颗粒粒径对泥石流形成影响的试验研究①

李翠娜， 李业勋

(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092;2.中交三航局第二工程有限公司，上海200122)

0 引言

泥石流是固体颗粒与水的均匀混合物沿坡体迅速下滑的大体积移动［1］，具有爆发突然、历时短暂、来势凶猛等特点［2］，对当地环境和人类生活造成巨大破坏.

泥石流与其形成区颗粒粒径分布关系密切［3］.Wang G 等(2001，2003)［4，5］对不同粒径的两种硅砂进行人工降雨诱发泥石流试验，粒径为D50=0.13mm时发生分层下滑破坏(retrogressive sliding)，粒径为D50=0.05mm时发生流滑现象(flowslides).陈晓清［6］结合蒋家沟径流和人工降雨试验，对宽级配砾石土原位渗透、滑坡转化泥石流起动进行研究.Zhou J等(2011)［7］通过自行设计的可视化砂土泥石流室内模型试验装置，结合数码测量变形技术对泥石流形成的破坏形态进行了研究.

为研究泥石流受土体颗粒粒径的影响，进行室内模型试验.室内模型试验试样采用中砂和细砂混合，按照不同细砂质量比配置了6组不同颗粒粒径试样，进行降雨诱发泥石流的室内模型试验，分析了不同颗粒粒径下泥石流的形成模式，并分析中砂坡体泥石流形成过程中孔隙水压力变化规律.本文为泥石流的研究提供理论参考价值.

1 室内模型试验

1.1 室内模型试验装置

(1)泥石流发生模型槽

试验坡体厚度为10cm，宽度为25cm，上表面长度为60cm，试验比例为1∶20，模拟坡体厚度为2m的浅层坡体.泥石流发生模型槽宽度为25cm，长度为40cm，一、二级坡底长度均为75cm(见图1).一、二级坡底与水平面的夹角分别为35°和15°，泥石流在一级坡体上发生，在第二级坡体上流通.

图1 泥石流室内模型试验装置

(2)降雨设备

利用5个低压雾化喷头单排排列构成均匀降雨器.雾化喷头(WP1304)的工作压力为0.07MPa，喷口直径为1.0mm，喷洒的水滴小、均匀呈雾状.试验过程中通过流量计控制人工降雨流量，保证降雨均匀稳定，降雨强度采用22.0mm/12h进行泥石流的室内模型试验研究.

(3)数据采集

数字图像采集采用Canon 350D数码相机隔5s拍摄一张模型照片.

1.2 室内模型试验土样

室内模型试验土样采用中砂和细砂混合，按不同质量比配置6组不同颗粒粒径的试验试样，细砂比例分别为 0(中砂)、10%，20%，30%，40%，100%(细砂)，试验标号分别为 C －0，C －10，C －20，C －30，C －40，C －100，在缩尺条件下分析颗粒粒径对泥石流形成的影响.不同颗粒粒径试验土样的级配曲线见图2.

图2 不同颗粒粒径试样的级配曲线

试验所用中砂的粒径范围为0.075 mm～2.0 mm，相关参数为:d50=0.85mm，不均匀系数，Cu=1.90，Cc=1.10;颗粒比重为 Gz=2.64g/cm3，相对密度为 Dr=0.43，内摩擦角为 32.8°，渗透系数为k=0.005cm/s.试验所用细砂的粒径范围为0.075mm ～0.25 mm，相关参数为:d50=0.15mm，Cu=1.70，Cc=1.03;颗粒比重为 Gs=2.69g/cm3，内摩擦角为 28.5°，渗透系数为 k=0.0018 cm/s.

2 室内模型试验结果分析

图3为不同细砂含量时坡体发生破坏形成泥石流的形成模式，根据试验观测结果，泥石流的形成模式分为滑坡型和流滑型两种类型.

2.1 滑坡型破坏

在人工降雨作用下，试验编号C－0，C－10，C－20和C－30主要发生滑坡型破坏形成泥石流，即坡体先从坡脚发生破坏，然后逐渐向上分层分块下滑发生滑坡破坏，滑坡破坏形成的松散土体与水混合快速向下滑动形成泥石流，见图3中(a)，(b)，(c)和(d).滑坡型泥石流形成过程表现为入渗软化、分层滑动和泥石流三个阶段.

在入渗软化阶段，由于细砂含量较少，颗粒骨架以粗颗粒为主，渗透系数相对较大，试验观测到雨水浸润线快速下降.随着浸润线下降，雨水在坡体内部渗透，使土体饱和度增加，抗剪强度降低，这个过程为入渗软化阶段.

在分层滑动阶段，观测到坡体的坡脚发生渗透变形，坡脚表面出现多条拉裂缝隙，发生坡脚破坏;坡脚发生渗透破坏后，坡体自坡脚开始发生渐进式分层滑动，后方土体因失去前方土体支撑发生滑坡并在雨水冲刷作用下向下流动形成泥石流.坡体自坡脚向后发生分层滑动，这个过程为分层滑动阶段.

在泥石流阶段，此时坡体已经完全破碎，在雨水渗透和冲刷作用下，松散土体与雨水向下快速流动形成泥石流.

滑坡型泥石流发生坡脚渗透破坏，然后坡体发生滑坡破坏，造成松散土体和雨水混合为快速流动的水石混合体形成泥石流，整个过程具有历时长、速度小的特点，形成过程具有渐进性.

2.2 流滑型破坏

在人工降雨作用下，试验编号C－40和C－100主要发生流滑型破坏，即随着浸润线的下降坡体发生表面沉降，当浸润线达到坡体底部后不久，坡体突然以整体快速向下滑动发生流滑破坏形成泥石流，见图3中(e)和(f).流滑型泥石流形成过程表现为入渗软化、整体流滑和泥石流三个阶段.

在入渗软化阶段，由于细砂含量增加，颗粒骨架以细颗粒为主，雨水浸润线下降缓慢.浸润线下降过程中，没有观测到孔隙水从坡脚渗出，此试验现象表明孔隙水在坡体内积聚.孔隙水在坡体内积聚提高了坡体的含水率，导致孔隙水压力增加和有效应力减小，土体抗剪强度降低，土体发生入渗软化.

在整体流滑阶段，坡体突然快速向下滑动发生整体流滑.流滑型泥石流具有两个特点:1)坡体发生整体流滑前，坡脚处土体出现小规模渗透破坏，但发生渗透破坏的区域在坡脚中所占比例很小，没有削弱坡脚对后方土体的支撑作用;2)坡体后方土体的滑动速度大于前方土体，前方土体在后方土体的推动下向前滑动，坡体发生流滑破坏并形成典型的鱼形坡体断面.

在泥石流阶段，坡体滑动后形成的松散土体和雨水混合在一起，形成快速流动的泥石流.

流滑型泥石流后方产生明显的沉降，未发现明显的坡脚渗透破坏，坡体突然以整体快速向下滑动发生流滑破坏形成泥石流，整个滑动过程具有历时短、速度大等特点，形成过程具有突发性.

表1归纳了不同颗粒粒径时，土体发生的主要形成模式、试验现象描述以及初始滑动时间.

图3 不同颗粒粒径下泥石流的形成模式

不同颗粒粒径下降雨诱发泥石流的室内模型试验表明:颗粒粒径对泥石流的形成模式具有重要影响，随着细砂含量的增加，泥石流的形成模式表现为滑坡型破坏和流滑型破坏.当细砂含量小于40%时，坡体发生滑坡型破坏，即发生分层块体滑动;当细砂含量大于40%时，坡体发生流滑型破坏，即坡体以整体快速向下滑动.这主要是因为土体的流动性随着细砂含量的增加而逐渐加强，细颗粒含量越高，土体内部的孔压消散速度就越慢，土体内存在的高孔压将使得土体更易发生流动.

表1 不同颗粒粒径下泥石流形成的室内模型试验结果

2.3 典型颗粒粒径下孔隙水压力分析

本小节选取了中砂坡体进行泥石流形成的室内模型试验，在缩尺条件下分析典型颗粒粒径下泥石流形成的孔隙水压力变化规律.

孔隙水压力反映了降雨作用下的土体破坏过程中土水作用关系.很多学者都通过试验利用孔隙水压力的变化来解释泥石流的启动原因.部分学者认为，在强降雨情况下由降雨引起滑坡进而演化为泥石流主要是由孔压升高引起的(Sidle RC等(1982)［8］，Anderson SA(1995)［9］).

为了分析泥石流形成过程中孔隙水压力的变化规律，在坡体中设置了4个孔隙水压力测量点，见图4.其中，1#、2#、3#布置在斜槽底部中心线上的前、中、后三个位置，间距为10.0cm;孔隙水压力计4#位于2#的上方5.0cm处.图5为室内模型试验过程中各孔隙水压力曲线.在入渗软化阶段(0～180s)，1#观测点的孔隙水压力在160s出现后开始缓慢增加，2#、3#和4#观测点孔隙水压力值为0.

在坡脚滑动阶段(180s～260s)，孔隙水压力整体上表现为上升，但上升过程中出现波动，孔隙水压力出现小幅度下降，这可能是坡脚滑动时，造成孔隙水压力消散所引起的孔隙水压力波动.

在坡体分层滑动阶段(260s～400s)，坡体发生分层滑动后，孔隙水压力开始出现下降，但孔隙水压力相对于坡体滑动稍有滞后.当坡脚土体滑动引起坡体出现张拉裂缝时，1#观测点处孔隙水压力首先出现下降，这主要是1#观测点据坡脚最近，此处孔隙水压力最先出现下降，但是下降幅度较小，从280s～300s孔隙水压力下降了0.03kPa.在试验进行到300s时，各个观测点的孔隙水压力也依次出现下降.从300s到400s，1#和4#观测点孔隙水压力下降幅度较大，分别下降了 0.43kPa和 0.22kPa;2#和3#观测点的孔隙水压力下降幅度也逐渐增大，分别下降了0.47kPa 和0.32kPa.

图4 孔隙水压力传感器布置图

在泥石流流通阶段(400s以后)，坡体已经完全坍塌，形成松散的砂土颗粒在水流携带下向下滑动，孔隙水压力基本保持稳定，P1、P2，P3和P4处的孔隙水压力逐渐稳定于 0.36kPa，0.22kPa，0.20kPa 和 0.20kPa.

图5 孔隙水压力变化曲线

室内模型试验中，孔隙水压力先增加、后随着坡体分层滑动而下降.孔压的升高主要由两部分组成:一是降雨入渗使得土体的静孔隙水压力升高;二是降雨引起土体结构发生渗透破坏，土体发生剪缩而产生超孔压，产生类似于静力液化现象.降雨入渗使得坡底土体逐渐趋于饱和，在坡体中形成渗流，致使孔隙水压力升高，孔隙水压力上升导致土体有效应力降低，进而降低土体抗剪强度而导致土体破坏下滑.随着坡体发生滑动破坏，孔隙水压力出现下降.

孔隙水压力反映了降雨作用下泥石流形成过程中水土作用关系.中砂(0.075mm ～2.0 mm)坡体发生滑坡型破坏形成泥石流的过程中，孔隙水压力经历了积聚和消散两个过程，孔隙水压力峰值为0.84 kPa.在试验初期，坡体单位时间渗水量小于降雨量，孔隙水在坡体内积聚造成孔隙水压力增加;当孔隙水压力达到峰值后，坡体发生分层滑动，孔隙水压力随着坡体滑动而逐渐消散.

3 结论

采用室内模型试验设备，进行6组降雨诱发泥石流的室内模型试验，在缩尺条件下研究了颗粒粒径对泥石流形成模式的影响，得到以下几点结论:

(1)颗粒粒径对泥石流的形成模式具有重要影响，随着细砂含量的增加，泥石流的形成模式由滑坡型破坏变为流滑型破坏.

(2)当细砂含量小于40%时，坡体发生滑坡型破坏，即发生分层块体滑动;当细砂含量大于40%时，坡体发生流滑型破坏，即坡体以整体快速向下滑动.

(3)滑坡型泥石流整个过程具有历时长、速度小的特点，形成过程具有渐进性;流滑型泥石流整个滑动过程具有历时短、速度大等特点，形成过程具有突发性.

(4)孔隙水压力反映了降雨作用下泥石流形成过程中水土作用关系.在试验初期，孔隙水在坡体内积聚造成孔隙水压力增加;当孔隙水压力达到峰值后，孔隙水压力随着坡体滑动而逐渐消散.

［1］Ballantyne，C.K.，2004.Geomorphological Changes and Trends in Scotland:Debris－ Flows.Scottish Natural Heritage Commissioned Report No.052.Scottish Natural Heritage，Edinburgh.

［2］崔鹏，中国2004年泥石流灾害特点及其对减灾的启示.山地学报，2005(04):4437－4441.

［3］翰林，泥石流暴发频率与其形成区颗粒粒径的关系研究［D］.成都理工大学，2010.

［4］Wang G，Sassa K.Factors Affecting Rainfall－Induced Flowslides in Laboratory Flume Tests［J］.Geotechnique，2001，51(7):587－599.

［5］Wang G，Sassa K.Pore－Pressure Generation and Movement of Rainfall－Induced Landslides:Effects of Grain Size and Fine－Particle Content［J］.Eng.Geol.，2003，v69:109 － 125.

［6］陈晓清，崔鹏，韦方强.泥石流启动原型试验及预报方法探索［J］.中国地质灾害与防治学报，2006，17(4):73－77.

［7］Zhou J，Li YX，Jia MC，et al.The IMPact of Particle Size on Failure Mode of Sandy Debris Flow［J］.Advanced Materials Research，2011，V261 －263:928 －932.

［8］SidleRC，SwanstonDN.Analysis of a Small Debris Slide in Coastal Alaska［J］.Canadian Geotechnical Journal，1982，19:167 －174.

［9］Anderson SA.Analysis of Rainfall－ Induced Debris Flows［J］.Journal of Hydraulic Enginering，1995，121(7):544－552.