棄渣型泥石流起動機理水槽試驗研究

劉 鵬

（西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710000）

近年來，隨著人類工程活動加劇，大量的房建、道路橋梁、軌道交通等市政工程所產生的建筑垃圾肆意堆放，以這些棄渣為物源的泥石流正在逐漸走進人們視野，由于此類棄渣的不合理堆放而導致的泥石流稱為棄渣型泥石流。由于這些工程活動多位于城鎮或郊區等人口密集區，因此，一旦發生棄渣型泥石流，其造成的損失往往不可估量。

由于棄渣型泥石流其物源組成的特殊性、與人為活動的密切性、高危害性，已經有越來越多的學者對其展開了針對性研究。謝湘平等[1]針對工程棄渣的特點，運用層次分析法和黃金分割法對工程棄渣泥石流進行了易發性評估；趙光旭[2]對皖江地區某棄渣泥石流的危險源進行了辨識；趙洪[3]針對某礦山排土場，對棄渣型泥石流基于力學和數值模擬的角度進行了形成機理及防治對策的研究，劉菲等[4]基于理論力學分析了重慶某庫區棄渣泥石流的形成機理，陳寧生等[5]探究了工況棄渣泥石流災害工程的治理模式。盡管前人對棄渣型泥石流已經做了大量工作，但大都集中在對泥石流的易發性、工程防治、數值模擬等方面，泥石流的形成機理一直都是泥石流領域研究的熱點和難點，到目前為止仍未形成一個系統的認識。

本文通過對西安市長安區航天基地建筑垃圾消納場地的泥石流隱患進行勘察取樣，在大型地質災害物理模擬實驗室通過水槽試驗對棄渣型泥石流松散物源的起動機理進行探索。

1 工程概況

西安航天基地建筑垃圾消納場地，位于西安市長安區杜曲鎮境內，研究區為一條黃土溝谷，常年流水，溝谷中系西安航天基地建筑垃圾消納場地，溝岸總體穩定。研究區縱坡降較大，溝岸局部存在崩塌隱患，溝谷中堆填有大量建筑垃圾，因此在強降水的情況下，可能發生崩塌和滑坡災害，若強降水長時間持續，滑坡體和崩塌體可能會沿著溝谷向下游運動，繼而形成泥石流災害。區內流域面積約0.075 km2，溝道平面形態呈折線狀，溝道縱向長度約0.73 km，溝道平均寬度約8 m，溝道內肆意堆填的建筑垃圾和少量松散的坡面堆積物均為泥石流的物質來源。

2 成因分析

泥石流的成因一般有地形條件、物源條件、水動力條件三個因素，針對本研究區的棄渣型泥石流的成因分析如下。

航天基地建筑垃圾消納場地泥石流溝流域內相對高差較大，高程介于450 m～520 m之間（相對高程），地形較陡峻，溝谷縱坡大，溝道形態比較較順直，為泥石流的形成提供了地形地貌條件。形成區平均比降為423‰，地貌主要為陡峻的斜坡地貌，坡度為35°～50°，高差較大；流通區位于該溝道的狹長溝谷地帶，高程介于450 m～500 m之間，其地貌上部分位置表現為“U”型谷，其縱坡降較大，平均坡降為124‰，且流通區溝谷形態相對順直，為泥石流流通提供了便利條件。

西安航天基地建筑垃圾消納場地內泥石流物源豐富，其中以建筑垃圾棄渣為主，根據現場調查，泥石流固體物質儲量來源有三部分，溝道內建筑垃圾堆積體總放量約2.53×104m3，坡面松散堆積物方量約0.17×104m3，坡腳崩塌堆積體方量約270.6 m3。

西安航天基地建筑垃圾消納場地泥石流隱患為暴雨泥石流，該地區年平均降雨量為958.1 mm，夏季降雨量505.2 mm，占全年總量的53.7%。連陰雨平均每年4.2次，每次降水5 d～15 d，降雨總量超過30 mm，集中在7月～10月。暴雨平均每年1.8次，最多達6次，一般發生在5月～10月，集中于7月上旬至9月上旬，平均暴雨強度為66.3 mm/d，最高降雨強度為498.2 mm/d。且溝道縱坡降較大，降水可在短時間內匯集并沿溝道向下運動，水動力充足。

3 基于水槽試驗的工程棄渣泥石流起動機理研究

3.1 實驗室簡介

試驗采用的實驗裝置為西安科技大學地質與環境學院大型地質災害物理模擬實驗室，實驗平臺由實驗槽系統、數據采集處理系統、供水系統三大部分組成。

實驗水槽長15 m、寬1 m（內寬0.8 m）、高1.1 m，由鋼制金屬板組成，水槽上方有三個起重設備，由水槽上游至下游三個起重砝碼的最大起重力為15 kN、10 kN、5 kN。水槽頂部設置有模擬自然降水的噴淋設備。在水槽下游泥石流物質沖出后設置有5 m·2 m·1.5 m的堆積區，用于存放泥石流發生后產生的堆積體，且在堆積區內部設置有排污泵，以便試驗后進行清理。供水水箱長1.7 m、寬1.5 m、高1.5 m，底面積2.55 m2。泥石流溝道起動區多集中于一段較短的溝道內，將水槽升起端5 m長一段確定為起動區，其余部分均為流通區，試驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖

3.2 實驗過程

取樣樣品為西安航天基地建筑垃圾消納場溝道內堆放的建筑棄渣，就地進行人工取土，取樣位置位于溝道中上游物源區。試驗選取固體物源儲量、水量及溝床坡度三個因素作為實驗變量，每組試驗固定第一個變量，改變第二個變量，將第三個變量作為待測變量，來探究第二個變量與第三個變量之間的關系。

水槽物理試驗過程如下：

(1)將流槽固定好，調整好角度，保持槽底橫向水平；

(2)在流槽中堆放物源物質4 m3，堆放時渣堆后緣略高，高出5 cm，前端自然堆放。

(3)在水箱閥門關閉的狀態下，給水箱抽水，并記錄水箱內壁水位的初始位置；

(4)開始實驗，此時打開起重設備的閘刀，兩個人操控起重設備并開始起吊，使水槽起吊角度為16°，同時一個人打開水箱閥門并同時打開秒表，另一個人觀察物源起動情況，進行記錄和描述；

(5)在物源起動的瞬間，記錄此時水箱用水量，描述此時泥石流形態及堆積特征；

(6)待泥石流停止運動后，記錄運動過程的時間，再次描述此時泥石流形態及堆積特征；

(7)用水沖刷流槽，并利用清污泵清理堆積區，將流槽重新調整回原始狀態，重復上述步驟，進行下一場試驗。

3.3 試驗結果分析

（1）溝床坡度對棄渣型泥石流起動的影響

為了探究溝床坡度對棄渣型泥石流起動的影響，進行了六組試驗，試驗方案及臨界水量結果見表1。

表1 溝床坡度與臨界含水量試驗方案

通過以上6組試驗所記錄的數據繪制成的曲線表明：對于棄渣型泥石流，固體物源儲量一定時，溝床坡度越大，臨界含水量越小，但是并非呈線性關系，縮小速率在不斷減小，結果見圖2。

圖2 溝床坡度與臨界含水量的關系

（2）降雨對棄渣型泥石流起動的影響

為了探究降水對棄渣型泥石流起動的影響，進行了四組試驗，試驗方案及臨界坡度結果見表2。

表2 降水量與臨界坡度試驗方案

通過4組試驗所記錄的數據繪制成的曲線表明：對于棄渣型泥石流，固體物源儲量一定時，水量越小，臨界坡度越大，但是并非呈線性關系，速率在不斷增大，結果見圖3。

圖3 實驗水量與臨界坡度的關系

（3）固體物質儲量對棄渣型泥石流起動的影響

為了探究固體物質儲量對棄渣型泥石流起動的影響，進行了四組試驗，試驗方案及臨界水量結果見表3。

表3 固體物質儲量與臨界水量試驗方案

通過4組試驗所記錄的數據繪制成的曲線表明：對于棄渣型泥石流，溝床坡度一定時，固體物質儲量越大，臨界水量越大，說明棄渣型泥石流，固體物質儲量越豐富，越難起動。結果見圖4。

圖4 固體物質儲量與臨界水量的關系

4 結論

通過對西安航天基地建筑垃圾消納場地泥石流隱患的成因分析，設計了水槽物理模擬實驗，對工程棄渣型泥石流的啟動進行探索。通過物理實驗表明：溝床坡度對棄渣型泥石流的影響較大，當溝床坡度較大時，即便沒有持續性強降水，在一般水動力條件下即可起動，反之亦然；物體物質儲量越大時，棄渣型泥石流的啟動越困難，棄渣堆積高度越大，越容易啟動。結果可為后續棄渣型泥石流防治的工程設計及預防預報提供參考依據，對后續棄渣型泥石流形成機理的深入研究具有積極意義。