山区河流两岸泥石流形成的机理和力学条件

陈野鹰，王俊杰

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074; 2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

山区河流两岸泥石流形成的机理和力学条件

陈野鹰1，2，王俊杰1，2

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074; 2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

泥石流是山区沟谷的主要地质灾害类型之一，对其开展研究是很有价值的，但目前对其进行的针对性研究很少。本文重点研究山区沟谷泥石流形成的机理和力学条件。根据地形地貌、气候环境条件与土质学原理，研究了山区河流泥石流的形成机理及影响因素。河流两岸山坡岩土结构、人为活动与持续降雨或暴雨是山区河流泥石流形成的主要影响因素，不同土质结构与组成的土层的滑移破坏机理也不相同。山区河流泥石流的物源可概化为粘性土块体与松散砂砾两种典型固相物质。基于剪切破坏理论，建立了粘性土块的失稳滑动平衡条件;基于动量理论与重力分解原理，提出了松散砂砾启动的力学计算公式和失稳条件。

山区河流;泥石流;机理;力学条件

0 引言

泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨暴雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失，因此，泥石流成为当前研究的热点和难点课题［1－5］。对山区河流而言，泥石流是主要的次生灾害类型之一。当山区河流为通航河流时，泥石流是影响船舶安全航行、制造险滩急流航段的主要形成物质之一，对其开展研究是很有价值的。尽管前人已对泥石流的形成、运动、堆积、防治等方面进行了不少有益的研究工作［6－7］，但是针对山区河流泥石流的研究还很少。

本文重点研究山区河流泥石流形成的机理及动力学条件，以期有益于泥石流这一世界难题的研究解决。

1 山区沟谷泥石流形成的机理及其影响因素

1.1 山区河流两岸沟谷泥石流的形成机理

山区河流与平原河流相比，除河床断面呈“V”形外，河道两岸的地形地貌也差异甚远。在平原地区，河流两岸地势平缓，地面泥沙或土体的稳定能力强。降雨后地面径流缓慢，且大量的雨水渗入地下，降雨很难启动泥沙或土体形成泥石流。然而在山区，河流通常是从山间或峡谷中穿过，河道两岸地形陡峻沟谷密布。降雨到达地面后，除少部分渗入地下外，大部分则沿地表快速漫流。地表漫流受到微地形地貌影响或历史雨水流路的制约，漫流雨水会选择势能梯度变化方向汇入坡面网状、弯曲向下延伸的细小冲沟。受雨水长期反复冲刷，细小冲沟能根据土层结构与土质松散状况，在坡面的某个位置犹如树枝一般交汇成规模较大的次冲沟。次冲沟的水流均遵循阻力最小、能量损耗最少的原则选择运动路径，在坡面凹陷处即沿坡面等高线凹弯顶点的连线上汇入主冲沟流进河中(图1)。

由于坡面雨水流速快、动能高，冲刷、切割地表土层能力强，容易深切地表沟槽、淘蚀岸脚边坡、破坏土层的整体性。被雨水冲刷失去整体性的土块在流水动量作用下丧失稳定，在水流冲击力与自身重力的联合作用下启动随水流滑移，土块在沟槽内滑动过程中解体造浆形成泥石流。由于受河床滩地制约，大量泥石流快速运动至坡脚后被堆积在河岸形成泥石流堆积扇，阻碍水流，在航道上形成浅滩急流河段，影响船舶的安全航行。

图1 坡面雨水冲沟示意图Fig.1 Schematic plan of gulley induced by rainfall on slope surface

1.2 山区河流两岸泥石流形成的影响因素

泥石流的形成是多因素相互耦合、交织、共同作用的结果。山区河流泥石流形成的主要影响因素可归纳为地质条件、人为活动与降雨三个方面。其中降雨尤其是暴雨，是山区河流冲沟泥石流最主要的诱发因素，是土体失稳滑移的动力，在泥石流形成过程中起决定作用［1，2］。

1.2.1 地质条件

一般而言，泥石流发生处的地形坡度较大，山体表层或浅层岩土体松软。由于长期的外动力地质作用，山体表层或浅层堆积有大量松散的坡积层。坡面或沟槽内覆盖的各类堆积物的结构松散，吸水性强、渗透系数高，雨水降落后通过表层土体能快速向下渗透;当下覆是完整性好、裂隙节理不发育、结构密实、透水性较差的基岩时，坡积层与下伏基岩的物理力学性质差异大，雨水渗透至该交界面上形成滞水带，构成软弱带，坡面与沟槽内的堆积土体极易崩塌，沿软弱带的梯度方向滑动。在重力和雨水的共同作用下，土体在滑动过程中解体造浆形成泥石流［2］。

1.2.2 人为活动

人为活动诱发泥石流主要反映在无序砍伐树木、破坏植被与开山修路、沿山坡弃倒松散土石两方面(图2)。

图2 山区河流典型岸坡Fig.2 Typical bank of a mountain channel

植被能削减形成泥石流的土体补给量和减少参与泥石流活动的水量，进而抑制泥石流的形成［3］。植被覆盖良好的山区，乔木、灌木与草本错落分布，形成立体地面保护网。该地面保护网能减少下渗雨水量、吸收其降落过程中的动能、减缓降落速度、防止雨水直接冲击地表岩层。另外，分布于土层不同位置与深度的树木、草本根系，犹如加筋土体的筋带，将松散岩土层牢固地连为整体，增强土体的吸水能力和抗滑稳定强度。树木被砍伐后，土体将失去植被的庇护，雨水能直接冲击岩层土体，在表面形成纵横交错的冲沟与裂痕，再在日晒、风吹、雨淋等自然力的长时间交替作用下，岩土解体形成松散的堆积物或失稳随雨水流动汇入沟槽，冲入山下河道内(图2)。

沿山坡弃倒的松散土石，由于其空隙多，雨水容易下渗使其饱和。在松散土体与透水性差的密实天然沉积土层间形成软弱夹层，易使已饱和的松散土体失稳、沿软弱面滑移。

由此可见，不当的人为活动造就了大量的松散土层，为山区河流泥石流的形成提供了丰富的物源。

1.2.3 降雨

在我国，暴雨引发的泥石流占绝大多数，有统计表明暴雨泥石流占总数的95%左右［4］。雨水渗入地层后能软化土质，破坏土体结构，松散土块。随着雨水的下渗，土质含水量增加直至饱和膨胀。在此过程中，土体物理力学性质不断恶化。力学指标遭到弱化，稳定性能降低，加速岩层土体的分裂、滑移、解体造浆后，随雨水流动形成泥石流。另一方面，渗入松散土体中的雨水，在重力和惯性力的共同作用下，沿土体裂缝和孔隙流动，渗透力能加速土块沿软弱夹层蠕动、滑移，脱离原有岩土体，汇入到泥石流的运动行列，增加泥石流的洪量与破坏规模。

2 山区河流两岸泥石流形成的力学条件

泥石流是高浓度水、泥土、砂砾复合异相流［5，6］，属于典型的灾害地貌现象和地表过程。组成泥石流物源体的岩土性质不同，泥石流的启动力学条件也各异。根据山区河流岸坡土质结构的特点，可将其概化为粘性岩土块体和松散分离的沙土颗粒。本节利用材料剪切破坏理论与结构抗滑稳定理论分析泥石流启动的动力学条件。

2.1 岩土块体剪切破坏

处于山区河流岸坡上的松散岩土块，受雨水与重力的联合作用在倾角为α的近似平面的稳定基岩表面产生下滑力(潜在滑移土块的剪切力，以下简称剪力，用“T”表示)，其值等于岩土块受到的水压差ΔP与自重下滑力Fx之和，可由下式计算得到:

式中:T——潜在滑移土块的剪切力;

ΔP——岩土块受到的水压差;

Fx——岩土块的自重下滑力;

Pu、PL——分别为作用于土块上、下游裂缝断

面上的水压力。

根据流体力学理论与静力合成原理可分别求解土块上下游裂缝断面上的水压力Pu、PL和下滑力Fx，即

式中:hu、hL——分别表示土块上下游裂缝断面处的水深;

α——滑移面坡角;

Bu、BL——分别表示上下侧裂缝处的土块宽度;

γω——水的重度;

γs——土体饱和容重;

ds——沿裂缝的曲线积分微元;

A——潜在滑移土块在基岩上的面积;

h——土块厚度;

dΩ——土块面积积分微元。

降雨特别是暴雨时，土体快速饱水，需考虑基质吸力的影响［2］。基质吸力影响下土体抗剪强度τf和抗剪力Tf，可分别表示为:

式中:τf——基质吸力影响下土体抗剪强度;

σ、ua、uω——分别为压应力、孔隙气压力、孔隙水压力;

c′、φ′——饱和土的有效粘聚力和有效内摩擦角;

φb——随基质吸力变化的摩擦角;

Tf——抗剪力。

上述公式中的单位分别用长度m、面积m2、力kn、应力kn/m2、重度kn/m3、角度“°”表示。

当条件T＞Tf成立时，土块产生剪切破坏，失稳离开原有位置开始随水流运动。

2.2 沙砾抗滑失稳破坏

山区河流沟槽泥石流中的离散沙砾，自重下滑力与雨水冲击力是产生滑移的主要动力。分析计算离散沙砾的失稳破坏时，可将其概化为球体，且不计粘结力。沙砾按照滑移方式启动，冲击沙砾的雨水运动轨迹如图3所示。

图3 沙砾受冲概化图Fig.3 Generalized scheme of scouring sand

由图3可计算沙砾的失稳启动力，其中雨水对砂砾的冲击力Fω、自重下滑力Fx以及摩阻力Pf分别由式(8)～(10)给出:

式中:Fω——雨水对砂砾的冲击力;

Pf——摩阻力;

υ——水流速度;

φ——有效内摩擦角;

R——砂砾半径。

其余符号参见图3。

当雨水的冲击力与沙砾自重下滑力之和大于自身稳定摩阻力，即Fω+Fx＞Pf时，则沙砾发生失稳滑移破坏。

3 山区河流两岸泥石流的成灾特点

山区河流泥石流的成灾特点与成灾方式不同于坡面型或沟谷型公路泥石流。无论坡面或沟谷型公路泥石流，其汇流面积宽广、物源丰富、洪流量大，泥石流通过堵塞与掩埋道路、毁损桥涵、冲毁路基等方式造成灾害，成灾后规模大、后果严重，但泥石流爆发频率低，灾害位置较为集中。相对于公路泥石流，山区河流泥石流的汇流面积、洪流量、成灾规模均较小，单次泥石流通常不会对河流造成实质性的灾害。但是，山区河流泥石流易发生、频繁时几乎逢雨(或暴雨)必发。泥石流中的岩土与沙砾，随雨水沿山坡沟槽流下，冲入河道、制造浅滩或堆积在平缓的岸滩上。待下次暴雨时河滩上的堆积物吸水软化，再受后发泥石流运动物质的推撞，将失稳蠕动、滑入河道、逐渐向河心延伸、形成碍航险滩，影响船舶航行。不仅如此，泥石流爆发位置分散，不易防治，通常需采取生态、工程等综合防治措施，且治理工程难度大、技术复杂、多为水下工程。

4 结束语

通过对山区河流两岸泥石流发生机理，运动规律，成灾特点的研究分析，为山区河流两岸泥石流的防治提供了理论基础与技术支持。主要结论认识如下:

(1)通过山区河流两岸泥石流形成机理及影响因素研究，得知河流两岸山坡岩土结构、人为活动与持续降雨或暴雨是山区河流两岸泥石流形成的主要影响因素，岩层土质结构与组成不同，土层滑移破坏的机理也不相同。

(2)岸坡岩土层可分为粘性土块与离散沙砾两种典型结构，利用流体力学与力的合成原理，提出了岩土块和离散沙砾启动动力计算公式;根据剪切破坏和抗滑失稳破坏理论，提出了形成泥石流的滑移破坏条件。

(3)通过对山区泥石流爆发特点与洪量规模的研究分析，得知虽然单次泥石流洪量不大、危害程度低不会对河流造成实质性的灾害，但是，爆发频率高，受到雨水浸泡与后发泥石流的冲撞，岸边冲积扇上的泥石流堆积物极易吸水软化、失稳蠕动，滑向河心形成碍航浅滩，影响船舶的安全航行。

［1］田玉柱，王宗亮.松树沟小流域泥石流形成机理及其防治对策［J］.山西水土保持科技，1999(9):33－34.

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［3］陈晓清，崔鹏，韦方强.良好植被区泥石流防治初探［J］.山地学报，2006，(5):333－339.

［4］谭万沛，王成华，姚令侃，等.暴雨泥石流滑坡的区域预测与预报［M］.成都:四川科学技术出版社，1994.

［5］钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京:科学出版社，1983.

［6］陈洪凯等.公路泥石流研究及治理［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］陈野鹰，石晋旭，黄勇，等.天山公路沟谷型泥石流动力学研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，(9):11 －15.

Abstract:Investigation on debris flow is very worthy，as the debris flow is a main secondary disaster in a mountain channel，but the published works are still scarce.This study focused on the mechanism and mechanic conditions on debris flow formation in a mountain channel.Based on the conditions of land forms，climatic environment，and soil science principle，the mechanism and influencing factors on forming a debris flow in a mountain channel were investigation.The main influencing factors included the structure of rock and soil in bank slopes，human activities and sustained rainfall or storm rainfall.The mechanisms of sliding destroy of different soils with different structures and matters were also different.The mass forming debris flow was divided into two types，i.e.，clay soil block and loose sand.According to the theory of shear failure，an equilibrium condition on slip of the clay soil block was suggested. According to the momentum theory and gravity analyzing method，a calculate formula to evaluate the enable and failure of the loose sand was presented.

Key words:mountain channel;debris flow;mechanism;mechanic condition

Mechanism and mechanic conditions of debris flow formation in a mountain channel

CHEN Ye-ying1，2，WANG Jun-jie1，2
(1.School of River＆Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China; 2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China)

1003-8035(2010)03-0057-04

TV462

A

2010-05-11;

2010-06-07

重庆市自然科学基金重点项目(CSTC，2009BA6001);中国博士后科学基金特别资助项目(200902284)

陈野鹰(1957—)，男，重庆人，硕士，土木计划专业，教授，现从事水利水电工程试验、施工技术等方面的研究工作。

E－mail:cyy2227@163.com