公路棄渣次生泥石流成災(zāi)機(jī)制及防護(hù)措施

周海波，李雙江

公路棄渣次生泥石流成災(zāi)機(jī)制及防護(hù)措施

周海波1，李雙江2

（1. 四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041；2. 西南交通大學(xué)，成都 611756）

公路棄渣泥石流物源集中，棄渣類型是泥石流成災(zāi)機(jī)制的重要影響因素。砂巖類棄渣中粘粒含量小，膨脹性較弱，棄渣體內(nèi)水體排泄通暢，不利于孔隙水壓的保持，相比灰?guī)r類棄渣自身穩(wěn)定性高；但在暴雨作用下，棄渣體內(nèi)水分增加大于排泄，易造成棄渣體的崩滑起動(dòng)，形成小型的泥石流，多形成稀性泥石流；灰?guī)r類棄渣中粘粒的膨脹性較高，棄渣體孔隙水壓易增大，渣土體的穩(wěn)定性差，在暴雨作用下，棄渣中的土體易膨脹液化、滑移起動(dòng)，多形成粘性泥石流；灰?guī)r類棄渣泥石流規(guī)模大于砂巖類棄土。本文從棄渣物理性質(zhì)指標(biāo)、力學(xué)特征等研究泥石流成災(zāi)機(jī)制，并致力于將成果應(yīng)用到公路棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)和防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域。

泥石流；棄土力學(xué)特征；成災(zāi)機(jī)制；防護(hù)措施

棄渣泥石流有與一般泥石流不同的特征：①棄渣成為泥石流的主要物源，并與天然溝道的松散固體物質(zhì)混合，分布集中；②棄渣的物質(zhì)組成以中等以上顆粒為主，細(xì)顆粒含量較少；③棄渣泥石流的啟動(dòng)模式主要有坡面啟動(dòng)、溝道加積啟動(dòng)、尾礦壩潰決啟動(dòng)等；④棄土棄渣臨近人類活動(dòng)密集區(qū)，一旦啟動(dòng)泥石流，致災(zāi)能力強(qiáng)。因此棄渣泥石流備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，但目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)公路棄渣場(chǎng)堆積的棄渣引發(fā)的泥石流研究較少[1~4]。

本文以公路棄渣泥石流為研究對(duì)象，通過(guò)分析棄渣泥石流的發(fā)育條件（土源條件、水源條件），研究松散棄渣穩(wěn)定性、棄渣滲流與強(qiáng)度變化、破壞和產(chǎn)流，得出棄土泥石流的啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而淺析棄渣泥石流的成災(zāi)機(jī)制，為類似工程提供防災(zāi)減災(zāi)經(jīng)驗(yàn)。

表1 K13#棄土（灰?guī)r類棄土）主要礦物及其含量統(tǒng)計(jì)表

1 公路棄土場(chǎng)分布

本文研究西部山區(qū)某公路沿線17個(gè)棄土場(chǎng)，其中7個(gè)為沖溝型，5個(gè)河岸坡地型，4個(gè)在坡面凹地；大部分庫(kù)容小于10萬(wàn)m3，僅少數(shù)（3#、6#）設(shè)計(jì)庫(kù)容達(dá)到25萬(wàn)m3。

2 棄渣泥石流物質(zhì)組成

本文研究的公路棄土的物質(zhì)組成主要有2類，①砂巖、頁(yè)巖、泥巖風(fēng)化巖屑及碎裂巖塊；②石灰?guī)r區(qū)的紅黃色粘土及碎、礫石土。

根據(jù)13#棄土場(chǎng)和4#棄土場(chǎng)棄土粘土X衍射試驗(yàn)成果，13#灰?guī)r類棄土場(chǎng)細(xì)粒土中，蒙脫石含量36.3%，白云母占18.2%，長(zhǎng)石占4.1%，石英占27.4%，高嶺石占10.7%，鎳綠泥石占3.3；4#砂巖類棄土場(chǎng)細(xì)粒土中，蒙脫石含量24.4%，白云母占19.6%，高嶺石占13.6%，長(zhǎng)石占10.2%，石英占32.2%。

表2 4#棄土場(chǎng)（砂巖類棄土）主要礦物及其含量統(tǒng)計(jì)表

表3 公路棄土天然含水量試驗(yàn)成果表

3 棄土物理性質(zhì)指標(biāo)

3.1 棄土含水量特征

3.1.1棄土天然含水量

圖1 K13#棄土場(chǎng)棄土X衍射分析圖

圖2 4#棄土場(chǎng)棄土X衍射分析圖

表4 4#、13#棄土場(chǎng)土樣含水量測(cè)試

采用烘干法對(duì)棄土樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量棄土樣品天然含水量。各棄土天然含水介于7.0%～32.4%。不同巖性的棄土，含水量大小及含水特性不同，測(cè)試13#棄土場(chǎng)棄土屬于灰?guī)r類棄土，天然含水量在32.4%左右，飽和含水量可達(dá)49%以上；砂巖類的4#棄土場(chǎng)，棄土天然含水量在13.4%，飽和含水量在28%左右（表3），灰?guī)r類棄土的天然含水量和飽和含水量均大于砂巖類棄土。

3.1.2不同深度含水量

在天然堆積狀態(tài)下，不同類型棄土的含水量隨堆積深度的變化也有不同，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析：灰?guī)r類K13#棄土場(chǎng)的棄土含水量隨深度的變化呈拋物線狀，隨深度增加含水量降低，含水量最大值出現(xiàn)在深度10～20cm之中，含水量為50%，地表下50cm時(shí)，含水量為36%～38%，到達(dá)一定深度后含水量逐漸減小，灰?guī)r類棄土的滲透性低，水份聚集于土體的表層或上層，其天然含水量高；砂巖類4#棄土場(chǎng)的棄土隨深度逐漸加大，增幅均勻，棄土含水量隨深度變化不大，說(shuō)明砂巖類棄土滲透性較高，降水易下滲到土層下部，含水量最大值出現(xiàn)在深度100cm左右，約23%，其天然含水量值較低。含水量隨深度變化測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4及圖3所示。

表5 不同巖性棄土液塑限指標(biāo)

3.2 棄土液塑限

本文重點(diǎn)研究灰?guī)r類棄土和砂巖類棄土泥石流成災(zāi)機(jī)制，土體含水量大小影響棄渣泥石流發(fā)育，以4#和13#土體作為研究試樣，利用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)量，聯(lián)合測(cè)定儀圓錐質(zhì)量76g，錐角30°，采用光電式讀數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，K13#灰?guī)r類棄土場(chǎng)土體塑限10.64%，液限68.77%，塑限指數(shù)58.13；砂巖類4#棄土場(chǎng)土體塑限13.96%，液限50.99%，塑性指數(shù)37.03（表5）。由此可知，灰?guī)r類棄土場(chǎng)土體塑限比砂巖類棄土場(chǎng)土體塑限小，但液限卻比砂巖類棄土大，因此灰?guī)r類棄土塑性指數(shù)較大，在干密度大小幾乎相等條件下，灰?guī)r類場(chǎng)土體棄土的天然濕密度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于砂巖類場(chǎng)土體棄土，這與灰?guī)r類場(chǎng)土體棄土中親水礦物含量有關(guān)。

3.3 棄土的滲透系數(shù)

滲透過(guò)程是泥石流形成前降雨入滲的重要過(guò)程。目前研究發(fā)現(xiàn)非飽和土體強(qiáng)度的降低主要源于孔隙水壓力的升降變化，并由此導(dǎo)致土體的有效內(nèi)摩擦角的降低和水體的入滲促使土體的內(nèi)聚力或吸附強(qiáng)度大幅度降低，誘使土體抗剪強(qiáng)度衰減。

陳寧生采用徑流產(chǎn)流試驗(yàn)對(duì)泥石流源區(qū)弱固結(jié)礫石土的滲透特性進(jìn)行了研究[5]，經(jīng)測(cè)定得泥石流源區(qū)礫石土的穩(wěn)定下滲率為0.13mm/min，并推導(dǎo)了下滲計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

本文對(duì)4#砂巖類棄土和13#灰?guī)r類棄土樣進(jìn)行室驗(yàn)室常水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)得4#砂巖類棄土平均滲透系數(shù)為1.32mm/min，13#灰?guī)r棄土的平均滲透系數(shù)為0.15 mm/min。分析比較砂巖類棄土和灰?guī)r類棄土顆粒級(jí)配，砂巖類棄土級(jí)配總體上優(yōu)于灰?guī)r類棄土，砂巖棄土中粗顆粒較多，比灰?guī)r孔隙大，相同厚度的砂巖類棄土滲透水流流程短。是砂巖棄土的穩(wěn)定滲透系數(shù)比灰?guī)r類大的重要原因。

圖3 棄土含水量隨深度變化示意圖

4 棄土的力學(xué)性質(zhì)

4.1.1 棄土的抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)以去除原始土樣>5mm的細(xì)粒土為試樣用料，制備13#和4#兩組接近土體天然含水量的不同密度的試樣，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)強(qiáng)度試驗(yàn)；再制備K13#和4#兩組試樣的密度為1.6g/cm3，不同含水量的試樣，進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)強(qiáng)度試驗(yàn)。

1）相同初始含水不同密度的直接剪切試驗(yàn)強(qiáng)度

對(duì)相同初始含水量不同密度下的抗剪強(qiáng)度分析可知，隨著土體密度增加，砂巖類棄土和灰?guī)r類棄土內(nèi)聚力C呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，砂巖類棄土的內(nèi)聚力C增加明顯，灰?guī)r類棄土的內(nèi)聚力C增加較?。浑S密度增加，兩類棄土內(nèi)摩擦角φ變化不大。砂巖類棄土在碾壓后能夠迅速增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，棄土堆積后的快速碾壓砂巖類棄土的穩(wěn)定性增加明顯；灰?guī)r類棄土碾壓后抗剪強(qiáng)度增加滯后；相同密實(shí)度和降雨條件下，灰?guī)r類棄土更容易失穩(wěn)致災(zāi)形成泥石流（圖4）。

表6 相同含水量不同密度棄土土直剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

表7 相同密度不同含水量棄土直剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

2）相同密度不同含水量的抗剪強(qiáng)度

在相同密度條件下，隨著含水量增加，棄土內(nèi)聚力C值先上升后減小，存在最優(yōu)含水量及最大值；砂巖類棄土的干密度1.6g/cm3條件下，當(dāng)土體含水量為20%～21%時(shí)，內(nèi)聚力C在出現(xiàn)最大值，最大值在50kpa以下；灰?guī)r類棄土在相同干密度條件下，含水量為16%～17%，內(nèi)聚力C出現(xiàn)最大值在60kpa以上；灰?guī)r類棄土C值大于砂巖類棄土C值。

相同初始密度時(shí)，兩類棄土內(nèi)摩擦角φ隨含水量的增加而減小，砂巖類棄土的內(nèi)摩擦角φ變化大于灰?guī)r類棄土，說(shuō)明砂巖類棄土體的內(nèi)摩擦角φ在水作用下能迅速變化;灰?guī)r類棄土內(nèi)摩擦角φ隨土體含水量的增加，φ值變化滯后（圖5）。

圖5 相同密度條件小土體抗剪強(qiáng)度特征

5 棄渣泥石流成災(zāi)機(jī)制

棄渣泥石流形成機(jī)制，主要包括松散固體物質(zhì)在水分作用下結(jié)構(gòu)改變、強(qiáng)度降低、變形破壞、液化或流態(tài)化形成泥石流流體等過(guò)程[6]。

5.1 棄土滲流與強(qiáng)度變化特征

5.1.1 棄土中親水礦物吸水膨脹導(dǎo)致強(qiáng)度降低

土的脹縮性主要受粘土礦物成分及其含量控制。蒙脫石、伊利石、高嶺石粘土中最主要的3種粘土礦物，蒙脫石親水性最強(qiáng)，伊利石次之，高嶺石最弱。一般來(lái)講，粘土含量在5%以上的土體就會(huì)有明顯的膨脹性[7]?；?guī)r類棄土粘粒含量總量比砂巖類大，灰?guī)r類棄土在同等含水條件下，更容易膨脹導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低。

灰?guī)r類棄渣泥石流6#、11#、K13#及李家山等灰?guī)r類棄土顆粒組成利于泥石流的形成。6#棄土細(xì)粒土含量達(dá)90%以上，粘粒含量5%～10%。粘粒成分的膨脹性和崩解性較高，在強(qiáng)降雨條件下，粘粒膨脹，堵塞土體孔隙，孔隙水壓迅速上升，有效應(yīng)力降低，土體易失穩(wěn)形成粘性泥石流物源，在溝道縱坡率適宜時(shí)，流速快，沖擊力大。

砂巖類棄渣泥石流2#、3#、4#砂巖類棄土平均粘粒含量約1%，棄土膨脹性較弱、崩解性較高，有利于棄土體內(nèi)孔隙水流動(dòng)，不利于孔隙水壓的保持，相比灰?guī)r類棄土的穩(wěn)定性較高。在暴雨作用下，棄土體內(nèi)水分增加大于排泄，也易造成棄土體的崩滑啟動(dòng)，形成小型泥石流，多為稀性泥石流。

因此，土體粘粒含量對(duì)土體轉(zhuǎn)為泥石流具有重要影響，粘粒含量高的土體，孔隙率低，滲透率低，難以形成較大的孔隙水壓力；粘粒含量低的土體，孔隙率較高，土體滲透率大，相應(yīng)孔隙水壓力較??；對(duì)于中等的粘粒含量的土體（5%~10%），在降雨過(guò)程中，使孔隙連通性大大降低。在土體表層含水量增加，容重增加，孔隙水壓力增加，并通過(guò)表層傳遞到含水量較低的中下層。整個(gè)土層隨著孔隙水壓力增加，土體強(qiáng)度減小，滑體蠕滑使前沿土體發(fā)生豉脹開(kāi)裂、滑溜。溜滑土體受雨水作用，粘粒良好的封閉性引起孔隙水壓力迅速上升，在前緣下方整體滑溜以土力類的形式產(chǎn)生泥石流[8]。

5.1.2 滲流條件下粘粒運(yùn)移和局部富集導(dǎo)致土體強(qiáng)度變化

雨水下滲，細(xì)顆粒逐漸匯集到土體中部或下部，從而使相應(yīng)位置的滲透性降低，孔壓升高，孔隙水聚集于該處，形成滑動(dòng)面，導(dǎo)致滑坡滑動(dòng)并轉(zhuǎn)化成泥石流[9]。根據(jù)棄土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)可知，隨棄土飽和度增加，內(nèi)聚力C值呈先增加后減小的趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)棄土體在雨水入滲一定程度后，其強(qiáng)度受到明顯的由增強(qiáng)轉(zhuǎn)化至弱化損傷[10]。相同飽和度條件下，灰?guī)r類棄土強(qiáng)度指標(biāo)更低，發(fā)生滑動(dòng)并轉(zhuǎn)化成泥石流的可能性較大（圖6、7）。

圖6 6#灰?guī)r類棄土飽和度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖7 4#砂巖類棄土飽和度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

5.2 棄渣泥石流的啟動(dòng)過(guò)程

泥石流的啟動(dòng)過(guò)程主要包括松散固體物質(zhì)在水作用下土體結(jié)構(gòu)改變過(guò)程、滲透飽和過(guò)程、剪切破壞過(guò)程、土體液化過(guò)程、土體流態(tài)化過(guò)程、外部條件誘發(fā)過(guò)程。

日本學(xué)者Sassa泥石流的產(chǎn)流過(guò)程歸納為四個(gè)階段：①上部土體的快速失穩(wěn)，②失穩(wěn)土體在沖擊作用下的松散土層初始液化，③泥石流的初始啟動(dòng)，④為泥石流的發(fā)展流動(dòng)[11]；陳寧生等通過(guò)降雨試驗(yàn)中滑動(dòng)土體的穩(wěn)定性計(jì)算，指出傳統(tǒng)土力學(xué)不能解釋表層土體的滑動(dòng)，從而提出了表層土體滑動(dòng)的機(jī)理，指出表層土體的破壞是孔隙水壓力和動(dòng)水壓力的共同作用使坍滑面粘土顆粒的被侵蝕，使土體的內(nèi)摩擦力和粘滯力下降到很小甚至為0[5]；不同形成模式特征的泥石流通常有不同的形成過(guò)程，棄渣泥石流形成過(guò)程，主要包括降雨滲透飽和階段、超滲超蓄產(chǎn)流階段、局部剪切破壞階段、滑動(dòng)面擴(kuò)展貫通階段、坡體啟動(dòng)下滑階段和泥石流匯流階段（表8）。各子過(guò)程的特征如下：

表8 坡面棄土泥石流形成過(guò)程特征

6 棄渣泥石流防治建議

1）工程措施：采用以攔為主，攔排結(jié)合的方案進(jìn)行防治；并及時(shí)采取碾壓和排水措施，降低棄土含水率、提高土體密實(shí)度，增加土體強(qiáng)度。

2）生態(tài)措施：山區(qū)公路棄土場(chǎng)工程防治應(yīng)結(jié)合生態(tài)措施自然恢復(fù)。

7 結(jié)論

1）棄土土體的物質(zhì)組成、密度、含水量、滲透系數(shù)、粘粒含量、產(chǎn)流能力、物理力學(xué)參數(shù)等控制棄土泥石流成災(zāi)機(jī)制；砂巖類棄土級(jí)配優(yōu)于灰?guī)r類棄土、粗顆粒較多、孔隙比大，相同厚度下砂巖類棄土滲透路徑短。因此，砂巖棄土的穩(wěn)定滲透系數(shù)比灰?guī)r類大。

2）一般而言，灰?guī)r類棄土泥石流規(guī)模大于砂巖類棄土，多形成粘性泥石流，砂巖類棄土多形成稀性泥石流。

3）棄渣類泥石流形成過(guò)程：主要包括降雨滲透土體含水增加階段，超滲、超蓄產(chǎn)流侵蝕階段，局部剪切破壞階段，滑動(dòng)面擴(kuò)展貫通階段，坡體的啟動(dòng)下滑階段和泥石流匯流等階段。

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Genetic Mechanism and Control Measures of Road Waste Debris Flow

ZHOU Hai-bo1LI Shuang-jiang2

(1.Sichuan Research Institute of Highway Planning Survey Design Co. , Ltd., Chengdu 610041；2.Southwest Jiaotong University，chengdu 611756)

Road debris flow is characterized by concentration of debris sources, and waste debris type exerts important influence on the formation of the debris flow. Waste sandstone debris is relatively stable thanks to weak expansibility and strong discharge capacity resulted from lack of clay grains. Whereas, waste limestone debris is relatively unstable due to strong expansibility resulted from enrichment in clay grains. Therefore, waste limestone debris flow is larger than waste sandstone debris flow on a scale. This paper makes an approach to genetic mechanism for road waste debris flow in terms of physical property and mechanical property and devotes oneself to the design of waste dump sites and geohazard control.

debris flow; genetic mechanism; mechanical characteristics of waste debris; control measure

2019-08-29

周海波（1985-），男，四川合江人，碩士研究生，工程師，主要從事公路工程地質(zhì)及巖土工程相關(guān)工作

李雙江（1986-），女，四川廣元人，研究生在讀，工程師，主要從事工程地質(zhì)、災(zāi)害治理等研究

P694

A

1006-0995（2020）01-0130-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.026