一次洪水過程的泥石流物源體侵蝕機制試驗

王 飛，王常明，徐佩華，丁桂伶，王 寧，李 碩，江 南

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026；2.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120 )

一次洪水過程的泥石流物源體侵蝕機制試驗

王 飛1，王常明1，徐佩華1，丁桂伶2，王 寧1，李 碩1，江 南1

(1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026；2.北京市地質(zhì)研究所，北京 100120 )

洪流是泥石流水動力條件的主要來源之一，洪流引起的溝道物源體形成的水力類-侵蝕型泥石流的形成機理較復(fù)雜，為研究一次洪水過程中，不同降雨類型對泥石流物源體的侵蝕-破壞過程的影響，利用自制大比例模型槽，通過降雨和洪水共同作用，以北京市南窖溝為研究對象，進行泥石流縮尺模型試驗.通過對試驗現(xiàn)象的觀測和描述，實時記錄了物源體表面在發(fā)生面蝕、坡腳掏蝕和切溝侵蝕過程中降雨量和洪水流量的變化.根據(jù)物源體不同位置的含水率儀及孔隙水壓力計的測試結(jié)果，研究了泥石流物源體隨降雨和洪水作用的侵蝕-破壞變化特征及機理.結(jié)果表明：一次洪水過程中，3種雨型作用下，物源體發(fā)生切溝侵蝕破壞的洪水流量均小于洪峰流量；前期降雨作用降低了物源體破壞的累計降雨量；直接暴雨作用下土體未飽和就已發(fā)生切溝破壞.試驗結(jié)果為判斷泥石流物源體發(fā)生破壞的降雨量和洪水量提供了借鑒，對泥石流啟動過程中雨型的研究有重要意義.

泥石流；洪水過程；不同雨型；模型試驗；侵蝕機制

北京市北部和西部山區(qū)是泥石流災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，文獻[1]統(tǒng)計出北京地區(qū)現(xiàn)已查明的泥石流溝和潛在泥石流溝共有816條，分布在7個區(qū)縣64個鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)，泥石流災(zāi)害已成為威脅北京市山區(qū)人民的重大地質(zhì)災(zāi)害問題.泥石流爆發(fā)突然，成災(zāi)迅速，起動和運動過程復(fù)雜，越來越多的學(xué)者通過啟動試驗揭示泥石流的形成和運動過程，通過泥石流模型試驗研究泥石流啟動機理，也是泥石流預(yù)測預(yù)警的重要減災(zāi)手段.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在泥石流模型試驗方面取得了大量研究成果:如文獻[2]通過降雨模型試驗研究了細(xì)溝長度與橫斷面的變化規(guī)律；文獻[3]指出，山洪作用是溝道中松散物質(zhì)啟動的主要因素，溝道內(nèi)松散物質(zhì)在山洪作用下，極易被掀動甚至揭底，展開山洪作用下泥石流的啟動過程研究具有實際價值；文獻[4]定義一次洪水過程指有一定質(zhì)量的水在斷面上通過, 表現(xiàn)為水位起漲、頂峰和回落3個過程.文獻[5]通過人工降雨模型試驗對不同粒徑的2種硅砂(D50=0.13，0.05 mm)進行了模擬試驗，得出土體滑動距離和孔壓之間的關(guān)系；文獻[6]得出細(xì)溝、淺溝、切溝和沖溝適宜的寬深比范圍分別為5～17、2～5、0.4～1.8 和 0.1～0.6；文獻[7]通過人工降雨誘發(fā)泥石流的水槽試驗，研究了土體破裂面處的水土作用關(guān)系，得出隨著初始含水率的增加，土體的滑裂面逐漸升高的結(jié)論;文獻[8]設(shè)計了3種降雨強度，研究了沖溝型泥石流形成機理和演化特征，發(fā)現(xiàn)小雨強條件下土體破壞以滑坡為主，大雨強條件下，土體以侵蝕垮塌破壞為主，并且雨強越大，泥石流黏度越小，試驗多出現(xiàn)高含砂洪流.泥石流模型試驗多考慮水的作用條件，一般分為兩方面，即人工降雨模型或徑流沖刷模型試驗，這兩種試驗條件在國內(nèi)外模型試驗中應(yīng)用最廣，泥石流模型試驗發(fā)展至今已取得了較大的研究成果.

目前，泥石流模型試驗多基于降雨因素或者恒定流量的徑流沖刷試驗，但自然界中泥石流的啟動破壞過程中，徑流并非穩(wěn)定不變，而是隨降雨和時間的變化而變化.因此，穩(wěn)定徑流的泥石流沖刷試驗存在一定缺陷，本文根據(jù)北京市水文手冊，設(shè)計十年和百年一遇暴雨的洪水過程線進行徑流模擬，并結(jié)合不同雨型的作用研究泥石流物源體的侵蝕-破壞機理.

本文對房山區(qū)南窖溝流域進行了現(xiàn)場調(diào)查，并選取了一處典型老泥石流堆積物為物源體，通過自制泥石流試驗臺，研究了一次洪水過程中，不同降雨類型對泥石流物源體侵蝕-破壞的影響.本文設(shè)計了3種不同的降雨類型，首次運用一次洪水過程作為泥石流的后方匯水，模擬降雨和洪水共同作用下泥石流的侵蝕-破壞機理.

1 試驗方法

1.1 試驗土體

南窖溝位于北京市房山區(qū)，流域面積24 km2，溝谷總長為39.24 km，屬于特大型泥石流溝.選取溝內(nèi)一泥石流體為典型物源，該物源體長135 m，寬40 m，高5 m.試驗采用相似比法，現(xiàn)場取土，根據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》等質(zhì)量替代法剔除2 cm以上粒徑，進行材料配比，土的天然密度為1.58 g/cm3，孔隙比e=0.76，d50=53 mm，級配曲線如圖1所示，該土的不均勻系數(shù)Cu=304.3，曲率系數(shù)Cc=30.1，為不良級配土，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》定名為碎石土.

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)相似比原理，采用1∶30比例尺，在北京自制泥石流試驗臺 (見圖2).實驗臺由供水系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)(霧化噴頭，散射直徑為0.67 m，散射角60°，縱向布設(shè)1列，共4個噴頭)、后方匯水系統(tǒng)、和物料堆積臺等構(gòu)成，物料堆積臺長450 cm、寬133 cm，高30 cm.圖2中8個位置均放置一個含水率儀和孔隙水壓力計.其中1號和4號埋置深度為5 cm，2號和5號為15 cm，3號和6號為10 cm，7號和8號為20 cm，其中6號儀器已壓壞，試驗中無數(shù)據(jù),儀器縱向按等間距布置,間距均為90 cm.

圖1 試驗土體顆粒級配

圖2 含水率和孔隙水壓力儀器位置

1.3 洪水過程線及雨型設(shè)計

試驗采用3種雨型：雨型一：間歇前期降雨+暴雨；雨型二：暴雨；雨型三：小雨轉(zhuǎn)暴雨(見圖3).根據(jù)《北京市水文手冊》，計算出直接暴雨和小雨轉(zhuǎn)暴雨洪水過程線(見圖4、5).圖中虛線為實際洪水過程線，折線是為便于閥門調(diào)節(jié)的階梯式洪水過程線.

圖3 降雨類型

2 試驗過程及分析

2.1 雨型一試驗過程及分析

0～200 min按照圖3(a)僅施加降雨，200 min時按照圖3(a)和圖4同時施加降雨和后方匯水，203 min，前緣坡腳表面細(xì)顆粒被帶走，表層土體呈蜂窩狀；204 min，前緣坡腳開始形成兩條長約5～10 cm的沖溝；205 min，溯源侵蝕和表面沖刷加劇，中間位置形成多條紋溝；210 min，溯源侵蝕速度增大，溝內(nèi)粗細(xì)顆粒被洪水帶走，大塊顆粒由滑動搬運轉(zhuǎn)化為滾動搬運，形成貫通性沖溝；210～216 min，洪峰逐漸來臨，溝內(nèi)粗粒物質(zhì)被大量搬運和推移，物源體破壞具有陣性特征；物源體破壞照片見圖6.

圖4 暴雨洪水過程線

圖5 小雨轉(zhuǎn)暴雨洪水過程線

圖6 雨型一物源體破壞照片

2.2 雨型二試驗過程及分析

0 min時，按照3(b)和圖4同時施加降雨和后方匯水.4 min，坡腳處水流滲出，表面形成徑流；5 min，坡腳處細(xì)砂顆粒從坡腳流出，顆粒之間的支撐力由粗顆粒之間的嵌合力與摩擦力承擔(dān)；7 min，侵蝕加劇，坡腳處形成垂直侵蝕溝，下游可見含砂水流推移碎石顆粒運動；9 min，水流的側(cè)蝕作用增強，沖溝兩側(cè)土體向溝內(nèi)塌陷，土體發(fā)生漸進式破壞；12 min，溯源侵蝕加強，沖溝緩慢向后推移，未發(fā)生整體性破壞；12～16 min，隨著洪峰來臨，沖溝繼續(xù)加寬加深，粗顆粒物質(zhì)大量流失，物源體破壞照片見圖7.

圖7 雨型二物源體破壞照片

2.3 雨型三試驗過程及分析

按照圖3(c)和圖5同時施加小雨和后方匯水；4 min形成徑流，表層細(xì)顆粒被沖走，坡腳底部形成穩(wěn)定滲流，并呈蜂窩狀；6 min，前緣坡腳出現(xiàn)破壞，土體表層形成紋溝，底部為粗化層；14 min，同時施加暴雨和后方匯水；16 min，前緣中部形成寬20 cm，長30 cm，深8～12 cm沖溝；20 min，隨著后方匯水流量增大，沖溝內(nèi)碎石顆粒被水流沖到流通區(qū)或堆積區(qū)，并出現(xiàn)揭底現(xiàn)象；20～25 min，洪峰來臨，物源體搬運能力增強；試驗破壞照片見圖8.

圖8 雨型三物源體破壞照片

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 含水率分析

圖9(a)中，土體的初始含水率為5%～7%，其中7號和8號位于坡腳處，含水率上升最快，前期降雨結(jié)束時，含水率分別達到25%和16%.1～5號儀器在間斷性前期降雨期間含水率為8%～9%.其中1號埋深5 cm，2號埋深15 cm，含水率分別達到27%和16%，上部土體首先達到飽和.由于坡腳處水頭差最大，隨著細(xì)顆粒物質(zhì)沖出，土體骨架孔隙變大，滲透力也逐漸增大，土體下部未達到飽和就已經(jīng)發(fā)生切溝破壞[9].因此，上部土體達到飽和后基質(zhì)吸力降為0，土體抗剪強度τf下降，最終由于τ>τf，土體發(fā)生破壞.

圖9 不同雨型的含水率變化曲線

圖9(b)中，7號和8號坡腳位置含水率最先達到飽和.1～5號含水率隨著時間的增大也逐步增大，最大含水率為11%～13%，并未達到飽和.因此，直接暴雨作用下，降雨入滲少，土體表面徑流大，土體內(nèi)聚力下降小，土體抗剪強度τf下降不明顯，但洪水作用下，剪切下滑力較大，土體來不及飽和就已經(jīng)發(fā)生切溝破壞.

圖9(c)中， 8號、1號和2號儀器在小雨時最先達到飽和，此時土體并未明顯破壞.暴雨作用后，各位置均達到飽和.圖中3號和5號位于模型箱右側(cè)，沖溝在左側(cè)，因此3號和5號含水率增加最緩慢，最終含水率分別達到22%和25%.兩種雨型的結(jié)合作用下，物源體含水率基本飽和，土體粘聚力迅速下降，土體內(nèi)部掏蝕嚴(yán)重，發(fā)生切溝破壞，破壞模式仍為侵蝕-沖溝型.

3.2 孔隙水壓力分析

圖10(a)中，沖溝發(fā)生在模型箱左側(cè)，因此選取沖溝一側(cè)的3號和7號進行分析.7號位置孔隙水壓力在前期降雨過程中，變化較平穩(wěn)，200 min時由于施加洪水作用，坡腳位置發(fā)生侵蝕，210 min時孔隙水壓力迅速降低，破壞后又開始增加.3號探頭在210～230 min內(nèi)發(fā)生突然下降，土體發(fā)生侵蝕破壞時，內(nèi)部細(xì)顆粒向外遷移，土體骨架易形成集中滲流，造成孔隙水壓力急劇下降，且下降過程復(fù)雜，跳躍性大.

圖10 不同雨型的孔隙水壓力變化曲線

圖10(b)中，沖溝在左側(cè)，仍取3號和7號位置進行分析.3號和7號孔隙水壓力在18～29 min時出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，此時坡腳開始發(fā)生破壞，42～58 min內(nèi)又發(fā)生孔隙水壓力的陡降現(xiàn)象.隨著溝床物質(zhì)不斷啟動并破壞，孔壓出現(xiàn)階梯型下降現(xiàn)象，40 min時在水流的掏蝕作用下，土體向溝內(nèi)倒塌，孔隙水壓力隨降雨和水流侵蝕作用的變化而變化.

圖10(c)中，沖溝在模型箱右側(cè)，取沖溝一側(cè)的4號和8號進行分析.兩條曲線均在15～20 min，25～35 min發(fā)生陡降現(xiàn)象，暴雨作用后，在面蝕作用下土體迅速發(fā)生侵蝕破壞.孔隙水壓力的變化與破壞現(xiàn)象吻合，因此孔隙水壓力消散的過程也是土體發(fā)生破壞的過程.土體破壞并不是一個連續(xù)過程，而是一個隨機的陣發(fā)性過程，孔隙水壓力曲線也表現(xiàn)出陣發(fā)性特征[10].

4 泥石流的侵蝕機制分析

4.1 礦物成分和流變性分析

取南窖溝堆積物進行X射線衍射分析結(jié)果見表1.其中，堆積物樣本以原生礦物為主，成分為石英和長石，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達73%；黏土礦物主要為伊利石和高嶺石，分別占20%和7%.伊利石和高嶺石比表面積小，壓縮性低，親水性弱.在黏粒含量相同情況下，伊利石和高嶺石形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)較為松散，起始靜切力、剛性系數(shù)和賓漢屈服力較小.

南窖溝泥石流介于攜沙水流和塑性土體之間，屬于非牛頓體，又具有賓漢塑性和圣維南體的特征，但其流變性與賓漢體有一定差異，可認(rèn)為是具有起始靜切力的Herschel-Bulkley流變模式(H-B流體)[11].

表1 X射線礦物衍射質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：Q—石英; fs—堿性長石; Pl—斜長石; Cc—方解石; Do—白云石；Sid—菱鐵礦; Am—角閃石; I—伊利石; K—高嶺石

4.2 侵蝕狀態(tài)分析

物源堆積體的侵蝕規(guī)律與物源體破壞過程相一致，圖11～13為物源體破壞過程中的雨量、洪水流量和侵蝕時間隨侵蝕階段的變化特征對比圖，切溝侵蝕是物源體發(fā)生破壞的顯著標(biāo)志[12].

圖11中，雨型一發(fā)生面蝕、坡腳掏蝕和切溝侵蝕所需雨量最小，物源體發(fā)生切溝侵蝕時累計降雨量為103.4 mm；雨型二發(fā)生切溝侵蝕累計降雨量為134.4 mm，雨型三發(fā)生切溝侵蝕的降雨量為156.5 mm.因此，前期降雨的作用降低物源體切溝破壞時的累計雨量；小雨和暴雨的聯(lián)合作用需要更大的雨量使土體發(fā)生切溝破壞.

圖11 各侵蝕階段雨量對比

圖12 各侵蝕階段洪水流量對比

圖12中，雨型一各個侵蝕階段洪水流量最小；雨型二前3個侵蝕階段，洪水流量近似呈直線型上升，雨型三發(fā)生面蝕和坡腳掏蝕時，洪水流量最大.發(fā)生切溝侵蝕時，3種雨型后方洪水流量分別為1.2、2.2和1.92 m3/h，均小于泥石流的洪峰流量2.8 m3/h，且前期降雨作用減小了泥石流物源體破壞所需后方匯水.

圖13 各侵蝕階段時間點對比

圖13中，前3個侵蝕階段的時間由大到小為雨型三>雨型二>雨型一，雨型三發(fā)生切溝侵蝕破壞時間為20 min，雨型二為14 min，雨型一為10 min.雨型三發(fā)生切溝侵蝕破壞時間最長，在小雨降雨的14 min內(nèi)，物源體破壞不明顯，暴雨作用后泥石流侵蝕加劇，侵蝕規(guī)模逐漸加大，20 min時發(fā)生貫通性侵蝕切溝.雨型一發(fā)生面蝕、坡腳掏蝕和切溝侵蝕的時間最短.

泥石流侵蝕力根本上取決于土體剪切力和切向自身重力，其抗剪力取決于法向重力、孔壓和土體c-φ值[13-14].試驗過程中，3種雨型作為試驗變量因素，增加了土體的含水率和孔隙水壓力，降低了土體的內(nèi)聚力，洪水的作用使得土體的剪切力增加，土體更易發(fā)生剪切破壞.因此，雨型一在間斷性前期降雨作用下，土體含水率迅速上升，土體發(fā)生切溝侵蝕破壞所需洪水流量最小，破壞時間最短.雨型二作用直接百年一遇暴雨，雨水來不及入滲，土體內(nèi)聚力下降小，土體受水流剪切力破壞，因此土體破壞需要更多的洪水流量.雨型三在小雨作用下，雨水入滲量多，土體內(nèi)聚力下降大，兩種雨型的結(jié)合作用下，作用時間更長，破壞規(guī)模較大.

5 結(jié) 論

1)本文首次將一次洪水過程作為泥石流啟動和破壞的設(shè)計條件，具有合理性，泥石流侵蝕破壞機制為降雨-徑流-面蝕-坡腳掏蝕-切溝侵蝕-侵蝕終止，切溝侵蝕發(fā)生在洪峰來臨之前.

2)3種雨型的坡腳位置均達到飽和且最先發(fā)生破壞，飽和含水率為25%～30%；直接暴雨作用下，土體尚未飽和就已發(fā)生切溝侵蝕破壞，且最大含水率為9%～16%.

3)土體侵蝕破壞并不是一個連續(xù)過程，而是隨機的陣發(fā)性過程，孔隙水壓力曲線也具有陣發(fā)性特征，孔隙水壓力消散的過程也是物源體發(fā)生破壞的過程.

4)切溝侵蝕破壞時，3種雨型后方洪水流量分別為1.2、2.2和1.92 m3/h，均小于泥石流的洪峰流量，切溝破壞時間分別為10、14、20 min.前期降雨作用降低了物源體發(fā)生切溝破壞的臨界雨量和洪水流量.

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(編輯趙麗瑩)

Experimentalstudyondebrisflowerosionmechanismbasedonafloodprocess

WANG Fei1，WANG Changming1，XU Peihua1，DING Guiling2，WANG Ning1，LI Shuo1，JIANG Nan1

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China; 2.Beijing Institute of Geology, Beijing 100120, China)

The flood current is one of the main sources of hydrodynamic conditions of debris flow. The formation mechanism of the hydraulics-erosion debris flow caused by the flood current is more complicated. To study the influence of different types of rainfall on the erosion and destruction process of debris flow in a flood process, flume experiments were conducted in Nanjiao gully. The big-scale flume was made, and the artificial rainfall device as well as the rear flow device was needed. The changes of precipitation as well as flood discharge were recorded in the process of surface erosion, slope erosion and trench erosion through the observation and description of the experimental phenomena. The erosion-destruction characteristics and mechanism of debris flow were studied based on the test results by moisture content and pore water pressure at different locations of the soils. The results indicate that in a flood process the gully erosion damage occurs before the arrival of the flood peak under the three types of rainfall. The antecedent rainfall reduces the cumulative precipitation of the soil damage, and gully failure occurs before the soil is saturated with “direct rainstorm type”. The experimental results provide references for judging the rainfall and flood volume of debris flow occurrence, which has great significance for the study of rainfall pattern in the process of debris flow initiation.

debris flow; flood hydrograph; different rainfall types; model experiment; erosion mechanism

10.11918/j.issn.0367-6234.201703034

P642.23

A

0367-6234(2017)12-0131-06

2017-03-07

國家自然科學(xué)基金(41572257)；

北京市科委課題(Z141100003614052)

王 飛(1990—)，男，博士研究生;

王常明(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

王常明，wangcm@jlu.edu.cn