坡面型泥石流治理过程中土体变形机制探讨

2018-03-03

四川水泥 2018年2期

(四川省冶金地质勘查局成都地质调查所, 四川成都 610203)

在强降雨地区，基岩埋藏较浅、坡度较大（30-50°）、上方覆盖物较薄（5m以内）的坡体，容易发生坡面型泥石流，具有突发性、历时短、破坏重的特点，对自然环境和人类生活造成严重损害。因此，如何防治泥石流、降低灾害影响，成为人们关注的重点。本文针对泥石流治理过程中的土体变形机制进行探讨。

1 坡面型泥石流的防治研究现状

1.1 特征

坡面型泥石流的特征主要概括如下：①前期降雨充足，山体土层内部饱水，地下水变成压力水流，继而破坏表层土体结构；②松散土体饱水后，土体的骨架就会变形，发生塑化、液化等破坏；③常发生在沙岩、灰岩、变质岩、花岗岩、半成岩、黄土、红壤土等岩土层中；④泥石流发生时，因土体突然变动会伴有沉闷声响，且土体顺坡下滑，对坡面产生冲刷作用，原来平整的坡面上形成沟槽；⑤泥石流的发生具有随机性，且不会在同一部位重复发生。在发育特征上，坡面较长且平整，坡度较大、坡积层较薄，下部基岩的透水性差；在斜坡的中上部，有汇水性的凹形坡面，没有明显的流通区；泥石流的规模较小，流域面积在0.4km2以内，堆积物是一次性搬运形成的，泥砂搬移量在10-1000m3之间。

1.2 防治现状

目前在泥石流防治上的研究较多，且取得了一定成果。国外研究中，分析了不同类型的工程治理措施的特点，总结了防治经验；对比了工程防治措施、非工程防治措施之间的差异；提出了减缓泥石流流动速度的技术方案。国内研究中，结合格栅坝理论，明确了支墩间距的计算方法，提出计算公式；按照流量、流速参数，计算了重力式挡墙的高度，按照冲刷深度计算基础埋深等[1]。分析这些研究的共性，都是在宏观层面上开展的研究，在微观方面的研究较少。

2 室内模拟实验

在泥石流的治理中，大面积护坡工程是一种常见方案，以下利用锚杆-护坡对此进行模拟（即在坡面土体上打入锚杆，并在坡脚设置支挡措施），并分析治理过程中土体的变形机制和特征。具体如下：

2.1 试验装置

第一，泥石流发生槽。试验坡体的参数设置如下：一级、二级坡底的长度均为75cm，与水平面的夹角分别为35°、15°，宽度为25cm，深度为40cm。泥石流发生在一级坡体上，流通在二级坡体上，如下图 1所示。第二，降雨设备。在模型上方设置 5个低压雾化喷头，呈现单排排列，喷口直径为 1mm、压力为0.07MPa。试验期间，人工控制降雨量，保证降雨均匀稳定，强度控制在600ml/min。第三，数据量测。数据的采集由数字图像设备、细观图像设备组成，前者利用佳能数码相机，每间隔5秒拍摄一张照片；后者能对细节放大200倍并形成图像。

图1 坡面型泥石流治理模型

2.2 试验材料

第一，土样。依据以往的研究结果，采用粒径2mm以上的土样颗粒，含水量为 1%，渗透系数 k为 0.005cm/s，颗粒级配如下[2]：0.075-0.5mm占比 33.4%，0.5-1.0mm占比33.3%，1.0-2.0mm占比33.3%。坡体采用自然落砂法制备，表面施加压力0.67×10-3N/cm2，静止18小时后固结，成型坡体的相对密度为0.43。第二，锚杆护坡。护坡模型的材质是有机玻璃，长宽厚分别为22cm、25cm、1cm，网孔尺寸2×2cm，格栅宽度为0.5cm，坡体长度为60cm。护坡加固位于坡体下部，入土深度1cm，厚度是坡体自身厚度的10%，并利用拉绳对锚杆进行加固。

2.3 试验结果

以往研究证实，坡面型泥石流的破坏是从坡脚开始的，采用锚杆-护坡治理方案后，分为以下四个阶段[3]：一是雨水入渗阶段，此时泥石流发生，坡体表面沉降，坡脚处会有少量清水流出；二是孔隙水积蓄阶段，坡体发生张拉裂缝，形成潜在的滑动面；三是滑动密实阶段，坡体出现小规模的滑移，岩土颗粒从坡孔中溢出；四是相对稳定阶段，坡体滑动后转为稳定状态，雨水能及时排出。

如下表1，对比了坡面治理和未治理的泥石流参数，可见治理后的坡体初始滑动时间延迟、最终流动量减小，能有效控制泥石流的爆发情况。在坡体的变形机制上，坡体没有出现分层滑动现象，松散土体形成量较少；锚杆-护坡方案类似于一个拉索网，起到滤水固土的作用，限制了土体滑动。

表1 坡面型泥石流治理和未治理的滑坡参数对比

3 坡面型泥石流治理过程中土体变形特征

3.1 不同阶段的土体变形特征

锚杆-护坡方案的应用，能减缓泥石流的爆发，从治理现象、位移场、细观颗粒运动等要素入手，总结特征如下[4]：

第一，在雨水入渗阶段，颗粒骨架变形，坡体表面沉降，细观上颗粒位移的变化小，以点状位移为主，此时面积空隙率变化不明显。第二，在孔隙水积蓄阶段，雨水在坡体内积聚、在坡脚处渗出，坡体重度增加、抗剪强度减小，继而出现沉降。细观上颗粒出现竖向运动，位移量是水平位移量的2倍。此时坡体位移、颗粒移动变化小，底面孔隙率减小，上部土体的孔隙率增大。第三，在滑动密实阶段，坡体出现小位移滑动，位移场呈现圆弧滑动，细观上颗粒发生平移、转动，多在坡底积聚，下沉后充填了粗颗粒骨架的间隙，因此坡体在滑动同时变得密实。第四，在相对稳定阶段，细观上坡底颗粒的位移变化较小，在流动雨水的作用下，只有部分颗粒会出现微小的水平位移，坡体中层面积孔隙率明显增大。

3.2 治理期间的土体变形特征

实施锚杆-护坡方案，坡体结构相应发生改变，在降雨的作用下，上层颗粒下沉，粗颗粒构成了坡体骨架；细颗粒渗透下沉，积聚在坡底并充填粗颗粒之间的空隙，土体的密实度提高。但是，与此同时坡体下部的渗透性减弱，会造成孔隙水积聚，坡体的抗滑强度降低，继而发生滑移。锚杆-护坡的作用，是在坡体表面形成拉索网，一方面加快雨水排出，另一方面阻止坡脚土体滑动[5]。在滤水固土作用下，土体逐渐密实，最终底部颗粒积聚密实、上部颗粒骨架稳定，形成稳定结构。