土工格室防治坡面型泥石流启动机理研究

2022-11-15王子寒景晓昆肖成志

自然灾害学报 2022年5期

王子寒，张彪，景晓昆，肖成志，黄达

（河北工业大学土木与交通学院，天津 300401）

引言

泥石流是非常普遍的一种灾害形式，会造成众多人员伤亡和巨额财产损失，因此对于泥石流的启动机理及防治措施的研究具有重要工程意义。土工格室作为一种出现于20世纪80年代的新型土工合成材料，主要由高强塑料片材、HDPE带等通过焊接或扣接形成蜂窝状立体网格结构，被广泛应用于地基处理、道路修筑、边坡防护与挡土墙修筑等工程中。土工格室作为一种坡表浅层防护手段，在边坡浅层防护方面取得了较为广泛的应用，而坡面型泥石流的启动与浅层滑坡极为相似，土工格室用于防治坡面型泥石流灾害方面的研究相对较少。

目前国内、外学者针对坡面型泥石流的启动机理开展了众多物理模型试验研究［1-3］，高冰等［4］、周健等［5］通过对降雨诱发的坡面型泥石流进行模型试验研究，监测不同降雨强度下砂土颗粒的运动规律及孔隙水压力，对泥石流启动时的临界降雨强度进行了初步探索，发现水流在土体内部的渗流运动规律会随着降雨强度的变化而变化。陈宇龙等［6］进行了大尺寸降雨触发滑坡泥石流的室内试验，对模型体破坏过程中倾斜角、水的体积分数、声发射现象等进行了监测分析，结合试验现象发现，模型体的失稳与坡面径流的形成和模型土体内部细颗粒迁移密切相关。Cui等［7］通过试验手段对降雨作用下土体内部的细颗粒迁移规律进行了深入研究，发现细颗粒会随水流在重力作用下向坡趾迁移，并堵塞孔隙，增加土体局部孔隙水压力，同时，细颗粒表面形成的水膜降低了颗粒间的咬合力。左自波等［8］、周健等［9］分别通过室内模型试验和离心机模型试验，对不同颗粒组分的土体模型进行了降雨条件下的坡面型泥石流试验，结果显示模型土体级配的变化会对模型体的破坏模式产生较大的影响。

在坡面型泥石流防治方面，土工格室作为一种新型土工合成材料，其对松散堆积土体的浅层加固效果显著［10-11］。土工格室对坡体稳定性具有加强作用，而降雨诱发坡面型泥石流启动过程中，土性随雨水侵入时刻发生变化，其机理更加复杂，格室的作用机制，尤其是对雨水运动规律方面的影响仍不清晰。同时土体颗粒级配对坡面型泥石流的启动影响显著，但是将格室与颗粒级配相结合的系统性研究成果较少。

文中基于降雨条件下坡面型泥石流启动的室内水槽试验，将土工格室与不同级配坡体结合，对土工格室应用于坡面型泥石流防治的特征现象，及其对不同级配坡体的适用性进行了分析，研究了土工格室应用于坡面泥石流防治的效果，给出土工格室应用于不同级配土体的建议。考虑到泥石流一旦发生将很难进行防治，同时土工格室更多是在失稳前发挥作用，因此文中没有对泥石流体及后续流动状态进行研究，而是着眼于不同细粒含量下，土工格室用于防治坡面型泥石流的启动机理。

1 降雨诱发坡面型泥石流水槽试验

1.1 试验发生装置

本试验设备如图1所示，包括泥石流发生装置，降雨调控装置，测量及记录装置。泥石流发生装置为底部及四周侧壁厚度均为1 cm的玻璃槽，槽底粘木板，在木板上用玻璃凝胶粘当量砂土，模拟坡体基岩部分。玻璃水槽尺寸为150 cm×30 cm×40 cm，出料玻璃面下部分开口，开口尺寸为30 cm×20 cm。泥石流发生装置承台采用自制液压变坡装置，可调角度范围20°～45°。

砂土坡体试样形状为直角梯形，坡体上边长度50 cm，下边长度80 cm，宽度30 cm，坡体厚度15 cm，将坡体中与承台平行的部分称为斜坡，与承台成角度的部分称为角坡。

1.2 降雨调控装置及测量设备

降雨设备由可调节强度的雾化喷头以及若干内径为8 mm塑料软管组成，将4个雾化喷头按合适间距通过塑料软管以串联的方式连接。入水口处通过设置玻璃转子流量计（LZB-6WB），调节降雨强度，量程范围为100～1 000 ml/min。

泥石流常发生在强降雨地区，而降雨在一定时期内并不均匀，历时越短，短期降雨量应当更大。考虑到坡体试样尺寸和实际降雨效果，试验时拟定降雨强度为600 ml/min［12-13］，对照气象监测常用雨强单位（mm/h），按均匀降雨转换关系如表1所示。

图1 试验设备图Fig.1 The equipment configuration in tests

表1 降雨强度关系转化表Table 1 Transformation table of rainfall intensity

为了监测泥石流发生形态和泥石流发生时的含水率，试验中采用尼康D3500数码相机记录试验现象，并用于后续的位移场分析；同时利用高周波水分仪，监测试验时含水率的变化，测量范围为0～100%，具有0.01%的分辨率，扫描深度为50 mm，探针直径6 mm，对泥石流坡体试样整体影响较小。

1.3 试验材料及方案

文中采用的室内水槽试验，属于小型试验，没有针对具体某一工程或某一类土体进行相似模型设计，而是采用不同细粒含量的常规砂土进行普通的物理试验，研究土工格室的加固机理。为突出颗粒粒径的影响，通过筛分进行不同级配土体的设计，继而进行对比试验，控制0.075 mm以下细颗粒占比分别为5%、10%、15%、20%和25%。试验共分为10组，无格室试验组分别记为G1～G5，有格室试验组为G1-1～G5-1，对应试验组级配相同，其颗粒级配曲线如图2所示。实际工程中格室尺寸较大（例如：高度200 mm，焊点距离400 mm），试验时按比例缩尺，采用HDPE板自制高20 mm，焊点距离40 mm的格室模型，焊点采用错位插入替代，用细铁丝固定，如图3所示。

图2 土体级配曲线Fig.2 Grading curves of soil

图3 土工格室模型Fig.3 Geocell model

各组试验土体的初始含水率保持在5%，用降雨设备进行模拟降雨，通过数码相机记录泥石流发生过程，含水率测量仪器埋置深度为距离模拟基岩5 cm处，记录试验坡体含水率的变化过程。通过前期研究发现［14］，适当增大雨强，能够保证泥石流启动时间的稳定性，有效避免偶然因素的干扰。当试验采用承台角度为30°，降雨强度600 ml/min时，在该坡度及降雨条件下，泥石流的启动现象有足够的广域，结果更具代表性。各组试验中泥石流启动的时间较早，都在12 min以内，短时强降雨的累计降雨量并不大。通过对比普通的物理试验结果，对格室防治泥石流启动的效果和机制进行分析，并对其适用性进行评价。

2 试验现象及位移场分析

2.1 无格室试验组土体破坏过程分析

无格室防护试验组共进行5组试验，试验编号为G1～G5，分别代表0.075 mm以下细颗粒含量占比逐渐增多，其目的为针对不同级配坡体进行降雨试验研究。试验中以坡体发生连续滑动为泥石流启动的标准，启动时较为突然，并伴随前侧土体大部分滑落，中部土体坡表出现贯通裂缝，含水率探头露出等现象。

由于降雨初期试验现象不明显，选取试验中、后期破坏现象明显时刻进行分析。同时，利用数字图像分析软件Geodog对试验过程中泥石流坡体侧表面的位移场进行计算分析。G1、G3和G5组的试验正视图和侧面位移场云图分别如图4～图6所示；G2、G4试验组现象规律分别与G1、G5试验组较为一致，限于篇幅，此处不再赘述。

图4 G1试验现象及位移场云图Fig.4 Phenomenon and displacement field of test G1

图5 G3试验现象及位移场云图Fig.5 Phenomenon and displacement field of test G3

图6 G5试验现象及位移场云图Fig.6 Phenomenon and displacement field of test G5

图4为细颗粒占比5%的G1组试验现象及位移场云图。随着降雨进行，坡面雨水汇集较少，大部分沿坡体下渗，浸润部分土体的强度逐渐减小，坡面裂缝发展形成明显主裂缝，其位移场表现为坡体中部数值较大，位移带呈弧形，且有向土体内部发展趋势，位移中值13.7 mm。降雨后期，土体抗滑力较低，坡体后侧裂缝发展，坡体中部土体沿滑动面滑动，275 s时形成大规模滑坡的坡面型泥石流；位移场沿土体薄弱层呈弧形向坡脚处发展，位移中值62.1 mm。G2试验组历时360 s时泥石流启动，现象与G1组类似。

G3组土体细颗粒占比为15%，如图5所示。随着降雨进行，坡脚单侧形成缺口且缺口逐渐扩大，坡体表面在雨水冲刷力作用下，沿浅层滑动面滑动，呈现流动特征，位移中值17.7 mm。降雨后期，坡体后部出现明显张拉裂缝，形成具有侵蚀型和滑坡型特征的过渡型坡面泥石流，位移集中发生在坡体中上部，位移中值21.7 mm。415 s时坡体单侧形态相对完整，土体表层有滑落趋势，泥石流即将启动。

G5试验组土体细颗粒较多（图6），随着降雨进行，坡体表面雨水汇集，雨水冲刷表层细小颗粒，坡面形成泥石流浆体并发生明显的表层侵蚀现象，最大位移发生在坡面拐点附近，约为45.3 mm。降雨后期，坡面侵蚀程度加深，水土混合浆体汇聚量增大，位移带由坡表向内部扩散，位移中值为38.7 mm，约515 s时形成侵蚀型坡面泥石流。G4试验组现象与G5组基本相同，约493 s时泥石流启动，不再赘述。

由以上试验现象可知，坡面型泥石流的启动时间、形态会随着土体中细颗粒含量的不同呈现规律性变化，当细颗粒含量从5%增加至25%时，泥石流启动用时逐渐增长，启动形态由显著的滑坡型逐渐转变为侵蚀型，其中滑坡型坡面泥石流启动时的最大位移整体上比侵蚀型大，过渡型启动时的最大位移值最小。将各试验组泥石流启动形态、启动时间和位移模式进行总结，如表2所示。

表2 G1～G5组试验结果Table 2 Test results of G1～G5

2.2 格室防护试验组土体破坏过程分析

为研究土工格室对坡面型泥石流启动的影响，进行5组对比试验，编号分别为G1-1～G5-1，各组试验的土体级配和试验条件分别与无格室试验组相同。考虑到格室应在坡体的潜在薄弱面处进行加固，实际工程中也难以做到坡体表面全覆盖铺设；另外，坡面型泥石流启动试验中斜坡和角坡均有可能开裂滑动，因此格室采用分离式铺设，分前、后两部分进行加固［10-11］。格室防护试验组以角坡区域的格室及坡体大部分滑落，或者斜坡处格室及坡体发生连续滑动为泥石流启动标准。格室的铺设（制样中）如图7所示。

经格室加固后，各试验组的启动模式比较接近，限于篇幅，仅将G1-1和G1-5的试验现象及位移场云图示于图8～图9，其他组试验结果列于表3中。

图7 格室铺设效果图Fig.7 Geocell laying picture

图8 G1-1试验现象及位移场云图Fig.8 Phenomenon and displacement field of test G1-1

图9 G5-1试验现象及位移场云图Fig.9 Phenomenon and displacement field of test G5-1

图8为细粒占比为5%的G1-1组试验结果，随着降雨进行，角坡土体逐步呈现滑落趋势，但由于格室的加筋作用其整体性保持良好。降雨后期，随着表层细颗粒被冲走，格室层逐渐显露，土体与格室连接处形成积水；位移集中在坡体中部，向斜下方形成推力，造成坡角格室滑落，约360 s时坡面泥石流启动。

G5-1组试验结果如图9所示，由于细粒含量较多，随着降雨进行，土体与格室连接处积水增多，促使雨水入渗，并造成格室层土体重度增加；角坡土体滑落，斜坡土体也出现滑动趋势。降雨后期，随格室层的显露，坡体表层径流不断冲刷坡表和格室，部分格室中土体被掏空。约690 s时，角坡处格室携带大量土体滑落，坡面泥石流正式启动；最终位移扩散范围近似于土工格室的厚度，位移带边界轮廓较清晰。

G2-1、G3-1、G4-1试验组泥石流启动时间分别为410、420、515 s，如表3所示。

表3 G1-1～G5-1组试验结果Table 3 Test results of G1-1～G5-1

各组试验破坏现象大致相同，降雨初期角坡遭冲蚀直至大量土体滑落。随着降雨进行，角坡处格室最终滑落，斜坡格室带动部分土体向斜下方运动。随着各试验组细颗粒含量的增多，泥石流启动时土体位移由深层扩散逐渐转变为表层运动模式。限于篇幅，不再逐一列出。

综上所述，相较于无格室试验组，有格室防护试验组坡体表面侵蚀现象不明显，雨水以入渗为主，土体整体性较好，各试验组坡体破坏形态并无显著区别。由于格式的加筋作用，各试验组泥石流启动形态均为土体大量滑落的整体性破坏，与无格室防护试验组相比具有明显的不同，且加大了破坏方量。对比位移云图，有格室防护试验组位移带轮廓清晰规则，沿格室厚度发展，加固作用十分明显。

2.3 土体含水率变化规律分析

以坡体内部不同位置的含水率作为参量，进一步研究格室加固作用对坡面泥石流启动过程的影响。如图1所示，为减小埋置含水率探头对试验的影响，每组试验选取距离坡底5 cm处的A、B两个位置进行土体含水率监测，其中点A位于斜坡中下部靠近与角坡的交点处；点B位于斜坡的中上部。选择G1、G3、G5和G1-1、G3-1、G5-1共3对6组试验在A、B两个位置，有、无格室防护时的含水率变化情况进行对比分析，如图10～图12所示。

图10为细颗粒含量为5%试验组的含水率变化曲线，可见进行格室加固后，含水率开始增长的时间延后，同时泥石流启动时的含水率更高。与土体相比，格室可以看作是不透水的，雨水不能直接向下渗流，而是必须先绕过格室再继续渗流，相当于延长了雨水的渗流路径，阻碍了水分在土体中的流动，造成含水率增加的时间延后。格室的加固作用造成泥石流启动时间延长，进而使得格室防护组的含水率更高。可见，此时的土工格室主要起到加筋固土、蓄水以及增加雨水渗流路径的作用。

图10 G1和G1-1试验组含水率变化曲线Fig.10 Change curves of moisture content of test G1 and G1-1

图11 G3和G3-1试验组含水率变化曲线Fig.11 Change curves of moisture content of test G3 and G3-1

图12 G5和G5-1试验组含水率变化曲线Fig.12 Change curves of moisture content of test G5 and G5-1

图11为细粒含量15%试验组的含水率变化曲线，两组坡面泥石流试验的启动时间比较接近。与图10相比，每组试验在点A处含水率开始增长的时间明显早于B点，说明细颗粒含量的增加造成土体渗透性降低，在重力和降雨冲刷的作用下，位于同一深度，位置更低的A点会率先浸润。另外，土工格室与土体的界面处会形成排水通道，促使雨水向坡体深处渗流，造成格室组泥石流启动时A、B点处的含水率接近。无格室组在B点处的含水率增长太晚，尚未达到稳定泥石流就已经启动，与A点处含水率差别较大。

图12为细颗粒含量25%试验组的含水率变化曲线，格室防护组含水率开始增长的时间明显早于无格式组，说明细颗粒含量较多，雨水在土体中入渗缓慢，格室与土体界面处的排水通道成为关键作用，促使雨水向深处流动。另外，雨水入渗较慢，还会促使径流增加，细颗粒被冲刷后，在格室网格内会形成凹陷，形成雨水积聚，进一步加快了沿排水通道向土体深处渗流的速度。无格室组在泥石流启动时，B点的含水率才开始增加，说明B点以下的坡体并没有完全润湿，坡体即发生了破坏。

由以上分析可见，格室防护试验组泥石流启动时的含水率普遍高于无格室试验组，启动时间也普遍晚于无格室组，体现出土工格室在泥石流防护中的蓄水和加固作用。同时，当粗颗粒含量较多时，土体渗透性较强，格室还起到增加渗流路径，减缓渗流的作用；当细颗粒含量较多时，土体渗透性变差，格室与土体界面的排水通道，促使雨水向土体内部渗流，格室起到排水并减缓冲刷的作用。

3 土工格室防护效果分析

土工格室的加固能够延缓泥石流启动，提高土坡蓄水能力，并能在一定程度上调节雨水的入渗速度。各组试验过程中发现坡体形成泥石流破坏时的方量也有所不同，而启动时间和滑坡方量常用来评价泥石流灾害［15-16］。因此，文中根据有、无格室防护坡体时泥石流启动时间的对比，以及泥石流的坡面启动比等因素对土工格室防护效果做出评价。

3.1 启动时间的延长程度

图13为细颗粒占比从5%增加到25%时，泥石流启动时间的对比。通过格室的加固作用，启动时间延长值依次为：85、50、5、22、175 s。尽管观测数据有限，但为了更加直观地反映格室的加固作用，以土工格室在不同级配土体中发挥作用的程度作为衡量标准，以细颗粒占比为横坐标，相对于无格室防护时启动时间的延长程度（百分比）为纵坐标，绘制散点图并拟合相应的趋势线如图14所示。

图13 泥石流启动时间对比Fig.13 The comparison on starting time of debris flow

图14 启动时间延长比与细颗粒占比关系Fig.14 Relationship between elongation ratio of startup time and proportion of fine particles

将细颗粒占比作为自变量，用符号u表示；启动时间延长比作为因变量，用符号T表示，可得：

其拟合度达到0.946 54，拟合结果较为理想。

由此可见，各组试验土工格室对泥石流启动时间的延长作用并不相同，与细颗粒占比之间呈二次抛物线的关系。这表明：随着土体颗粒级配的变化，在细颗粒含量由5%增长到25%的范围内，土工格室对泥石流启动时间的延长程度先降低再升高。对于G1组（滑坡型）和G5组（侵蚀型），格室的加固使泥石流启动时的破坏模式改变，延缓了泥石流的启动时间，格室加固作用明显。对于细粒含量为15%的G3试验组（过渡型），格室加固作用并不显著。

通过试验结果对比发现，G3试验组破坏形态在前期以表层土体冲刷侵蚀为主，后期又转变为浅层土体滑落，与G3-1组结果（格室裹挟土体滑落）接近。G3试验组的位移场与G3-1组也近似，滑移土层厚度基本都是围绕格室厚度发展，并在斜坡中部附近产生最大位移。另外，含水率分析表明，两组试验在坡体前部（A点）含水率非常接近，在其发生滑坡的浅层区域含水率基本一致。可见，当土体细粒含量在某一中等范围（15%）变化时，土工格室不能对坡体的破坏模式造成明显改变，使得加固作用减弱。

3.2 坡面启动比的影响

坡面启动比为失稳坡体体积占总体积的比值，但由于缺少相关仪器以及经验，未能在试验中扫描土体立体变化来分析。考虑到水槽宽度（30 cm）并不大，试样和降雨在宽度方向上相对均匀，采用崩滑坡体的侧面积比，来代表整个坡体的体积变化，虽具有一定的误差，但也能反映坡面启动比的变化规律。考虑到无格室组泥石流的启动形态差异较大，而格室防护试验组的启动形态较为一致；将格室防护组泥石流启动时的坡体侧表面崩滑区域与整体面积的比值作为参考依据，对土工格室的防护效果进行分析。

坡面启动比的计算及图像处理方法如下：

（1）以G3-1试验组坡面泥石流启动时的侧表面图像为例，在其上进行描点并连线，得到崩滑区域与稳定区域的分界线，该分界线与原坡体的边界线形成空差区域，即为崩滑区，如图15所示。崩滑区内也会出现从坡体后方滑落进来的砂土，后方滑落土体也应计入到崩滑区的面积。

（2）以像素坐标为标准，使用CAD绘图软件再现相应的图形形状，测量崩滑区面积和原坡体的侧表面积，进而得到破坏崩滑区域占总体区域的比值（图15），称为坡面启动比，用符号P表示。

按上述方法依次计算格室防护试验组的坡面启动比，结果如表4所示。为了更直观地反映不同细粒含量时，坡面启动比的变化规律，以细粒占比为横坐标，坡面启动比为纵坐标，拟合趋势线如图16所示。

坡面启动比P与细颗粒占比u的拟合关系为：

其拟合度为0.974 19，线性拟合关系较为合理。

图15 崩滑区域示意图Fig.15 The schematic diagram of landslide zone

图16 坡面启动比与细颗粒占比关系Fig.16 Relationship between slope starting ratio and proportion of fine particles

表4 坡面启动比Table 4 The slide area proportion of slope

由以上分析可知，随着土体细颗粒含量的增加，坡面型泥石流启动时产生的崩滑区与整体模型的比值随之变小。细颗粒占比增加，格室与土体界面处形成主要排水通道，使得格室区域含水率增加，重力增加的同时而强度减弱，与下部土体间的摩擦力减小，最终，格室裹挟土体滑落时对周围土体的牵连作用变小，坡面启动比也随之减小。

4 不同细粒含量下格室加固机理分析

文中采用对比试验讨论不同细粒含量下土工格室的加固机制，通过对启动现象、启动时间、位移场、含水率等参数变化规律的分析，以及利用时间延长比和坡面启动比对格室防护效果的评价，总结出当细粒含量变化时，土工格室对坡面型泥石流启动的防治机理：

（1）土工格室对坡体表层加固作用显著，能够改变坡面型泥石流启动时的破坏形态。当细颗粒含量从5%增加至25%时，无格室加固的坡面型泥石流启动形态由滑坡型→过渡型→侵蚀型转变；而采用格室加固时，启动形态基本一致，都是格室裹挟土体滑落，区别在于滑坡方量逐渐减小。

（2）采用土工格室加固坡体表层，能够延长坡面型泥石流的启动时间。当土体细颗粒含量增加时，泥石流启动的时间总体上会延长；但相较于无格式防治的情况，格室加固对泥石流启动时间的延长比随细粒含量的增加呈现先减小后增大的趋势。当土体细粒含量在某一中等范围变化时，有/无格室加固的坡体均表现为浅层滑动破坏，格室未能引起破坏模式的明显改变，对启动时间的延长作用并不显著。

（3）格室加固延缓了坡面型泥石流的启动，但也容易造成启动时破坏方量的增大。无格室加固情况下，滑坡型破坏时方量最大，过渡型破坏时最小；有格室加固时，随细粒含量的增加，坡面启动比逐步减小。细粒含量较多时，由于格室增强了表层土体的整体性，裹挟土体滑落时引起坡表的破坏方量反而增大。

（4）土工格室在坡面泥石流防治中起到蓄水和加固作用，并能够对雨水入渗进行调配。格室防护时的含水率普遍更高，启动时间也普遍晚于无格室加固的情况，蓄水及加固作用明显。当粗颗粒含量较多时，土体渗透性较强，格室还起到增加渗流路径，减缓渗流的作用；当细颗粒含量较多时，土体渗透性变差，格室与土体界面的排水通道，促使雨水向土体内部渗流，格室起到排水并减缓冲刷的作用。

可见，土工格室对于防治坡面型泥石流启动具有非常积极的作用，能够使坡体表层连成整体，并适当调配雨水入渗，延缓泥石流启动时间；但当细粒含量适中时，效果并不显著。另外，尽管在格室防护下坡面整体性较好，启动时间延长，但当细粒含量较大时，一旦发生泥石流的破坏方量会更大。鉴于土工格室对不同细粒含量坡体的加固特性，需结合其他防治手段，实现对坡面泥石流的启动进行更有效防治。