典型地震扰动区泥石流堆积体工程特性及其启动机制

向灵芝+杨为民范玮佳

摘要：地震扰动区内的高山峡谷地区，斜坡易发生崩塌、滑坡，堆积在坡面或沟谷内。雨水入渗导致堆积土体饱和度增加，强度衰减，继而诱发泥石流启动。都汶公路沿线和甘肃舟曲泥石流沟汇水区松散堆积体的物理力学特性试验结果表明，两组泥石流土体细粒含量少，均为宽级配不均匀粉土质砾石土。当舟曲泥石流堆积土含水率增至15%～18%时，都汶土含水率增至12%～15%时，土体黏聚力骤减，暗示土体强度丧失存在临界含水率，这一特定含水率可作为泥石流启动的临界含水率。进一步统计分析表明，泥石流发生前1 h的临界降雨量与临界含水率密切相关，利用二者的相关性拟合，可反推泥石流发生的临界降雨量，为地震扰动区泥石流灾害的防治预警提供科学依据。

关键词：地震扰动区；泥石流；松散堆积体；工程特性；强度；临界含水率

中图分类号：P642.1文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06017607

Discussion on engineering characteristics of debris flow depositsand its initiating mechanism in typical earthquake disturbance area

XIANG Lingzhi1，YANG Weimin2 ，FAN Weijia1

（1.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.Institute of Geomechanics，Beijing 100081，China）

Abstract：In earthquake disturbance and alpinegorge area，instability slope with crushing rock is caused by active faults and frequent earthquakes.Particle migration in the deposits is caused by water infiltration，resulting in the change of saturation，density，thus weakening its strength，which subsequently induces occurrence of debris flow initiation.Debris flow gullies in two areas including Gansu Zhouqu county in the west Qinling mountains fault zone and Duwen highway in Longmen mountain fault zone were taken as an example，physical and mechanical properties tests of the loose accumulation body were carried out.Experimental results showed that the two groups of debris flow deposits were silty gravel soil with wide and nonuniform grading.Fine grain content in Zhouqu debris deposits was relatively high，its specific gravity，liquid limit，plastic limit，liquid index，and plasticity index were greater than those of soil sample of Duwen highway.When the moisture content of Zhouqu debris flow soil and Duwen highway slope soil increased to 15%～18% and 12%～15% respectively，the soil cohesion c reduced sharply.It hinted the existence of critical moisture content in soil strength decline process.The specific moisture content could be used as the critical water content of debris flow initiation.Further statistical analysis showed onehour critical rainfall before occurrence of debris flow and the critical moisture content was closely related.By fitting the linear relativity between them，the critical rainfall of debris flow could be deduced，which can provide technical support for the prevention and early warning of debris flow in earthquake disturbed area.

Key words：earthquake disturbance area；debris flow；loose deposit；Engineering characteristics；strength；critical moisture content

[JP2]地震扰动区内地质构造复杂，断裂活动性强，新构造运动强烈，导致地表岩体裂隙发育，易风化破碎，为泥石流活动提供了大量的物源。近年来，两处典型的泥石流灾害—2008年Ms8.0级汶川地震区震后群发性泥石流和2010年8·8舟曲泥石流均位于地震扰动区。水不仅是泥石流的组成物质，更是泥石流发生的重要触发因素。不同地区、不同季节、不同降雨量条件下，其泥石流源地堆积土体的侵蚀产沙以及对降雨响应的应力应变特点不同。强震后泥石流灾害的发生发展规律研究无论是对灾区重建，还是泥石流学科的发展都很重要。针对断裂活动区内特别是强震后泥石流的研究，众多学者开展了大量的研究工作。2008年汶川地震后，严重的灾情迫使许多研究者对震后泥石流的形成条件、活动特征等进行了深入的调查和分析[16]，其中崔鹏等学者认为震后泥石流启动的临界雨量明显降低[6]，泥石流形成将由降雨控制型逐步转为松散土体控制型，第一个泥石流活跃期可能会持续15 年左右；陈源井等也得出了相似的结论[8]，认为小岗剑沟2010 年暴发泥石流的临界雨量约为地震前的21%，2011 年暴发泥石流的临界雨量约为地震前的23%，震后临界雨量大幅度下降。杨成林等根据汶川地震次生泥石流形成的地形地貌、降水和土源条件特征，认为低密度干燥度较高的土体在降雨作用下易湿陷，体积收缩，有利于土体孔隙水压力的升高和土体强度的降低，从而导致泥石流的启动[7]。2010年8月8日舟曲泥石流发生后，许多研究者相继对该区泥石流的形成条件、活动特点、防治工程等进行了评估[9]。张之贤等认为该地区前期干旱，突遇超历史极值的强降雨是此次灾害的主要原因，确定在不同地形和地质地貌背景下的泥石流降水量阈值对泥石流灾害发生的预报有着十分重要的意义[10]。因此，本文以两个典型泥石流灾害频发区—都江堰汶川公路沿线和甘肃舟曲作为研究区，开展了区内泥石流流域内土体的结构特性的相关测试，并分析泥石流土体在不同含水率条件下强度参数的变化特征，以期探讨地震扰动区土体破坏形成泥石流的降雨量临界阈值。

1研究区环境地质条件

1.1都汶公路沿线

都汶公路南起都江堰，北到汶川县城威州镇，地处青藏高原东部边缘岷江上游高山河谷区，区内山高坡陡，河流深切，地表起伏巨大，相对高差达3 000 m以上。公路沿线地层除奥陶系、志留系大部缺失外，其它时代地层出露较齐全。岩性主要是花岗岩等岩浆岩和片麻岩、千枚岩、炭质板岩等变质岩。区内新构造运动活跃，断裂构造发育，龙门山中央断裂-映秀北川断裂穿越该区，断裂现今活动性强，龙门山前山断裂和后山断裂活动对该区亦有较大影响。龙门山断裂带自公元1169年以来，共发生破坏性地震25次，其中里氏6级以上地震20次。2008年大地震前最近一次大地震为1933年8月25日的茂县北部叠溪地震，震级75级。2013年4月20日8时02分，该断裂再次活动，在四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，震源深度13 km。

“5·12”汶川地震后，地处极震区的都汶公路沿线，崩塌、滑坡、滚石及不稳定斜坡广布，沟谷和山坡上形成大量的固体松散物质，为泥石流的发育提供了丰富的物质基础，沿线沟谷绝大多数具备了暴发泥石流的可能。根据震后多次调查，公路沿线多次因暴雨泥石流的破坏造成交通中断。

1.2舟曲地区

舟曲县位于西秦岭构造带西延部分，地层岩性为中泥盆统古道岭组上段炭质板岩、千枚岩夹薄层灰岩和砂岩，下二叠统上段中厚层灰岩，上二叠统中厚层含硅质条带灰岩。受印支、燕山和喜玛拉雅山等多期造山运动的影响，境内褶皱强烈，断裂构造发育，光盖山-迭山断裂带经两条泥石流流域通过。光盖山-迭山断裂带及影响带宽度大，断裂近时期活动性较强，岩体裂隙发育，十分破碎。区内新构造运动十分活跃，表现为山地强烈隆升、沟谷深切，形成高山峡谷地貌。 2010 年8 月7 日晚，舟曲三眼峪和罗家峪沟同时发生特大泥石流灾害。两条泥石流沟流域内支沟发育，水系平面上均呈“树枝”状；三眼峪沟沟内有常流水，而罗家峪沟沟内无常流水。由于沟谷强烈侵蚀下切，横断面呈“V”字型或窄深的“U”字型。舟曲地区属地震强烈扰动区，多次古地震在沟内形成了体积巨大的堆石坝，是此次泥石流主要物源。“5·12”汶川地震时舟曲县处于6 度烈度地区，地震扰动致使三眼峪沟和罗家峪沟流域内的岸坡岩体松动，坡体稳定性降低。

2松散堆积体工程特性

2.1堆积土体物理性质

[JP2]室内对两个研究区的堆积土样开展了颗分、含水率、液塑限、比重等测试。试验土样取自2008年汶川震后地震灾区典型的泥石流沟谷源区崩滑堆积松散土体和舟曲罗家峪沟泥石流汇水区内堆积体，都汶（以下简称DW）公路土体取于老虎嘴大滑坡附近的坡面泥石流灾害点，粗粒部分都汶公路沿线主要为花岗岩风化形成，舟曲（以下简称ZQ）罗家峪堆积体主要为沉积岩灰岩岩粉、岩屑、角砾，黏粒含量较少。

（1） 堆积体颗粒组成。

[JP2]颗粒级配分析结果见图1。两组土样中颗粒成分中砾粒含量较高，粗粒组（d≥0075 mm） 土颗粒的含量大于50%，可归为粗粒类土；其中粗粒土中大部分砾石含量≥50%，且细粒土中粉粒含量≥50%，属于宽级配粉土质砾石土。依据图1计算土体的不均匀系数cu和cc，其中DW土样cu为13333 ，cc为533；ZQ土样cu为4667，cc为095。可见，两组土样均属于级配不良土体，粗粒土体含量明显高于细粒含量。比较两组堆积土体，都汶土体中黏粒（<0005 mm）含量为074%，舟曲土体中黏粒含量为445%，舟曲土体黏粒含量高于都汶土体。

（2） 堆积土体的物理性质。

[JP2]两组泥石流土体的比重、液塑限、液性指数、塑性指数等物性指标的测试结果见表1。由表1可知，ZQ土样比重较大，其液塑限、塑性指数均大于DW土样。一般，花岗岩抗风化能力强，风化速度较慢，但由于花岗岩节理裂隙发育，易发生崩解作用，加上水的广泛渗入，可形成深厚的风化带，且黏粒含量较高。但都汶公路地处龙门山中央断裂带影响区，2008年汶川地震释放的巨大能量使多个山体迅速崩解成岩块，新堆积的碎裂岩块尚未风化，因此该区域松散土体中的黏粒含量较一般花岗岩地区偏少。

[JP2]舟曲地区岩性多为石灰岩，主要由碳酸盐矿物组成，风化时主要是与水和二氧化碳作用产生的溶解和溶蚀，在干旱少雨的地区一般风化壳较薄，黏粒含量较低。但舟曲地区由于受多次历史地震运动的影响，多期次的泥石流堆积体堆积在沟道中，经过长时间的风化淋滤，松散土体黏粒含量较一般石灰岩地区风化壳偏高。另外，该地区地层中尚有板岩、炭质板岩、千枚岩等变质岩。因此，ZQ土样细颗粒成分较高，土样粘粒（d≤0005 mm） 土颗粒的含量为404%；而以花岗岩风化碎屑为主的都汶土样黏粒含量仅为074%。所以，从两种堆积土体基本物理力学性质分析结果可初步推测，舟曲地区堆积土体启动形成泥石流的含水率应高于都汶公路沿线堆积土体。

2.2堆积土体强度特性

[JP3]为研究土体变形破坏时的界限含水率，采用常规直剪仪开展不同含水率条件下土体的不固结快剪试验，分别测试其在不同含水率下强度指标的变化趋势。

试验土样采用粒径≤2 mm的泥石流源地土体，按其天然密度制作不同含水率的重塑土样，土样采用分层击实，以保证土样与剪切盒间隙充分填充，试验过程中土样受力均匀。

（1） DW土样不同含水率的抗剪强度。

都汶公路沿线松散堆积土按干密度2.0 g/cm3分别配置含水率为7%，12%，15%，18%的重塑土样，进行土样不排水剪切试验，试验结果见图2、图3及表2。

由图2可知，正应力σ与剪应力τ呈线性正相关关系，施加给土样的σ越大，其发挥的τ也越大。

图3显示了土的黏聚力与含水率关系，当含水率由7%增加到12%时，黏聚力c增加；含水率增至15%时，c值急剧减小。一般，随着含水率的增加，土体黏聚力应该逐渐减小，直到完全丧失强度。其根本原因在于水在较粗颗粒之间起润滑作用，使粒间摩阻力降低；另一方面黏土颗粒表面结合水膜增厚使原始黏聚力减小。但在此试验初始阶段，当含水率由7%增至12%时，黏聚力反而由15.14 kPa增加至34.67 kPa，这可能是由于其土体级配、岩性因素引起。该土样属于不均匀宽级配粉土质砾石土，黏粒含量少，接近砂土的性质。干燥的砂土颗粒间无黏聚力，但当砂性土在较低含水率条件下会表现出假凝聚力，假凝聚力是由于土颗粒接触面上一些水的毛细压力所形成。当松散土体完全干燥或完全饱和时，毛细压力消失。因此，当试样含水率由12%增加到15%时，c值变化非常明显，黏聚力从3467 kPa急剧下降至291 kPa。暗示了都汶泥石流源地土体在降雨作用下失稳的界限含水率可能就在12%和15%之间。因此可以判定DW堆积土体遭遇降雨时，当雨水入渗土体至此含水率区间，土体强度快速降低，在合适的地形坡度、水动力条件下易失稳启动形成泥石流。

与c值不同，含水率从7%增加到15%的过程中，内摩擦角φ在26°～27°之间波动，含水率增加至18%时，φ下降至2015°。总体来说，试样内摩擦角φ随含水率变化无明显下降趋势，变化不大，呈波动趋势，表现出接近砂性土的特性。因此，含水率的变化对都汶堆积土体的φ影响不大；再者，在试验过程中，土样为重复试验，制作的试样土粒不均匀，对测得的φ值也有一定影响，但主要原因还是试样黏粒很少。可见在降雨作用下，松散土体颗粒之间黏聚力决定坡面泥石流土体的强度，当遭遇强降雨作用时，极易爆发泥石流灾害。

（2） ZQ土样不同含水率的抗剪强度。

ZQ土样按干密度1.9 g/cm3分别配置含水率为7%，12%，15%，18%，21%的重塑土样，进行土样不排水剪切试验，试验结果见图4、图5及表3。

试验结果表明，ZQ土样σ与τ呈线性正相关关系（图5），且ZQ土体各含水率条件下c值变化与DW土样具有相似的规律。当土样含水率由7%增至12%时，受土粒间毛细压力的影响，黏聚力c增高；当含水率由15%增加到18%时，黏聚力从2689 kPa急剧下降至841kPa。据此可以判定ZQ土体在此含水率区间，强度易快速降低。说明舟曲泥石流源地土体在降雨作用下失稳的界限含水率可能就在15%和18%之间。

与DW土样类似，ZQ土样各试样内摩擦角φ随含水率变化无明显趋势，变化不大，呈波动趋势，主要原因是该松散土体主要由石灰岩岩粉、岩屑、角砾等组成，黏粒含量较少。

3泥石流启动机制

3.1地震扰动区降雨诱发泥石流机制

众多学者对降雨诱发泥石流的启动机制进行了大量深入的研究。崔鹏等[11]通过大量水槽实验对泥石流起动机理进行了详尽的研究，阐述了泥石流起动的加速机理，分离机理，和连接机理，强调了水分饱和度、细颗粒、坡度三者在泥石流形成过程中的重要作用。日本学者高桥堡将泥石流启动的原因归纳为水流影响沟床堆积体强度、坡面崩塌滑坡土体与水作用演化为泥石流以及崩滑体堵塞沟道受上游汇水影响形成泥石流三种情况[12]。汶川地震区震后泥石流研究结果表明，震后流域下垫面条件巨变以后，流域的土体入渗条件、坡面径流条件、流域汇流条件和沟道洪水过程的变化，形成有利于起动、汇流和规模发展的水文条件[4]。

对地震扰动区而言，地震、断裂活动使得震区松散堆积岩土体方量大大增加，且堆积体结构松散，孔隙率大，力学强度低，多处于失稳的临界状态。地震扰动区坡面上或沟道里的松散岩土体，受短时间强降雨的作用后，其强度丧失进而形成泥石流的机制主要体现在两个方面。首先，大量雨水迅速入渗并不能及时排出，导致岩土体中孔隙水压力迅速升高，土体抗剪强度降低，并增大土体的自重力。土体局部出现剪切破坏，出现张裂隙和剪切裂隙，并使土体中原有的裂隙、孔隙等扩大。随着孔隙水压的进一步增大，岩土体有效应力逐渐减小，剪切破坏区扩展连通形成剪切面，沿剪切面发生渗流产生渗透力，进一步促进土体强度弱化。当有效应力降低为零时，局部地段松散土体呈悬浮状态。当剪切面上的剪切力大于抵抗力时，斜坡岩土体启动下滑，下滑的土体碰撞、剥离解体，下泻造浆形成泥石流[13]。另一方面，若松散土体覆盖于坚硬基岩上，由于土体松散，下伏基岩坚硬完整，松散岩土体与基岩之间接触面为力学性质差异明显的界面，由暴雨产生的强烈坡面水流沿此接触面发生渗流，产生一个向下的渗透力，这大大增加松散岩土体的下滑力，从而在合适的坡度下启动形成泥石流。另外，松散岩土体在坡脚沟道大量堵塞，影响沟道的过流能力和径流过程，一旦堵塞体溃决，直接冲击下游堵塞坝，逐级破坏，其级联效应使得物质和能量不断累积，形成大规模泥石流。

[JP2]3.2临界雨量与松散土体临界含水率的关系

对于泥石流发生时激发雨量的研究是近年来泥石流灾害预警研究的一个热点。 众多学者通过前期降雨或当时降雨的有效降雨指标与泥石流发生关系的试验和统计，建立了一系列基于雨量和雨强的泥石流预测预报模型[1415]。近年来，对震后泥石流启动的临界雨量研究也取得了丰富的成果，特别是临界雨量降低程度的定量化分析方面[1617]。胡凯衡等采用逐步回归分析方法，建立了临界土体含水量与土体渗透系数、孔隙度和颗粒曲率系数的经验关系，进而提出一种基于临界土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法[18]。一般认为，由于受到地表径流转化、土壤入渗、水分蒸发、植物吸收等诸多因素的影响，前期降雨对泥石流发生影响存在一个衰减问题，距泥石流发生时间越久的降雨，对泥石流发生的影响越小。据相关研究，我国西南地区泥石流在发生过程中，前期降雨的贡献一般小于当时雨量的贡献[19]。

研究结果表明，泥石流启动与灾害发生前1 h降雨量密切相关。郭小军[20]等根据都汶公路南段2008年-2011 年间的22次泥石流事件及其对应的降雨过程，确定该区域平均1 h激发雨强为 14.8 mm/h。相关研究表明舟曲地区沟谷型的泥石流1 h临界雨量仅为12 mm[21]。而根据本次试验结果，两组土样黏聚力急剧降低的含水率界限分别为12%～15%和15%～18%，为了便于统计分析，取含水率区间的低值作为土体失稳的含水率值，即都汶公路土样临界含水率取12%，舟曲土样取15%。

另外一些研究者也提出了相似的认识。如四川省德阳市绵竹县清平乡文家沟在2011年8月13日泥石流的1 h 激发降雨量约为70.6 mm[8]，文家沟泥石流土体的试验分析结果建议将土体含水率15%～18%作为土体界限含水率的参考[22]。陕西宁陕地区坡面泥石流的研究表明当土体含水率超过28%～30%，黏聚力、内摩擦角与含水率关系曲线都出现了明显的拐点[23]。而据全国各地平均降雨量分区的限界值[24]，四川西部1 h 临界降雨量为15 mm，陕西南部泥石流1 h 降雨量约为20 mm。而汶川地震后，北川县泥石流临界小时雨强降低了254% ～316%[25]。因此绵竹清平区域1 h 临界降雨量取15 mm减少25.4%即11.2 mm。另外，云南东川蒋家沟的泥石流砾石土体内摩擦角φ值在含水率达到7.07%时具有临界特征，当含水率w由 5.35%增加到 7.07%时，φ值略有上升，而后φ值随含水率增加而减小[26]。根据云南小江流域蒋家沟的降雨资料与29次泥石流过程的对应关系[27]，取泥石流1 h 激发降雨量约为6 mm。

综合以往的研究成果，以上述五个区域实际发生泥石流灾害的1 h降雨强度和土体含水率进行统计（表4），结合都汶和舟曲松散土体c值急剧降低的含水率试验结果，对表4进行相关分析，得到临界含水率和临界降雨量的经验公式（式（1））如下：

y=0.0223x3-1.1192x2-16.912x-65.503[JY]（1）

式中：x为松散土体黏聚力c急剧降低的界限含水率（%）；y为泥石流暴发1 h临界雨强（mm）。

实际开展泥石流灾害防治时，可依据式（1）对断裂带其他影响地区松散土体进行取样分析，得出其黏聚力急剧降低的含水率后，进一步推求其泥石流启动的1 h临界雨量，为相关区域的泥石流预警预报提供依据。

4结论与讨论

（1）本研究选取的两处地震扰动区泥石流堆积土体为级配不均粉土质砾石土，黏质含量低。舟曲土样因其母岩为石灰岩、千枚岩、板岩，较都汶公路沿线花岗岩风化程度更深，导致其松散堆积体重细粒含量相对较高，因而其比重、液塑限、液性指数、塑性指数均较大。

（2）泥石流源地土体由于其细颗粒含量少，导致土体在低含水率时，受土颗粒间毛细压力的影响，黏聚力c值先随含水率增加而增加，随后在一定含水率区间c值急剧减小。都汶公路沿线坡积土在12%～15%含水率区间急剧降低，舟曲泥石流堆积土在15%～18%含水率区间降幅最大。暗示了当堆积土体含水率达到一定值（临界值）时土体强度丧失，堆积土体会启动形成泥石流。因此泥石流灾害监测预警过程中应密切关注土体含水率变化，以便及时采取相应措施，避免泥石流灾害。

（3）统计结果表明，泥石流发生前1 h的临界雨量与坡面土体强度聚降的临界含水率之间存在密切相关性。因此，对泥石流易发地区或特定泥石流沟坡面土体强度与含水率关系的研究，可为泥石流灾害预警提供科学依据。

（4）采用快剪试验得到两种堆积土体的强度参数，进一步可采用三轴试验进行结果对比，以提高其测试精度。

（5）文中拟合的泥石流启动前1 h雨强经验公式的数据样本只有5个地区，公式尚需进一步修正。都汶公路沿线土体仅选用坡积土为实验样本，可继续选用沟谷泥石流的源地土地进行对比分析。因此，开展不同地区泥石流堆积土体强度与含水率的研究，以提高经验公式的样本数和精度是很有必要的。

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