土力类泥石流起动机理研究进展

朱兴华， 孔静雯*， 张妮， 康永闯， 王梦奎

(1.长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054； 2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室， 西安 710054；3.西安交通大学人居环境与建筑工程学院， 西安 710054)

泥石流是产生于山坡沟谷中，含小到黏粒、大至巨石的固相、液相及少量气相，具有多种流态和运动形式的多相流，是一种具有较强破坏力的地质灾害[1]。它不仅会威胁人民生命财产的安全和国民经济的发展[2-3]，还会严重影响灾区的生态环境平衡[4]。泥石流成因复杂，分布面广，其防治问题受到人们的广泛关注。按照泥石流起动的动力作用(即形成机理)可将其分为土力类和水力类[5]。土力类是指由于土体内的容水量超过饱和，土体在自身重力作用下失去平衡并引起滑动而产生的。水力类是指松散碎屑堆积物在一定流速的径流冲刷作用形成的。泥石流起动机理的研究是泥石流灾害预警预报的关键所在，科学严谨、经济合理的预警预报技术是建立在正确认识泥石流起动机理的基础之上。因此，对泥石流起动机理的研究是十分必要的。学者们经过调查研究明确了泥石流的孕灾条件[6-8]，通过模拟试验和理论研究进一步揭示了泥石流的形成条件[9-11]、动态起动过程分析[12-14]、起动机理[15-16]和成因机制，并在此基础建立了不同的泥石流起动模型。现围绕泥石流的孕灾条件、土力类泥石流的起动机理和起动模型三个方面，对其相关研究成果进行系统梳理，提出目前泥石流起动机理研究存在的不足、重点难点和进一步的研究方向，从而为进一步认识该类泥石流的起动机理提供科学参考，同时为泥石流的预警预报提供一定的理论基础。

1 泥石流的孕灾条件

泥石流形成的基本条件包括陡峻的地形、丰富的物源和充沛的水源。泥石流的起动概率和发生规模，取决于这些因素的综合影响。针对不同的影响因素，中外地质学家在此基础上做了大量的土力类泥石流起动试验，从地形、物源和水源三个方面揭示了泥石流的孕灾条件，为土力类泥石流的起动机理的探索打下了坚实的基础，极大程度上推动了泥石流灾害预测预报的研究进展。

1.1 地形条件

地形条件是泥石流形成的基本条件之一，主要是为泥石流的起动和活动提供能量和能量的转化条件，同时也影响着泥石流固体物源的储备。地形对泥石流可能起动的位置(饱和位置)具有显著的影响[17-18]。

泥石流的起动一般发生在坡度大于15°的斜坡上[19]，后面经调查研究泥石流发生的坡度多集中在15°～40°，在20°～35°的斜坡上发生的泥石流更为密集[1]。沟床坡度与主动力成正比，与阻力成反比[20]，其他学者也验证了沟床坡度与泥石流起动条件之间的关系为负相关[21-22]。在影响泥石流起动的众多因素中，Klubertanz等[23]认为沟床坡度对泥石流起动的影响最小，而李丽[24]认为地形中的坡度、流域面积和沟床比降对泥石流的起动都有着重要影响。朱渊等[25]通过形成区流域面积、形状系数和沟床比降之间特征关系得到地形因子，通过地形因子可以判断泥石流的易发等级。

目前地形条件对泥石流起动影响的研究多集中于沟床坡度，少数学者通过一些地形参数之间的特征关系提出相应的地形因子，但只适用于局部区域。因此，亟需建立一个统一的泥石流类型划分标准，在此基础上研究地形条件对于泥石流起动的影响和判断泥石流易发程度与地形条件的关系。

1.2 物源条件

物源条件主要反映在不同构造地质作用下形成的松散碎屑堆积物方面，它可能是一种细粒材料，如沙子或砾石[26]，也可能是一种具有较宽粒度分布的粗粒材料[27]，还可能是大范围级配的崩积土和残积土[28]。目前有关物源条件对泥石流起动的影响主要体现在以下几个方面。

(1)物源的颗粒组成：物源颗粒间的结合强度和松散材料的结构由细颗粒与粗颗粒的含量决定[20]，不同的颗粒级配反映了不同细颗粒含量下松散固体物质的结构和强度的不同。土力类泥石流起动试验主要以黏粒含量、细颗粒含量和粗颗粒含量三个方面为重点研究对象。陈中学等[29]通过试验发现，蒋家沟泥石流起动过程中松散碎屑堆积物中的黏粒含量具有临界性，当黏粒含量处于5%～18%时，易于引发泥石流的起动，其中当松散碎屑堆积物中的黏粒含量达到10%时，最容易造成泥石流的起动。这表明黏土颗粒的含量对泥石流的起动有着十分重要的影响，其他学者的试验也验证了这个结果[30]。细粒含量对矿渣型泥石流的起动有着显著影响，细颗粒含量的增加会导致矿渣的抗剪强度和渗透性降低，从而影响矿渣型泥石流的起动[13,31]。徐友宁等[22]通过试验发现细粒物质含量占28%左右时，最有利于矿渣型泥石流的起动。魏厚振等[32]通过对蒋家沟不同粗粒含量的砾石土土样进行直剪强度试验，发现砾石土不同的粗粒含量对泥石流的起动也有着十分重要的意义。

(2)物源的强度特性：物源的强度变化是泥石流起动的重要原因之一。土体内有效应力和强度的降低是由孔隙水压力的增加引起的[33-34]。Eckersley[35]通过试验发现剪切区产生的超孔压导致尾矿料强度降低、土体破坏，进而引发泥石流起动。而Hu等[36]认为土体破坏的原因是土体浸润导致吸力降低和内聚强度的损失引起的。Sassa[37]和Kikuno等[38]提出颗粒破碎理论——在剪切面上的土体颗粒发生液化，土体摩擦角和强度降低引发土体破坏。王裕宜等[39]通过试验发现角砾土的抗剪强会随着含水量变化而变化，含水量存在着一个突变的临界值(11.5%)，通过分析斜坡饱和角砾土抗剪强度趋向于零的突发临界值的应力特征，定量地揭示了泥石流饱和土体侵蚀的机理和特征。不同的外部条件也会直接影响土体的强度特性。在降雨作用下，土体细颗粒和黏粒的流失导致粗颗粒骨架架空黏聚力减小[40]、土体基质吸力的降低或丧失[41-43]、颗粒间的有效强度降低[44]或是摩擦系数降低[45]，都会导致土体强度降低引发土体失稳；在地震作用下，处于极限平衡状态的土体在震动作用下山体稳定性破坏，在水的作用加持下形成软弱带[46]或是土体的黏聚力和有效黏聚力减小导致土体强度降低[47]，引发泥石流的起动。

(3)物源的渗透特性：泥石流的起动与物源的渗透特性密切相关，土体的渗透特性会极大地影响泥石流的起动。土体局部的不均匀性[48]和高渗透层[49]会放大降雨对其的破坏作用。Lourenco等[50]研究了土体的渗透特性对土体破坏形态的影响，对于砂土性质的泥石流来说，渗透破坏起控制作用。细砂的含量影响着渗透系数和渗透速率[51]，砂质材料更高的渗透特性和渗透速率有利于孔隙水压力的发展，促进土体的破坏[52]。低渗透率的细粒土不会导致正孔隙水压力的发展，并且土体的抗剪强度随着基质吸力的损失而逐渐降低，引发土体破坏[53]。在降雨条件下，细颗粒会运移到土体下部并使其渗透系数降低，孔隙水压力上升，形成破坏面[54]。降雨入渗后的土体水分和土体-基岩界面孔隙水压响应的“响应时间”反映了降雨入渗下的整体边坡特征，可作为浅层边坡破坏开始的有效指标[55]。Kikuno等[38]发现在一定的降雨强度下，泥石流的起动发生在特定的渗透系数范围内，并存在一个最优渗透系数，孔压的生成和消散速度都与渗透系数有关。

物源条件的研究是泥石流形成基本条件中研究最为广泛的，但目前的研究多数是对物源条件的单独研究，未与地形条件、水源条件相结合。

1.3 水源条件

水源的补给方式有大气降水、冰雪融水、地下水和溃决水。泥石流按照水源的补给方式可分为：降雨型、冰川型、溃决型、地下水型、灌溉型、复合型等[1]；其中以降雨型分布最为广泛[56-57]。在不同地区，不同雨型对泥石流形成的影响也有所不同[58-59]，其对土体结构[40,60]、颗粒的运移[61]、孔隙水压力[62-63]、土的应力应变特征[64]和渗透能力[65]等土体力学特征方面和土体结构参数方面上的影响与泥石流的起动有着密切联系。

土体的初始含水率直接影响着泥石流的起动[36,66]，当边坡由高含水量的松散土组成时，孔隙水压力会显著增加，降低土体的抗剪强度，引发土体破坏[67]。只有在较高饱和度的情况下土体才会发生流滑破坏[50]。若松散碎屑物质的水分状况达到一定水平时，也会引发泥石流的起动[68]。当含水量处于28%～30%时，土体的抗剪强度随着黏聚力和内摩擦角的逐渐降低而降低；当饱和度大于75%时，黏聚力和内摩擦角则迅速减小引发土体失稳[41]。在降雨条件下，土体含水率的增加和负压的降低引起的土体抗剪强度下降泥石流起动的主要原因[69]；降雨入渗也可能会直接引发浅层滑坡并可能转化为泥石流[70]；雨水入渗使残积土饱和软化，基质吸力减小，剪应力增大，局部剪应力大于抗剪强度，土体失稳，引发坡面泥石流起动[41]。陈晓清等[71]通过野外人工降雨试验，表明土体不一定在饱和状态下破坏，也可能处于非饱和状态。

目前，水源条件对泥石流的影响局限于水源条件引发泥石流起动的机理，还需要深入研究具有普遍适用的水源引发泥石流起动的临界条件或公式。

中外学者对泥石流的孕灾条件做了大量的研究并取得了丰硕的成果。但由于泥石流的成因十分复杂，模型试验条件的局限性使得对其综合条件的研究程度较低，未来应该多种因素结合并深入研究。

2 土力类泥石流起动机理研究

2.1 试验研究

为了探求土力类泥石流起动的机理，中外学者做了大量的土力类泥石流的起动机理(表1)和起动的全过程动态分析试验(表2)。

泥石流成因复杂，导致对其起动机理的探索十分困难，但中外学者在这方面取得了一定的成果。崔鹏[73]提出了泥石流起动的定义和准泥石流体的概念并认为泥石流的起动是准泥石流体的形成到其失稳下移的过程。Anderson等[17]认为降雨诱发泥石流起动的机理是高强度降雨下土体的不排水加载破坏。Gabet等[78]和Chen等[79]认为泥石流的起动是由于土体的液化导致其失稳。滑坡和泥石流虽然是两种不同类型的地质灾害，但滑坡在一定的条件下可以与泥石流共生，也可以转化成为泥石流[82]，这是一个连续的过程。因此，它们的起动机理具有紧密的联系性和复杂性。不同条件下滑坡形成泥石流的起动机理也有所不同。

表1 土力类泥石流起动机理试验汇总表

一般情况下，滑坡形成泥石流的起动机理为三个方面：①大范围土体内部发生库伦破坏；②土体内部过高的孔隙水压力导致土体液化；③滑坡势能转化为土体内部的震动能[49]；在中小强度降雨条件下，其起动机理为局部软化或液化[71]；在高强度降雨条件下，其起动机理为振动软化或液化[71]；而在暴雨条件下，其起动机理为松散碎屑堆积物不排水或不完全排水的应变软化和破坏扩展[64]。不同雨强下泥石流的起动机理也有所不同，当降雨强度相对较小时，泥石流的起动机理为松散碎屑堆积物的块体滑移[80]；在低雨强条件下，泥石流的起动机理为土体的坡面侵蚀[83]。

表2 土力类泥石流起动全过程动态分析试验汇总

在上述泥石流起动演化过程试验中，中国学者探索到了不同条件下不同类型的泥石流起动的不同演化过程。在降雨条件下，砂性泥石流起动的演化过程为堆积体形成浸润区、出现滑动面、土体形成拉裂破坏和泥石流起动[85]。不同雨强对泥石流起动演化过程的影响有所不同，在小雨强条件下，工程弃渣坡面泥石流的演化过程为吸水引起弃渣强度降低、弃渣开始蠕滑、弃渣出现局部滑动、快速滑动、形成泥石流堆积体这5个阶段[84]，周健等[86-87]通过试验将泥石流起动的演化过程划分为雨水入渗阶段、坡脚破坏与裂缝发展阶段和分层滑动阶段；在中高雨强条件下，泥石流的起动演化阶段可能为坡面、沟道侵蚀和大规模溜滑[83]，也可能为雨水入渗阶段、整体滑动阶段和泥石流形成与下滑阶段[81]；在极端暴雨条件下，滑坡泥石流的起动演化过程可以划分成为降雨入渗土体饱和、土体发生排水剪胀、土体出现剪胀破坏、土体裂隙扩展、土体软化滑动、滑动加速引起土体解体、土体失稳流动和形成松散碎屑堆积物8个阶段[77]。

2.2 理论研究

土力类泥石流是松散碎屑物质在大气降水和地表径流的影响，其稳定性遭到了破坏最后在自身重力作用下起动形成的。中外学者在泥石流起动机理的理论上的研究主要集中在孔隙水压力和土体的静力平衡两方面，但目前Iverson[74]的观点被广大学者广泛接受，详细地阐述了泥石流起动过程中的液化机制并提出了完整的方程。

Iverson[74]在1992年提出了斜坡的安全系数Fs由3个无量纲比率之和组成，即

Fs=Tf+Tw+Tc

(1)

式(1)中：

(2)

戚国庆等[89]认为孔隙水压力的变化是造成降雨型泥石流起动的原因，在非饱和土强度理论的基础上，指出降雨型泥石流的形成过程为两个阶段，即：降雨型泥石流的松散碎屑堆积物的抗剪强度随基质吸力的减小而降低；抗剪强度随孔隙水压力的上升而增大引发泥石流。当降雨型泥石流进入第二阶段后，饱和松散碎屑堆积物的临界起动判别式[90]为

(3)

式(3)中：A为固体松散物质与沟床的接触面积；σ-μw为有效应力；G为松散碎屑堆积物的重力；T为径流的推力；β为床底坡度；K为松散碎屑堆积物的稳定性系数。当K=1时，饱和松散碎屑堆积物处于极限平衡状态；当K>1时，饱和松散碎屑堆积物处于稳定状态，不会发生泥石流；当K<1时，饱和松散碎屑堆积物处于不稳定状态，将会形成泥石流。

李树德[91]认为滑坡型泥石流的起动是由斜坡上土体的静力平衡破坏引起的，并提出了土体破坏的起动判别式，即

S=QsinA

(4)

S0=RtanU+C

(5)

式中：S为平行于斜坡的重力分力；Q为土体自身的重力；A为斜坡坡脚；S0为抗滑动力即临界起动力；R为垂直于斜坡的重力分力；U为土体的内摩擦角；C为土体的内聚力。当S>S0时，土体破坏起动并在一定水力条件下形成滑坡泥石流。

3 泥石流起动模型研究

为了多方面研究泥石流起动，学者们通过和其他学科相结合，建立了描述泥石流起动的数值模型，其中比较典型的起动模型如泥石流起动的突变模型、渗流模型、分布式坡面泥石流起动模型和水文-力学耦合模型，具体如下。

3.1 泥石流起动的突变模型

崔鹏等[73]通过大量试验获取数据，分析了泥石流的起动与床底坡度(θ)、颗粒级配(C)和水分饱和度(Sr)的关系，明确了泥石流起动的临界条件[72]，并建立泥石流起动模型，即

(6)

式(6)中：θ为底床坡度；Sr为土体饱和度；C为颗粒级配。

该模型揭示了泥石流起动的物理机制，表明了泥石流的起动具有加速起动、常速起动和缓慢起动三种起动方式。虽然该模型可以解释泥石流的起动机理，但该模型仅表述了九寨沟内的树正沟泥石流的起动机理，未能在相似条件下(忽略水力冲刷作用，粗细颗粒分界粒径为1 mm其余条件与一般泥石流沟道特征一致)的其他流域验证，在分析细颗粒含量对泥石流起动的影响未考虑到颗粒运移，细颗粒的损失对土体强度的影响。因此，泥石流的起动机理还需要结合土体结构、渗透系数、孔隙水压力等土体特征参数和土体力学性质进行更深入的研究。

3.2 渗流模型

李后强等[92]在渗流理论的基础上，提出了泥石流的渗流模型，即泥石流起动前松散碎屑物质中的符合贝塞尔点阵，其渗流临界值Pc为

(7)

式(7)中：Z为配位数；d为欧式空间维数。

泥石流起动的难易程度与Pc相关，Pc越小泥石流越容易起动。

渗流模型适合于物源为松散碎屑堆积物的泥石流，松散堆积的孔隙越大泥石流越容易起动，作者通过渗流模型与广义的Fibonacci数列得到分形维数相结合分析了段家河流域泥石流的形成过程，认为泥石流的起动既与松散堆积物的总量有关又与堆积物的微观结构有关[92]。该模型将数学上的渗流问题与泥石流的起动结合起来，使泥石流起动机理的研究迈入新的研究方向。但是由于泥石流松散碎屑物质颗粒的不均匀性导致其堆积方式十分复杂并且泥石流内部水流的渗透通径的研究十分困难，不适合结合一般的渗流模型来讨论泥石流的起动。因此，还需要更深入地研究渗流理论及模型在泥石流起动机理方面的结合应用。

3.3 分布式坡面泥石流起动模型

在前人土力类泥石流的研究基础上[39,58,93]，为了动态、系统地定量化坡面泥石流的起动理论。张万顺等[94]基于一系列的土壤学理论，建立了分布式坡面泥石流起动模型。该模型主要包括了三个部分：土体下渗和土体含水率计算(土壤下渗模型)、土体动力分析和定量计算(泥石流起动模型)、坡面泥石流演算。

其中泥石流的起动模型由土体应力计算和土体起动厚度估算两部分组成。土体应力计算方程为

(8)

式(8)中：τ为土体抗剪切应力；F为土体的切向应力；c为土体黏聚力；σn为土体的法向应力；σn=(G+G′)cosα/α；σ′n为土体的切向应力，σ′n=GVsinα/α；α为表层土体坡度；G为土体重力；G′为表层泥石流重力；A为土体单元表层面积；ρ0为表层泥石流密度；k1为经验参数。

坡面土体起动并形成泥石流与土体剪切应力(F)和抗剪切应力(τ)有着密切的关系，土体起动厚度估算方程为

(9)

式(9)中：Hs为起动土体的厚度，通过迭代计算来确定；ρs为起动土体的密度；I为坡面比降；α、β、γ为经验参数，根据泥石流流域实测资料选定。

分布式坡面泥石流起动模型适用于降雨条件下单一的坡面泥石流，通过对云南东川蒋家沟典型的降雨型坡面泥石流过程进行数值模拟，还原了天然降雨形成的坡面泥石流的所有特征——阵发性、不连续性、滞后性等[94]。表明了该模型能依据实际降雨过程动态地、系统地定量化计算泥石流的起动，充分认识泥石流起动过程中各个部分之间的联系，能够解决复杂的坡面泥石流起动问题，推动了泥石流的预报进展。但该模型也存在着一些缺点，该模型仅适用于降雨条件下单一的坡面泥石流，并且一些数值的计算太过复杂，需要一直迭代才能得到结果，对模型的广泛应用造成不利影响。

3.4 水文-力学耦合模型

Klubertanz等[23]提出了水文-力学耦合模型，一种基于连续介质力学，将土视为一种充满两种不混相孔隙流体(水和气)的可变形多孔介质，质量和动量平衡方程形成了一个高度耦合的非线性系统。它可以作为研究泥石流起动的一种数值方法。在该模型中，当水充满所有的空隙时，混合物才能被认为达到饱和状态，否则是不饱和的。该模型由动量平衡、质量守恒、离散系统、非饱和土的本构模型4个部分组成。

该模型适用于多类型泥石流的起动研究，并能够提供边坡不稳定性的指示、预测破坏位置和初始泥石流体积，通过对模型参数的选取研究时发现泥石流的起动与坡角的关系并不大，供水的瞬态特性才是关键参数，具有良好的创新性，但由于大型野外试验仪器和数据资料的不全面，还没用实际泥石流验证模型的应用性与正确性，因此暂时不能应用于验证实际泥石流的起动。

土力类泥石流的起动模型对于泥石流的起动预警有着十分重要的作用，目前泥石流的起动模型与多学科结合并取得了相应的成果，但目前还仅限于理论上且模型参数较为复杂，获取精度低，因此，模型还不能大范围地应用于实际的泥石流起动中。这些问题还需要深入研究并解决。

4 结论与展望

泥石流起动机理的研究是泥石流灾害防治的核心问题之一，中外地质学家在土力类泥石流起动机理和模型上的研究有了许多丰硕的成果，地质学者通过大量的野外调查和试验相结合的方法，提出了不同类型的泥石流的起动临界条件，为泥石流的预报提供了理论基础。研究了不同类型泥石流的起动机理和其起动的动态全过程分析，并提出了多种起动模型。但由于土力类泥石流起动过程本身的复杂性和挑战性，土力类泥石流起动研究还存在一些重点难点。

(1)土力类泥石流起动时土体物理力学特征测定。为了探究土力类泥石流起动时的土体物理力学特征，目前多用水槽试验与各种传感器相结合的方法。但该方法存在一定的问题，传感器埋入本身会对试验土体的稳定性产生一定的影响，因此传感器埋入的多少和埋入的位置都是研究的难点，传感器埋入太少加上位置的偏差监测不到起动时的土体变化特征；传感器埋入太多又会对试验土体产生不可忽略的影响。如何避免传感器对于试验土体产生的稳定性影响是土力类泥石流起动机理研究的难点之一。

(2)土力类泥石流起动的力学机制研究。目前土力类泥石流起动力学机制研究已有一定的成果和基础。但土力类泥石流起动具有复杂性导致探究其内在的力学机制十分困难，其中所涉及的力学参数十分复杂，目前关于土力类泥石流起动试验所考虑的参数比较单一，加上一些力学参数获取比较困难，所以已有的起动力学机制还不够深入因此不能完全揭示泥石流的起动机理，以此建立的起动模型同样不能广泛应用于实际泥石流中。

(3)土力类泥石流起动的临界条件研究。泥石流起动的临界条件是泥石流灾害防灾的关键点，找到泥石流起动的临界起动条件，就可以有效地对泥石流灾害进行预警。土力类泥石流的起动临界条件是建立土力类泥石流土体物理力学特征与力学机制之上。泥石流的类型不同，其土体物理力学特征与起动力学机制也有所不同导致其起动的临界条件也有所区别，因此亟需建立一个以研究泥石流起动机理为目的的划分标准，结合物源土体的物理力学特征与起动的力学机制，研究其起动临界条件，建立相应的能广泛应用于实际泥石流中的起动判别式或起动模型，为泥石流灾害的预报提供有力的理论依据。