顆粒組分對泥石流形成形態影響研究

周健　王連欣　賈敏才　李業勛

摘要：利用自主設計的小比例尺模型槽，采用粗砂（1～2 mm）和細砂（0.075～0.25 mm）按照不同質量比例制作模型，在人工降雨條件下研究了不同的顆粒組分對砂性土泥石流形成形態的影響.模型試驗研究發現，隨著細砂含量由20%增加至100%，泥石流破壞形態由分級塊體滑落向整體流滑型轉變.利用GeoDog軟件分析位移場，利用孔壓計測量孔壓變化.研究發現：分級塊體滑落破壞過程存在明顯的潛在滑動面的發展，孔壓隨裂縫的產生而耗散、隨雨水滲入裂縫而升高，呈波浪式下降；整體流滑型突發性強，破壞前沒有明顯滑動面出現，孔壓呈一次性陡降.通過測定啟動過程單位時間啟動量發現，流滑型破壞單位時間啟動量大于分級塊體滑落型.分層塊體滑落形成機理為土體滲透系數大，雨水快速滲透破壞坡腳，使上部土體失去支撐而分層坍塌；流滑型破壞機理為土體滲透系數小，后部高度飽和呈流態化推動坡腳土體快速下滑.基于室內模型試驗，初步分析了縮尺試驗條件下降雨誘發泥石流形成形態機理，為降雨誘發泥石流的進一步研究提供參考.

關鍵詞：泥石流；顆粒組分；降雨

中圖分類號：P64 文獻標識碼：A

我國幅員遼闊，山川河流眾多，地形地貌復雜，泥石流危害也就較為嚴重.泥石流能夠攜帶大量泥砂和礫石，水土混合物攜帶著巨大能量洶涌而下，極具破壞性.特別是云貴川等地，山川眾多，泥石流災害頻頻發生，給人民的生命財產造成非常嚴重的損失.泥石流研究有重大的現實意義.

國內外學者對泥石流進行了許多研究并取得了一定成果.Hungr O[1]對泥石流、碎屑崩、流滑3種自然現象進行了區分.陳曉清[2]把泥石流全過程劃分為啟動過程、流動過程和堆積過程：啟動就是準泥石流體轉化為泥石流體.Wang G和Sassa K[3]對不同粒徑的兩種硅砂（D50=0.13 mm和D50=0.05 mm）進行降雨誘發泥石流試驗，分析滑動距離與土體內孔壓的關系.Yang W M等[4]基于野外調查和室內測試分析，從坡面型泥石流形成的影響因素、運動學特征、動力條件、形成與演化過程等方面，探討了降雨誘發坡面型泥石流的形成機理.

本文利用自主設計的小比例尺室內模型槽試驗，用砂土制作模型，在降雨條件下研究顆粒組分對砂性土泥石流形成形態的影響.利用GeoDog程序分析數碼相機拍攝的土體破壞過程圖像，分析土體位移場、滑動帶形成位置和演化規律.利用孔壓計跟蹤土體破壞過程孔隙水壓力的變化，從水土相互作用角度分析土體不同破壞形態.通過測量啟動過程單位時間啟動量，分析了顆粒組分對單位時間啟動量影響.通過小比例尺室內模型試驗，探究了降雨條件下顆粒組分對泥石流形成形態影響機理.

1模型試驗

1.1試驗土樣

模型試驗采用1～2 mm和0.075～0.25 mm兩種顆粒粒徑砂土按不同質量比例配比制作模型.試驗降雨量強度4 mL/min.參照高冰[5]等學者的研究，本次試驗土體選用初始含水量5%、密實度0.43制作模型，土體自穩能力強、試樣松散防止結塊.模型試驗進行細砂含量20%～100%共8組試驗.土樣級配曲線以及滲透系數見圖1和圖2.

1.2試驗模型

根據《中國泥石流研究》[6]，坡體坡度>45°多發生崩塌型破壞，坡度為25°～45°多發生滑坡型破壞.本文主要研究滑坡型泥石流，因此設定坡度25°.制作試驗模型高度H=100 mm，寬度B=250 mm，長度L=300 mm+250 mm=550 mm.加工制作模型槽，尺寸為1 500 mm×400 mm×250 mm，模型槽兩側和后壁均采用光滑鋼化玻璃，底部用木板模擬坡體基巖，并用聚氨酯在底部粘結砂土顆粒模擬邊界.模型試驗裝置示意圖如圖3.降雨器通過空氣壓縮器加壓，由流量計控制出水量，降雨噴頭采用霧化噴頭，雨滴細小、降雨均勻，減小了雨滴對表層土體的侵蝕.

Lourenco[7]認為在人工降雨作用下，土體破壞模式受到邊界條件影響.本文重點研究淺層砂土在降雨條件下發生破壞并產生流動下滑的泥石流形態.為防止降雨直接沖刷坡腳，采用三角斜坡的方式固定上部淺層土體以阻止其下滑，達到簡化研究對象的目的.試驗中人工降雨只發生在上部土體表面，沒有降落至三角斜坡坡面.

由模型試驗現象可以發現隨著細砂含量由20%增大至100%，模型土體破壞形態由分級塊體滑落向整體流滑型破壞轉變.分層塊體滑落和整體流滑型破壞為泥石流兩種典型破壞形態.以下章節將針對這兩種典型破壞形態進行深入研究.

3顆粒組分對泥石流破壞形態影響

室內模型試驗發現隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.以下分別通過細砂30%和70%分析顆粒組分對泥石流典型破壞形態影響.

3.1試驗過程土體典型破壞形態

圖9細砂70%位移云圖表明：土體破壞特征為整體瞬時滑動，后部土體位移大，推動前部土體滑動，與細砂30%位移場明顯不同.開啟降雨300 s時，試樣處于雨水入滲階段，土體主要發生豎向位移，最大位移達到2.3 mm，如圖9（a）.降雨350 s時雨水已經達到底部，并開始在水平方向的滲透如圖9（b）.降雨365 s時中部土體剪切變形不斷擴大，最大9 mm，如圖9（c）.隨著降雨繼續，坡腳三角區域土體強度降低，后部矩形區域滲透力不斷增大，土體產生大變形，呈流態狀，推動前部土體快速向下滑動，從而發生流滑現象.整個位移場分析中，未見到明顯的滑動面.

根據細砂含量60%～100%土體模型試驗結果可知，整體流滑型破壞機理為土體滲透系數小，坡腳上部土體高度飽和、呈流態化，推動下部坡腳土體快速流動形成泥石流.對比兩種破壞形態，雨水在土體中的入滲速度對土體破壞影響明顯，而入滲速度取決于土體的滲透系數.滲透系數是泥石流形成的關鍵影響因素.

本次模型試驗分析了顆粒組分對泥石流形成形態的影響.模型試驗土層厚度薄，還不能完全反映現實情況下泥石流的形成，但是可以定性分析泥石流形成機理，在泥石流破壞形態和破壞機理研究中能夠提供一些有意義的借鑒.

5結語

通過自主設計研發的小比例尺室內模型槽試驗，借助相關測量設備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對泥石流形成形態影響，得到以下結論：

1）降雨條件下，細顆粒含量小于30%時，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發生分級塊體滑落；60%～100%土體發生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復雜，為過渡形式.

2）發生分級塊體滑落試驗土體試驗中有明顯的裂縫的出現和發展，裂縫出現伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導致孔壓再次升高，孔壓呈現出波浪起伏減小特點；整體流滑破壞土體試驗中沒有明顯裂縫的發展，孔壓變化呈一次性瞬時陡降.

3）流滑型破壞單位時間啟動量大于分級塊體滑動破壞，并且存在一個最優的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對較大同時基質吸力減小也相對較大，從而使得泥石流最容易發生，災害規模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級塊體滑落破壞形成機理是土體滲透系數較大，雨水快速滲透使坡腳發生破壞，上部土體失去坡腳支撐發生坍塌，發生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機理是土體滲透系數小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態化，后部土體推動前部坡腳土體快速流動而形成整體流滑破壞.

參考文獻

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陳曉清. 滑坡轉化泥石流起動機理試驗研究[D]. 成都： 西南交通大學， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，張姣. 泥石流啟動過程中水土作用機理的宏細觀分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中國泥石流研究[M].北京：科學出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.

5結語

通過自主設計研發的小比例尺室內模型槽試驗，借助相關測量設備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對泥石流形成形態影響，得到以下結論：

1）降雨條件下，細顆粒含量小于30%時，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發生分級塊體滑落；60%～100%土體發生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復雜，為過渡形式.

2）發生分級塊體滑落試驗土體試驗中有明顯的裂縫的出現和發展，裂縫出現伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導致孔壓再次升高，孔壓呈現出波浪起伏減小特點；整體流滑破壞土體試驗中沒有明顯裂縫的發展，孔壓變化呈一次性瞬時陡降.

3）流滑型破壞單位時間啟動量大于分級塊體滑動破壞，并且存在一個最優的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對較大同時基質吸力減小也相對較大，從而使得泥石流最容易發生，災害規模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級塊體滑落破壞形成機理是土體滲透系數較大，雨水快速滲透使坡腳發生破壞，上部土體失去坡腳支撐發生坍塌，發生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機理是土體滲透系數小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態化，后部土體推動前部坡腳土體快速流動而形成整體流滑破壞.

參考文獻

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陳曉清. 滑坡轉化泥石流起動機理試驗研究[D]. 成都： 西南交通大學， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，張姣. 泥石流啟動過程中水土作用機理的宏細觀分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中國泥石流研究[M].北京：科學出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.

5結語

通過自主設計研發的小比例尺室內模型槽試驗，借助相關測量設備，研究了人工降雨條件下顆粒組分對泥石流形成形態影響，得到以下結論：

1）降雨條件下，細顆粒含量小于30%時，雨水可以較好地從土體排除，從而形成穩定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發生分級塊體滑落；60%～100%土體發生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復雜，為過渡形式.

2）發生分級塊體滑落試驗土體試驗中有明顯的裂縫的出現和發展，裂縫出現伴隨著孔壓的耗散和減小，雨水滲入裂縫導致孔壓再次升高，孔壓呈現出波浪起伏減小特點；整體流滑破壞土體試驗中沒有明顯裂縫的發展，孔壓變化呈一次性瞬時陡降.

3）流滑型破壞單位時間啟動量大于分級塊體滑動破壞，并且存在一個最優的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對較大同時基質吸力減小也相對較大，從而使得泥石流最容易發生，災害規模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態：分層塊體滑落和整體流滑型破壞.分級塊體滑落破壞形成機理是土體滲透系數較大，雨水快速滲透使坡腳發生破壞，上部土體失去坡腳支撐發生坍塌，發生分層塊體滑落.整體流滑型破壞形成機理是土體滲透系數小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態化，后部土體推動前部坡腳土體快速流動而形成整體流滑破壞.

參考文獻

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陳曉清. 滑坡轉化泥石流起動機理試驗研究[D]. 成都： 西南交通大學， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，張姣. 泥石流啟動過程中水土作用機理的宏細觀分析[J]. 巖石力學與工程學報， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中國泥石流研究[M].北京：科學出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.