弃渣型泥石流起动机理水槽试验研究

刘 鹏

（西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710000）

近年来，随着人类工程活动加剧，大量的房建、道路桥梁、轨道交通等市政工程所产生的建筑垃圾肆意堆放，以这些弃渣为物源的泥石流正在逐渐走进人们视野，由于此类弃渣的不合理堆放而导致的泥石流称为弃渣型泥石流。由于这些工程活动多位于城镇或郊区等人口密集区，因此，一旦发生弃渣型泥石流，其造成的损失往往不可估量。

由于弃渣型泥石流其物源组成的特殊性、与人为活动的密切性、高危害性，已经有越来越多的学者对其展开了针对性研究。谢湘平等[1]针对工程弃渣的特点，运用层次分析法和黄金分割法对工程弃渣泥石流进行了易发性评估；赵光旭[2]对皖江地区某弃渣泥石流的危险源进行了辨识；赵洪[3]针对某矿山排土场，对弃渣型泥石流基于力学和数值模拟的角度进行了形成机理及防治对策的研究，刘菲等[4]基于理论力学分析了重庆某库区弃渣泥石流的形成机理，陈宁生等[5]探究了工况弃渣泥石流灾害工程的治理模式。尽管前人对弃渣型泥石流已经做了大量工作，但大都集中在对泥石流的易发性、工程防治、数值模拟等方面，泥石流的形成机理一直都是泥石流领域研究的热点和难点，到目前为止仍未形成一个系统的认识。

本文通过对西安市长安区航天基地建筑垃圾消纳场地的泥石流隐患进行勘察取样，在大型地质灾害物理模拟实验室通过水槽试验对弃渣型泥石流松散物源的起动机理进行探索。

1 工程概况

西安航天基地建筑垃圾消纳场地，位于西安市长安区杜曲镇境内，研究区为一条黄土沟谷，常年流水，沟谷中系西安航天基地建筑垃圾消纳场地，沟岸总体稳定。研究区纵坡降较大，沟岸局部存在崩塌隐患，沟谷中堆填有大量建筑垃圾，因此在强降水的情况下，可能发生崩塌和滑坡灾害，若强降水长时间持续，滑坡体和崩塌体可能会沿着沟谷向下游运动，继而形成泥石流灾害。区内流域面积约0.075 km2，沟道平面形态呈折线状，沟道纵向长度约0.73 km，沟道平均宽度约8 m，沟道内肆意堆填的建筑垃圾和少量松散的坡面堆积物均为泥石流的物质来源。

2 成因分析

泥石流的成因一般有地形条件、物源条件、水动力条件三个因素，针对本研究区的弃渣型泥石流的成因分析如下。

航天基地建筑垃圾消纳场地泥石流沟流域内相对高差较大，高程介于450 m～520 m之间（相对高程），地形较陡峻，沟谷纵坡大，沟道形态比较较顺直，为泥石流的形成提供了地形地貌条件。形成区平均比降为423‰，地貌主要为陡峻的斜坡地貌，坡度为35°～50°，高差较大；流通区位于该沟道的狭长沟谷地带，高程介于450 m～500 m之间，其地貌上部分位置表现为“U”型谷，其纵坡降较大，平均坡降为124‰，且流通区沟谷形态相对顺直，为泥石流流通提供了便利条件。

西安航天基地建筑垃圾消纳场地内泥石流物源丰富，其中以建筑垃圾弃渣为主，根据现场调查，泥石流固体物质储量来源有三部分，沟道内建筑垃圾堆积体总放量约2.53×104m3，坡面松散堆积物方量约0.17×104m3，坡脚崩塌堆积体方量约270.6 m3。

西安航天基地建筑垃圾消纳场地泥石流隐患为暴雨泥石流，该地区年平均降雨量为958.1 mm，夏季降雨量505.2 mm，占全年总量的53.7%。连阴雨平均每年4.2次，每次降水5 d～15 d，降雨总量超过30 mm，集中在7月～10月。暴雨平均每年1.8次，最多达6次，一般发生在5月～10月，集中于7月上旬至9月上旬，平均暴雨强度为66.3 mm/d，最高降雨强度为498.2 mm/d。且沟道纵坡降较大，降水可在短时间内汇集并沿沟道向下运动，水动力充足。

3 基于水槽试验的工程弃渣泥石流起动机理研究

3.1 实验室简介

试验采用的实验装置为西安科技大学地质与环境学院大型地质灾害物理模拟实验室，实验平台由实验槽系统、数据采集处理系统、供水系统三大部分组成。

实验水槽长15 m、宽1 m（内宽0.8 m）、高1.1 m，由钢制金属板组成，水槽上方有三个起重设备，由水槽上游至下游三个起重砝码的最大起重力为15 kN、10 kN、5 kN。水槽顶部设置有模拟自然降水的喷淋设备。在水槽下游泥石流物质冲出后设置有5 m·2 m·1.5 m的堆积区，用于存放泥石流发生后产生的堆积体，且在堆积区内部设置有排污泵，以便试验后进行清理。供水水箱长1.7 m、宽1.5 m、高1.5 m，底面积2.55 m2。泥石流沟道起动区多集中于一段较短的沟道内，将水槽升起端5 m长一段确定为起动区，其余部分均为流通区，试验装置见图1。

图1 实验装置示意图

3.2 实验过程

取样样品为西安航天基地建筑垃圾消纳场沟道内堆放的建筑弃渣，就地进行人工取土，取样位置位于沟道中上游物源区。试验选取固体物源储量、水量及沟床坡度三个因素作为实验变量，每组试验固定第一个变量，改变第二个变量，将第三个变量作为待测变量，来探究第二个变量与第三个变量之间的关系。

水槽物理试验过程如下：

(1)将流槽固定好，调整好角度，保持槽底横向水平；

(2)在流槽中堆放物源物质4 m3，堆放时渣堆后缘略高，高出5 cm，前端自然堆放。

(3)在水箱阀门关闭的状态下，给水箱抽水，并记录水箱内壁水位的初始位置；

(4)开始实验，此时打开起重设备的闸刀，两个人操控起重设备并开始起吊，使水槽起吊角度为16°，同时一个人打开水箱阀门并同时打开秒表，另一个人观察物源起动情况，进行记录和描述；

(5)在物源起动的瞬间，记录此时水箱用水量，描述此时泥石流形态及堆积特征；

(6)待泥石流停止运动后，记录运动过程的时间，再次描述此时泥石流形态及堆积特征；

(7)用水冲刷流槽，并利用清污泵清理堆积区，将流槽重新调整回原始状态，重复上述步骤，进行下一场试验。

3.3 试验结果分析

（1）沟床坡度对弃渣型泥石流起动的影响

为了探究沟床坡度对弃渣型泥石流起动的影响，进行了六组试验，试验方案及临界水量结果见表1。

表1 沟床坡度与临界含水量试验方案

通过以上6组试验所记录的数据绘制成的曲线表明：对于弃渣型泥石流，固体物源储量一定时，沟床坡度越大，临界含水量越小，但是并非呈线性关系，缩小速率在不断减小，结果见图2。

图2 沟床坡度与临界含水量的关系

（2）降雨对弃渣型泥石流起动的影响

为了探究降水对弃渣型泥石流起动的影响，进行了四组试验，试验方案及临界坡度结果见表2。

表2 降水量与临界坡度试验方案

通过4组试验所记录的数据绘制成的曲线表明：对于弃渣型泥石流，固体物源储量一定时，水量越小，临界坡度越大，但是并非呈线性关系，速率在不断增大，结果见图3。

图3 实验水量与临界坡度的关系

（3）固体物质储量对弃渣型泥石流起动的影响

为了探究固体物质储量对弃渣型泥石流起动的影响，进行了四组试验，试验方案及临界水量结果见表3。

表3 固体物质储量与临界水量试验方案

通过4组试验所记录的数据绘制成的曲线表明：对于弃渣型泥石流，沟床坡度一定时，固体物质储量越大，临界水量越大，说明弃渣型泥石流，固体物质储量越丰富，越难起动。结果见图4。

图4 固体物质储量与临界水量的关系

4 结论

通过对西安航天基地建筑垃圾消纳场地泥石流隐患的成因分析，设计了水槽物理模拟实验，对工程弃渣型泥石流的启动进行探索。通过物理实验表明：沟床坡度对弃渣型泥石流的影响较大，当沟床坡度较大时，即便没有持续性强降水，在一般水动力条件下即可起动，反之亦然；物体物质储量越大时，弃渣型泥石流的启动越困难，弃渣堆积高度越大，越容易启动。结果可为后续弃渣型泥石流防治的工程设计及预防预报提供参考依据，对后续弃渣型泥石流形成机理的深入研究具有积极意义。