泥石流最大淤积厚度影响因素

马 煜，李彩侠

(1.成都理工大学工程技术学院，乐山 614000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

泥石流是在满足一定地形、物源和水源条件下发生在山区的携带大量泥砂的特殊洪流。泥石流的堆积区既是山区人民生活聚集的场所又是泥石流淤埋的主要区域，因此泥石流淤埋厚度是学者研究堆积特征的重点[1]。中国泥石流每年约冲出泥砂 5.6×108m3[2]，这些泥砂会直接或间接地淤埋工程设施，严重制约着中国山区经济的发展和进步。例如，2008年9月24日北川西山坡沟泥石流淤埋老县城，堆积厚度达7 m以上,擂鼓镇赵家沟堆积扇处堆积厚度达 10～15 m[3]；2009年7月17日虹口的小沟最大淤积厚度5 m[4]；2010年8月13日绵竹清平文家沟泥石流在绵远河道淤埋厚度15 m[5],这些淤积都给当地基础设施和人民生产生活带来严重破坏。为了减轻泥石流灾害损失，应在泥石流调查和风险评价中对泥石流最大淤积厚度进行准确定量[6]，可见泥石流的堆积厚度，特别是最大堆积厚度是泥石流堆积特征参数中最重要参数之一，也是泥石流灾害危险性评估和工程治理中最应该重视的参数之一。

目前学者对泥石流淤积厚度有所研究。余斌[7]通过野外泥石流堆积物取样和测试获得相应计算参数间接计算某一地区泥石流的淤积厚度的方法,该方法具有一定普遍适用性，但必须先野外调查泥石流的相应参数,然后结合相应公式计算出淤积厚度，具有间接性。杨重存[2]视泥石流体为宾汉体,通过“泥浆水力学”原理推导出泥石流淤积厚度的计算公式，并提出武都地区泥石流总淤积厚度的计算公式，但该公式有一定局限性，仅适用于武都地区。目前为止,还没有一种方法能直接计算出泥石流体屈服应力和淤积厚度。刘国超[8]采用数值模拟的方法研究了火山碎屑物成分对泥石流最大淤积厚度的影响。任凯珍[9]通过小型水槽实验，探讨了泥石流堆积厚度和沟床坡降的关系，具有中度正相关性。舒安平等[10]通过大型水槽试验模拟了流通区泥石流最大淤积厚度和水槽坡度的相关性。这几类水槽试验仅对最大淤积厚度的一个影响因素进行了探讨，并没有全面研究。马传浩等[6]采用地质雷达法进行地层划分和深度解译，确定泥石流的堆积物厚度，这类方法可能会产生多解性。以上研究成果在一定程度上反映了不同学者采用不同方法对泥石流淤积厚度的研究，但都具有一定的局限性。

泥石流体的流动运动大多被看作Bingham体，泥石流体要想运动，必须克服自身的极限切应力。当泥石流体的切应力小于极限切应力时，泥石流体不会运动，他会以一定厚度静止淤积。当切应力逐渐增大时，堆积厚度会继续增厚，直至增大到极限切应力时，泥石流体就会即将运动。将它达到极限切应力时的淤积厚度称为最大淤积厚度。对于已经发生的泥石流，野外测量是最直观、最准确获取最大淤积厚度的方法。但对于未发生的泥石流，泥石流堆积物厚度的计算一直是泥石流风险评价中的一个难题。

泥石流的淤积厚度可以通过泥石流体的容重、淤积坡度和泥石流体的屈服应力计算得出:

(1)

式(1)中：H为最大淤积厚度；τ为极限切应力；ρ为泥石流体密度；g为重力加速度；θ为水槽底部的坡度。其中极限切应力又称为屈服应力，它是泥石流体抵抗抗剪强度而开始运动的一种重要指标，流体的容重、流体中矿物成分和矿物含量都对其有一定影响[11]。基于Bingham体极限理论，采用水槽堆积试验，全面研究最大淤积厚度与泥石流体固体体积浓度、容重、堆积坡度和黏粒含量的关系，建立淤积厚度与各因素的定量计算公式。最终应用到泥石流评价工作中，为科学评价泥石流的影响范围提供重要的理论依据。

1 试验概述

实验装置主要由储料箱、试验槽和纵坡升降杆组成(图1)。试验槽长宽高为1 m×0.2 m×0.3 m，底部加糙厚度3 mm；纵坡升降杆主要调节水槽坡度(0°～45°)，以获取不同坡度下的淤积厚度；储料箱可存放供一次试验使用的泥石流体，容量约0.1 m3。试验中泥石流体的固体物质主要是高岭土(400目，纯度82%)、细砂、粗砂以及少量(<5%)粒径小于10 mm的石子，组成泥石流体的固体物质颗粒级配如图2。实验中设计3个控制变量:泥石流体的容重、试验槽的流通坡度、黏粒高岭土的含量。试验过程(图3)如下。

①为储料箱；②为升降杆；③为实验槽

图2 固体物质颗粒级配曲线

图3 实验过程图

(1)先在清水中加入高岭土充分搅拌均匀再加入砂石使其悬浮形成模拟泥石流体倒入储料箱。

(2)将试验槽平放(坡度为0°)，开启储物箱匝门，使泥石流流入试验槽，待泥石流在槽中稳定。

(3)缓慢抬升水槽坡度后泥石流体开始再次运动，保持此时坡度不变直到运动完全停止。

(4)测量此时流体淤积的最大厚度和水槽的坡度，在靠后前缘5 cm左右处用直尺测量中间和两侧三个位置的淤积厚度，平均值认为是该坡度下该次泥石流的最大淤积厚度。该方法具有操作简单、测量方便的优点。

2 试验结果

为研究泥石流体容重、水槽坡度、黏粒矿物含量等因素对泥石流体淤积厚度的影响，在水槽堆积试验过程中改变水槽纵向坡度、泥石流体容重、黏土矿物含量三种变量对淤积厚度的影响。

2.1 最大淤积厚度和流通坡度的关系

为了获得不同黏性的泥石流体，本试验用水和固体物质配制4种容重(γ=1.59、1.69、1.76、1.87 N/m3)的流体，涵盖了稀性和黏性泥石流。本系列试验主要研究同种容重下水槽槽底纵向坡度和淤积厚度的关系，结果如图4所示。

图4 泥石流淤积厚度与流通坡度的关系

由图4可知:①同种容重下，随着水槽坡度的增大，淤积厚度呈现减小趋势，即淤积厚度与流通坡度呈负相关性。②同一坡度下，在小坡度范围内(6°以内)，流体容重越大，淤积厚度越大，即淤积厚度与流通容重呈正相关性，但当坡度超过某值后(6°以后)，淤积厚度与容重关系在相同坡度条件下区分不明显，即坡度较大时，相同坡度条件下，容重对淤积厚度的影响较小。

这一结果与舒安平等[10]试验结论基本一致，他指出在流通区和堆积区随着坡度的增加，泥石流堆积厚度变小。同时与张承等[12]试验成果也基本一致，他指出泥石流的淤积厚度与水槽坡度呈负向相关性，即坡度越大，堆积厚度减小。图4试验数据按照线性拟合淤积厚度H与水槽坡度I的关系式为H=-0.346 3I+7.348 2与刘希林等[13]研究泥石流最大堆积厚度和坡度关系H=-0.233 6I+4.050变化趋势基本一致。可以解释为坡度越大，流体向下的动能会加大，流动速度加快，由于运动惯性越大，很难保持流体停止下来，因此停止时厚度要降低，另外容重的增加会导致流体向下流动的黏滞性增强，进而流动速度降低，堆积厚度增大。同时图4试验数据按照指数拟合淤积厚度的和流体流通坡度的关系式为H=-1.155lnI+7.348 2与林雪平等[14]研究泥石流堆积厚度和坡度关系H=-1.319lnI+3.339 4的变化趋势总体趋势一致，综上，无论线性关系还是指数关系，泥石流淤积厚度与泥石流坡度大致呈负相关性。

2.2 最大淤积厚度和流体容重的关系

采用不同水和固体物质质量百分比组合配制4种容重，进行了三种不同水槽坡度下4种容重的试验获得同种坡度下的不同容重的淤积厚度，结果如图5所示。

图5 泥石流淤积厚度与容重的关系

由图5可知，①同一坡度下,随着泥石流体容重的增大，淤积厚度呈现增大趋势，即淤积厚度与流体容重呈正相关性；②同一容重下，流体堆积坡度越小，淤积厚度越大，即淤积厚度与流通坡度呈负相关性，但当密度越大，淤积厚度增加幅度愈大。这一结果与张承等[12]通过试验获取4种不同密度条件下淤积厚度的关系结论基本一致:他认为泥石流的淤积厚度跟泥石流的容重具有正向相关性，即泥石流容重增加，淤积厚度增加。图5试验数据按照线性拟合淤积厚度和流体容重的关系式为H=9.507 1γ-13.796与刘希林等[13]的研究泥石流堆积厚度和容重关系H=4.274 5γ-5.492 0的变化趋势基本一致。同时图5试验数据按照指数拟合淤积厚度和流体容重的关系式为H=8×10-4e4.297 7γ与林雪平等[14]的研究泥石流淤积厚度和密度关系Y=6×10-15e1.803γ的变化趋势总体趋势一致，从上述拟合关系可见，泥石流淤积厚度与泥石容重度大致呈正相关性。

由于密度和泥石流固体体积分数之间可以转化且可通过泥石流屈服应力计算泥石流的淤积厚度[7]，另泥石流屈服应力受泥石流体体积分数的影响最大,且成指数关系[15]。图6显示同种坡度(I=1.7°)下，实验泥石流体淤积厚度与体积浓度C的关系，体积浓度越大泥石流淤积厚度且呈正向指数相关，拟合关系式为Y=0.15e6.4C(R2=0.9)与Y=kerC(k、r均为系数)[15]形式相同。

图6 泥石流淤积厚度与固体体积分数的关系

2.3 最大淤积厚度和黏粒含量的关系

泥石流的最大淤积厚度除了与容重、体积分数和淤积段坡度有关外，余斌[7]、Marr等[15]认为泥石流体中的黏粒及含量对泥石流的淤积厚度也发挥着一定的作用。黏粒含量的多少在一定程度上确定了流体的黏滞力，即流体需要运动所克服的黏聚力(屈服应力)，因此黏粒的多少决定了屈服应力的大小，即淤积厚度的多少。本系列实验组采用加入不同含量高岭土的泥石流流体来获取同种容重下的不同黏粒含量的淤积厚度。

由图7可知:①同种容重下，泥石流体淤积厚度与黏粒含量呈指数关系增大。但在较低(<20%)黏粒含量情况下，淤积厚度随黏黏粒含量的变化速率较小，当黏粒含量增大到一定值后(>20%)淤积厚度随黏粒含量的变化速率增大。②同等黏粒含量情况下，淤积厚度与容重正向关系。容重与淤积厚度的变化速率要大于黏粒含量与淤积厚度的变化速率，说明容重对淤积厚度的作用要强于黏粒含量的作用，但黏粒含量的作用也是不能忽略，反之应该重视。本结论与余斌等[5]的结论基本一致，他指出同种黏粒类型条件下，在黏粒百分含量越高,屈服应力越大，即淤积厚度越大, 指出屈服应力随着黏粒含量的增大而增加，呈正指数关系同时也指出黏粒含量较低时，屈服应力随着泥石流黏粒含量的变化速率较小。

图7 泥石流淤积厚度与黏粒含量的关系

通过上述试验主要分析了泥石流体淤积厚度(H)与流通段坡度(I)、泥石流体容重(γ)和泥石流体内黏粒含量(P)的相互关系，结合学者对这方面的研究进行了2种不同曲线的拟合，拟合各研究变量的方程和相关系数如表1所示。通过数据拟合分析，可以看出泥石流体淤积厚度与泥石流体容重和黏粒含量相关性较高。

表1 泥石流最大淤积厚度与各因素的相关性

3 结果验证

为了验证淤积厚度与容重、淤积坡度和黏粒含量关系的可靠性和适用性，通过收集中外泥石流调查资料，选取表2所示泥石流沟道进行验证，结果如图8所示。

表2 野外泥石流沟道堆积参数

图8 淤积厚度野外调查值和计算值对比点

图8显示，数据的验证性总体较好，无论是容重关系拟合还是坡度关系拟合，但线性拟合关系验证性要比对数和指数拟合关系要好，71%的验证点均在±20%偏差范围内。引起偏差的原因可能有以下几点:①容重原因:室内试验的容重基本是基于小颗粒粒径(<10 mm)流体测量的，而野外泥石流中的粒径远远要大于室内泥石流粒径,因此室内小颗粒粒径筛分数据计算的密度要比实际偏小；②最大淤积厚度测量:室内试验是一次泥石流过程后测量的，即单次泥石流淤积的厚度。而野外调查的淤积厚度可能不是一次淤积的厚度，而是多次淤积厚度的叠加，因此野外泥石流淤积厚度调查值可能偏大。

4 结论

泥石流体最大淤积厚度的研究是泥石流防治流域中的一项用于指导实践的研究，特别是与黏粒矿物含量、密度和堆积坡度的研究，往往易忽视它的定量化，从而造成该研究领域的空白。从定量上分析并得出了以下的结论。

(1)同一密度下，随着堆积坡度的增大，淤积厚度呈现减小趋势。且在小坡度范围内，流体密度越大，淤积厚度越大，但当坡度超过一定范围后，淤积厚度与密度关系在相同坡度条件下区分不明显。

(2)同一坡度下,随着泥石流体密度的增大，淤积厚度呈现增大趋势，且同一密度下，流体堆积坡度越小，淤积厚度越大，但当密度越大，淤积厚度增加速率愈大。

(3)同等条件下，随着泥石流体中黏粒含量的增大，淤积厚度呈现增大趋势；同一黏粒含量下，流体容重越大，淤积厚度越大且随着黏粒含量越大，淤积厚度增加速率愈大，容重对淤积厚度的影响要大于黏粒含量的作用。

(4)通过野外泥石流文献数据验证泥石流淤积厚度与影响因素的关系，误差在20%以内的占71%，并从室内外容重的差异和泥石流淤积过程两方面对误差进行了分析，总体上该结论具有一定的准确性和可用性。