顆粒組分對泥石流形成形態(tài)影響研究＊

周 健，王連欣，賈敏才，李業(yè)勛

（1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

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(fā)生，給人民的生命財產(chǎn)造成非常嚴重的損失.泥石流研究有重大的現(xiàn)實意義.

國內(nèi)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(xiàn)象進行了區(qū)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(zhuǎn)化為泥石流體.Wang G和Sassa K［3］對不同粒徑的兩種硅砂（D50＝0.13mm和D50＝0.05 mm）進行降雨誘發(fā)泥石流試驗，分析滑動距離與土體內(nèi)孔壓的關系.Yang W M等［4］基于野外調(diào)查和室內(nèi)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(fā)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(nèi)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(tài)的影響.利用GeoDog程序分析數(shù)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(guī)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(tài).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(nèi)模型試驗，探究了降雨條件下顆粒組分對泥石流形成形態(tài)影響機理.

1 模型試驗

1.1 試驗土樣

模型試驗采用1～2mm和0.075～0.25mm兩種顆粒粒徑砂土按不同質(zhì)量比例配比制作模型.試驗降雨量強度4mL／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(wěn)能力強、試樣松散防止結(jié)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(shù)見圖1和圖2.

圖1 砂土試樣粒徑分布曲線Fig.1 The grading curve of sandy sample

圖2 不同細砂含量滲透系數(shù)Fig.2 The permeability coefficient of different fine contents

1.2 試驗模型

根據(jù)《中國泥石流研究》［6］，坡體坡度＞45°多發(fā)生崩塌型破壞，坡度為25°～45°多發(fā)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＝100mm，寬度B＝250mm，長度L＝300mm＋250mm＝550mm.加工制作模型槽，尺寸為1 500mm×400mm×250mm，模型槽兩側(cè)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(jié)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(fā)生破壞并產(chǎn)生流動下滑的泥石流形態(tài).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(fā)生在上部土體表面，沒有降落至三角斜坡坡面.

圖3 模型試驗裝置示意圖Fig.3 The device sketche of modeling experiment

2 不同顆粒組分泥石流模型試驗結(jié)果

本次共進行8組土體不同顆粒組分試驗，破壞形態(tài)如圖4所示.細砂含量20%土體未形成泥石流；30%～40%為分級塊體滑落；60%～100%表現(xiàn)為整體流滑型破壞；50%破壞形式復雜，為過渡形態(tài).

圖4 不同顆粒組分土體破壞形態(tài)Fig.4 The failure modes of grain size distribution

細砂20%土體滲透系數(shù)大（7.4×10－2cm／s），在降雨條件下土體排水通暢，由此可見滲透系數(shù)大、排水通暢的土體難以形成泥石流.30%～40%滲透系數(shù)較大（5.1×10－2～3.9×10－2cm／s），雨水滲入坡腳使坡腳首先發(fā)生滲透破壞，上部土體失去坡腳支撐發(fā)生坍塌，分層分塊滑落，為分級塊體滑落破壞模式.60%～100%土體滲透系數(shù)小（2.2×10－2～1.7×10－2cm／s），降雨開始后雨水不能迅速滲透，使得表層土體出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)并對表層造成沖刷，使得后部土體變薄、前部土體變厚，破壞時后部土體推動前部土體快速向前滑動，滑動體規(guī)模大、速度快，為整體流滑型破壞.50%破壞形式相對復雜，為分層塊體滑落和整體流滑型之間的過渡形態(tài)，破壞時既有明顯裂縫出現(xiàn)也帶有一定的突發(fā)性.

由模型試驗現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)隨著細砂含量由20%增大至100%，模型土體破壞形態(tài)由分級塊體滑落向整體流滑型破壞轉(zhuǎn)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(tài).以下章節(jié)將針對這兩種典型破壞形態(tài)進行深入研究.

3 顆粒組分對泥石流破壞形態(tài)影響

室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：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(tài)影響.

3.1 試驗過程土體典型破壞形態(tài)

圖5和圖6分別為試驗過程拍攝的細砂含量30%和細砂含量70%土體側(cè)面破壞現(xiàn)象照片.

圖5 細砂30%破壞現(xiàn)象Fig.5 The failure phenomena of 30%fine sand

圖6 細砂70%破壞現(xiàn)象Fig.6 The failure phenomena of 70%fine sand

圖5細砂含量30%土體破壞現(xiàn)象，為分層塊體滑落破壞.細砂30%土體滲透系數(shù)大（5.1×10－2cm／s），降雨160s雨水入滲到達坡腳，如圖5（a）.降雨190s時坡腳處滲出少量細顆粒，坡腳土體發(fā)生滲透變形，如圖5（b）.降雨280s坡腳發(fā)生破壞，坡腳上部土體失去原有支撐，在雨水滲透和重力的作用下產(chǎn)生裂縫繼而坍塌、滑落，如圖5（c）.降雨320 s后部土體出現(xiàn)新裂縫，并分層向下滑動，如圖5（d）.破壞后的土體顆粒與雨水形成混合物，并快速下滑形成泥石流.這種破壞形態(tài)為分層塊體滑落，特征是分層破壞，滑落體破碎、松散.

圖6細砂含量70%土體破壞現(xiàn)象，為整體流滑型破壞.由于滲透系數(shù)較小（2.0×10－2cm／s），雨水不能全部向下滲透，表層含水量很高.降雨350s土體表面形成暫態(tài)飽和區(qū)并對表層土體產(chǎn)生沖刷，使土體后部變薄、前部變厚，如圖6（b），且這種變化會越加明顯，如圖6（c）.隨著降雨繼續(xù)土體在385s時發(fā)生突發(fā)性破壞，后部土體推動前部三角區(qū)域土體快速向前滑動，形成典型的泥石流波浪狀斷面，如圖6（d）.整個破壞過程沒有出現(xiàn)明顯的張拉裂縫和滑動面.這種破壞模式稱為流滑型破壞，特征是突發(fā)性、流動的快速性以及流動距離較長.

對比圖5和圖6可見，細砂含量70%土體破壞前浸潤線沒有超出坡腳，這與細砂含量30%土體不同.原因是細砂含量30%土樣滲透系數(shù)較大（5.1×10－2cm／s），160s雨水滲透就已到達坡腳，此時還未達到泥石流啟動條件.而細砂70%土樣滲透系數(shù)較小（2.0×10－2cm／s），降雨375s雨水滲透仍未滲透到坡腳，后部土體在長時間雨水作用下飽和程度大、流動性強、滲透力不斷增大，土體τf減小，繼而發(fā)生整體流滑.

3.2 降雨條件下位移場分析

利用高清數(shù)碼相機從側(cè)面追蹤試驗坡體的破壞過程，截取部分時刻圖片（見圖7），將角度旋轉(zhuǎn)后，通過geoDog軟件分析位移場變化.

圖7 泥石流坡體位移場分析區(qū)域Fig.7 The displacement analysis area of debris flow

圖8和圖9分別為細砂含量30%和70%土體位移云圖.圖8細砂30%位移云圖表明：土體破壞前有明顯的潛在滑動面的發(fā)展，土體分層塊體滑落，破壞后滑落土體破碎松散.開啟降雨160s時，坡體中潛在滑動面出現(xiàn)并逐漸向土體底部發(fā)展，局部土體的最大位移達到2mm，如圖8（a）.隨著降雨的進行，降雨220s時滑動面以上土體位移越來越大，如圖8（b）所示，最大位移9mm.降雨240s時出現(xiàn)塊狀紅色大位移區(qū)域，土體開始分塊分層下滑，如圖8（c）.降雨260s時后面土體失去原有土體的支撐，并在雨水滲透、重力的作用下形成新的滑動面，如圖8（d）所示.

圖8 細砂30%位移云圖Fig.8 The cloud picture of displacement of 30%fine sand

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300s時，試樣處于雨水入滲階段，土體主要發(fā)生豎向位移，最大位移達到2.3mm，如圖9（a）.降雨350s時雨水已經(jīng)達到底部，并開始在水平方向的滲透如圖9（b）.降雨365s時中部土體剪切變形不斷擴大，最大9mm，如圖9（c）.隨著降雨繼續(xù)，坡腳三角區(qū)域土體強度降低，后部矩形區(qū)域滲透力不斷增大，土體產(chǎn)生大變形，呈流態(tài)狀，推動前部土體快速向下滑動，從而發(fā)生流滑現(xiàn)象.整個位移場分析中，未見到明顯的滑動面.

圖9 細砂70%位移云圖Fig.9 The cloud picture of displacement of 70%fine sand

3.3 試驗過程孔壓分析

在模型底部布設3個孔隙水壓力計P1，P2和P3，分別距坡腳250mm，350mm和450mm，研究泥石流模型試驗破壞過程土體孔隙水壓力的變化規(guī)律，如圖10所示.

圖10 孔壓計布置示意圖Fig.10 Sketche of the arrangement of pore water pressure gauge

細砂含量30%的土體在降雨條件下的孔壓變化呈現(xiàn)出明顯的波浪式下降特點，如圖11所示.降雨190s時，P1首先出現(xiàn)孔壓數(shù)據(jù)下降，這一時刻坡腳發(fā)生破壞.降雨230s時坡腳嚴重破壞、土體上部出現(xiàn)張拉裂縫，導致P1，P2和P3孔壓計數(shù)據(jù)的下降，其中P1，P2距裂縫近，下降最為明顯.雨水滲入裂縫后，孔壓P2，P3數(shù)據(jù)開始回升.降雨250s上部土體張拉裂縫不斷擴大，P2，P3孔壓再次下降.P2附近土體大范圍滑落，P3附近土體裂縫尚未充分發(fā)展，隨著雨水的滲入，P3孔壓再次回升.根據(jù)孔壓變化曲線，孔壓數(shù)值P1最大0.67kPa，P2最大0.81kPa，P3最大0.80kPa，孔壓數(shù)據(jù)均小于1.0 kPa，土體始終處于一種非飽和狀態(tài).

圖11 細砂含量30%孔壓變化曲線Fig.11 The pore water pressure curve of 30%fine sand

細砂含量70%土體在降雨條件下的孔壓變化呈一次瞬時陡降變化，如圖12所示.在開啟降雨380s時，P1，P2，P3孔壓達到最大值，其中P1最大值0.75kPa，P2為0.92kPa，P3為1.02kPa.降雨385s時孔壓數(shù)據(jù)發(fā)生突然陡降，分別下降至0.23 kPa，0.16kPa和0.13kPa.根據(jù)模型試驗現(xiàn)象，降雨385s時坡體發(fā)生瞬時性破壞，后部土體推動坡腳土體快速向下滑動，形成泥石流.

圖12 細砂含量70%孔壓變化曲線Fig.12 The pore water pressure curve of 70%fine sand

對比圖11和圖12孔壓變化曲線，分別呈波浪式下降和一次瞬時陡降.原因是細砂30%土體滲透系數(shù)大（5.1×10－2cm／s），雨水快速入滲到達坡腳，坡腳滲透破壞后坡體出現(xiàn)裂縫，發(fā)生分層塊體滑落，孔壓降低，雨水滲入裂縫孔壓再次積聚、回升，孔壓數(shù)據(jù)波浪式下降.而細砂70%土體滲透系數(shù)小（2.0×10－2cm／s），破壞時雨水沒有完全滲入坡腳，P1處土體未飽和，上部P2，P3處土體飽和，孔壓積聚大、能量大，土體呈流態(tài)化.坡腳三角區(qū)域土體在雨水滲透作用下抗滑力不斷減小.當上部土體下滑力大于自身抗滑力和坡腳三角區(qū)域抗滑力之和時，上部土體推動下部土體快速下滑，孔壓數(shù)據(jù)陡降.

3.4 不同顆粒組分土體單位時間啟動量分析

試驗中，通過測量啟動過程［2］單位時間內(nèi)破壞土體下滑量來表示堆積土體的單位時間啟動量，單位時間啟動量越大，破壞性越強.結(jié)果匯總于圖13.

模型試驗發(fā)現(xiàn)，細砂含量小于30%時，坡腳發(fā)生輕微破壞，泥石流不發(fā)生；細砂30%～70%單位時間啟動量不斷增大，大于70%后又出現(xiàn)減小趨勢.由模型試驗結(jié)果可知，細砂30%～40%土體單位時間啟動量小于60%～100%土體滑動量，分別對應的是分級塊體滑落和整體流滑型破壞形態(tài).

圖13 單位時間啟動量Fig.13 Per unit time of the sliding mass

其原因可從泥石流的形成因素考慮.在降雨條件下，一方面孔壓升高，土體基質(zhì)吸力減小，土體強度減弱；另一方面，雨水持續(xù)在土體中滲透，滲透力不斷增大.細砂含量較小土體滲透系數(shù)大，滲透作用強，但是飽和程度小，流動性差；細砂含量較大土體滲透系數(shù)小，而飽和程度大，孔壓高、基質(zhì)吸力小，流動性強.細砂含量70%附近土體處于滲透力相對較大同時基質(zhì)吸力減小也相對較大的情況，使得土體處于一種穩(wěn)定性最不利的情況.顆粒組分存在一個最優(yōu)組成，使得泥石流容易形成.

4 降雨誘發(fā)泥石流典型破壞形態(tài)機理

室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)：隨著細砂含量逐漸增大，降雨誘發(fā)泥石流破壞形態(tài)由分級塊體滑落向整體流滑型轉(zhuǎn)變.兩種破壞形態(tài)的形成機理不同.

根據(jù)極限平衡理論和非飽和土理論，砂土非飽和、飽和狀態(tài)土體的剪切強度和抗剪強度可表達為：

試驗中降雨開啟后，浸潤線不斷下移，雨水向下入滲期間，各組坡體表層都有一些沉降.原因是雨水入滲使得孔隙水壓力增大、基質(zhì)吸力減小，式（1）中c′和（uα－uw）tanφb項減小，土體強度τf減小，顆粒骨架的穩(wěn)定性下降.

4.1 分層塊體滑落破壞模式機理分析

細砂含量30%～40%土體為分層塊體滑落破壞（圖14），滲透系數(shù)較大（5.1×10－2～3.9×10－2cm／s）.根據(jù)試驗中拍攝到的土體浸潤線變化現(xiàn)象，雨水在土體上部主要沿豎向滲透，底面木板（基巖）不透水，雨水滲透由豎向轉(zhuǎn)向基巖方向，如圖15.

根據(jù)孔壓數(shù)據(jù)檢測，土體始終處于非飽和狀態(tài)（細砂30%土體孔壓最大0.81kPa）.坡腳處含水量不斷增大，孔壓升高，有效應力和基質(zhì)吸力減小，式（1）中（uα－uw）tanφb項減小，導致土體τf減小，在滲透力作用下，當下滑力大于坡腳τf，坡腳土體發(fā)生滲透破壞，上部土體失去坡腳支撐，發(fā)生分層塊體滑落，由于土體未飽和，滑落物破碎松散，與雨水混合快速下滑形成泥石流.

圖14 分層塊體滑落破壞模式Fig.14 Layered and clumpy slide failure mode

圖15 細砂30%土體雨水滲透示意圖Fig.15 The rain infiltration sketche of 30%fine sand

根據(jù)細砂含量30%～40%土體模型試驗結(jié)果，分層塊體滑落破壞機理為土體滲透系數(shù)大，坡腳土體產(chǎn)生滲透破壞后上部土體失去支撐而產(chǎn)生分層塊體滑落，形成水土混合物快速下滑進而形成泥石流.

4.2 整體流滑型破壞機理分析

細砂60%～100%土體為整體流滑型式（圖16），滲透系數(shù)較小（2.2×10－2～1.7×10－2cm／s），根據(jù)試驗中拍攝到的土體浸潤線變化現(xiàn)象，強降雨條件下雨水不能完全向下滲透，導致表面出現(xiàn)局部積水，在土體表層達到暫態(tài)飽和狀態(tài)，沿基巖方向滲透，使表層產(chǎn)生沖刷，如圖17.

根據(jù)試驗測得孔壓數(shù)據(jù)顯示，隨著降雨繼續(xù)，后部矩形區(qū)域土體基本飽和，uw升高，c′減小，土體τf基本喪失，呈現(xiàn)流態(tài)化；雨水向三角形區(qū)域入滲，式（1）中（uα－uw）tanφb項減小，坡腳基質(zhì)吸力減小，τf逐漸減小，土體破壞前雨水滲透仍未到達坡腳，為非飽和狀態(tài).當上部土體下滑力大于三角形區(qū)域抗滑力時，后部土體推動前部土體整體快速下滑.由于上部土體含水量高、流動性大，而坡腳干燥流動性差，上部土體快速流動越過坡腳三角形區(qū)域，呈現(xiàn)出明顯的流滑型破壞現(xiàn)象.

圖16 流滑型整體破壞模式Fig.16 The fluidized flow failure mode

圖17 細砂70%土體雨水滲透示意圖Fig.17 The rain infiltration sketche of 70%fine sand

根據(jù)細砂含量60%～100%土體模型試驗結(jié)果可知，整體流滑型破壞機理為土體滲透系數(shù)小，坡腳上部土體高度飽和、呈流態(tài)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(tài)，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(shù).滲透系數(shù)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(tài)的影響.模型試驗土層厚度薄，還不能完全反映現(xiàn)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(tài)和破壞機理研究中能夠提供一些有意義的借鑒.

5 結(jié) 語

通過自主設計研發(fā)的小比例尺室內(nèi)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(tài)影響，得到以下結(jié)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(wěn)定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%發(fā)生分級塊體滑落；60%～100%土體發(fā)生整體流滑型破壞；40%～60%破壞形式復雜，為過渡形式.

2）發(fā)生分級塊體滑落試驗土體試驗中有明顯的裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，裂縫出現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(yōu)的顆粒組分，在降雨條件下滲透力相對較大同時基質(zhì)吸力減小也相對較大，從而使得泥石流最容易發(fā)生，災害規(guī)模最大.

4）隨著顆粒組分變化，泥石流有兩種典型破壞形態(tài)：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(shù)較大，雨水快速滲透使坡腳發(fā)生破壞，上部土體失去坡腳支撐發(fā)生坍塌，發(fā)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(shù)小，坡腳干燥而坡腳后部土體高度飽和呈流態(tài)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.

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