黃土滑坡型泥石流主要影響因素研究進展

張座雄　劉興榮　王之君　王昱　馬彥杰

［關鍵詞］ 黃土滑坡型泥石流；孔隙比；濕陷性；細顆粒含量

［摘 要］ 黃土滑坡型泥石流在我國廣泛分布，且具有速度快、沖擊力強、破壞性大等特點，目前對其的觀測與專門研究仍處于起步階段。基于黃土的高孔隙比、強濕陷性和高細顆粒含量3個典型特征，分析其對黃土滑坡型泥石流形成的影響，結果表明：①高孔隙比使得黃土滲透速率較大，內摩擦力較小；同時，在降雨增濕過程中，黃土濕陷促使其結構性減弱，有效黏聚力快速降低，從而導致黃土抗剪強度快速降低，易產生庫侖破壞。②由于細顆粒含量高，黃土液化后孔隙水壓力消散較慢，使得黃土滑坡型泥石流滑距較長，堆積區顆粒組分沿縱向具有一定分選性。研究成果可為黃土滑坡型泥石流災害防治提供參考。

［中圖分類號］ P642.23［文獻標識碼］ C［文章編號］ 1000－0941（2023）09－0050－04

滑坡型泥石流是一種特殊泥石流，指高位滑坡在降雨或地下水作用下沿坡面滑動一段距離后，短時間內由滑動轉化為流動的泥石流[1]。該類泥石流具有速度快、沖擊力強、破壞性大等特點，一經提出便引起學界廣泛關注。目前針對滑坡型泥石流的形成特點、成因機理研究已取得較多研究成果[2-3]，但通過黃土自身特性系統總結黃土滑坡轉化為泥石流的專門研究相對較少。

據劉東生等[4]統計，我國黃土區面積約為64萬km2，占陸地面積的6.6%，其厚度一般為50～80 m，最厚可達180 m。PENG? et al.[5]認為黃土性質特殊，容易導致區內黃土滑坡型泥石流災害發生，如2018年4月19日，蘭州市堿水溝暴發黃土滑坡型泥石流，致1人死亡，約120戶居民不同程度受災。因此，開展黃土滑坡型泥石流研究對于保障地區生態穩定、人民生命財產安全具有重要作用。此外，黃土物質組成以粉粒為主，結構疏松多孔，節理發育，具有濕陷性，與傳統泥石流相比，黃土滑坡型泥石流運動特征及形成機理具有較明顯的特殊性。

因此，本研究從黃土的孔隙比、濕陷性、細顆粒含量3個基本指標出發，探討其對黃土滑坡型泥石流形成的影響，以期為黃土滑坡型泥石流的研究提供理論依據。

1 黃土滑坡型泥石流的影響因素

黃土滑坡型泥石流形成影響因素眾多，如地形地貌、地層巖性、降雨條件等。有學者對黃土力學性能、黃土滑坡形成過程及機理進行了較深入研究[6-7]，但從黃土微觀指標研究黃土滑坡轉化為泥石流的相關文獻幾乎沒有。因此，本研究以黃土的孔隙比、濕陷性、細顆粒含量等基本特性為基礎，討論三者對黃土滑坡型泥石流形成特征和機理的影響。

1.1 孔隙比對黃土滑坡型泥石流的影響

1.1.1 孔隙比與土體抗剪強度的關系

抗剪強度是評價土體穩定性的重要指標。根據摩爾-庫侖定律，土的抗剪強度τf計算公式為

式中：σ為正應力，單位kPa；φ為土的內摩擦角，單位（°）；c為土的黏聚力，單位kPa。

土的天然密度ρ及土體自重應力σz計算公式分別為

式中：ds為土粒的相對密度；ρw為4 ℃純水的密度，單位kg/m3；ω為土的初始含水率；e為孔隙體積與土粒體積之比，即孔隙比；g為重力加速度，單位m/s2；h為土層厚度，單位m。

徐碩昌等[8]研究發現，黃土孔隙比較大，一般為0.8～1.2，且越靠近表層越大。由以上公式可知，土的抗剪強度τf在應力作用下與孔隙比成反比，孔隙比越大抗剪強度越小。

1.1.2 孔隙比與土體滲透性的關系

土的滲透系數表征土體被水透過的能力，是研究入滲過程的重要參數。研究表明，孔隙分布是滲透系數最主要的影響因素。砂性土、黏土中應用較多的滲透系數與孔隙比的公式[9]為

式中：k為土的滲透系數，單位m/s；C為滲透參數，單位m/s；m為經驗指數，對一般軟土而言m的平均值為5[10]。

黃土為非飽和土，其垂直入滲規律可采用廣義達西定律描述，公式為

式中：v為斷面平均滲透速度，單位m/s；ψ為土水勢，以水頭表示，單位m；z為垂直滲透距離，單位m。

將公式（4）代入公式（5）得到孔隙比與滲透速度關系式為

公式（6）表明土的滲透速度與孔隙比呈指數遞增關系，且已有研究證實與低孔隙度的土相比，黃土入滲速度更快[11]，而且黃土普遍節理發育，雨水沿節理裂隙能較快向深部入滲。

1.2 濕陷性對黃土滑坡型泥石流的影響

黃土的濕陷性指在一定壓力作用下，黃土被水浸濕后，結構迅速破壞而產生顯著附加沉陷的特性。當前缺乏濕陷性對黃土滑坡型泥石流影響的直接研究，筆者只能通過已有的黃土濕陷性與土體強度的相關研究，間接推論黃土濕陷性在滑坡型泥石流形成與轉化過程中發揮的作用。

黃土增濕后抗剪強度降低是導致土體結構破壞的主要原因。張茂花等[12]在增濕條件下對原狀非飽和Q3黃土進行固結不排水三軸剪切試驗，發現其抗剪強度并不完全符合摩爾-庫侖強度準則，以此推斷，受結構強度影響，其規律表現為兩條直線組成的折線，公式為

式中：φ1為結構發揮段的內摩擦角，單位（°）；φ2為結構喪失段的內摩擦角，單位（°）；σc為結構臨界點的法向應力，單位kPa。

張茂花等[12]同時指出，分段規律只在低含水率下成立，在高含水率下結構強度喪失，強度包線退化為符合摩爾-庫侖理論的直線。此外，研究表明[13]，隨著土體含水量增加，非飽和黃土在膠溶作用和水分楔入作用下，黃土黏聚力減弱，甚至喪失，相應的內摩擦角也減小。

濕陷性表現形式主要為暗穴、落水洞、沖溝等。占樣烈[14]對山西臨縣濕陷性黃土滑坡機理進行了梳理，認為由于邊坡底部具有較強的隔水層，黃土洞穴形成的排水通道易于水體在接觸面富集，導致土體軟化，形成軟弱易滑帶。蘇生瑞等[15]認為，在雨水入滲作用下，濕陷性黃土邊坡洞穴逐漸擴大，并發生水力聯系，內部滑動面逐漸貫通，最終誘發較大規模的滑坡。ZHANG et al.[16]對灌溉誘發的黃土流滑進行研究，認為灌溉水通過陷穴入滲使得坡底完全飽和，是產生液化墊層的重要原因。

濕陷性主要受控于坡體增濕過程。圖1為濕陷坡體破壞示意圖，隨著坡體含水量的增加，黃土結構性快速瓦解，產生較大的濕陷體積變形，進而發育為各種黃土洞穴，待土的結構性完全喪失，在剪應力作用下產生剪切變形，數個洞穴在剪應力和水流作用下產生貫通滑動面，若水體持續入滲使得底部接近飽和液化，可能誘發黃土流滑，進而轉化為泥石流。

1.3 細顆粒對黃土滑坡型泥石流的影響

黃土在我國北方廣泛分布，各地黃土顆粒組分有所區別，按顆粒組分不同可分為砂黃土、粉黃土、黏黃土等多種類型，但基本以細顆粒（＜0.075 mm）為主。黃土的高細顆粒含量特性對滑坡型泥石流的形成、轉化、堆積均有其特殊影響。鑒于顆粒含量對黃土滑坡的影響前人所作研究已較為全面，本研究重點分析滑坡型泥石流轉化、堆積過程。

1.3.1 細顆粒對滑坡轉化為泥石流的影響

PENG et al.[17]對甘肅天水大溝村黃土滑坡型泥石流的形成條件及過程進行了細致研究，認為液化效應是黃土滑坡轉化為泥石流的主要機理。HU et al.[18]對原因不同的細顆粒含量堆積體運動過程進行室內模擬，觀察到細顆粒含量越高、滑距越長，滑體越接近流態。他們認為隨細顆粒含量增加，飽和導水率下降，孔壓消散較慢，高孔壓能維持較長時間，使得滑體較易液化。可見，液化是黃土滑坡轉化為泥石流的主要內因。同時，細顆粒含量在液化過程中也具有重要作用。高細顆粒含量營造出良好不排水條件，使得邊坡失穩產生的超孔隙水壓逐步擴散至周圍土體，加之滑動過程中水體持續補充，最終導致滑坡體轉化為泥石流。

1.3.2 細顆粒對滑坡型泥石流堆積的影響

黃土滑坡型泥石流的主要固體物源為一次或次級滑坡堆積體，因此此類泥石流多為一次性滑動堆積[1]。例如，PENG et al.[17]發現流滑體對溝岸劇烈側蝕誘發次級滑坡，混合沉積物在雨水作用下飽和液化，轉化為黏性泥石流在溝口堆積。堆積體平面形態呈長矩形，物質組成以黃土為主夾雜少量碎石，橫向無分選和層理，但在縱向存在一定分選性。這主要是因為細粒土孔壓消散較慢，在粗粒停積后，細粒繼續保持了慣性滑移運動。

2 黃土滑坡型泥石流的形成機理分析

結合黃土的高孔隙比、強濕陷性、高細顆粒含量對滑坡型泥石流影響的分析結論，初步探討黃土滑坡型泥石流的形成機理。圖2為黃土滑坡型泥石流形成過程示意。

如圖2（a）所示，在水體入滲過程中，黃土中廣泛存在的孔隙通道便于水體入滲，土體含水量劇增，有效黏聚力降低，達到臨界含水量后土體結構性完全喪失，產生濕陷變形，進而使上下地塊連通，形成黃土洞穴，促使水體向更深層入滲，在坡體內部形成軟弱滑動面；同時，坡體細顆粒在滲透作用下易于發生起動拖拽，形成穩定的滲流通道，隨著土體下滑力不斷增大，抗剪強度不斷減小，最終邊坡沿軟弱易滑面發生庫侖剪切破壞，產生較大滑坡。

如圖2（b）所示，滑坡體底部接近飽和，含水量由下到上遞減，在滑坡體運動過程中，高孔隙比導致黃土易發生剪縮，產生高孔壓。

如圖2（c）所示，滑體運動過程中，細顆粒營造出良好不排水條件，減小了與床面摩擦帶來的動能損失，使得滑坡體能保持較高速、長距離滑移運動，土體在滑動中拌和雨水發生液化，轉化為高速黏性泥石流。

如圖2（d）所示，泥石流流至下游開闊地或較寬溝谷停留、堆積，完成滑坡型泥石流運動過程。

黃土滑坡型泥石流的形成影響因素眾多，且各因素之間存在復雜的耦合關系。黃土的孔隙比、濕陷性、細顆粒含量之間也具有深刻的內在聯系，三者共同作用效應對滑坡型泥石流的影響是以后研究的重點。

3 結論

本研究聯系黃土的高孔隙比、強濕陷性、高細顆粒含量3個基本特性，綜述現有研究成果，分析其對滑坡型泥石流形成過程的影響，得出以下結論：

1）黃土的高孔隙比，使其內摩擦力較低，同時降雨增濕過程中，濕陷性促使其結構性減弱，有效黏聚力隨含水量增加也降低，在二者共同作用下抗剪強度降低，產生庫侖破壞。若足量雨水沿陷穴繼續入滲，坡體內部軟弱滑面貫通易誘發滑坡，進而可能演化為泥石流。

2）由于細顆粒含量高，黃土液化后孔壓消散較慢，使得黃土滑坡型泥石流滑距較長，因此堆積區顆粒組分沿溝道縱向具有一定分選性。

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收稿日期： 2022-08-30

基金項目： 國家自然科學基金項目（42067066）；甘肅省2021年度重點人才項目（2021RCXM066）；甘肅科學院應用研究與開發項目（2021JK-07）

第一作者： 張座雄（1997—），男，江西鄱陽人，碩士研究生，主要研究方向為地質災害防治。

通信作者： 劉興榮（1979—），男，甘肅靖遠人，研究員，碩士，主要研究方向為地質災害防治。

E-mail：1781795556@qq.com

（責任編輯 楊傲秋）