滑坡型泥石流的转化机理研究

吴和秋，杨 龙，金钢雄

(1.浙江省工程物探勘察设计院有限公司，浙江 杭州 310005;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074;3.台州市自然资源和规划局黄岩分局，浙江 台州 318200)

由于青藏高原的不断隆升，我国西部新构造运动活跃，地质环境复杂，滑坡崩塌产生的大量松散堆积物为泥石流的形成提供了大量物源[1-2]。其中，滑坡型泥石流是最为普遍的泥石流类型之一。滑坡一旦转化为泥石流，运动距离将显著增加，不仅对生态环境造成破坏，而且严重威胁人民的生命和财产安全[3]。因此，揭示滑坡型泥石流的转化机理，为其预测预报与防治提供理论支持，显得十分必要。

目前对滑坡型泥石流的研究手段主要包括野外考察与观测、模型和原位实验、室内岩土体测试实验等。其中，野外考察与观测是滑坡型泥石流转化机理研究的基础。如李天池等[4]对降雨引发的四川南江县白梅垭滑坡型泥石流进行了实地考察，认为滑坡型泥石流的形成条件是滑坡剪出口较高，斜坡具有较大的坡度，斜坡前部具有较大的滑动空间；陈自生[5]对高位滑坡转化为泥石流进行了分析，认为其形成的关键因素在于滑体的碎屑化以及碎屑化过程中出现的造浆过程；谢洪等[6]对四川普格县因暴雨引发的标水岩滑坡型泥石流进行了野外考察，认为滑坡启动后，滑体在向下运动过程中继续遭受地表水冲刷，使土体、石块和水在运动中充分搅拌，演变为大小混杂、结构性很强的黏性泥石流；田连权等[7-8]通过对蒋家沟泥石流源地观测，将泥石流的形成分为土力类和水力类两类，并探讨了水力类泥石流的形成过程；乔建平[9]根据前人野外考察资料，将降雨型滑坡泥石流预警分为空间预警和时间预警两大类，并构建了泥石流预警系统；鲁道洪等[10]对黄土梁滑坡型泥石流进行了详细的野外调查，认为黄土梁滑坡在狭窄陡峭沟道中形成的大量松散堆积物为泥石流的形成提供了丰富的物源；邵海等[11]分析了新疆伊宁克孜勒赛黄土滑坡堵溃型泥石流成灾模式，认为持续降雨引起的饱和黄土层液化及强度急剧降低是该泥石流形成的主要原因。模型和原位实验、室内岩土体测试是目前国内外学者对滑坡型泥石流转化机理进行深入研究的主要手段。如李永益[12]通过模型实验，提出滑坡型泥石流的转化过程主要包括滑坡碎屑化、滑坡液化及空气包裹等过程，其中滑坡液化的形式主要有滑带液化、膨胀压缩液化和震动液化三种；Dai等[13]以香港火山岩的坡残积土为研究对象，通过GDS三轴测试系统开展了低围压下偏压固结不排水剪和偏压固结常剪应力排水剪试验研究；Sassa[14]通过在高速环剪实验仪上的不排水加载试验，提出了一种流态化滑坡机理；Yoichi等[15]通过变坡度的水槽试验，研究了滑坡流态化问题，并提出了滑坡流态化的三个阶段，即上部坡体下滑引起砂层的压实、饱和区产生超静孔压、发生快速剪切；张明等[16]以四川省达县青宁乡滑坡为研究对象，利用环剪试验模拟青宁乡滑坡失稳以后滑体长距离滑动剪切的过程，认为滑坡型泥石流的转化机制除了超孔隙水压力的作用外，还有软弱基座效应。在野外现场试验方面，陈晓清等[17]和胡明鉴等[18]选择泥石流典型流域开展了野外人工降雨下滑坡转化为泥石流的起动试验，通过实时监测试验过程中土体水势、体积含水量、孔隙水压力和温度等土体特征参数的变化，研究了降雨条件下滑坡转化为泥石流的启动机制；李俊等[19]对扎木弄沟滑坡型泥石流的成因进行了系统分析，认为内外动力条件变化(冻融循环、干湿循环、地震作用)是该滑坡型泥石流形成的主要原因；朱君星等[20]在大量统计资料的基础上，对矿山排土场滑坡型泥石流进行了深入细致的分析，认为矿山排土场滑坡转化为泥石流存在降雨临界值。

滑坡体转化为泥石流过程中土体物理力学参数的变化是揭示其转化机理的重要前提，但是基于泥石流的突发性及其动力学的复杂性、监测手段的局限性等，目前的研究获取的此类参数还非常有限。因此，本文以苏约克河流域内典型滑坡型泥石流——乔库而泥石流为研究对象，利用遥感影像、现场调查和室内实验(包括颗粒分析、直剪和环剪试验)等手段，获取了乔库而滑坡型泥石流启动过程中土体的颗粒级配、剪切强度、剪应力、孔隙水压力和垂向位移等变化曲线，分析其变化规律，以揭示乔库而滑坡型泥石流的转化机理。

1 乔库而滑坡型泥石流概况

乔库而滑坡型泥石流位于中国与吉尔吉斯斯坦边境的苏约克河流域，处于苏约克河的西岸，距离乌恰县托云乡集镇场址约15 km，主要的威胁对象为河流漫滩上的牧场。研究区地处喜马拉雅西构造结区，位于喜马拉雅造山带的西北端，地质条件极其复杂，区内发育多条东西向及北西-南东向走滑、逆冲走滑断层，岩浆活动频繁，岩浆岩分布范围较广。

乔库而滑坡型泥石流区被一逆冲断层横切(见图1)，断层下盘为白垩系红色砂泥岩，由于成岩时间短，其力学性质较弱，风化作用使岩体表面较为破碎，在其组成的斜坡坡脚处往往堆积有小规模的细粒崩坡积层；断层上盘为黑色的砂岩、砾岩，断层附近的岩体极为破碎，形成大量崩坡积物，是乔库而滑坡型泥石流的主要物源[图2(a)和(b)分别为泥石流沟北侧和南侧断层面，为断层破碎面附近山体，特别是上盘山体发生的崩塌滑坡堆积物堆积在坡脚，为泥石流提供了丰富的物源]。

图1 乔库而滑坡型泥石流平面图Fig.1 Floor plan of Qiaokuer landslide debris flow

根据现场调查，乔库而滑坡型泥石流沟的整个汇水区(黄色虚线)面积为4.42 km2，物源区(绿色虚线)、流通区(蓝色虚线)和堆积区(红色虚线)如图1所示。在物源区上游的广大区域，虽然也有松散物源提供，但是物源量非常少，在本次研究中不予考虑，本次研究的对象主要为上述三个区域，根据这三个区域获取的乔库而滑坡型泥石流典型纵剖面图见图3。

图2 乔库而滑坡型泥石流沟断层面及流通区细粒 物质分布Fig.2 Distribution of fine material in fault plane and flow area of Qiaoquer landslide debris flow gully

图3 乔库而滑坡型泥石流典型纵剖面图Fig.3 Typical longitudinal profile of Qiaokuer landslide debris flow

乔库而滑坡型泥石流的物源区为临近断层面的上盘、沟谷南侧破碎山体失稳堆积在坡脚的滑坡及崩塌堆积物[图2(b)]，根据估算，物源区堆积物的方量约为120万m3；流通区分布在断层下盘的沟谷底部，长度约为1 500 m,流通区的两侧为红色砂泥岩组成的沟壁，由于成岩时间短，其强度较弱，风化作用使其发生连续的小规模崩塌，松散细粒物质堆积在坡脚[图2(c)]，泥石流在流通的过程中不断地铲刮这些细粒物质；堆积区面积约为0.11 km2，堆积物呈扇形堆积，平均厚度约为4 m，体积约为44万m3，以0.1 m以下的颗粒为主。

此外，受当地自然环境和社会经济状况的影响，本次研究缺乏乔库而滑坡型泥石流此前爆发的相关资料,通过对物源区堆积物的调查，发现堆积物具有多期次堆积的特征，说明乔库而滑坡型泥石流历史上多次爆发，同时堆积物前缘有新近失稳的迹象。

2 滑坡型泥石流堆积物土体颗粒级配的变化规律

为了获取乔库而滑坡型泥石流堆积物土样在运移过程中颗粒级配的变化规律，在如图1所示物源区、流通区和堆积区的B01、B03～B13共12个取样点获取了乔库而滑坡型泥石流堆积物样品进行颗分试验，得到堆积物样品的颗粒级配随运移距离的变化规律。其中，B01取自物源区；B03～B11取自于流通区；B12和B13取自堆积区。

采用筛分法获得12个泥石流堆积物土样的颗粒级配累计曲线，见图4。

图4 乔库而滑坡型泥石流堆积物土样的颗粒级配累计曲线Fig.4 Variation curves of particle gradation in different parts of Qiaokuer landslide debris flow soil samples

由图4可见，乔库而滑坡型泥石流物源区堆积物土样的颗粒较粗，以5～100 mm粒径的颗粒为主；堆积区堆积物土样的颗粒较细，以0.5 mm粒径的颗粒为主；此外，B06和B07取样点堆积物土样同样以5 mm以下粒径的颗粒为主，主要是由于其取自于流通区沟谷两侧坡脚处的崩坡积物，物质成分为来自于断层破碎带中红色砂泥岩的风化物。

上述颗粒分析试验结果表明：总体上B01、B03～B05、B08～B13这9个沿着泥石流运移路径上所获取的堆积物土样品，运移的距离越远，土样的颗粒级配越细。

3 滑坡型泥石流堆积物土体抗剪强度参数的变化规律

3. 1 试验工况

为了获取乔库而滑坡型泥石流堆积物土样在不同含水率条件下的抗剪强度参数随运移距离的变化规律，对B01、B03～B13共12个堆积物样品进行了不同含水率条件下的直剪试验。本次试验采用不固结不排水剪切，测试每个堆积物土样在4种不同含水率条件下的抗剪强度参数即土体黏聚力和内摩擦角，共计60组试验。现场调查发现，泥石流启动之后，将不断铲刮流通区沟谷底部的饱和细粒土层及洼地的积水，导致土体在运移过程中含水率不断上升，直至达到饱和状态。所以本次研究将直剪试验以及后续环剪试验土样的含水率设置为从天然状态到饱和状态均匀分布的4种含水率状态，4种不同的含水率分别设置为13%(天然)、20%、27%和35%(饱和)。每种含水率土样设置4种法向荷载进行直剪试验，4种不同的法向荷载分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。根据《土工试验规程》(SL 237—1999)和本次试验的剪切盒尺寸，剔除样品中2 mm以上粒径的颗粒。

3. 2 试验结果与分析

图5为测试获取的B01、B03、B05、B10、B12、B13泥石流堆积物土样的黏聚力和内摩擦角随含水率的变化曲线。

图5 乔库而滑坡型泥石流不同堆积物土样抗剪强度 参数随含水率的变化曲线Fig.5 Shear strength parameter variation curves of different debris soil samples with water content

由图5可见，总体上来说，该泥石流堆积物土样的黏聚力和内摩擦角均随着含水率的增加而减小。

此外，为了获取乔库而滑坡型泥石流堆积物土体沿运移路径抗剪强度参数的变化规律，绘制了沿泥石流运移路径取得的B01、B03、B04、B09、B10、B11、B12、B013泥石流堆积物土样的内摩擦和黏聚力(饱和状态下)与运移距离的关系曲线，见图6。

图6 饱和状态下乔库而滑坡型泥石流堆积物土样 抗剪强度参数与运移距离的关系曲线Fig.6 Relation curves of shear strength parameters and transport distance of debris soil samples in saturated state

由图6可见，随着运移距离的增加,该泥石流堆积物土样的内摩擦角减小，但是其黏聚力略微增加，这主要是受到细粒物质在运移过程中不断增加的影响；但总体来说，泥石流堆积物土样的抗剪强度参数随着运移距离的增加而减小。

4 滑坡型泥石流转化过程中土体物理力学参数的变化规律

不同于传统的直剪和三轴试验，环剪试验能够持续地长距离剪切。为了获取乔库而滑坡型泥石流堆积物运移过程中土体剪应力、孔隙水压力和垂向位移的变化规律，取乔库而滑坡型泥石流物源区堆积物土样进行环剪试验，模拟堆积物长距离剪切运移的过程。试验土样取自图1中B01位置。

本次试验采用的是中国科学院力学所引进的美国GCTS公司生产的SRS-150型环剪仪，该环剪仪固结压力为0～1 000 kPa，剪切速率为0.001～360°/min，最大剪切圈数/剪切距离为5圈/2.4 m。

4. 1 试验工况

为了获取不同含水率条件下泥石流堆积物土样剪应力、孔隙水压力和垂向位移随剪切距离的变化规律，本次研究进行了13%(天然)、20%、27%和35%(饱和)4种含水率条件下泥石流堆积物土样的环剪试验。由于泥石流实际运动速度较快，运移过程中土体中的孔隙水难以及时排出，故试验中统一采用固结不排水剪切，剪切速率也采用仪器最大剪切速率360°/min(线速度为0.8 cm/s)，剪切距离选择仪器允许的最大剪切位移2.4 m。由于缺乏乔库而滑坡型泥石流历史爆发数据，采用泥石流物源区堆积物平均厚度8 m作为其失稳后滑体的厚度，据此计算出垂向荷载为100 kPa。因此，本次环剪试验在剪切方式、剪切速率、剪切距离和垂向荷载分别为固结不排水剪切、360°/min、2.4 m和100 kPa条件下，进行不同含水率(13%、20%、27%和35%)条件下泥石流堆积物土样的环剪试验。

4. 2 试验步骤

(1) 制样：将B01土样中大于5 mm粒径的颗粒剔除，烘干后制成干密度为1.4 g/cm3、初始含水率分别为13%、20%、27%和35%的试样。

(2) 固结：对试样施加垂向荷载100 kPa进行排水固结。

(3) 剪切：以恒定速度360°/min剪切试样，剪切的过程中记录剪应力、孔隙水压力、剪切距离和垂向位移值。

(4) 测试：测试试样的颗粒级配。

4. 3 试验结果与分析

图7(a)为工况1(天然土样，即初始含水率为13%的土样)下环剪试验所获得的土样垂向位移、孔隙水压力和剪应力随剪切位移的变化曲线。

由图7(a)可见，①剪切开始后，土样的垂向位移不断增加，最终逐渐稳定在约2 mm，表明此样品为剪缩性土体；另外，颗粒剪切破碎也是土体体积不断减小的原因，土样的垂向位移随着剪切位移的增加而增加;在剪切位移达到某一定值后，颗粒破碎逐渐停止，土样垂向位移也趋于稳定。②由于样品中的初始含水率较低，土体体积的缩小并没有引起孔隙水压力的明显变化。③土样的剪应力最开始不断升高达到峰值强度78.9 kPa，随后土样的剪应力下降至73.5 kPa左右，然后土样的剪应力缓慢减小并逐渐稳定在残余强度70 kPa。剪应力的变化主要是由颗粒破碎效应导致的，直剪试验表明在此过程中土体的黏聚力虽略有上升，但其内摩擦角降低，使得抗剪强度总体降低，表明在含水率较低、孔隙水压力无明显变化的情况下，土体颗粒破碎引起的抗剪强度变化不大。

图7(b)为工况2(即初始含水率为20%的土样)下环剪试验所获得的土样垂向位移、孔隙水压力和剪应力随剪切位移的变化曲线。

由图7(b)可见，与工况1相似，随着剪切位移增大，土体颗粒不断破碎，土样的垂直位移逐渐增大，最终稳定在1.5 mm左右；在这个过程中，受剪缩和颗粒破碎的影响，土体体积收缩、孔隙水压力缓慢上升至6 kPa；土样剪应力在剪切开始时迅速上升至81.3 kPa，随后下降至75 kPa，并在剪切的过程中逐渐稳定在65 kPa的残余强度。与工况1相比，工况2含水率较高，剪切过程中土样孔隙水压力的变化较明显，残余抗剪强度也略低于工况1。

图7 不同含水率条件下土样剪应力、孔隙水压力和垂向位移随剪切位移的变化曲线Fig.7 Variation curves of shear stress,pore water pressure and vertical displacement of soil samples with shear displacement under different water content conditions

图7(c)为工况3(即初始含水率为27%的土样)下环剪试验所获得的土样垂向位移、孔隙水压力和剪应力随剪切位移的变化曲线。

由图7(c)可见，土样的垂直位移最终稳定在1.3 mm左右；在剪切过程中，由于土体的体积收缩，孔隙水压力升至34 kPa，相较于工况1、工况2变化较大；土样剪应力在达到峰值78.4 kPa以后，迅速下降至约73.5 kPa，但是由于土样剪缩导致的孔隙水压力上升，土样剪应力也逐渐下降至约19 kPa。与工况1、工况2相比，随着土样初始含水率的上升，在剪切过程中，工况3下土样孔隙水压力变化更为明显，随着孔隙水压力的大幅上升，土样剪应力迅速下降，残余抗剪强度明显下降。

图7(d)为工况4(饱和土样，即初始含水率为35%的土样)下环剪试验所获得的土样垂向位移、孔隙水压力和剪应力随剪切位移的变化曲线。

由图7(d)可见，土样的垂直位移最终稳定在1.65 mm左右，与前3种工况相差不大；在剪切过程中，土样的孔隙水压力上升至40 kPa；而土样的剪应力在剪切开始迅速上升至81.4 kPa，随后迅速下降至约65 kPa，并且随着孔隙水压力上升而逐渐下降至17 kPa。

由于本次试验采用的环剪仪器密封程度不好，在工况3和工况4的剪切过程中，当土样的孔隙水压力上升到一定值时，上下剪切盒之间便会有泥浆(孔隙水和细的土颗粒混合形成)流出(见图8)，且本次试验的条件为固结不排水剪切，剪切过程中由于土样的剪缩效应，导致其含水率和孔隙水压力不断上升，最终土体达到饱和状态，而此时土样的孔隙水压力仍不断上升，表明试验过程中随着土样不断减缩，土样内部产生了超孔隙水压力且已经发生了一定程度的液化。比较工况3和工况4，因为工况4所采用的为饱和土样，如果剪切盒不发生泄漏，最终其孔隙水压力应该比工况3更高，而土样的残余剪应力应该比工况3更低，但是由于泥浆泄漏，最终工况3和工况4所获得的土样孔隙水压力和残余剪应力均相差不大。

在上述4种工况下环剪试验结束后，将土样取出剪切盒风干后进行颗粒分析，其结果见图9。

图8 土样剪切过程中发生的泥浆流出现象Fig.8 Mud outflow during shearing of soil samples

图9 环剪试验前后土样的颗粒级配累计曲线Fig.9 Grain gradation curves of soil samples before and after ring shear test

由图9可见，经过环剪试验的土样与原始土样相比，其颗粒级配变细，说明在土样剪切的过程中发生了颗粒破碎现象；不同工况下剪切后的土体颗粒级配变化并不大，说明4种工况下土体颗粒破碎的程度是相近的，因此可以判断试样初始含水率的差别和试验中土样孔隙水压力的变化是4种工况所获得的土样残余剪切应力相差较大的原因。

5 讨 论

颗粒分析试验结果表明：从滑坡型泥石流物源区到堆积区，随着运移距离的增加，泥石流堆积物土体中的细颗粒含量不断上升；同时，环剪试验模拟了泥石流堆积物土体的长距离剪切过程，环剪试验前后土样颗粒级配的变化说明了这一点。土体颗粒级配的变化主要有两方面的原因：①在泥石流运移的过程中，土体颗粒由于受到挤压剪切作用而持续破碎，导致细颗粒增多；②在泥石流的流通区，沟谷两侧断层破碎带中的细粒砂泥岩风化土层堆积在坡脚，泥石流在运移过程中不断铲刮这些堆积物，导致细颗粒增多。

当泥石流物源区的土体失稳启动后，由于剪缩效应和颗粒破碎，土体运移过程中细颗粒不断增加，孔隙水压力不断上升，产生超孔隙水压力，土体的剪切强度不断下降，甚至出现液化，逐渐转化成为泥石流。环剪试验结果表明：对于乔库而滑坡型泥石流滑坡土体转化为泥石流的临界初始含水率在20%～27%之间的某个值，高于这个临界值，土体在失稳以后孔隙水压力才会不断上升并达到饱和状态，产生超孔隙水压力；土体初始含水率低于这个临界值，则滑坡体无法转化为泥石流。

本次的研究结论也从试验上直接论证了Hutchinson等[21]、Iverson等[22]的观点：疏松土体组成的滑坡体转化成泥石流的关键在于不排水效应，在滑坡体与滑床的剪切过程中形成不排水环境，土体剪缩而引起孔隙水压力增加，产生超孔隙水压力，使土体抗剪强度消失或部分消失，甚至发生液化，从而转化为泥石流。

6 结 论

受有限降水条件的影响，乔库而滑坡型泥石流物源区堆积物失稳后不能直接形成泥石流，而是首先形成滑坡，但是滑坡体在长距离运移过程中：一方面是由于受土体颗粒破碎和铲刮作用的影响，导致土体运移过程中细颗粒物质逐渐增加，土体抗剪强度不断降低；另一方面则是在剪缩效应和颗粒破碎作用下，土体体积减小，孔隙水压力上升产生超孔隙水压力，使土体抗剪强度急剧下降甚至发生液化，最终转化为泥石流。此外，对于乔库而滑坡型泥石流而言，滑坡体转化为泥石流的土体临界初始含水率在20%～27%之间，而其低于20%，则滑坡体无法转化为泥石流。