黄土滑坡型泥石流主要影响因素研究进展

张座雄　刘兴荣　王之君　王昱　马彦杰

［关键词］ 黄土滑坡型泥石流；孔隙比；湿陷性；细颗粒含量

［摘 要］ 黄土滑坡型泥石流在我国广泛分布，且具有速度快、冲击力强、破坏性大等特点，目前对其的观测与专门研究仍处于起步阶段。基于黄土的高孔隙比、强湿陷性和高细颗粒含量3个典型特征，分析其对黄土滑坡型泥石流形成的影响，结果表明：①高孔隙比使得黄土渗透速率较大，内摩擦力较小；同时，在降雨增湿过程中，黄土湿陷促使其结构性减弱，有效黏聚力快速降低，从而导致黄土抗剪强度快速降低，易产生库仑破坏。②由于细颗粒含量高，黄土液化后孔隙水压力消散较慢，使得黄土滑坡型泥石流滑距较长，堆积区颗粒组分沿纵向具有一定分选性。研究成果可为黄土滑坡型泥石流灾害防治提供参考。

［中图分类号］ P642.23［文献标识码］ C［文章编号］ 1000－0941（2023）09－0050－04

滑坡型泥石流是一种特殊泥石流，指高位滑坡在降雨或地下水作用下沿坡面滑动一段距离后，短时间内由滑动转化为流动的泥石流[1]。该类泥石流具有速度快、冲击力强、破坏性大等特点，一经提出便引起学界广泛关注。目前针对滑坡型泥石流的形成特点、成因机理研究已取得较多研究成果[2-3]，但通过黄土自身特性系统总结黄土滑坡转化为泥石流的专门研究相对较少。

据刘东生等[4]统计，我国黄土区面积约为64万km2，占陆地面积的6.6%，其厚度一般为50～80 m，最厚可达180 m。PENG  et al.[5]认为黄土性质特殊，容易导致区内黄土滑坡型泥石流灾害发生，如2018年4月19日，兰州市碱水沟暴发黄土滑坡型泥石流，致1人死亡，约120户居民不同程度受灾。因此，开展黄土滑坡型泥石流研究对于保障地区生态稳定、人民生命财产安全具有重要作用。此外，黄土物质组成以粉粒为主，结构疏松多孔，节理发育，具有湿陷性，与传统泥石流相比，黄土滑坡型泥石流运动特征及形成机理具有较明显的特殊性。

因此，本研究从黄土的孔隙比、湿陷性、细颗粒含量3个基本指标出发，探讨其对黄土滑坡型泥石流形成的影响，以期为黄土滑坡型泥石流的研究提供理论依据。

1 黄土滑坡型泥石流的影响因素

黄土滑坡型泥石流形成影响因素众多，如地形地貌、地层岩性、降雨条件等。有学者对黄土力学性能、黄土滑坡形成过程及机理进行了较深入研究[6-7]，但从黄土微观指标研究黄土滑坡转化为泥石流的相关文献几乎没有。因此，本研究以黄土的孔隙比、湿陷性、细颗粒含量等基本特性为基础，讨论三者对黄土滑坡型泥石流形成特征和机理的影响。

1.1 孔隙比对黄土滑坡型泥石流的影响

1.1.1 孔隙比与土体抗剪强度的关系

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标。根据摩尔-库仑定律，土的抗剪强度τf计算公式为

式中：σ为正应力，单位kPa；φ为土的内摩擦角，单位（°）；c为土的黏聚力，单位kPa。

土的天然密度ρ及土体自重应力σz计算公式分别为

式中：ds为土粒的相对密度；ρw为4 ℃纯水的密度，单位kg/m3；ω为土的初始含水率；e为孔隙体积与土粒体积之比，即孔隙比；g为重力加速度，单位m/s2；h为土层厚度，单位m。

徐硕昌等[8]研究发现，黄土孔隙比较大，一般为0.8～1.2，且越靠近表层越大。由以上公式可知，土的抗剪强度τf在应力作用下与孔隙比成反比，孔隙比越大抗剪强度越小。

1.1.2 孔隙比与土体渗透性的关系

土的渗透系数表征土体被水透过的能力，是研究入渗过程的重要参数。研究表明，孔隙分布是渗透系数最主要的影响因素。砂性土、黏土中应用较多的渗透系数与孔隙比的公式[9]为

式中：k为土的渗透系数，单位m/s；C为渗透参数，单位m/s；m为经验指数，对一般软土而言m的平均值为5[10]。

黄土为非饱和土，其垂直入渗规律可采用广义达西定律描述，公式为

式中：v为斷面平均渗透速度，单位m/s；ψ为土水势，以水头表示，单位m；z为垂直渗透距离，单位m。

将公式（4）代入公式（5）得到孔隙比与渗透速度关系式为

公式（6）表明土的渗透速度与孔隙比呈指数递增关系，且已有研究证实与低孔隙度的土相比，黄土入渗速度更快[11]，而且黄土普遍节理发育，雨水沿节理裂隙能较快向深部入渗。

1.2 湿陷性对黄土滑坡型泥石流的影响

黄土的湿陷性指在一定压力作用下，黄土被水浸湿后，结构迅速破坏而产生显著附加沉陷的特性。当前缺乏湿陷性对黄土滑坡型泥石流影响的直接研究，笔者只能通过已有的黄土湿陷性与土体强度的相关研究，间接推论黄土湿陷性在滑坡型泥石流形成与转化过程中发挥的作用。

黄土增湿后抗剪强度降低是导致土体结构破坏的主要原因。张茂花等[12]在增湿条件下对原状非饱和Q3黄土进行固结不排水三轴剪切试验，发现其抗剪强度并不完全符合摩尔-库仑强度准则，以此推断，受结构强度影响，其规律表现为两条直线组成的折线，公式为

式中：φ1为结构发挥段的内摩擦角，单位（°）；φ2为结构丧失段的内摩擦角，单位（°）；σc为结构临界点的法向应力，单位kPa。

张茂花等[12]同时指出，分段规律只在低含水率下成立，在高含水率下结构强度丧失，强度包线退化为符合摩尔-库仑理论的直线。此外，研究表明[13]，随着土体含水量增加，非饱和黄土在胶溶作用和水分楔入作用下，黄土黏聚力减弱，甚至丧失，相应的内摩擦角也减小。

湿陷性表现形式主要为暗穴、落水洞、冲沟等。占样烈[14]对山西临县湿陷性黄土滑坡机理进行了梳理，认为由于边坡底部具有较强的隔水层，黄土洞穴形成的排水通道易于水体在接触面富集，导致土体软化，形成软弱易滑带。苏生瑞等[15]认为，在雨水入渗作用下，湿陷性黄土边坡洞穴逐渐扩大，并发生水力联系，内部滑动面逐渐贯通，最终诱发较大规模的滑坡。ZHANG et al.[16]对灌溉诱发的黄土流滑进行研究，认为灌溉水通过陷穴入渗使得坡底完全饱和，是产生液化垫层的重要原因。

湿陷性主要受控于坡体增湿过程。图1为湿陷坡体破坏示意图，随着坡体含水量的增加，黄土结构性快速瓦解，产生较大的湿陷体积变形，进而发育为各种黄土洞穴，待土的结构性完全丧失，在剪应力作用下产生剪切变形，数个洞穴在剪应力和水流作用下产生贯通滑动面，若水体持续入渗使得底部接近饱和液化，可能诱发黄土流滑，进而转化为泥石流。

1.3 细颗粒对黄土滑坡型泥石流的影响

黄土在我国北方广泛分布，各地黄土颗粒组分有所区别，按颗粒组分不同可分为砂黄土、粉黄土、黏黄土等多种类型，但基本以细颗粒（＜0.075 mm）为主。黄土的高细颗粒含量特性对滑坡型泥石流的形成、转化、堆积均有其特殊影响。鉴于颗粒含量对黄土滑坡的影响前人所作研究已较为全面，本研究重点分析滑坡型泥石流转化、堆积过程。

1.3.1 细颗粒对滑坡转化为泥石流的影响

PENG et al.[17]对甘肃天水大沟村黄土滑坡型泥石流的形成条件及过程进行了细致研究，认为液化效应是黄土滑坡转化为泥石流的主要机理。HU et al.[18]对原因不同的细颗粒含量堆积体运动过程进行室内模拟，观察到细颗粒含量越高、滑距越长，滑体越接近流态。他们认为随细颗粒含量增加，饱和导水率下降，孔压消散较慢，高孔压能维持较长时间，使得滑体较易液化。可见，液化是黄土滑坡转化为泥石流的主要内因。同时，细颗粒含量在液化过程中也具有重要作用。高细颗粒含量营造出良好不排水条件，使得边坡失稳产生的超孔隙水压逐步扩散至周围土体，加之滑动过程中水体持续补充，最终导致滑坡体转化为泥石流。

1.3.2 细颗粒对滑坡型泥石流堆积的影响

黄土滑坡型泥石流的主要固体物源为一次或次级滑坡堆积体，因此此类泥石流多为一次性滑动堆积[1]。例如，PENG et al.[17]发现流滑体对沟岸剧烈侧蚀诱发次级滑坡，混合沉积物在雨水作用下饱和液化，转化为黏性泥石流在沟口堆积。堆积体平面形态呈长矩形，物质组成以黄土为主夹杂少量碎石，横向无分选和层理，但在纵向存在一定分选性。这主要是因为细粒土孔压消散较慢，在粗粒停积后，细粒继续保持了惯性滑移运动。

2 黄土滑坡型泥石流的形成机理分析

结合黄土的高孔隙比、强湿陷性、高细颗粒含量对滑坡型泥石流影响的分析结论，初步探讨黄土滑坡型泥石流的形成机理。图2为黄土滑坡型泥石流形成过程示意。

如图2（a）所示，在水体入渗过程中，黄土中广泛存在的孔隙通道便于水体入渗，土体含水量剧增，有效黏聚力降低，达到临界含水量后土体结构性完全丧失，产生湿陷变形，进而使上下地块连通，形成黄土洞穴，促使水体向更深层入渗，在坡体内部形成软弱滑动面；同时，坡体细颗粒在渗透作用下易于发生起动拖拽，形成稳定的渗流通道，随着土体下滑力不断增大，抗剪强度不断减小，最终边坡沿软弱易滑面发生库仑剪切破坏，产生较大滑坡。

如图2（b）所示，滑坡体底部接近饱和，含水量由下到上递减，在滑坡体运动过程中，高孔隙比导致黄土易发生剪缩，产生高孔压。

如图2（c）所示，滑体运动过程中，细颗粒营造出良好不排水条件，减小了与床面摩擦带来的动能损失，使得滑坡体能保持较高速、长距离滑移运动，土体在滑动中拌和雨水发生液化，转化为高速黏性泥石流。

如图2（d）所示，泥石流流至下游开阔地或较宽沟谷停留、堆积，完成滑坡型泥石流运动过程。

黄土滑坡型泥石流的形成影响因素众多，且各因素之间存在复杂的耦合关系。黄土的孔隙比、湿陷性、细颗粒含量之间也具有深刻的内在联系，三者共同作用效应对滑坡型泥石流的影响是以后研究的重点。

3 结论

本研究联系黄土的高孔隙比、强湿陷性、高细颗粒含量3个基本特性，综述现有研究成果，分析其对滑坡型泥石流形成过程的影响，得出以下结论：

1）黄土的高孔隙比，使其內摩擦力较低，同时降雨增湿过程中，湿陷性促使其结构性减弱，有效黏聚力随含水量增加也降低，在二者共同作用下抗剪强度降低，产生库仑破坏。若足量雨水沿陷穴继续入渗，坡体内部软弱滑面贯通易诱发滑坡，进而可能演化为泥石流。

2）由于细颗粒含量高，黄土液化后孔压消散较慢，使得黄土滑坡型泥石流滑距较长，因此堆积区颗粒组分沿沟道纵向具有一定分选性。

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收稿日期： 2022-08-30

基金项目： 国家自然科学基金项目（42067066）；甘肃省2021年度重点人才项目（2021RCXM066）；甘肃科学院应用研究与开发项目（2021JK-07）

第一作者： 张座雄（1997—），男，江西鄱阳人，硕士研究生，主要研究方向为地质灾害防治。

通信作者： 刘兴荣（1979—），男，甘肃靖远人，研究员，硕士，主要研究方向为地质灾害防治。

E-mail：1781795556@qq.com

（责任编辑 杨傲秋）