公路弃渣次生泥石流成灾机制及防护措施

周海波，李双江

公路弃渣次生泥石流成灾机制及防护措施

周海波1，李双江2

（1. 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；2. 西南交通大学，成都 611756）

公路弃渣泥石流物源集中，弃渣类型是泥石流成灾机制的重要影响因素。砂岩类弃渣中粘粒含量小，膨胀性较弱，弃渣体内水体排泄通畅，不利于孔隙水压的保持，相比灰岩类弃渣自身稳定性高；但在暴雨作用下，弃渣体内水分增加大于排泄，易造成弃渣体的崩滑起动，形成小型的泥石流，多形成稀性泥石流；灰岩类弃渣中粘粒的膨胀性较高，弃渣体孔隙水压易增大，渣土体的稳定性差，在暴雨作用下，弃渣中的土体易膨胀液化、滑移起动，多形成粘性泥石流；灰岩类弃渣泥石流规模大于砂岩类弃土。本文从弃渣物理性质指标、力学特征等研究泥石流成灾机制，并致力于将成果应用到公路弃土场设计和防灾减灾领域。

泥石流；弃土力学特征；成灾机制；防护措施

弃渣泥石流有与一般泥石流不同的特征：①弃渣成为泥石流的主要物源，并与天然沟道的松散固体物质混合，分布集中；②弃渣的物质组成以中等以上颗粒为主，细颗粒含量较少；③弃渣泥石流的启动模式主要有坡面启动、沟道加积启动、尾矿坝溃决启动等；④弃土弃渣临近人类活动密集区，一旦启动泥石流，致灾能力强。因此弃渣泥石流备受国内外学者关注，但目前国内外针对公路弃渣场堆积的弃渣引发的泥石流研究较少[1~4]。

本文以公路弃渣泥石流为研究对象，通过分析弃渣泥石流的发育条件（土源条件、水源条件），研究松散弃渣稳定性、弃渣渗流与强度变化、破坏和产流，得出弃土泥石流的启动过程，进而浅析弃渣泥石流的成灾机制，为类似工程提供防灾减灾经验。

表1 K13#弃土（灰岩类弃土）主要矿物及其含量统计表

1 公路弃土场分布

本文研究西部山区某公路沿线17个弃土场，其中7个为冲沟型，5个河岸坡地型，4个在坡面凹地；大部分库容小于10万m3，仅少数（3#、6#）设计库容达到25万m3。

2 弃渣泥石流物质组成

本文研究的公路弃土的物质组成主要有2类，①砂岩、页岩、泥岩风化岩屑及碎裂岩块；②石灰岩区的红黄色粘土及碎、砾石土。

根据13#弃土场和4#弃土场弃土粘土X衍射试验成果，13#灰岩类弃土场细粒土中，蒙脱石含量36.3%，白云母占18.2%，长石占4.1%，石英占27.4%，高岭石占10.7%，镍绿泥石占3.3；4#砂岩类弃土场细粒土中，蒙脱石含量24.4%，白云母占19.6%，高岭石占13.6%，长石占10.2%，石英占32.2%。

表2 4#弃土场（砂岩类弃土）主要矿物及其含量统计表

表3 公路弃土天然含水量试验成果表

3 弃土物理性质指标

3.1 弃土含水量特征

3.1.1弃土天然含水量

图1 K13#弃土场弃土X衍射分析图

图2 4#弃土场弃土X衍射分析图

表4 4#、13#弃土场土样含水量测试

采用烘干法对弃土样进行试验，测量弃土样品天然含水量。各弃土天然含水介于7.0%～32.4%。不同岩性的弃土，含水量大小及含水特性不同，测试13#弃土场弃土属于灰岩类弃土，天然含水量在32.4%左右，饱和含水量可达49%以上；砂岩类的4#弃土场，弃土天然含水量在13.4%，饱和含水量在28%左右（表3），灰岩类弃土的天然含水量和饱和含水量均大于砂岩类弃土。

3.1.2不同深度含水量

在天然堆积状态下，不同类型弃土的含水量随堆积深度的变化也有不同，根据测试结果分析：灰岩类K13#弃土场的弃土含水量随深度的变化呈抛物线状，随深度增加含水量降低，含水量最大值出现在深度10～20cm之中，含水量为50%，地表下50cm时，含水量为36%～38%，到达一定深度后含水量逐渐减小，灰岩类弃土的渗透性低，水份聚集于土体的表层或上层，其天然含水量高；砂岩类4#弃土场的弃土随深度逐渐加大，增幅均匀，弃土含水量随深度变化不大，说明砂岩类弃土渗透性较高，降水易下渗到土层下部，含水量最大值出现在深度100cm左右，约23%，其天然含水量值较低。含水量随深度变化测试结果见表4及图3所示。

表5 不同岩性弃土液塑限指标

3.2 弃土液塑限

本文重点研究灰岩类弃土和砂岩类弃土泥石流成灾机制，土体含水量大小影响弃渣泥石流发育，以4#和13#土体作为研究试样，利用液塑限联合测定仪进行测量，联合测定仪圆锥质量76g，锥角30°，采用光电式读数。研究发现，K13#灰岩类弃土场土体塑限10.64%，液限68.77%，塑限指数58.13；砂岩类4#弃土场土体塑限13.96%，液限50.99%，塑性指数37.03（表5）。由此可知，灰岩类弃土场土体塑限比砂岩类弃土场土体塑限小，但液限却比砂岩类弃土大，因此灰岩类弃土塑性指数较大，在干密度大小几乎相等条件下，灰岩类场土体弃土的天然湿密度会远远高于砂岩类场土体弃土，这与灰岩类场土体弃土中亲水矿物含量有关。

3.3 弃土的渗透系数

渗透过程是泥石流形成前降雨入渗的重要过程。目前研究发现非饱和土体强度的降低主要源于孔隙水压力的升降变化，并由此导致土体的有效内摩擦角的降低和水体的入渗促使土体的内聚力或吸附强度大幅度降低，诱使土体抗剪强度衰减。

陈宁生采用径流产流试验对泥石流源区弱固结砾石土的渗透特性进行了研究[5]，经测定得泥石流源区砾石土的稳定下渗率为0.13mm/min，并推导了下渗计算的经验公式：

本文对4#砂岩类弃土和13#灰岩类弃土样进行室验室常水头渗透试验，测得4#砂岩类弃土平均渗透系数为1.32mm/min，13#灰岩弃土的平均渗透系数为0.15 mm/min。分析比较砂岩类弃土和灰岩类弃土颗粒级配，砂岩类弃土级配总体上优于灰岩类弃土，砂岩弃土中粗颗粒较多，比灰岩孔隙大，相同厚度的砂岩类弃土渗透水流流程短。是砂岩弃土的稳定渗透系数比灰岩类大的重要原因。

图3 弃土含水量随深度变化示意图

4 弃土的力学性质

4.1.1 弃土的抗剪强度

试验以去除原始土样>5mm的细粒土为试样用料，制备13#和4#两组接近土体天然含水量的不同密度的试样，进行直接剪切试验强度试验；再制备K13#和4#两组试样的密度为1.6g/cm3，不同含水量的试样，进行直接剪切试验强度试验。

1）相同初始含水不同密度的直接剪切试验强度

对相同初始含水量不同密度下的抗剪强度分析可知，随着土体密度增加，砂岩类弃土和灰岩类弃土内聚力C呈现增加趋势，砂岩类弃土的内聚力C增加明显，灰岩类弃土的内聚力C增加较小；随密度增加，两类弃土内摩擦角φ变化不大。砂岩类弃土在碾压后能够迅速增强土体的抗剪强度，弃土堆积后的快速碾压砂岩类弃土的稳定性增加明显；灰岩类弃土碾压后抗剪强度增加滞后；相同密实度和降雨条件下，灰岩类弃土更容易失稳致灾形成泥石流（图4）。

表6 相同含水量不同密度弃土土直剪强度试验成果表

表7 相同密度不同含水量弃土直剪强度试验成果表

2）相同密度不同含水量的抗剪强度

在相同密度条件下，随着含水量增加，弃土内聚力C值先上升后减小，存在最优含水量及最大值；砂岩类弃土的干密度1.6g/cm3条件下，当土体含水量为20%～21%时，内聚力C在出现最大值，最大值在50kpa以下；灰岩类弃土在相同干密度条件下，含水量为16%～17%，内聚力C出现最大值在60kpa以上；灰岩类弃土C值大于砂岩类弃土C值。

相同初始密度时，两类弃土内摩擦角φ随含水量的增加而减小，砂岩类弃土的内摩擦角φ变化大于灰岩类弃土，说明砂岩类弃土体的内摩擦角φ在水作用下能迅速变化;灰岩类弃土内摩擦角φ随土体含水量的增加，φ值变化滞后（图5）。

图5 相同密度条件小土体抗剪强度特征

5 弃渣泥石流成灾机制

弃渣泥石流形成机制，主要包括松散固体物质在水分作用下结构改变、强度降低、变形破坏、液化或流态化形成泥石流流体等过程[6]。

5.1 弃土渗流与强度变化特征

5.1.1 弃土中亲水矿物吸水膨胀导致强度降低

土的胀缩性主要受粘土矿物成分及其含量控制。蒙脱石、伊利石、高岭石粘土中最主要的3种粘土矿物，蒙脱石亲水性最强，伊利石次之，高岭石最弱。一般来讲，粘土含量在5%以上的土体就会有明显的膨胀性[7]。灰岩类弃土粘粒含量总量比砂岩类大，灰岩类弃土在同等含水条件下，更容易膨胀导致土体强度降低。

灰岩类弃渣泥石流6#、11#、K13#及李家山等灰岩类弃土颗粒组成利于泥石流的形成。6#弃土细粒土含量达90%以上，粘粒含量5%～10%。粘粒成分的膨胀性和崩解性较高，在强降雨条件下，粘粒膨胀，堵塞土体孔隙，孔隙水压迅速上升，有效应力降低，土体易失稳形成粘性泥石流物源，在沟道纵坡率适宜时，流速快，冲击力大。

砂岩类弃渣泥石流2#、3#、4#砂岩类弃土平均粘粒含量约1%，弃土膨胀性较弱、崩解性较高，有利于弃土体内孔隙水流动，不利于孔隙水压的保持，相比灰岩类弃土的稳定性较高。在暴雨作用下，弃土体内水分增加大于排泄，也易造成弃土体的崩滑启动，形成小型泥石流，多为稀性泥石流。

因此，土体粘粒含量对土体转为泥石流具有重要影响，粘粒含量高的土体，孔隙率低，渗透率低，难以形成较大的孔隙水压力；粘粒含量低的土体，孔隙率较高，土体渗透率大，相应孔隙水压力较小；对于中等的粘粒含量的土体（5%~10%），在降雨过程中，使孔隙连通性大大降低。在土体表层含水量增加，容重增加，孔隙水压力增加，并通过表层传递到含水量较低的中下层。整个土层随着孔隙水压力增加，土体强度减小，滑体蠕滑使前沿土体发生豉胀开裂、滑溜。溜滑土体受雨水作用，粘粒良好的封闭性引起孔隙水压力迅速上升，在前缘下方整体滑溜以土力类的形式产生泥石流[8]。

5.1.2 渗流条件下粘粒运移和局部富集导致土体强度变化

雨水下渗，细颗粒逐渐汇集到土体中部或下部，从而使相应位置的渗透性降低，孔压升高，孔隙水聚集于该处，形成滑动面，导致滑坡滑动并转化成泥石流[9]。根据弃土抗剪强度试验可知，随弃土饱和度增加，内聚力C值呈先增加后减小的趋势，说明当弃土体在雨水入渗一定程度后，其强度受到明显的由增强转化至弱化损伤[10]。相同饱和度条件下，灰岩类弃土强度指标更低，发生滑动并转化成泥石流的可能性较大（图6、7）。

图6 6#灰岩类弃土饱和度与抗剪强度关系

图7 4#砂岩类弃土饱和度与抗剪强度关系

5.2 弃渣泥石流的启动过程

泥石流的启动过程主要包括松散固体物质在水作用下土体结构改变过程、渗透饱和过程、剪切破坏过程、土体液化过程、土体流态化过程、外部条件诱发过程。

日本学者Sassa泥石流的产流过程归纳为四个阶段：①上部土体的快速失稳，②失稳土体在冲击作用下的松散土层初始液化，③泥石流的初始启动，④为泥石流的发展流动[11]；陈宁生等通过降雨试验中滑动土体的稳定性计算，指出传统土力学不能解释表层土体的滑动，从而提出了表层土体滑动的机理，指出表层土体的破坏是孔隙水压力和动水压力的共同作用使坍滑面粘土颗粒的被侵蚀，使土体的内摩擦力和粘滞力下降到很小甚至为0[5]；不同形成模式特征的泥石流通常有不同的形成过程，弃渣泥石流形成过程，主要包括降雨渗透饱和阶段、超渗超蓄产流阶段、局部剪切破坏阶段、滑动面扩展贯通阶段、坡体启动下滑阶段和泥石流汇流阶段（表8）。各子过程的特征如下：

表8 坡面弃土泥石流形成过程特征

6 弃渣泥石流防治建议

1）工程措施：采用以拦为主，拦排结合的方案进行防治；并及时采取碾压和排水措施，降低弃土含水率、提高土体密实度，增加土体强度。

2）生态措施：山区公路弃土场工程防治应结合生态措施自然恢复。

7 结论

1）弃土土体的物质组成、密度、含水量、渗透系数、粘粒含量、产流能力、物理力学参数等控制弃土泥石流成灾机制；砂岩类弃土级配优于灰岩类弃土、粗颗粒较多、孔隙比大，相同厚度下砂岩类弃土渗透路径短。因此，砂岩弃土的稳定渗透系数比灰岩类大。

2）一般而言，灰岩类弃土泥石流规模大于砂岩类弃土，多形成粘性泥石流，砂岩类弃土多形成稀性泥石流。

3）弃渣类泥石流形成过程：主要包括降雨渗透土体含水增加阶段，超渗、超蓄产流侵蚀阶段，局部剪切破坏阶段，滑动面扩展贯通阶段，坡体的启动下滑阶段和泥石流汇流等阶段。

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Genetic Mechanism and Control Measures of Road Waste Debris Flow

ZHOU Hai-bo1LI Shuang-jiang2

(1.Sichuan Research Institute of Highway Planning Survey Design Co. , Ltd., Chengdu 610041；2.Southwest Jiaotong University，chengdu 611756)

Road debris flow is characterized by concentration of debris sources, and waste debris type exerts important influence on the formation of the debris flow. Waste sandstone debris is relatively stable thanks to weak expansibility and strong discharge capacity resulted from lack of clay grains. Whereas, waste limestone debris is relatively unstable due to strong expansibility resulted from enrichment in clay grains. Therefore, waste limestone debris flow is larger than waste sandstone debris flow on a scale. This paper makes an approach to genetic mechanism for road waste debris flow in terms of physical property and mechanical property and devotes oneself to the design of waste dump sites and geohazard control.

debris flow; genetic mechanism; mechanical characteristics of waste debris; control measure

2019-08-29

周海波（1985-），男，四川合江人，硕士研究生，工程师，主要从事公路工程地质及岩土工程相关工作

李双江（1986-），女，四川广元人，研究生在读，工程师，主要从事工程地质、灾害治理等研究

P694

A

1006-0995（2020）01-0130-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.026