泥石流“锚杆－护坡”防治模型试验宏细观机理＊

周 健，李业勋，张 姣，王连欣

（1.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3.上海城市管理职业技术学院 土木工程与交通学院，上海 200432）

泥石流具有爆发突然、历时短暂、来势凶猛和破坏力巨大等特点，给当地环境和人类生活造成巨大影响.特别是2010年8月7日甘肃舟曲爆发特大型泥石流以来，泥石流及其防治受到更多关注，成为目前的热点科研课题之一.

国内外学者对泥石流及其防治进行了许多研究并取得了一定成果[1－11］.López S等[12］基于 1999年委内瑞拉泥石流灾害，比较分析了非工程防治措施和工程防治措施效果的差别.陈宁生等[13］通过对中国西南山区岩土工程和生物工程措施综合防治的调查发现岩土工程措施的直接效益是拦蓄泥沙和调节泥石流固体物质总量.李峰等[14］采用室内模拟实验研究了稀性泥石流拦挡坝坝高和沟床纵比降对坝后回淤坡度的影响.文联勇等[15］以文家沟泥石流为基础，详细论证了排导、拦挡、固源和截水分流等措施在该泥石流沟防治工程中的效果和局限性，论证了“水石分离”综合治理措施的可行性和治理效果.陈晓清等[16］提出了钢筋混凝土框架＋浆砌石坝体式泥石流拦砂坝和预制钢筋混凝土箱体组装式拦砂坝的新型泥石流拦挡结构.在水土作用机理方面，高冰等[17］采用室内模型试验对泥石流启动过程中的水土作用机制进行了分析.以上成果大部分从宏观层面上对泥石流及其防治进行研究，从细观尺度探讨泥石流防治机理的研究较少.

本文利用“锚杆固定大面积护坡”进行滑坡型泥石流防治室内模型试验，研究滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治的宏细观机理.利用无标点数字图像量测技术和模型内埋设的高精度测试传感器，分析坡体变形、单位时间雨水渗出量和孔隙水压力等宏观变化.采用可视化细观测试系统分析了颗粒在“锚杆－护坡”防治下的运动规律，从细观尺度探讨“锚杆－护坡”防治下模型试验坡体结构的变化.最后，综合“锚杆－护坡”防治试验现象、孔隙水变化、细观颗粒运动和坡体结构变化总结了滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治模型试验的宏细观机理.

1 滑坡型泥石流防治室内模型试验

1.1 室内模型试验装置

1.1.1 泥石流发生模型槽

泥石流发生模型槽如图1所示，宽度为25cm，深度为40cm，1级和2级坡底长度均为75cm.1级和2级坡底与水平面的夹角分别为35°和15°[18］，泥石流在1级坡体上启动发育，在第2级坡体上流通.

图1 滑坡型泥石流防治模型设备示意图Fig.1 The sketch map and flume model of debris flow on slope prevention

1.1.2 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，试验过程中人工降雨强度保持为1mm/min.

1.1.3 数据采集设备

数据采集设备由数字图像采集、细观图像采集等部分构成.数字图像采集采用Canon 350D数码相机拍摄；细观图像采集采用Dino－life Digital Microscope（放大倍数为0～200倍）采集.

1.2 室内模型试验材料

根据泥石流堆积区现场土样粒径筛分结果，采用等量代替法将粒径大于2mm的颗粒等量代换为粒径为2mm的颗粒，按照现场土样的粒径分布配置试验砂样（图2和表1）.试样初始含水量为5%，通过3组常水头试验测定试样的渗透系数k＝0.005cm/s，标准差σ＝0.001.试验坡体厚度为10 cm，宽度为25cm，上表面长度为60cm，相对密度为Dr＝0.43.

图2 砂土试样级配曲线Fig.2 The grading curve of sandy sample

表1 砂土试样的物理参数Tab.1 The physical parameters of sandy sample

1.3 滑坡型泥石流防治模型试验方案

前期研究表明，滑坡型泥石流是从坡脚开始发生分层滑动，在2级坡体以水土混合体的形态流动形成泥石流.

网状植被护坡工程和锚固工程[19］是治坡工程措施之一，钢筋混凝土格构式锚杆挡墙[20］是滑坡防治中的工程措施之一.本文从控源防灾角度出发，结合泥石流治坡和滑坡治理的工程措施，设计“锚杆固定大面积护坡”进行滑坡型泥石流防治室内模型试验，主要适用于坡体浅层破坏进而引发泥石流的工程防治.试验过程中采用“锚杆－护坡”防治（图3）坡体下部，减少泥石流形成所需的松散土体，以降低大规模滑坡型泥石流的发生几率.试验采用的护坡模型为有机玻璃制作.

图3 “锚杆－护坡”防治试验模型图Fig.3 The experimental test of anchor and slope protection

表2为护坡模型参数，护坡防治深度为1cm（坡体厚度的10%）.试验中采用拉绳拉结护坡来模拟锚杆锚固.

表2 护坡尺寸参数Tab.2 The physical parameters of slope protection cm

2 滑坡型泥石流防治试验结果分析

利用高清数码成像设备对滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治模型试验过程进行观测，分析坡体变形、单位时间雨水渗出量和孔隙水压力等宏观变化.

2.1 滑坡型泥石流及防治试验现象分析

图4为滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治的试验现象.根据图4滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治过程表现为入渗软化、孔隙水积蓄、蠕动密实和相对稳定4个阶段.入渗软化阶段，雨水入渗导致含水量增加，坡体软化并出现表面沉降，在本阶段后期有少量清水从坡脚渗出，见图4（a）.孔隙水积蓄阶段，孔隙水在坡体中积蓄，坡体重量增加导致出现张拉裂缝，形成潜在的软弱面，见图4（b）.蠕动密实阶段，坡体发生若干次小规模蠕动，坡体在蠕动中逐渐密实，见图4（c）.相对稳定阶段，经过小规模蠕动后坡体到达相对稳定，坡体结构不再变化，雨水可以自由排出，见图4（d）.

图4 滑坡型泥石流防治的试验现象Fig.4 The process of debris flow on slope prevention

对比滑坡型泥石流护坡防治与未防治的试验参数，如表3所示，防治后坡体的初始滑动时间延缓了30%，最终滑动量减小了84%，“锚杆－护坡”防治减缓了滑坡型泥石流爆发.这主要是因为“锚杆－护坡”防治改变了坡体的变形机制，“锚杆－护坡”在坡体表面形成了一个滤水固土的拉索网，使雨水自由排出而限制了土体滑动.坡体未发生分层滑动而形成大量的松散土体，不能形成大规模的泥石流.

表3 滑坡型泥石流防治与未防治参数表Tab.3 The parameters before and after the debris flow on slope prevention

2.2 滑坡型泥石流防治单位时间雨水渗出量分析

单位时间雨水渗出量为单位时间内雨水从坡体中的渗出体积，试验通过对比分析单位时间内降雨量和雨水渗出量来分析坡体内雨水的积蓄情况.

图5为滑坡型泥石流防治前后坡体的单位时间雨水渗出量.由图5可知，单位时间雨水渗出量随时间的增加而逐渐增大，最后与降雨量达到动态平衡.

在入渗软化阶段（0～170s）的后期，有少量雨水渗出，雨水在坡体内积聚，坡体含水量增加；在孔隙水积蓄和蠕动密实阶段（170～520s），坡体出水量从20mL/min快速增加到520mL/min，单位时间内雨水渗出量接近降雨量，滞留在坡体内雨水逐渐减小；在相对稳定阶段（520～700s），单位时间内坡体雨水渗出量达到600mL/min，雨水渗出量和降雨量已经达到动态平衡，表明坡体内部已经形成稳定的过水通道，雨水已不在坡体内积聚.坡体的单位时间雨水渗出量变化曲线也反映了降雨使孔隙水在坡体内部积蓄，改变了坡体含水量，土体湿重度增加、抗滑强度减小，导致坡体发生滑动.

图5对比了滑坡型泥石流形成试验中坡体在单位时间雨水渗出量，护坡防治前后坡体的单位时间内雨水渗出量变化和规律基本相同，表明在坡体表面进行“锚杆－护坡”防治后并没有造成雨水在坡体内的大规模滞留，没有影响坡体排水.

图5 单位时间雨水渗出量Fig.5 The exudation amount of rain water per unit time

2.3 滑坡型泥石流防治孔隙水压力分析

孔隙水压力影响了坡体变形和颗粒运动，因此，在试验过程中坡体底部布置了6（1＃～6＃）个孔隙水压力测点，测点位置见图1.图6为各测点孔隙水压力随时间的变化曲线.

图6 孔隙水压力变化曲线Fig.6 The curve of pore water pressure

在入渗软化阶段（0～170s），浸润线还没有达到坡体底部，6个观测点的孔隙水压力均为0；孔隙水积蓄阶段（170～335s），2＃～6＃观测点孔隙水压力依次增大，而1＃观测点孔隙水压力依然为0；蠕动密实阶段（335～520s），孔隙水压力在340s出现大幅增长，平均增长值为0.29kPa，坡体前方的孔隙水压力大于后方的孔隙水压力，坡体发生第1次蠕动；相对稳定阶段（520～700s），孔隙水压力基本趋于稳定，3＃～6＃观测点孔隙水压力相近，约为0.83kPa，2＃观测点的孔隙水压力为0.69kPa，1＃观测点孔隙水压力出现小幅度增加达到0.36kPa.

坡体内部孔隙水压力变化说明：孔隙水在坡体内积蓄，导致孔隙水压力增大，坡体的抗滑强度减小，最终坡体发生变形和蠕动.坡体发生蠕动后，由于“锚杆－护坡”的滤水固土作用，坡体滑移规模较小.经过若干次蠕动，坡体的雨水渗出量和降雨量达到动态平衡后，孔隙水压力最终也趋于平衡，坡体达到相对稳定状态.

2.4 滑坡型泥石流防治水土作用细观分析

为了进一步研究滑坡型泥石流 “锚杆－护坡”防治过程中水土作用的细观机理，试验选择在颗粒移动和位移场变化较大的断面上1＃，2＃，3＃点进行细观观测，从细观尺度探讨滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治下水土作用机制.1＃，2＃和3＃点距坡底高度分别为2.5cm，5.0cm 和7.5cm，如图7所示，观测区域的面积为10mm×10mm，放大倍数50.

图7 细观观测区域在坡体位置Fig.7 The micro observation area in experimental slope

2.4.1 不同区域内细观颗粒变化分析

通过试验过程中对不同深度细观观测区域（1＃，2＃，3＃点）的细观观测表明：坡底处细颗粒比例较大，坡体上方细颗粒比例较小，细颗粒含量随观测区域距坡底高度的增加而逐渐减小（图8）.

1＃细观观测区域[图8（a）］距坡底2.5cm，细颗粒沉积比较明显，细颗粒基本填充了全部的颗粒空隙，细颗粒所占比例较大.2＃细观观测点[图8（b）］距坡底5.0cm，细颗粒所占比例小于1＃细观观测点.在2＃细观观测区域的粗实标记线附近可以观测到细颗粒沉积的分界线.分界线以上土体以粗颗粒为主；分界线以下细颗粒沉积，细颗粒含量较大且土体接近饱和.3＃细观观测区域[图8（c）］距坡底7.5cm，土体以粗颗粒为主，细颗粒含量最小.

图8 不同高度细观观测区域观测图片Fig.8 The micro－picture of different micro－area

颗粒细观运动分析表明：细颗粒随着雨水渗透下沉，因“锚杆－护坡”的滤水固土作用，细颗粒在坡体底部沉积并填充了粗颗粒骨架之间的空隙，提高了土体密实度；坡体上部细颗粒流失，粗颗粒构成土体骨架.

2.4.2 细颗粒沉积效应分析

由图8（b）可知，坡体中细颗粒沉积的分界线以上土体以粗颗粒为主，分界线以下细颗粒含量较大且土体接近饱和.通过对试验过程中细颗粒沉积线的细观观测，绘制出不同时间的细颗粒沉积线，如图9所示.图9中第1个细颗粒沉积线的起始时间为190s，根据试验时间共绘制了10条细颗粒沉积线.

图9 不同时间细颗粒沉积线Fig.9 The distribution map of seepage face

由图9可知，细颗粒沉积线基本平行于第2级坡体平面，并随时间的增加而逐渐增高.入渗软化阶段（0～170s），浸润线还没有达到坡底，没有出现细颗粒沉积；孔隙水积蓄阶段（170～335s），细颗粒沉积，坡体内出现第1个细颗粒沉积线，且细颗粒沉积线逐渐上升；蠕动密实阶段（335～520s），细颗粒沉积线在340s出现大幅升高，这与孔隙水压力的增长趋势基本相同，随后细颗粒沉积线又继续缓慢上升且主要集中在坡体后方；相对稳定阶段（520～700s），细颗粒沉积线基本趋于稳定，仅有小幅度增高，坡体雨水渗出量和降雨量达到动态平衡，坡体中水的细颗粒沉积线基本趋于稳定.

3 滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治的宏细观机理

根据滑坡型泥石流防治的宏细观试验研究，结合试验过程中水体的渗透规律和坡体结构变化，从细观尺度总结了滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治机制的宏细观机理.滑坡型泥石流“锚杆－护坡”防治过程中，坡体中存在一条细颗粒沉积线，如图10所示.坡体中水土的运动以细颗粒沉积线为界限分为2种形式：水在颗粒中渗透和颗粒在水中浮动.

细颗粒沉积线以上土体饱和度较小，孔隙水以弱结合水或者毛细水的形式附着在颗粒表面，在颗粒表面形成一层水膜[见图8（c）］.随着降雨的持续，水膜厚度和体积越来越大，一方面导致坡体重度增加，颗粒间摩擦力减小，土体发生软化变形，宏观表现为表层沉降；另一方面，水体在自重应力作用下沿着颗粒与颗粒之间的接触点传递，将一部分水体传给下一个颗粒，即水体以竖直方向为主在颗粒之间渗透，见图10中细颗粒沉积线以上所示的渗透方向.细颗粒沉积线以下土体接近饱和，孔隙水在坡体中以连续流体形态流动[见图8（a）］.由于水的浮力和渗流力，部分细颗粒发生悬浮或下沉过程中在水流的带动下随水流以平行坡底向下方向移动，类似于颗粒在水中浮动，见图10中细颗粒沉积线以下所示的渗流方向.

图10 水土作用机理示意图Fig.10 The schematic diagram of water－soil interaction

细颗粒随着雨水渗透下沉，然后随着渗流在粗颗粒骨架之间流动，最后受到护坡滤水固土作用而在坡体前方沉积，填充了粗颗粒骨架之间的孔隙.细颗粒沉积堵塞了颗粒间的空隙，减小了过水断面的面积，在坡体下方形成一种沉积堵塞效应.这种沉积堵塞效应宏观上表现为雨水渗出量小于降雨量，造成孔隙水在坡体内部积蓄，孔隙水压力增加，细颗粒沉积线升高.最后，颗粒间的摩擦力和滑动摩擦力因含水量增加而减小，土体抗剪强度降低.当孔隙水积蓄到一定程度，所产生的下滑分力大于坡体的抗滑分力时，坡体发生蠕动.

坡体发生蠕动时，坡体中积蓄的孔隙水得到释放并冲击颗粒一起运动.但“锚杆－护坡”在泥石流发生坡体表面形成一个拉索网，使水从坡体中排出，而阻挡了坡脚土体滑动.坡脚土体在后方土体的滑动势能挤压下密实，后方坡体受到坡脚土体的支撑而保持稳定或仅发生小规模蠕动.经过若干次小规模蠕动，土体的滑动在“锚杆－护坡”滤水固土作用下逐渐密实，最后就形成了“底部细颗粒积聚密实，上部粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构，见图10.

在图10所示的相对稳定结构中，坡体上层以粗颗粒为主构成颗粒骨架，上部粗颗粒骨架达到稳定状态，颗粒间空隙较大透水性好，不会造成孔隙水积聚.坡体下层以细颗粒为主，经过前期小规模蠕动，细颗粒填充了颗粒间的空隙，导致下层坡体的透水性相对较差，但土体已经基本到达饱和状态，坡体的含水量不再增加.因此，在“锚杆－护坡”防治下，坡体形成“底部细颗粒积聚密实，上部粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构，坡体含水量保持稳定，坡体产生再次滑动并形成泥石流的几率较小.

滑坡型泥石流为稀释的土石混合物，本文研究不考虑粉土与黏土等细粒土，将其简化为颗粒介质开展研究，揭示理想状况下“锚杆－护坡”防治的宏细观机理.而且室内模型试验条件有限，试验坡体较薄，不可能完全模拟现场实际工程条件.因此，在后续研究中，将结合离心机模型试验和现场试验深入探讨滑坡型泥石流防治效果和机理.

4 结 语

根据“锚杆固定大面积护坡”进行滑坡型泥石流防治室内模型试验，研究了滑坡型泥石流防治的宏细观机理，得出如下结论：

1）滑坡型泥石流坡体进行“锚杆－护坡”防治后，“锚杆－护坡”限制了坡体的变形和位移，坡体发生入渗软化和小规模蠕动，坡体未发生分层滑动而形成滑坡型泥石流.

2）坡体的雨水渗出量和降雨量差异造成孔隙水在坡体内积蓄，孔隙水压力增大、颗粒间滚动摩擦力和滑动摩擦力减小、坡体的抗滑强度降低，导致坡体发生变形和小规模蠕动.

3）“锚杆－护坡”防治下水土细观运动分为：水在颗粒中渗透和颗粒在水中浮动.细颗粒沉积线以上水体在颗粒之间渗透；细颗粒沉积线以下细颗粒发生悬浮随水流平行坡底浮动.

4）在模型试验中，“锚杆－护坡”的滤水固土作用减小了颗粒运动，坡体形成了“底部细颗粒积聚密实，上部粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构，减小了滑坡型泥石流发生几率.

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