增加，坡內(nèi)孔隙水壓力峰值逐漸降低，孔隙水壓力曲線整體趨于平緩.

2.5 雨水遷移規(guī)律分析

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%，5%，10%和15%的坡體在降雨作用下分層滑動(dòng)，形成泥石流，泥石流啟動(dòng)過(guò)程中坡體浸潤(rùn)面變化如圖16～19所示.圖中實(shí)線表示浸潤(rùn)面位置，圖(a)均為坡面出現(xiàn)徑流時(shí)刻；圖(b)均為坡腳開(kāi)始破壞時(shí)刻；圖(c)均為坡體初始滑動(dòng)時(shí)刻；圖中虛線表示坡體初始滑動(dòng)的側(cè)面輪廓.利用等比例放大的原理測(cè)量浸潤(rùn)面和初始滑動(dòng)面相對(duì)于原始坡面的深度.

(a)62 s (b)131 s (c)235 s 圖16 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%的坡體浸潤(rùn)面變化圖

(a)46 s (b)107 s (c)176 s 圖17 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的坡體浸潤(rùn)面變化圖

(a)35 s (b)80 s (c)128 s 圖18 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%坡體浸潤(rùn)面變化圖

(a)32 s (b)64 s (c)155 s 圖19 15%細(xì)粒含量坡體浸潤(rùn)面變化圖

觀察上述4種細(xì)粒含量坡體的浸潤(rùn)面變化圖可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)坡體細(xì)粒含量在泥石流啟動(dòng)臨界細(xì)粒含量范圍內(nèi)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0%～15%)，降雨作用下，坡體浸潤(rùn)面變化過(guò)程相似，但是細(xì)粒含量對(duì)浸潤(rùn)面深度有顯著影響.雨水降落在坡面后受重力場(chǎng)影響，豎直向下入滲，隨著細(xì)粒含量的增加，坡面徑流形成時(shí)的浸潤(rùn)面深度由4.6 cm(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%)減小至1.2 cm(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)(圖16(a)，17(a)，18(a)，19(a)).徑流沿沖刷面(基本在坡面附近)向二級(jí)坡匯聚，使二級(jí)坡有壓入滲水頭增大，局部浸潤(rùn)線變化幅度大于一級(jí)坡.坡腳開(kāi)始破壞時(shí)細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～10%的坡體浸潤(rùn)面已經(jīng)到達(dá)二級(jí)坡底，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的坡體浸潤(rùn)面還處于二級(jí)坡體中部(圖16(b)，17(b)，18(b)，19(b))，說(shuō)明隨著細(xì)粒含量的增加，坡腳破壞由坡內(nèi)滲流主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鳑_刷主導(dǎo).坡腳破壞后，坡體在浸潤(rùn)面附近發(fā)生初始滑動(dòng)，隨著細(xì)粒含量的增加，坡體破壞時(shí)的滑動(dòng)量減小，滑動(dòng)深度從9.4 cm(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%)減小至5.3 cm(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)(圖16(c)，17(c)，18(c)，19(c)).

細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，25%的坡體在降雨作用下沖刷破壞，沒(méi)有發(fā)生泥石流.坡體破壞過(guò)程中浸潤(rùn)面和沖刷面變化如圖20，圖21所示.圖中實(shí)線為浸潤(rùn)面位置，虛線為沖刷面位置，圖(a)均為坡面出現(xiàn)徑流時(shí)刻；圖(b)均為坡腳開(kāi)始破壞時(shí)刻；圖(c)均為二級(jí)坡完全破壞時(shí)刻；利用等比例放大的原理測(cè)量浸潤(rùn)面和沖刷面相對(duì)于原始坡面的深度.

(a)23 s (b)34 s (c)158 s 圖20 細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的坡體浸潤(rùn)面及 沖刷面變化圖

(a)11 s (b)20 s (c)162 s 圖21 25%細(xì)粒含量坡體浸潤(rùn)面及沖刷面變化圖

對(duì)比上述兩種細(xì)粒含量坡體的浸潤(rùn)面及沖刷面變化圖可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)坡體細(xì)粒含量超過(guò)泥石流起動(dòng)臨界細(xì)粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約15%)，降雨作用下，坡面徑流形成時(shí)，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的坡體浸潤(rùn)面深度為0.9 cm，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的坡體浸潤(rùn)面深度為0.6 cm(圖20(a)，圖21(a)).隨著降雨的進(jìn)行，沖刷面與浸潤(rùn)面基本重合，逐漸向下遷移(圖20(b)，圖21(b)).由于徑流沿沖刷面向二級(jí)坡匯聚，所以二級(jí)坡體先于一級(jí)坡體完全破壞(圖20(c)，圖21(c)).

對(duì)比兩種坡體典型破壞形態(tài)(即分層滑動(dòng)型破壞和沖刷型破壞)的浸潤(rùn)面、沖刷面變化過(guò)程可知：雨水滲透速度和路徑是影響不同細(xì)粒含量坡體破壞形態(tài)和決定泥石流能否啟動(dòng)的直接原因.

3 離心機(jī)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

本次離心機(jī)模型試驗(yàn)的所用土樣經(jīng)過(guò)重力加速度放大后的等效粒徑范圍0.25～5 mm，與蔣家溝的寬級(jí)配礫石土粒徑范圍0.002～100.00 mm有較大區(qū)別.但是由于蔣家溝的寬級(jí)配礫石土也含有10.7%的黏粒組分，且兩種的平均粒徑d50分別為3.3 mm和3.0 mm，所以兩種土樣的細(xì)粒性質(zhì)較為相似，因此將本次離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與蔣家溝流域左支溝-多照溝上游彎房子的泥石流現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比是合理的.圖22為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔隙水壓力變化曲線，通過(guò)對(duì)比分析離心機(jī)試驗(yàn)與蔣家溝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象以及坡內(nèi)孔隙水壓力變化，可以發(fā)現(xiàn)兩次試驗(yàn)的泥石流啟動(dòng)過(guò)程較為接近，均可分為3個(gè)階段：在降雨入滲軟化階段，坡內(nèi)孔隙水壓力基本保持不變，坡面逐漸出現(xiàn)徑流；在坡腳破壞階段，坡內(nèi)孔隙水壓力迅速增大至峰值，坡內(nèi)滲流與坡面徑流共同使坡腳破壞；在分層滑動(dòng)階段，坡體從坡腳附近開(kāi)始倒退、分層滑動(dòng)破壞，形成泥石流，孔隙水壓力從峰值開(kāi)始波浪狀下降.由此說(shuō)明離心機(jī)模型試驗(yàn)在模擬泥石流啟動(dòng)上具有一定可靠度，可以在本文試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展進(jìn)一步研究，探索其他因素對(duì)泥石流啟動(dòng)的影響.

圖22 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔隙水壓力變化曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)降雨誘發(fā)泥石流離心機(jī)模型試驗(yàn)，在降雨和坡度不變的條件下，研究細(xì)粒含量對(duì)泥石流啟動(dòng)過(guò)程的影響，得到以下結(jié)論：

1)泥石流啟動(dòng)存在臨界細(xì)粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%)，當(dāng)細(xì)粒含量在該臨界值內(nèi)，坡體發(fā)生分層滑動(dòng)，形成泥石流；當(dāng)細(xì)粒含量超過(guò)該臨界值時(shí)，坡體發(fā)生沖刷型破壞.

2)在臨界細(xì)粒含量范圍內(nèi)，泥石流啟動(dòng)時(shí)間先減小后增大，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右的泥石流啟動(dòng)時(shí)間最短；泥石流啟動(dòng)規(guī)模隨細(xì)粒含量增加而逐漸縮小.

3)泥石流啟動(dòng)過(guò)程可分為3個(gè)階段：在入滲軟化階段，坡內(nèi)孔隙水壓力基本保持不變；在坡腳破壞階段，坡內(nèi)孔隙水壓力逐漸上升；在分層滑動(dòng)階段，坡內(nèi)孔隙水壓力釋放，呈波浪狀下降；隨著細(xì)粒含量的增加，孔隙水壓力峰值減小，孔隙水壓力曲線整體趨勢(shì)更加平緩.

4)細(xì)粒的含量影響雨水在坡內(nèi)的滲透速度和路徑，這是決定坡體破壞形態(tài)和泥石流能否啟動(dòng)的直接原因.

[1] 陳中學(xué)，汪 稔，胡明鑒，等.云南東川蔣家溝泥石流形成內(nèi)因初探[J].巖石力學(xué)，2009，30(10)：3053-3056.

CHEN Zhongxue，WANG Ren，HU Mingjian，etal.Study of internal factors for debris flow occurrence in Jiangjia Ravine，Dongchun of Yunnan[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(10)：3053-3056.(In Chinese)

[2] WEN B P，AYDIN A.Mechanism of a rainfall-induced slide-debris flow：Constraints from microstructure of its slip zone[J].Engineering Geology，2005，78：69-88.

[3] 胡明鑒，汪稔，張平倉(cāng).斜坡穩(wěn)定性及降雨條件下激發(fā)滑坡試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4)：454-457.

HU Mingjian，WANG Ren，ZHANG Pingcang.Primary rese-arch on the effect of rainfall on landslide[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，23(4)：454-457.(In Chinese)

[4] TRYGVE I，ANDERS E，DIETER I.Subaqueous debris flow behaviour and its dependence on the sand/clay ratio：a laboratory study using particle tracking[J].Marine Geology，2004，213(2)：415-438.

[5] HUANG C C，LO C L，JANG J S，etal.Internal soil moisture response to rainfall- induced slope failures and debris discharge[J].Engineering Geology，2008，101(1)：134-145.

[6] HUANG C C，JU Y J，HWU L K，etal.Internal soil moisture and piezometric responses to rainfall-induced shallow slope failures[J].Journal of Hydrology，2009，370(1)：39-51.

[7] 高冰，周健，張嬌. 泥石流啟動(dòng)過(guò)程中水土作用機(jī)理的宏細(xì)觀分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(12)：2567-2573.

GAO Bing，ZHOU Jian，ZHANG Jiao.Macro-meso analysis of water-soil interaction mechanism of debris flow starting process[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(12)：2567-2573.(In Chinese)

[8] 馮杭建，唐小明，周愛(ài)國(guó).浙江省泥石流與降雨歷時(shí)關(guān)系研究及應(yīng)用檢驗(yàn)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2013，22(1)：159-167.

FENG Hangjian，TANG Xiaoming，ZHOU Aiguo.Study on relationship between rainfall duration and occurrence of debris flow in Zhejiang Province and its application examination[J].Journal of Natural Disasters，2013，22(1)：159-167.(In Chinese)

[9] 尹洪江，王志兵，胡明鑒.降雨強(qiáng)度對(duì)松散堆積土斜坡破壞的模型試驗(yàn)研究[J].土工基礎(chǔ)，2011，25(3)：74-76.

YIN Hongjiang，WANG Zhibing，HU Mingjian.Influence of rainfall intensity on loosedeposits slopes failure by model tests[J].Soil Engineering and Foundation，2011，25(3)：74-76.(In Chinese)

[10] 周健，杜強(qiáng)，于仕才.泥石流啟動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)值模擬研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，42(9)：97-103.

ZHOU Jian，DU Qiang，YU Shicai.Numerical simulation study on the experiments of the initiation[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2015，42(9)：97-103.(In Chinese)

[11] 李馳，朱文會(huì)，魯曉兵，等.降雨作用下滑坡轉(zhuǎn)化泥石流分析研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43:(S1)499-505.

LI Chi，ZHU Wenhui，LU Xiaobing，etal.Studied on landslide translating into debris-flow under rainfall[J].China Civil Engineerng Journal，2010，43(S1):499—505.(In Chinese)

[12] 林鴻州，于玉貞，李廣信，等.降雨特性對(duì)土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(1)：198-204.

LIN Hongzhou，YU Yuzhen，LI Guangxin，etal.Influence of rainfall characteristics on soll slopefallurei [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(1)：198-204.(In Chinese)

[13] 陳中學(xué).粘土顆粒含量對(duì)蔣家溝泥石流啟動(dòng)影響及成災(zāi)機(jī)理研究[D].武漢：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2010：75.

CHEN Zhongxue.Research on clay particles content for initiation and atastrophe mechanism of debris-flows in Jiangjia Ravine [D].Wuhan：Institute of Rock & Soil Mechanics Chinese Academy of Sciences，China，2010：75.(In Chinese)

[14] 周健，王連欣，賈敏才，等.顆粒組分對(duì)泥石流形成形態(tài)影響研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，41(1)：9-14.

ZHOU Jian，WANG Lianxin，JIA Mincai，etal.Influence of grain size distribution on the formation of debris flow[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2014，41(1)：9-14.(In Chinese).

[15] 周健，楊浪，王連欣，等.不同顆粒組分下泥石流離心機(jī)模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(12)：2167-2174.

ZHOU Jian，YANG Lang，WANG Lianxin，etal. Centrifugal model tests on debris flow with different particle compositions[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2015，37(12)：2167-2174.(In Chinese)

[16] WANG G，SASSA K.Factors affecting rainfall-induced flowslides in laboratory flume tests[J].Geotechnique，2001，51(7)：587-599.

[17] 陳曉清，崔鵬，馮自立，等.滑坡轉(zhuǎn)化泥石流起動(dòng)的人工降雨試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1)：106-116.

CHEN Xiaoqing，CUI Peng，F(xiàn)ENG Zili，etal.Artificial rainfall experimental study on landslide translation to debris flow[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1)：106-116.(In Chinese)

[18] 楊為民，吳樹(shù)仁，張永雙，等.降雨誘發(fā)坡面型泥石流形成機(jī)理[J].地學(xué)前緣，2007，14(6)：197-204.

YANG Weimin，WU Shuren，ZHANG Yongshuang，etal. Research on formation of the debries flow on slope induced by rainfall[J].Earth Science Frontiers,2007，14(6)：197-204.(In Chinese)

[19] 周健，杜強(qiáng)，李業(yè)勛，等.無(wú)黏性土滑坡型泥石流形成機(jī)理的離心機(jī)模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(11)：2010-2017.

ZHOU Jian，DU Qiang，LI Yexun，etal.Centrifugal model tests on formation mechanism of landslide-type debris flows of cohesiveless soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering ，2014，36(11)：2010-2017.(In Chinese)

[20] 譚萬(wàn)沛.中國(guó)暴雨泥石流預(yù)報(bào)研究基本理論與現(xiàn)狀[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1996，2(1)：88-95.

TAN Wanpei.Basic theory and study situation of rainstorm debris flow forecast in China[J].Journal of Soil Erosion and Soil Conservation，1996，2(1)：88-95.(In Chinese)

Centrifugal Model Tests on the Influence of Fine Contents on the Debris Flow Initiation Process

ZHOU Jian1，2，CHEN Cheng1?，DU Qiang3， ZHANG Jiao4

(1.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China； 3.Transportation Institute of Inner Mongalia University，Hohhot，010070，China;4.School of Civil Engineering and Transportation，Shanghai Technical College of Urban Management，Shanghai 200432，China)

1674-2974(2017)09-0165-09

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.021

2016-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272296，51479138)，National Natural Science Foundation of China(41272296，51479138)

周健(1957—)，男，浙江臨海人，同濟(jì)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人，E-mail：18117214658@163.com

P642.23

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