颗粒组分对泥石流形成形态影响研究

周健　王连欣　贾敏才　李业勋

摘要：利用自主设计的小比例尺模型槽，采用粗砂（1～2 mm）和细砂（0.075～0.25 mm）按照不同质量比例制作模型，在人工降雨条件下研究了不同的颗粒组分对砂性土泥石流形成形态的影响.模型试验研究发现，随着细砂含量由20%增加至100%，泥石流破坏形态由分级块体滑落向整体流滑型转变.利用GeoDog软件分析位移场，利用孔压计测量孔压变化.研究发现：分级块体滑落破坏过程存在明显的潜在滑动面的发展，孔压随裂缝的产生而耗散、随雨水渗入裂缝而升高，呈波浪式下降；整体流滑型突发性强，破坏前没有明显滑动面出现，孔压呈一次性陡降.通过测定启动过程单位时间启动量发现，流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑落型.分层块体滑落形成机理为土体渗透系数大，雨水快速渗透破坏坡脚，使上部土体失去支撑而分层坍塌；流滑型破坏机理为土体渗透系数小，后部高度饱和呈流态化推动坡脚土体快速下滑.基于室内模型试验，初步分析了缩尺试验条件下降雨诱发泥石流形成形态机理，为降雨诱发泥石流的进一步研究提供参考.

关键词：泥石流；颗粒组分；降雨

中图分类号：P64 文献标识码：A

我国幅员辽阔，山川河流众多，地形地貌复杂，泥石流危害也就较为严重.泥石流能够携带大量泥砂和砾石，水土混合物携带着巨大能量汹涌而下，极具破坏性.特别是云贵川等地，山川众多，泥石流灾害频频发生，给人民的生命财产造成非常严重的损失.泥石流研究有重大的现实意义.

国内外学者对泥石流进行了许多研究并取得了一定成果.Hungr O[1]对泥石流、碎屑崩、流滑3种自然现象进行了区分.陈晓清[2]把泥石流全过程划分为启动过程、流动过程和堆积过程：启动就是准泥石流体转化为泥石流体.Wang G和Sassa K[3]对不同粒径的两种硅砂（D50=0.13 mm和D50=0.05 mm）进行降雨诱发泥石流试验，分析滑动距离与土体内孔压的关系.Yang W M等[4]基于野外调查和室内测试分析，从坡面型泥石流形成的影响因素、运动学特征、动力条件、形成与演化过程等方面，探讨了降雨诱发坡面型泥石流的形成机理.

本文利用自主设计的小比例尺室内模型槽试验，用砂土制作模型，在降雨条件下研究颗粒组分对砂性土泥石流形成形态的影响.利用GeoDog程序分析数码相机拍摄的土体破坏过程图像，分析土体位移场、滑动带形成位置和演化规律.利用孔压计跟踪土体破坏过程孔隙水压力的变化，从水土相互作用角度分析土体不同破坏形态.通过测量启动过程单位时间启动量，分析了颗粒组分对单位时间启动量影响.通过小比例尺室内模型试验，探究了降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响机理.

1模型试验

1.1试验土样

模型试验采用1～2 mm和0.075～0.25 mm两种颗粒粒径砂土按不同质量比例配比制作模型.试验降雨量强度4 mL/min.参照高冰[5]等学者的研究，本次试验土体选用初始含水量5%、密实度0.43制作模型，土体自稳能力强、试样松散防止结块.模型试验进行细砂含量20%～100%共8组试验.土样级配曲线以及渗透系数见图1和图2.

1.2试验模型

根据《中国泥石流研究》[6]，坡体坡度>45°多发生崩塌型破坏，坡度为25°～45°多发生滑坡型破坏.本文主要研究滑坡型泥石流，因此设定坡度25°.制作试验模型高度H=100 mm，宽度B=250 mm，长度L=300 mm+250 mm=550 mm.加工制作模型槽，尺寸为1 500 mm×400 mm×250 mm，模型槽两侧和后壁均采用光滑钢化玻璃，底部用木板模拟坡体基岩，并用聚氨酯在底部粘结砂土颗粒模拟边界.模型试验装置示意图如图3.降雨器通过空气压缩器加压，由流量计控制出水量，降雨喷头采用雾化喷头，雨滴细小、降雨均匀，减小了雨滴对表层土体的侵蚀.

Lourenco[7]认为在人工降雨作用下，土体破坏模式受到边界条件影响.本文重点研究浅层砂土在降雨条件下发生破坏并产生流动下滑的泥石流形态.为防止降雨直接冲刷坡脚，采用三角斜坡的方式固定上部浅层土体以阻止其下滑，达到简化研究对象的目的.试验中人工降雨只发生在上部土体表面，没有降落至三角斜坡坡面.

由模型试验现象可以发现随着细砂含量由20%增大至100%，模型土体破坏形态由分级块体滑落向整体流滑型破坏转变.分层块体滑落和整体流滑型破坏为泥石流两种典型破坏形态.以下章节将针对这两种典型破坏形态进行深入研究.

3颗粒组分对泥石流破坏形态影响

室内模型试验发现随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.以下分别通过细砂30%和70%分析颗粒组分对泥石流典型破坏形态影响.

3.1试验过程土体典型破坏形态

图9细砂70%位移云图表明：土体破坏特征为整体瞬时滑动，后部土体位移大，推动前部土体滑动，与细砂30%位移场明显不同.开启降雨300 s时，试样处于雨水入渗阶段，土体主要发生竖向位移，最大位移达到2.3 mm，如图9（a）.降雨350 s时雨水已经达到底部，并开始在水平方向的渗透如图9（b）.降雨365 s时中部土体剪切变形不断扩大，最大9 mm，如图9（c）.随着降雨继续，坡脚三角区域土体强度降低，后部矩形区域渗透力不断增大，土体产生大变形，呈流态状，推动前部土体快速向下滑动，从而发生流滑现象.整个位移场分析中，未见到明显的滑动面.

根据细砂含量60%～100%土体模型试验结果可知，整体流滑型破坏机理为土体渗透系数小，坡脚上部土体高度饱和、呈流态化，推动下部坡脚土体快速流动形成泥石流.对比两种破坏形态，雨水在土体中的入渗速度对土体破坏影响明显，而入渗速度取决于土体的渗透系数.渗透系数是泥石流形成的关键影响因素.

本次模型试验分析了颗粒组分对泥石流形成形态的影响.模型试验土层厚度薄，还不能完全反映现实情况下泥石流的形成，但是可以定性分析泥石流形成机理，在泥石流破坏形态和破坏机理研究中能够提供一些有意义的借鉴.

5结语

通过自主设计研发的小比例尺室内模型槽试验，借助相关测量设备，研究了人工降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响，得到以下结论：

1）降雨条件下，细颗粒含量小于30%时，雨水可以较好地从土体排除，从而形成稳定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%发生分级块体滑落；60%～100%土体发生整体流滑型破坏；40%～60%破坏形式复杂，为过渡形式.

2）发生分级块体滑落试验土体试验中有明显的裂缝的出现和发展，裂缝出现伴随着孔压的耗散和减小，雨水渗入裂缝导致孔压再次升高，孔压呈现出波浪起伏减小特点；整体流滑破坏土体试验中没有明显裂缝的发展，孔压变化呈一次性瞬时陡降.

3）流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑动破坏，并且存在一个最优的颗粒组分，在降雨条件下渗透力相对较大同时基质吸力减小也相对较大，从而使得泥石流最容易发生，灾害规模最大.

4）随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.分级块体滑落破坏形成机理是土体渗透系数较大，雨水快速渗透使坡脚发生破坏，上部土体失去坡脚支撑发生坍塌，发生分层块体滑落.整体流滑型破坏形成机理是土体渗透系数小，坡脚干燥而坡脚后部土体高度饱和呈流态化，后部土体推动前部坡脚土体快速流动而形成整体流滑破坏.

参考文献

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陈晓清. 滑坡转化泥石流起动机理试验研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，张姣. 泥石流启动过程中水土作用机理的宏细观分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中国泥石流研究[M].北京：科学出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.

5结语

通过自主设计研发的小比例尺室内模型槽试验，借助相关测量设备，研究了人工降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响，得到以下结论：

1）降雨条件下，细颗粒含量小于30%时，雨水可以较好地从土体排除，从而形成稳定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%发生分级块体滑落；60%～100%土体发生整体流滑型破坏；40%～60%破坏形式复杂，为过渡形式.

2）发生分级块体滑落试验土体试验中有明显的裂缝的出现和发展，裂缝出现伴随着孔压的耗散和减小，雨水渗入裂缝导致孔压再次升高，孔压呈现出波浪起伏减小特点；整体流滑破坏土体试验中没有明显裂缝的发展，孔压变化呈一次性瞬时陡降.

3）流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑动破坏，并且存在一个最优的颗粒组分，在降雨条件下渗透力相对较大同时基质吸力减小也相对较大，从而使得泥石流最容易发生，灾害规模最大.

4）随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.分级块体滑落破坏形成机理是土体渗透系数较大，雨水快速渗透使坡脚发生破坏，上部土体失去坡脚支撑发生坍塌，发生分层块体滑落.整体流滑型破坏形成机理是土体渗透系数小，坡脚干燥而坡脚后部土体高度饱和呈流态化，后部土体推动前部坡脚土体快速流动而形成整体流滑破坏.

参考文献

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陈晓清. 滑坡转化泥石流起动机理试验研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，张姣. 泥石流启动过程中水土作用机理的宏细观分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中国泥石流研究[M].北京：科学出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.

5结语

通过自主设计研发的小比例尺室内模型槽试验，借助相关测量设备，研究了人工降雨条件下颗粒组分对泥石流形成形态影响，得到以下结论：

1）降雨条件下，细颗粒含量小于30%时，雨水可以较好地从土体排除，从而形成稳定的排水通道，泥石流不再形成；30%～40%发生分级块体滑落；60%～100%土体发生整体流滑型破坏；40%～60%破坏形式复杂，为过渡形式.

2）发生分级块体滑落试验土体试验中有明显的裂缝的出现和发展，裂缝出现伴随着孔压的耗散和减小，雨水渗入裂缝导致孔压再次升高，孔压呈现出波浪起伏减小特点；整体流滑破坏土体试验中没有明显裂缝的发展，孔压变化呈一次性瞬时陡降.

3）流滑型破坏单位时间启动量大于分级块体滑动破坏，并且存在一个最优的颗粒组分，在降雨条件下渗透力相对较大同时基质吸力减小也相对较大，从而使得泥石流最容易发生，灾害规模最大.

4）随着颗粒组分变化，泥石流有两种典型破坏形态：分层块体滑落和整体流滑型破坏.分级块体滑落破坏形成机理是土体渗透系数较大，雨水快速渗透使坡脚发生破坏，上部土体失去坡脚支撑发生坍塌，发生分层块体滑落.整体流滑型破坏形成机理是土体渗透系数小，坡脚干燥而坡脚后部土体高度饱和呈流态化，后部土体推动前部坡脚土体快速流动而形成整体流滑破坏.

参考文献

[1]HUNGR O， EVANS S G， BOVIS M， et al. Review of the classification of landslides of the flow type [J]. Environmental and Engineering Geoscience， 2001， （Ⅶ） ： 221-238.

[2]陈晓清. 滑坡转化泥石流起动机理试验研究[D]. 成都： 西南交通大学， 2006： 21-25.

[3]WAND G， SASSA K. Porepressure generation and movement of rainfallinduced landslides： Effects of grain size and fineparticle content[J]. Eng Geol， 2003，69： 109-125.

[4]YANG W M， WU S R， ZHANG Y S， et al. Research on formation mechanism of the debris flow on slope induced by rainfall[J]. Earth Science Frontiers， 2007， 14（6）： 197-204.

[5]高 冰， 周 健，张姣. 泥石流启动过程中水土作用机理的宏细观分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2011，30 （12）： 2567-2573.

[6]康志成， 李焯芬. 中国泥石流研究[M].北京：科学出版社，2004：41.

[7]LOURENCO D N， SASSA K， FUKUOKA H. Failure process and hydrologic response of a two layer physical model ： Implications for rainfallinduced landslides[J].Geomorphology， 2006， 73： 115-130.

[8]SASSA K. The mechanism of debris flows[C]// Proceedings of the XI international conference on soil mechanics and foundation engineering. SanFrancisco：A. A. Balkema， Rotterdam， 1985：37-55.