潰壩泥石流起動(dòng)過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)特征

舒安平，朱福楊，王 澍，沈真全

（1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2. 北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871）

1 研究背景

中國(guó)是世界上泥石流分布最廣、致災(zāi)影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在2005—2015年間，全國(guó)有23個(gè)省市共發(fā)生泥石流災(zāi)害10 927起，直接經(jīng)濟(jì)損失142億元［1-3］。泥石流作為我國(guó)一種常見(jiàn)的山地災(zāi)害，按照形成條件以及起動(dòng)方式可分為常遇型、潰壩型和滑坡型三種［4］，潰壩泥石流是由于滑坡、地震或者火山熔巖等因素產(chǎn)生大量固體物質(zhì)淤堵溝道形成堵塞體，或淤堵河道后形成堰塞湖，在降雨或匯流沖刷下潰決形成［5-6］。然而，堰塞湖的形成會(huì)對(duì)上游造成淹沒(méi)災(zāi)害，天然形成的巨大水庫(kù)還將對(duì)下游河道的水利設(shè)施以及沿岸的人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，一旦壩體發(fā)生潰決，形成潰壩泥石流或洪水，將對(duì)下游造成不可估量的巨大損失［7］。因此，對(duì)潰壩泥石流起動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行研究，從而為我國(guó)潰壩泥石流災(zāi)害的防治提供技術(shù)支持，具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

前人對(duì)潰壩問(wèn)題的研究主要集中在潰壩后洪峰流量、水位過(guò)程線和下游演進(jìn)過(guò)程的預(yù)測(cè)［8］。從1871年圣維南方程組的提出，到1892年Ritter首次得到矩形斷面潰壩流量計(jì)算公式，之后Stoker在前人研究的基礎(chǔ)上，將Ritter公式擴(kuò)展到下游有水的情況，隨后很多外國(guó)學(xué)者繼續(xù)深入研究，考慮非矩形斷面和摩阻作用獲得了豐碩成果［9-12］。在理論研究的基礎(chǔ)上，外國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了大量的潰壩沖刷室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)模擬土石壩體潰口沖刷和洪水的演變過(guò)程［13-15］，有的研究者甚至進(jìn)行了野外潰口沖刷實(shí)驗(yàn)［16］，美國(guó)也曾在現(xiàn)場(chǎng)做過(guò)1∶2的大型模擬實(shí)驗(yàn)［12］。1950年代后，隨著我國(guó)水利事業(yè)的興起，我國(guó)研究者也逐漸開(kāi)始關(guān)注潰壩及其所產(chǎn)生的洪水泥石流災(zāi)害問(wèn)題，并針對(duì)長(zhǎng)江和黃河流域進(jìn)行了大量潰壩模型實(shí)驗(yàn)，從而得到潰壩流量過(guò)程線經(jīng)驗(yàn)公式、下游淹沒(méi)范圍、災(zāi)害損失以及防護(hù)措施等寶貴成果［1，17-18］。然而，潰壩泥石流相比于潰壩洪水，具有更加復(fù)雜的形成機(jī)制和流動(dòng)特性，它由固、液兩相物質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中相互作用形成，并受地形地質(zhì)條件的影響，具有顆粒級(jí)配廣、流速分布不均和容重大等特點(diǎn)，因此它的沖擊力更強(qiáng)，成災(zāi)毀滅性更大，值得深入研究。

目前，專門(mén)針對(duì)潰壩泥石流的研究相對(duì)較少，很多學(xué)者在研究泥石流形成過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)和注意到潰壩泥石流的現(xiàn)象，并取得了一些初步成果，如莊建琦等［19］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的堵潰式泥石流，容重達(dá)到1.7～1.9 g/cm3；舒安平等［4］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，潰壩型泥石流在相同條件下的水流強(qiáng)度最大；還有學(xué)者曾對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥石流的淹沒(méi)范圍、沖擊力、速度、堆積深度以及防護(hù)措施等特征進(jìn)行過(guò)研究［20-21］。盡管如此，迄今尚缺乏對(duì)潰壩泥石流形成條件和過(guò)程的系統(tǒng)研究，其形成動(dòng)力學(xué)機(jī)制也不清楚。

特別值得說(shuō)明的是，無(wú)論是由于地震及其崩塌、滑坡等二次災(zāi)害形成堰塞湖，在匯流滲透和水流沖刷動(dòng)力作用下引發(fā)自然潰壩災(zāi)害，還是由于洪水滲流和沖刷動(dòng)力作用下會(huì)形成人工堤壩潰決災(zāi)害，二者盡管在土壤顆粒組成、壩體結(jié)構(gòu)和初始上下游水力條件等方面不同，但其共同的特點(diǎn)都是在上游來(lái)水匯流沖刷下發(fā)生天然或人工壩體的潰決，因此很有必要對(duì)因天然堰塞湖潰壩和人工堤壩潰決誘發(fā)泥石流形成過(guò)程進(jìn)行概化和系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文專門(mén)以非均質(zhì)潰壩泥石流為研究對(duì)象，根據(jù)泥石流形成的物源、水源和地形條件這三大要素，設(shè)計(jì)了24組潰壩泥石流模擬實(shí)驗(yàn)。非均質(zhì)泥石流的形成過(guò)程可分為三個(gè)階段，即固體泥沙顆粒起動(dòng)、加速混摻和兩相流形成，本次研究重點(diǎn)關(guān)注泥石流在形成區(qū)的起動(dòng)過(guò)程。首先根據(jù)潰壩泥石流的起動(dòng)方式和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)其起動(dòng)模式進(jìn)行概括，闡明其形成特點(diǎn)，并分析不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)起動(dòng)模式的影響，再根據(jù)孔隙水壓和相對(duì)剪切力等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的變化特征，對(duì)比分析不同起動(dòng)模式下潰壩泥石流的動(dòng)力學(xué)特征。研究成果對(duì)泥石流災(zāi)害治理工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及提高潰壩泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警水平具有重要指導(dǎo)意義。

2 實(shí)驗(yàn)概述

本次實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)研究站的自制泥石流模擬變坡水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中采用不同方式鋪設(shè)的土砂礫層作為物源條件，以控制水箱的出水流量作為水源條件，以改變水槽坡度作為地形條件，用來(lái)模擬不同形成條件下的潰壩泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并運(yùn)用MEAS-KPSI-735（USA）孔隙水壓力計(jì)和SONY-ILCE-5100（JPN）高速攝像機(jī)進(jìn)行輔助測(cè)量，并拍攝泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置泥石流模擬變坡水槽及其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置由水箱、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)4個(gè)部分構(gòu)成。水槽側(cè)壁鋼化玻璃上繪制有10 cm×5 cm的網(wǎng)格線。水箱底面為1m×1m的正方形，高1.1 m，總?cè)莘e1.1 m3，進(jìn)水口裝有自動(dòng)抽水泵，出水口裝有可調(diào)節(jié)流量大小的閥門(mén)；形成區(qū)由兩段組成，上段連接水箱出水口，水槽長(zhǎng)2 m×寬1 m×深0.5 m，下段與流通區(qū)相連接，水槽底面為斜長(zhǎng)1 m，上底寬0.3 m，下底寬1 m的等邊梯形，水槽深度從0.5 m逐漸過(guò)渡至0.4 m，形成區(qū)的變坡范圍為0～10°；流通區(qū)水槽長(zhǎng)6 m×寬0.3 m×深0.4 m，變坡范圍為15°～35°；堆積區(qū)水槽長(zhǎng)3 m×寬1.5 m×深0.2 m。

圖1 泥石流模擬變坡水槽結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)用沙采用東川蔣家溝泥石流溝道堆積物料，以原狀沙為基料，再通過(guò)配制形成粗顆粒和細(xì)顆粒兩種物料，共計(jì)3種實(shí)驗(yàn)用沙，它們中值粒徑分別為3.96、4.88 和2.24 mm，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。

為了模擬不同影響因子組合條件下潰壩泥石流的形成動(dòng)力過(guò)程，基于泥石流形成的三大要素物源、水源和地形，結(jié)合潰壩泥石流的特點(diǎn)，綜合確定模擬實(shí)驗(yàn)的主要因子為流量Q、壩體堆積高度H、粗細(xì)顆粒的鋪設(shè)方式（非均質(zhì)系數(shù)Ψ）和流通區(qū)水槽坡度S 4種，各因子設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件如下：（1）水箱出水流量（2種）：2.4 m3/h和13.1 m3/h；（2）壩體堆積高度（2種）：25 cm和35 cm；（3）底沙鋪設(shè)方式（3種）：均勻混合（Ψ=1.0）、上粗下細(xì)（Ψ=2.18）和上細(xì)下粗（Ψ=0.46）；（4）流通區(qū)水槽坡度（2種）：25°和35°。

將上述4種實(shí)驗(yàn)因子進(jìn)行組合，共得出24組實(shí)驗(yàn)條件，并可分為局部型和整體型兩種泥石流潰決方式（詳見(jiàn)3.1節(jié)）。在24組實(shí)驗(yàn)中前者共有11組，后者共有13組，實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的水沙條件見(jiàn)表1。

圖2 實(shí)驗(yàn)土體顆粒粒徑累積曲線

表1 實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的水沙條件

2.3 實(shí)驗(yàn)方法及流程在實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作中，首先需將準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)原材料按照不同的壩體堆積高度和鋪設(shè)方式，在固定位置進(jìn)行土體鋪設(shè)，并將孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)在壩高10 cm（探頭3）、20 cm（探頭2）和30 cm（探頭1）處（針對(duì)35 cm的高壩才設(shè)置探頭1），并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試。壩體堆積工作結(jié)束后，將兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別架設(shè)于水槽側(cè)面和正面，確保畫(huà)面清晰，視野范圍覆蓋泥石流運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。每組實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)水箱進(jìn)水泵，將水箱注滿。

實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始，打開(kāi)水箱閥門(mén)至恒定流量2.4 m3/h或13.1 m3/h，與此同時(shí)開(kāi)啟孔隙水壓力計(jì)和兩臺(tái)高速攝像機(jī)進(jìn)行觀測(cè)。在水位逐漸上漲的過(guò)程中，于壩前放置塑料球以及泡沫浮標(biāo)作為示蹤標(biāo)志物，便于泥石流流速的測(cè)量。在潰壩泥石流大規(guī)模形成的瞬間，分別在流通區(qū)A、B、C三點(diǎn)處進(jìn)行采樣。待壩體局部或整體沖毀后，剩余壩體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨水流的沖刷而形成泥石流，此時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉水箱出水閥、孔隙水壓力計(jì)和高速攝像機(jī)。當(dāng)形成區(qū)滯留水量全部流下后，在泥石流堆積區(qū)中線上D、E處進(jìn)行采樣，并對(duì)潰壩泥石流發(fā)生后的壩體形態(tài)以及堆積區(qū)形態(tài)進(jìn)行拍攝和記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行稱重、烘干處理，并完成顆粒分析試驗(yàn)，最終對(duì)全部實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行整理分析，此次潰壩泥石流容重范圍在1.45～1.85 t/m3之間。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 潰壩泥石流實(shí)驗(yàn)流程圖

3 潰壩泥石流起動(dòng)特點(diǎn)及其動(dòng)力學(xué)特征

3.1 潰壩泥石流概化模式及起動(dòng)特點(diǎn)

3.1.1 概化模式 根據(jù)潰壩泥石流實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一種為水流切溝侵蝕→岸坡崩塌→堵塞水流→局部潰決→泥石流；另一種為水流全面漫頂→溯源侵蝕→壩體坦化→整體潰決→泥石流。據(jù)此按照泥石流的潰決模式，可將潰壩泥石流分為局部潰壩型和整體潰壩型兩類泥石流，圖4顯示了這兩種模式潰壩泥石流的實(shí)驗(yàn)特征。

圖5 潰壩泥石流兩種概化模式

3.1.2 起動(dòng)特點(diǎn)

（1）局部潰壩型泥石流。由于水流切溝侵蝕造成局部潰壩型泥石流發(fā)生的過(guò)程可以概括為水流切溝侵蝕-岸坡崩塌-堵塞水流-局部潰決形成泥石流。切溝侵蝕形成局部潰壩型泥石流，主要是依靠水流的剪切作用，對(duì)壩體頂端局部形成下切侵蝕，切溝逐漸加深、加寬，土體含水率和孔隙水壓力持續(xù)上升，最終導(dǎo)致壩體切口兩側(cè)或單側(cè)的邊壁土體失穩(wěn)，崩塌后土體滑落堵塞水流，隨著水量增加，凈水壓力逐漸升高，超出壩體局部所能承受的閾值時(shí)，瞬時(shí)潰決，形成潰壩泥石流［22］。

（2）整體潰壩型泥石流。水流全面漫頂后對(duì)壩體背部造成溯源侵蝕并發(fā)生整體潰壩型泥石流的現(xiàn)象可以概括為水流全面漫頂-溯源侵蝕-壩體坦化-整體潰決形成泥石流。壩體背部整體發(fā)生溯源侵蝕形成潰壩泥石流，主要是依靠水流漫頂后對(duì)壩體背部的沖刷作用，水流攜帶大量泥沙，使壩體厚度急劇減小，壩體高度也有所下降，逐漸坦化，土體含水率和孔隙水壓力持續(xù)上升，壩體所能承受住的水力壓強(qiáng)減小，最終整體失穩(wěn)，瞬間潰決，形成潰壩泥石流。

綜上所述，壩體堆積物質(zhì)在水流作用下形成潰壩泥石流，主要是由于土體含水量和孔隙水壓力快速升高，再加上水流的剪切作用和自身重力作用，導(dǎo)致土體顆粒起動(dòng)，壩體潰決并最終形成泥石流［19］。因此，在潰壩泥石流實(shí)驗(yàn)研究中，需要通過(guò)分析孔隙水壓力、流速等水動(dòng)力因子，重點(diǎn)闡述潰壩泥石流在起動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，并通過(guò)改變潰壩泥石流發(fā)生的物源（壩體高度H和鋪設(shè)方式Ψ）、水源（流量Q）和地形條件（坡度S），揭示潰壩泥石流的動(dòng)力學(xué)變化特征。

圖5 局部潰壩型泥石流工況統(tǒng)計(jì)

3.2 局部潰壩型泥石流動(dòng)力學(xué)特征

3.2.1 成因分析 11 組局部潰壩型泥石流實(shí)驗(yàn)工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖5 和表2 所示。圖5 中圖例小、中、大分別代表各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)值大小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，11組局部潰壩型泥石流在實(shí)驗(yàn)參數(shù)壩高下分布情況并無(wú)明顯差異性，十分均衡。然而，在11 組實(shí)驗(yàn)中，只有2 組實(shí)驗(yàn)是在大流量條件下形成，其余9組全部為小流量，所占比例高達(dá)82%，這充分說(shuō)明壩體上游來(lái)水流量小是形成局部潰壩型泥石流的重要條件。因?yàn)?，?dāng)壩體上游來(lái)水流量較小時(shí)，水流在逐漸漫頂?shù)倪^(guò)程中，不會(huì)瞬間形成全面漫頂，因此水流對(duì)壩體頂端局部有較為充分的時(shí)間產(chǎn)生下切侵蝕，當(dāng)切溝逐漸形成，過(guò)水流量逐漸增大，直至來(lái)水流量與過(guò)水流量相等，此時(shí)壩前水位不再繼續(xù)上升，因此無(wú)法形成全面漫頂，最終隨著切溝的逐漸加深、加寬，水位會(huì)開(kāi)始下降，切溝兩側(cè)或單側(cè)的邊壁土體由于長(zhǎng)時(shí)間與水流相接觸，土體含水量急劇升高，且邊壁陡峭，最終失穩(wěn)崩塌堵塞溝道。當(dāng)水槽坡度較小時(shí)，減小了土體自重沿水槽坡面的下滑力，壩體不易于發(fā)生整體失穩(wěn)。所以，小流量、小坡度下更容易形成局部潰壩型泥石流。

表2 局部潰壩型泥石流工況統(tǒng)計(jì)

在11組實(shí)驗(yàn)中，非均質(zhì)系數(shù)Ψ=2.18的有6組，而Ψ=0.46只有1組，兩者比例相差6倍。這說(shuō)明在上粗下細(xì)鋪設(shè)方式下容易形成局部潰壩型泥石流。因?yàn)楫?dāng)粗顆粒在上時(shí)，土體孔隙率較大，水位上漲的過(guò)程中土體含水率和孔隙水壓快速升高，滲流作用的存在加劇了土體顆粒的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水流漫頂后，上層土體已充分浸潤(rùn)，部分粗顆粒便隨之起動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)大量固體顆粒聯(lián)動(dòng)，水流迅速下切，切溝逐漸加深、加寬，邊壁上部濕潤(rùn)的粗顆粒土體易于失穩(wěn)崩塌堵塞水流；下部細(xì)顆粒土體不易于水流滲透，當(dāng)坡度較小時(shí)，不容易發(fā)生整體失穩(wěn)。

3.2.2 動(dòng)力學(xué)特征 突發(fā)性強(qiáng)是泥石流災(zāi)害往往造成重大損失的主要原因之一［23］，因此泥石流的起動(dòng)力學(xué)機(jī)制和起動(dòng)時(shí)間一直是泥石流研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。舒安平等［24］從土體顆粒的受力出發(fā)，以水流剪切力與顆粒起動(dòng)臨界剪切力的比值，作為起動(dòng)判別式，當(dāng)比值大于l時(shí)判定泥石流顆粒處于起動(dòng)狀態(tài)。

水流剪切力計(jì)算公式：

式中：τ為水流剪切力；γ為水體容重；h為平均水深；J為水力坡降。

顆粒起動(dòng)臨界剪切力擬合公式：

式中：τc為顆粒起動(dòng)臨界剪切力；d為土體中值粒徑d50；Re*表示沙粒雷諾數(shù)，即

因此，起動(dòng)判別式：

在泥石流起動(dòng)判別式中，水流剪切力τ的計(jì)算用的是平均水深，計(jì)算結(jié)果為水流對(duì)床面的剪切力，并不是對(duì)表層泥沙顆粒的剪切力。因此，在局部潰壩泥石流起動(dòng)過(guò)程中，它是對(duì)潰口處底部土體整體的剪切力，這正好能夠充分反映潰壩泥石流的起動(dòng)特征。對(duì)11組局部潰壩型泥石流進(jìn)行起動(dòng)判別計(jì)算分析，如表3所示。結(jié)果表明，局部潰壩型泥石流相對(duì)剪切力（水流剪切力與起動(dòng)臨界剪切力比值）τ/τc的范圍在12.525～17.237之間，平均值為14.70，比值結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。

表3 局部潰壩型泥石流起動(dòng)判別計(jì)算結(jié)果

3.3 整體潰壩型泥石流動(dòng)力學(xué)特征

3.3.1 成因分析 13 組整體潰壩型泥石流實(shí)驗(yàn)工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖6 和表4 所示，圖6 中圖例小、中、大分別代表各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)值大小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，13 組整體潰壩型泥石流在實(shí)驗(yàn)參數(shù)壩高下分布情況并無(wú)明顯差異性，十分均衡。13 組實(shí)驗(yàn)中，大流量有10 組，所占比例高達(dá)77%。因?yàn)?，?dāng)壩體上游來(lái)水流量較大時(shí)，水流會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)形成全面漫頂，并不只是在壩體頂端局部形成切溝侵蝕，因此短時(shí)間的全面漫頂，保證了水流對(duì)壩體背部的全面侵蝕和沖刷，而坡度較大時(shí)，增加了土體自重沿水槽坡面的下滑力，壩體更容易整體失穩(wěn)。所以，在大流量、大坡度下更容易形成整體潰壩型泥石流。

圖6 整體潰壩型泥石流工況統(tǒng)計(jì)

表4 整體潰壩型泥石流工況統(tǒng)計(jì)

在13組實(shí)驗(yàn)中，非均質(zhì)系數(shù)Ψ=0.46的有7組，而Ψ=2.18只有2組，兩者比例相差3.5倍。這說(shuō)明在上細(xì)下粗鋪設(shè)方式下容易形成整體潰壩型泥石流。原因在于當(dāng)細(xì)顆粒在上時(shí)，孔隙率較小，土體不易于滲透，水流全面漫頂后，土體顆粒才開(kāi)始起動(dòng)，此時(shí)背部大量土體迅速被水流沖刷帶走，壩體厚度迅速減小，并逐漸坦化；又由于底部粗顆粒易于水流滲透，底部土體被充分浸潤(rùn)，摩擦力減小，在大坡度下易于發(fā)生整體失穩(wěn)，并最終形成泥石流。

3.3.2 動(dòng)力學(xué)特征 對(duì)13組整體潰壩型泥石流進(jìn)行起動(dòng)判別計(jì)算分析，如表5所示。結(jié)果表明，整體潰壩型泥石流相對(duì)剪切力τ/τc的比值范圍在16.635～46.378之間，平均值為26.59，比值結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。

表5 整體潰壩型泥石流起動(dòng)判別計(jì)算結(jié)果

4 不同類型潰壩泥石流的對(duì)比分析

上述24 組潰壩泥石流實(shí)驗(yàn)相對(duì)剪切力τ/τc的比值范圍在12.525～46.378 之間，平均值為21.14，比值結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。泥石流相對(duì)剪切力越大，表明泥沙顆粒越易于起動(dòng)。田露［25］在研究中發(fā)現(xiàn)常遇型泥石流的相對(duì)剪切力一般介于4.1～13.8之間。通過(guò)對(duì)比分析，潰壩泥石流的相對(duì)剪切力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常遇型泥石流，兩種不同類型泥石流相對(duì)剪切力大小的分界也較為明顯，大體介于12.5～13.8之間，小于12.5基本可以判定為常遇型泥石流，這說(shuō)明潰壩泥石流在起動(dòng)的瞬間往往需要更大的相對(duì)剪切力。兩類泥石流在起動(dòng)的過(guò)程中，都受到水流的沖刷作用，主要差別在于滲流作用的影響，滲流的存在會(huì)加劇泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)，而常遇型泥石流受滲流作用更為明顯。

局部與整體潰壩型泥石流相對(duì)剪切力的對(duì)比分析表明，整體潰決形成泥石流往往需要更大的相對(duì)剪切力，其平均值是局部潰決的1.8倍，兩者相對(duì)剪切力大小的分界也較為明顯，大體介于16.6～17.2之間，大于17.2基本可以判定為整體潰壩型泥石流，這是由于整體潰決所需要的侵蝕驅(qū)動(dòng)力更大，相較于局部潰決更難于起動(dòng)形成潰壩泥石流。

從上游來(lái)水，到潰壩泥石流的形成，整個(gè)過(guò)程的歷時(shí)是泥石流災(zāi)害防治和預(yù)警研究的重點(diǎn)。前人研究成果表明，埋設(shè)在土體中的孔隙水壓力計(jì)，其讀數(shù)變化可以很好的反映土體顆粒的起動(dòng)情況［4，26］。如圖7 所示，為兩種不同類型潰壩泥石流孔隙水壓力變化曲線圖，分別以No.14 組實(shí)驗(yàn)和No.17組實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖7（a）中，由于Ψ=2.18，下部細(xì)顆粒不易于水流滲透，初始階段探頭3并未有明顯升高，當(dāng)最上處探頭1急速下降時(shí)，此時(shí)探頭2還處于上升階段，隨著切溝逐漸加深，探頭2急速降落，伴隨有邊壁土體崩塌，此時(shí)探頭3迅速上升，伴隨有一小段時(shí)間的穩(wěn)定波動(dòng)后，迅速下降，最終形成局部潰壩型泥石流，這與切溝逐漸加深、加寬，邊壁土體失穩(wěn)，堵塞水流的物理過(guò)程相符合。圖7（b）中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，上游來(lái)水量增加，水位上漲，水流不斷滲入土體，孔隙水壓力升高，探頭3讀數(shù)最先開(kāi)始增加，隨著水位的進(jìn)一步升高，探頭2和探頭1讀數(shù)開(kāi)始逐漸升高，各探頭在到達(dá)峰值后，幾乎同一時(shí)間瞬間斷崖式下降。這與整體潰壩型泥石流的實(shí)際情況相符合，瞬間的整體潰決，孔隙水壓迅速減小，3個(gè)探頭的監(jiān)測(cè)變化具有很強(qiáng)的一致性。

因此，綜合上述對(duì)兩種不同類型潰壩泥石流孔隙水壓測(cè)量曲線的分析表明，局部潰壩型泥石流起動(dòng)的時(shí)間是圖中最后一個(gè)孔隙水壓急速下降的時(shí)刻，而整體潰壩型泥石流起動(dòng)的時(shí)間則較為統(tǒng)一，為各探頭同時(shí)下降的時(shí)刻，這對(duì)確定潰壩泥石流的起動(dòng)時(shí)間具有重大的意義。

圖7 孔隙水壓隨時(shí)間變化過(guò)程曲線

5 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)施潰壩泥石流模擬實(shí)驗(yàn)和成果分析，提出了潰壩泥石流的發(fā)生存在兩種模式，即局部型和整體型，其中局部潰壩型泥石流的發(fā)生模式可概括為切溝侵蝕→岸坡崩塌→堵塞水流→局部潰決→泥石流；整體潰壩型泥石流的發(fā)生模式可概括為全面漫頂→溯源侵蝕→壩體坦化→整體潰決→泥石流，兩者潰壩方式存在明顯差異性。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小流量、小坡度下更容易形成局部潰壩型泥石流，大流量、大坡度下更容易形成整體潰壩型泥石流，而且后者突發(fā)性更強(qiáng)，形成規(guī)模與沖擊破壞力也更大，從水動(dòng)學(xué)角度揭示了兩類潰壩泥石流的特性。

（3）通過(guò)對(duì)兩類潰壩泥石流相對(duì)剪切力τ/τc進(jìn)行比較，得出整體潰壩型泥石流往往需要更大的相對(duì)剪切力，當(dāng)τ/τc大于17.2時(shí)，容易發(fā)生整體潰壩型泥石流，否則容易發(fā)生局部潰壩型泥石流。由此表明整體潰決往往需要更大的侵蝕驅(qū)動(dòng)力，相較于局部潰壩而言，整體潰壩更難起動(dòng)形成潰壩泥石流。

需要說(shuō)明的是，由于潰壩泥石流問(wèn)題本身的復(fù)雜性，加之實(shí)驗(yàn)存在一定局限性，下一步有必要深入開(kāi)展?jié)文嗍靼l(fā)生時(shí)間和規(guī)模的研究，便于成果的實(shí)踐應(yīng)用。