高寒山区流域汇水径流作用下弃渣型泥石流启动影响因素研究

肖维阳，时幸幸，裴向军

（1.九寨沟管理局，阿坝 623402；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059）

1 引言

雅鲁藏布江下游水电开发对于我国能源电力行业发展及西藏自治区经济社会发展具有重大意义，同时，水电规划区建设涉及大量隧道弃渣，存在一定的生态、安全风险，需要面对弃渣料的科学处置问题。隧道弃渣多表现为方量大、欠密实、强度低的特点，在外力触发下可能发生滑坡、泥石流灾害，威胁下游居民及建筑设施，同时可能造成严重的人员伤亡和财产经济损失并引起一系列生态地质环境问题。例如：2000年7月10日，菲律宾奎松市的弃渣场边坡渣料在暴雨中快速流失启动形成泥石流，掩埋了330多人，造成278人当场不幸遇难（Merry et al.，2005）；2008年9月8日，山西省临汾市的新塔矿业尾矿库在防护措施欠缺的条件下而突发溃坝事故，库内废渣料随水流冲出库区形成了长达2km的泥流灾害，造成277人遇难（殷跃平，2008）；2015年12月20日，深圳市光明新区红坳弃渣场由于排水问题处理不善导致渣土堆填物发生滑坡事件，造成了77人遇难以及直接经济损失8.8亿元（Yin et al.，2016）。

强降雨及冰雪融水条件下，一些防护措施不完善的弃渣场易形成泥石流对下游人员和基础设施造成严重威胁。泥石流物源稳定性主要受堆积体自身内摩擦角与自重应力，以及降雨和冰雪融水条件下的坡体内部渗流力和超孔隙水压力等因素影响。根据研究表明，泥石流启动与降雨量和降雨强度等条件密切相关（胡桂胜等，2011；Yu，2008），当降雨强度大于渗流强度时将会形成一定流深的地表径流（Li et al.，2005），地表径流冲蚀泥石流物源，极易破坏诱发泥石流（曹琰波等，2008）。陈中学等（2010）通过人工降雨试验发现，粘土颗粒含量对泥石流启动具有重要影响，弃渣料多为碎石土，粘粒含量低，弃渣型泥石流启动相比土质松散堆积物更加困难。王锴等（2019）根据研究同样指出矿渣型泥石流启动难易程度受到渣体细颗粒含量的影响，细颗粒含量增加将会导致矿渣的渗透性及抗剪强度降低，进而影响到堆积体的受力情况以及结构的破坏模式。弃渣型泥石流启动模式研究较多，倪化勇等（2011）根据弃渣型泥石流的形成机理，将其主要划分为弃渣面蚀型、弃渣揭底型、弃渣侧蚀型、弃渣溃决型以及复合型5类；屈永平等（2015）根据孔隙水压力与水位变化特征，将冰川降雨型泥石流的起动模式归纳为地表浅层径流阶段、揭底起动阶段以及溃决后逐渐减小阶段；李宁等（2020）根据不同坡度及径流量试验研究表明，泥石流启动模式主要有沟床侵蚀型、滑坡流态化启动型和消防管启动型。泥石流运动模型主要由流体性质及其受力特征决定，不同研究人员根据其研究特点提出了大量运动模型（O'Brien et al.，1993；Takahashi，1980；Johnson et al.，1970）。在考虑沟床地形条件、地表径流侵蚀能力和堆积物剪应力等因素下，Iverson（1997）、Cannon et al.（2001）、Berti et al.（2005）针对不同特性的沟床松散堆积物，建立了相应的启动判别关系式。

本文根据弄家曲流域沟道地形特点及潜在地质灾害发育特征，首先进行了渣场堆放形式规划设计；然后，结合不同的渣场堆放形式，基于物理模型实验研究上游汇水径流冲刷作用下，渣场泥石流启动失稳破坏特征及泥石流启动特征参数，分析渣场不同堆放形式对泥石流启动的影响，评价弃渣场不同堆置方案的失稳破坏模式及机制，为流域沟道弃渣场堆放规划设计提供参考。

2 研究区概况

研究区位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江下游大拐弯西南侧，行政区划属林芝市，其中拟建渣场堆放点的弄家曲流域位于多雄拉隧道出口与多雄河上游区域，地理位置为：东经94°57′～95°1′，北纬29°28′～29°31′。据研究区附近的米林气象站资料，沟谷多年平均气温8.6℃，极端最高气温29.7℃，极端最低气温－15.8℃；多年平均降雨量702.1 mm，最大日降水量81.8mm；雨季在每年6～9月，单月最大降雨量291.3mm。多雄拉山一带属于典型的高原气候特征，位于大陆高原寒流和印度洋暖湿气流交汇处，气候多变，昼夜温差大。

研究区是青藏高原隆升、侵蚀最为强烈的地区，地形起伏大、河谷深切，属典型的高山峡谷地貌。弄加曲流域地区出露的地层主要是南迦巴瓦岩群中的多雄拉岩组，以及第四系冰碛物和崩坡积松散堆积物。其中多雄拉岩组混合岩化强烈，为片麻岩结晶基底，岩石致密、完整性较好。

弄家曲流域位于多雄拉隧道出口附近区域，流域面积20.88km2，地形落差较大，高程范围3 300～5 500m（图1）。流域中上游河道相对陡，下游河道相对较缓，主沟长4km，沟道平均纵比降为125‰。流域海拔4 000m以上区域每年大多数时候为冰雪覆盖区，常年雪线在4 800m左右，流域后缘冰川覆盖区面积为5.5km2，占流域总面积的26%。弄加曲流域发育冰川、冰湖，汇水面积大，地势陡峭；同时，流域内松散物质分布广、类型多、数量大，加之区域充沛的降雨和降雪条件，暴发泥石流的可能性较大。

图1 研究区高程分布图

弄家曲流域范围广、地形落差大、地势陡峭，现场实地勘查难度大、危险性系数高，同时无法得到流域的整体情况；另外，无人机续航能力有限，也只能得到局部航拍资料。出于经济和整体效果考虑，本文采用卫星遥感数据、无人机航拍以及现场调查相结合的方法对弄家曲流域潜在地质灾害进行解译识别。卫星光学遥感数据主要来源于谷歌官方服务器0.6～5m精度的光学影像；同时，收集研究区域30 m和12.5m精度的DEM数据，作为研究基础资料；无人机航拍采用大疆“御”Mavic 2无人机，设备轻巧、携带方便，相机有效像素2 000万，照片分辨率5 472×3 648。

基于不同地质灾害的光学影像（光学遥感影像与无人机航拍影像）特征，对流域内的地质灾害进行解译识别，得到流域内的主要隐患地质灾害有冰崩、雪崩、泥石流和冰湖溃决，灾害分布见图2所示。其中，泥石流隐患灾害分布范围广、暴发频率高，值得重点关注。弄家曲流域水系发育，降雨及冰雪融水是泥石流形成的主要水源。同时，坡表及沟道内松散物源分布广泛，主要可分为坡面物源、沟道物源及崩滑物源（图3），充足的松散物源堆积为泥石流的形成提供了有力条件。

图3 泥石流物源条件

3 实验研究方法

3.1 渣料来源

弄家曲流域拟建弃渣场位于多雄拉隧道出口附近，弃渣场物质来源主要为该区域拟建引水隧洞在全断面岩石掘进机（TBM）开挖过程中的洞渣料，渣料性质与多雄拉隧道已开挖渣料类似，因此本文前期进行了多雄拉隧道开挖弃渣料的调查研究，研究结果为后续进一步开展相关实验研究提供基础。

雅鲁藏布江下游水电工程规划区的多雄拉隧道入口已建弃渣场长765m，宽150m，占地面积约为70 000m2；弃渣场区具有显著的三级台阶，台阶坡度为20°～35°（图4）。多雄拉隧道入口已建弃渣场表层覆盖有黄色砂土，有部分植被覆盖，渣土类型主要为灰色细砂夹有块状、片状碎石，以片状碎石为主，一般粒径：0.5～5cm，较大粒径：5～20cm。渣料来源于多雄拉隧道TBM洞渣料，渣料粒径较小，岩性主要为片麻岩、混合片麻岩、石英岩、角闪岩等。在渣场多处区域进行开挖取样，在现场和室内进行弃渣料的颗分试验，根据各组粒径占比的平均值得到弃渣料级配曲线，如图5所示。采用烘干法和环刀法得到研究区多雄拉隧道入口已建弃渣场主要渣土类型基本物理参数如表1所示。

图4 多雄拉隧道入口已建弃渣场

表1 弃渣场区主要弃渣料基本物理参数表

图5 弃渣料级配组成曲线

3.2 渣场堆放形式设计

渣场堆放改变了沟道地形，流域冰雪融水－降雨汇水径流作用下，不同的渣场堆放形式对水动力条件的阻挡和削弱效果不同，渣场本身也会产生迥异的失稳破坏特征。本文根据堆渣量需求以及流域特征提出了3种全程台阶渣场堆放形式，分别为：单台阶、双台阶、三台阶堆填方案。

全程台阶堆填方案采用弃渣料分级堆填的设计思路（图6、7），渣场计划堆放区域沟道地形坡度为6°～9°，平均坡度8°。渣场堆放高程主要位于3 435～3 706m之间，沟道堆放总长度约1.8km，可堆存渣料约2 000×104m3，坡面布置防护网护坡和植被覆盖以减少坡面水土流失。

图6 全程三台阶堆填方案设计模型示意图

全程台阶堆填方案在堆渣量恒定下，保持相同的堆渣长度、台阶平台宽度和最大厚度，考虑三台阶、双台阶和单台阶不同的堆置方案设计，渣场台阶堆放坡比根据现场地形坡度合理设置。三台阶堆置方案中，渣场中部台阶因地形起伏，台阶坡比进行放缓处理，两侧台阶堆放平台宽300m、台阶宽300 m，高100m、堆放坡比为1∶3；双台阶和单台阶堆置方案中，保持相同的渣场堆放平台宽度300m，根据地形起伏进行放坡，保持与三台阶方案相同的堆渣方量，详细堆置方案见设计剖面图7所示。

图7 全程台阶堆填方案设计纵剖面图

3.3 渣场泥石流启动模型实验方案

3.3.1 模型实验相似比

模型实验与原型间的相似准则是两者实验结果相似的理论基础，在建立正确的相似条件下，依据模型实验结果才能再现或者超前预测一些实验现象，从而对原型进行定性或定量的深入分析。参考前人文献资料（鹿守山，2019；乐培九等，2008；徐永年等，2000），在泥石流启动实验以及后续的冰湖溃决实验中需要满足材料相似、几何相似、重力相似、阻力相似以及水流连续相似等基础条件。流体动力相似准则采用弗劳德准则，由三维紊动水流的连续方程和运动方程式可以得出：

式中，λl为平面比尺；λv为流速比尺；λg为重力加速度比尺，本模型条件下，λg＝1。

根据上式可以得到：

由水流运动的连续性相似要求，进一步可得到：

式中，λt为时间比尺；λQ为流量比尺；λh为垂直比尺，本模型采用标准正态模型，λh＝λl。

根据选用实验水槽尺寸，原拟建渣场模型缩小400倍建立室内标准正态模型，具体相似条件及相似比尺见表2所示。

表2 相似条件和相似比尺

由于室内实验模型缩放比尺过大，无法完全满足模型材料的相似，为避免粒径缩放过小，土体性质发生显著改变，本文碎石粒径（粒径≥5mm，含石量界限）相似比采用1∶10，砂土粒径（粒径＜5mm）相似比采用1∶1～10（图8）。参考徐永年等（2000）通过变粒径比尺的方法，一方面避免了土体粘性过大，另一方面消除了模型砂土级配不连续相似的问题，较好地实现了固体物质级配相似，达到了泥石流的密度相似和输沙相似。

图8 原渣土与模型实验渣土级配曲线

3.3.2 实验装置

本文实验装置采用泥石流动力模拟装置（图9），位于成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，实验组成部分主要有：实验水槽、储供水系统、控制系统。实验水槽长8.35m，宽0.31m，高0.35m，水槽两侧为钢化玻璃，同时贴有一定数量的刻度尺，精度0.1cm，便于获取渣场变形破坏特征。实验水槽底部为带波纹的碳钢板，糙率系数0.03；根据流域地形特点并查阅天然河道糙率表，可知流域沟床基底糙率约为0.07，由上表糙率比尺关系，水槽基本满足阻力相似条件。实验水槽可通过铰链和吊葫芦在0°～22°间进行自由变坡，模拟不同的沟道坡度。实验上游入水流量通过装有流量计的水管经消能水池进入实验水槽，可模拟沟道上游汇水径流量。

图9 实验装置图

3.3.3 实验方案

流域冰雪融水－降雨汇水径流作用下，沟道内不同的渣场堆放形式所产生的侵蚀破坏特征不同。本文根据弄家曲流域特点提出了3种渣场堆放形式，通过模型实验对比研究不同渣场堆放形式下的失稳破坏特征，最终确定具有明显优势的渣场堆置方案。

渣场全程台阶堆填方案上游直接接收流域降雨及冰雪融水汇流，在地表径流冲刷下渣场坡表将会导致大量水土流失，严重者可启动形成泥石流。为揭示渣场不同全程台阶（单台阶、双台阶、三台阶）堆填方案对泥石流启动的影响，开展模型实验研究上游汇流冲刷下渣场坡表的侵蚀变形特征、失稳破坏模式以及渣场启动形成泥石流时的启动特征参数。试验中通过阀门控制上游来流流量逐渐增加，观察每次流量增加后弃渣堆积体的侵蚀变化情况，若堆积体颗粒没有明显侵蚀变化则继续加大流量直至启动形成泥石流并最终揭底。结合摄像机拍摄，观察在不同渣场堆放形式下弃渣堆积体的侵蚀冲刷特征，根据三维激光扫描仪获取渣场冲刷前后坡表侵蚀特征及体积损失量。在弃渣堆积体侵蚀冲刷过程中随时在下游取样测定容重，通过容重变化和摄像机相结合判定堆积体形成泥石流的过程，测定泥石流启动容重和流量以及弃渣堆积体启动形成泥石流时对应的上游临界清水流量。

3.3.4 实验模型设计

根据渣场堆放形式设计，为保证实验模型简化且具有代表性，现将全程台阶渣场堆填方案模型在三台阶下概化为平台宽300m、台阶宽300m，高100m、渣场堆放坡比为1∶3。在堆渣量恒定下，改变渣场堆放形式分别为双台阶和单台阶堆填方案，堆放起始位置、堆放长度、台阶平台宽度以及堆放最大厚度保持不变，改变堆放坡比分别为1∶4和1∶5。全程台阶堆填方案渣场堆放区沟道地形平均坡度8°，渣场堆放区缩放400倍建立室内实验模型，模型实验设计及仪器布置见图10、图11、图12所示。

图10 全程三台阶堆填方案实验模型设计

图11 全程双台阶堆填方案实验模型设计

图12 全程单台阶堆填方案实验模型设计

实验渣料来源于研究区典型弃渣场现场取样，渣料经过风干、筛分，根据设计级配曲线配制定量模型渣料待用，在渣料中加入适量水搅拌均匀，保证与取样区天然含水率一致，渣场模型堆放时根据设计尺寸均匀堆放、压实，保证相同的压实度。实验过程中，通过流量计控制上游来流径流量；在渣场模型前、后和侧面布置摄像机拍摄整个实验过程，记录泥石流运动特征；渣场各级台阶平台陡缓交界处中部的孔隙水压力传感器记录渣土内部孔隙水压力变化规律，其中单台阶堆置方案传感器间隔1m等间距布置。本次实验主要用到的仪器设备及参数见图13和表3所示。

真相：樊新荣认为，天冷时出门少加上运动少，受太阳光照射时间短，这确实会影响钙、磷的正常吸收和骨化作用，导致体内钙质流失较大，但不一定会导致人体的骨骼在冬天变脆。

图13 实验数据采集仪器

表3 实验仪器参数

4 实验结果

4.1 实验过程及现象

实验过程中，缓慢增大上游汇水流量，地面径流不断冲刷渣场坡表，在来流径流量较小时，渣场主要表现为坡表的水土流失，水流冲刷带走渣场表层大量细颗粒物质。随着上游径流量逐渐增大，渣场坡表下蚀和溯源侵蚀快速发展，在径流冲刷100s时，相比于单台阶方案堆积，多台阶堆积方案因为渣场堆放坡比较大，水流的溯源侵蚀和下蚀作用更加明显。实验前期，全程三台阶堆填方案的下游台阶侵蚀严重，台阶斜坡面的下蚀作用更易快速形成沟道径流，径流通道使得地面径流冲刷变得较为集中，在水流的侧蚀作用下，沟道岸坡逐渐垮塌，大量渣料在水流搬运作用下流向下游，径流通道也逐渐扩展。另外一方面，由于径流通道的形成，地面径流可以得到快速排泄，降低了渣体其它区域的水流侵蚀作用，渣场泥石流启动变得较为困难，在3种堆渣方案中泥石流启动所需的地表径流量增大。

结合摄像机拍摄、渣体内部孔隙水压力变化特征以及下游流失物质容重测定进行判断泥石流启动时间。在全程三台阶堆填方案中，随着地表径流量逐渐增大，台阶斜坡面径流通道两侧岸坡在水流侧蚀作用下垮塌加剧，同时台阶平台溯源侵蚀和下蚀快速发展，随后与台阶斜坡面早期形成的径流通道贯通，在221s时，地面径流量达到启动流量而形成沟道泥石流并最终揭底（图14）。

图14 全程三台阶堆填方案实验过程

在全程双台阶堆填方案中，坡面溯源侵蚀随地面径流量增大而逐渐发展，渣场坡表浅层物质大量流失，上游台阶坡面在水流溯源侵蚀和下蚀作用下渣场物质一部分随水流搬运流失，另外一部分淤积在下游台阶的顶部平台位置。平台堆积物阻挡了部分水流，地面径流分散流向下游，水流的下蚀作用使得下游台阶斜坡面径流通道逐渐形成，随后在径流量不断冲刷下，下游台阶平台堆积物一侧径流通道逐渐贯通，最后在地表径流量冲刷下，于147s启动形成沟道泥石流（图15）。

图15 全程双台阶堆填方案实验过程

在全程单台阶堆填方案中，渣场堆放坡比相对较缓，实验前期渣料流失总量较少。渣料损失主要发生在渣场前缘，由于堆放厚度浅，在地面径流冲刷下渣料大量流失。地面径流强度逐渐增大下，台阶坡面溯源侵蚀严重，渣场浅表层物质大量流失，在138s时启动形成坡面泥石流。随后，在泥石流参与下的渣场台阶前缘侵蚀作用加剧，前缘渣料快速流失。同时，渣场后缘在水流下蚀作用下径流通道贯通，沟道径流携带两侧岸坡垮塌物质参与水流运动，在191s启动形成沟道泥石流，渣场整体物质严重流失（图16）。

图16 全程单台阶堆填方案实验过程

图18 渣场全程双台阶堆填方案失稳破坏前后侵蚀堆积特征分布

图19 渣场全程单台阶堆填方案失稳破坏前后侵蚀堆积特征分布

4.2 渣场侵蚀堆积特征

本文借助Polaris三维激光扫描仪对渣场失稳破坏前后坡表地形进行了扫描，根据扫描结果得到了渣场破坏前后坡表三维地形以及两者差分得到的坡体侵蚀堆积特征分布图（图17、18、19），其中在渣场侵蚀堆积特征分布图中，正值表示堆积量（单位：m），负值表示侵蚀量。

图17 渣场全程三台阶堆填方案失稳破坏前后侵蚀堆积特征分布

在渣场堆填方案中，侵蚀区域主要为渣场形成的沟道径流携带大量渣料流失导致的，在实验结束后径流通道最终揭底，其中渣场双台阶堆填方案的中部径流通道并未完全揭底，仍有部分堆积物残留；渣场下游区域侵蚀最为严重，在水流冲刷作用下的溯源侵蚀强烈，同时泥石流启动后渣场前缘遭到了最为严重的水流侵蚀冲刷作用，在强大的水流搬运作用下，前缘渣料基本全部流失，3种堆渣方案的下游渣料仅在侧边界有少许残留；径流冲刷携带大量渣料运移，部分渣料在坡体的陡缓交界处因动能减小而停留，表现为在渣场台阶平台上游部位淤积。渣场三台阶堆填方案中，淤积部位主要在右侧的台阶平台上游，淤积高度1～3cm，三台阶堆填方案的各级台阶相对坡度大，同时各级台阶得到的淤积物较少，在沟道径流冲刷下不易停留，所以表现为仅在右侧台阶平台有部分堆积；在渣场双台阶堆填方案中，渣场下游台阶的顶部平台大量堆积，淤积高度2～4cm，双台阶堆填方案的台阶坡度相对较缓，动能不足，同时渣场下游仅有一级台阶平台，在平台位置得到的淤积物较多，因此在此区域易于停留淤积，阻挡了部分地表径流（图15、18）；在实验结束后，通过Surfer软件，根据辛普森法则体积计算渣场三台阶、双台阶和单台阶堆填方案的体积损失量分别为：68.14%、73.28%、87.65%。

4.3 泥石流启动模式

（1）全程三台阶堆填方案

上游地表径流不断侵蚀冲刷渣场坡表，伴随大量细颗粒物质流失，渣场坡面下蚀和溯源侵蚀逐渐发展。上游径流量逐渐增大，台阶坡面形成径流通道，沟道径流冲刷逐渐加剧，水流侧蚀作用不断搬运两侧松散物质，径流通道逐渐扩展、贯通。沟道岸坡垮塌物质不断进入水流被搬运流出，在来流径流量足够大时，沿程大量松散渣料在水流作用下启动形成泥石流，此种泥石流启动模式可概括为侵蚀启动型。

在水流溯源侵蚀作用下，渣场坡表物质大量流失，运移物质部分启动进入水流运移而下，部分在下游台阶顶部平台淤积。平台堆积物质影响了下游径流冲刷的强度，在径流量逐渐增大下，水流下蚀作用增强，渣场坡表径流通道贯通，水流携带大量松散物质和部分停留堆积物质迅速冲刷而下，造成泥石流启动，这种泥石流启动模式可归纳为堵溃启动型。

（3）全程单台阶堆填方案

地表径流冲刷作用下，渣场台阶坡面溯源侵蚀快速发展，细颗粒物质不断流失，随着地表径流强度逐渐增大，坡表物质大量流失启动形成坡面型泥石流；在泥石流启动后，坡面溯源侵蚀和下蚀加速发展，渣场径流通道贯通，沟道岸坡在侧蚀作用下不断垮塌，形成沟道型泥石流，本文将这种泥石流启动模式归纳为混合启动型。

4.4 泥石流启动特征参数

在上游汇水径流冲刷作用下，不同弃渣场堆放形式启动形成泥石流的实验现象具有明显差异，为了对比研究不同渣场堆放形式下的启动模式与机理，现进行渣体内部孔隙水压力监测、渣场泥石流启动时的上游临界清水流量和泥石流流量及容重测量。孔隙水压力传感器设置采集频率10Hz，位置分布见实验模型设计图（图10、11、12），监测结果及分析如下：

（1）全程三台阶堆填方案

坡表径流冲刷下，水流不断入渗，渣场内部孔隙水压力随之增大；水流的下蚀和溯源侵蚀作用使渣场坡表不断侵蚀，孔隙水压力曲线伴随有不断的波动。孔隙水压力传感器埋设于渣场台阶平台与斜坡面陡缓交界处的渣料中部位置，由于渣场上游径流通道位于左侧，远离传感器位置，上游孔隙水压力在后续泥石流启动过程中没有突出变化；渣场中游孔隙水压力于190s达到最大值542Pa，随着径流通道进一步扩展、贯通，相应的孔隙水压力有所降低；在径流通道贯通之后，随着地表径流冲刷，沟道岸坡物质不断垮塌进入水流启动形成泥石流，下游孔隙水压力达到最大值205Pa；泥石流启动时间为221s～266s，泥石流启动后，渣料大量流失，传感器被水流携带冲刷，孔隙水压力快速降低，在实验结束后稳定在一定区间（图20（a））。

（2）全程双台阶堆填方案

孔隙水压力随地表径流入渗而增大，前期波动不大，在100s之后，渣场坡表侵蚀冲刷加剧，地面径流更易入渗使得孔隙水压力快速增大。渣场上游孔隙水压力于130.3s达到最大值420.4Pa，随后期地表径流主要以渣场左侧沟道径流为主，孔隙水压力有所回落；在上游来流径流量达到渣场泥石流临界启动流量时，下游台阶平台的淤积物被部分冲走形成贯通的径流通道，随后水流携带大量渣料迅速顺流而下，下游孔隙水压力达到最大值134.6 Pa；泥石流启动时间为147s～185s，泥石流启动后孔隙水压力总体降低，同时因探头受到水流作用部分有所上涨，在泥石流结束后孔隙水压力保持稳定波动（图20（b））。

（3）全程单台阶堆填方案

全程单台阶堆填方案中，中游与下游孔隙水压力传感器均布置在台阶斜坡面，同时与上游孔隙水压力传感器位置间隔均为1m。渣场上游孔隙水压力在径流冲刷下波动幅度较大；渣场下游渣料随水流冲刷迅速流失，后期传感器暴露直接受到水流冲刷作用，整体波动幅度不大，不能说明后续泥石流启动过程；渣场内部孔隙水压力最大值出现在中游传感器监测处，在137.6s达到最大值303.7Pa，随后在地表径流作用下的渣场坡面泥石流启动；其中在138s～191s主要以台阶斜坡面不断侵蚀的坡面型泥石流为主，孔隙水压力在泥石流启动后快速降低；在191s～250s主要为以台阶平台及前缘坡面径流通道侵蚀为主的沟道型泥石流，沟道型泥石流启动后，泥石流流量瞬间增大导致渣体中、上游的孔隙水压力有所上升，随后渣料大量流失后，孔隙水压力又逐步降低，在实验结束后保持稳定（图20（c））。

图20 渣场不同堆放形式下孔隙水压力变化曲线

根据渣场不同堆放形式下泥石流启动过程，获取泥石流启动参数指标，泥石流启动临界清水流量根据上游进水流量计读取，在水槽末端取样测定泥石流启动期间的容重及流量。全程台阶堆填方案下三台阶、双台阶和单台阶渣场泥石流启动临界清水流量分别为：41.4l／min、34.2l／min、32.1l／min；泥石流流量分别为：27.54l／min、42.75l／min、30.84l／min；泥石流容重分别为：1.42t／m3、1.46 t／m3、1.38t／m3，泥石流容重介于1.3t／m3与1.6 t／m3之间，判断为稀性泥石流。另外，渣场单台阶堆填方案后期在191s～250s由坡面型泥石流转化沟道型泥石流，对应的沟道泥石流启动清水流量为36.9l／min，泥石流流量为36.58l／min，泥石流容重为1.41t／m3。

渣场三台阶堆填方案中，地表径流冲刷易形成沟道径流，上游径流量排泄速度快，泥石流启动主要为水流侧蚀作用使得沟道岸坡崩塌加剧，水流携带大量渣料快速顺流而下。渣场在径流通道外侵蚀量较小，沟道径流排泄速度快，在保证搬运足够渣料的情况下，所需的泥石流启动临界清水流量最大；渣场单台阶堆填方案中，在地表径流冲刷作用下，台阶下游坡面的溯源侵蚀和下蚀作用强烈，渣场浅表层松散物质大量流失易于形成坡面泥石流，对应的泥石流启动临界清水流量最小；渣场双台阶堆填方案的泥石流启动临界清水流量介于渣场三台阶和单台阶堆填方案之间。

在坡表径流冲刷下，渣场双台阶堆填方案的下部台阶平台淤积有部分上游渣料，平台堆积物的存在阻挡了一部分水流，在径流强度足够大时堆积物一侧形成贯通的径流通道后启动形成泥石流。泥石流启动瞬间，平台堆积物阻挡的部分水流一起快速流出，同时携带大量堆积渣料流出，此种方案下的泥石流流量和容重最大；渣场单台阶堆填方案中，泥石流初始启动时为坡面泥石流，主要为渣场的浅表层松散物质，泥石流启动容重最小；渣场三台阶堆填方案的泥石流启动容重介于单台阶和双台阶渣场堆填方案之间，泥石流流量与单台阶渣场堆填方案相差不大，无明显规律（图21）。

图21 渣场不同堆放形式下泥石流启动特征参数

5 弃渣堆积体启动力学模型分析

在流域汇水不断冲刷作用下，渣场一定深度范围逐渐达到饱和状态，当径流强度大于入渗强度后会产生地表径流，地表径流冲刷拖拽渣场坡表松散物质并逐步向下铲刮形成径流通道，伴随着径流通道岸坡松散物质垮塌，最终在达到临界径流强度时渣场物源启动形成泥石流。

参照水力类泥石流启动的高桥保模式（邵莲芬，2014；Takahashi，1991），选取一定饱和深度范围（H）的单位面积弃渣堆积体进行土体骨架受力分析，其中地表径流深度为h，并假设地面径流对弃渣堆积体的冲刷拖拽力为均匀受力，具体受力示意图见图22所示。

图22 径流冲刷作用下弃渣堆积体受力示意图

地表径流在渣场坡面运动时产生了一定的冲刷拖拽力（F1），同时会受到坡面阻力（F3）作用，另外在弃渣堆积体内部水体渗流作用下会产生渗流力（F2）。同时，弃渣堆积体还会产生竖直向下的浮重力（W），堆积体底部垂直向上的支持力（N）。

根据水力学理论（赵振兴等，2010），地表径流冲刷对弃渣堆积体表面的拖拽力F1为：

式中，F1为拖拽力（kPa）；ρm为冲刷径流密度（g／cm3）；μ为摩阻流速（m／s），其与地表径流的流速、流深以及弃渣堆积体坡表粗糙度密切相关。

地表径流冲刷过程中，水体入渗产生的渗流力F2为：

式中，ρw为水体密度（g／cm3）；J为水力坡降。

另外，饱和堆积体的浮重力W为：

式中，ρs为弃渣堆积体密度（g／cm3）。

至此，弃渣堆积体的启动力τs根据受力状态分析可得：

根据Coulomb强度准则，结合有效应力原理，弃渣堆积体的抗启动力为：

式中，σ为总应力（kPa）；uw为孔隙水压力（kPa）；c'、φ'分别为弃渣堆积体在饱和状态下的内聚力和内摩擦角。

其中，总应力σ为：

孔隙水压力uw为（邵莲芬，2014）：

式中，h为径流深度（m）；ρsat为弃渣堆积体的饱和密度（g／cm3）。

至此，弃渣堆积体的抗启动力τf可表示为：

前述分析了在流域汇水径流冲刷作用下，一定饱和深度范围（H）弃渣堆积体的启动力和抗启动力，这里假设应力呈直线分布，在渣场泥石流启动时，根据泥石流启动特征进行分类讨论（孔莹，2018；康志成等，2004）。

图23（a）显示，在饱和深度H范围内，弃渣堆积体内部应力均满足τs＞τf，饱和深度内弃渣堆积体均可失稳启动；图23（b）显示，弃渣堆积体仅上部H’深度范围内满足τs＞τf，弃渣堆积体局部启动。

图23 径流冲刷作用下弃渣堆积体剪应力分布图

弃渣场泥石流启动的基本条件为τs＞τf，根据前述公式推导可知：

①当H＝0时，可得到：

其中，弃渣堆积体启动的摩阻流速μ根据邵莲芬（2014）的研究成果可知：

式中，vmax为径流表面最大流速（m／s）；v为径流平均流速（m／s）；a为流速间的相关系数，可取值0.6（康志成等，2004）。

②当H≠0时，分别进行dτs／dH与dτf／dH简化，则可得到：

由于渣场堆放区沟道坡度较小，这里可考虑sinθ＝tanθ，则上式可表示为：

综上，在同时满足式14和式17的情况下，弃渣堆积体在饱和深度范围将可以全部启动（图23（a））；然而，本文弃渣场规划堆放区的沟道坡度θ较小，不满足式18条件，即达不到式17的要求，此时在仅满足式14条件的情况下，弃渣堆积体将在上部H深度范围内启动（图23（b）），弃渣堆积体启动与否取决于地表径流的摩阻流速、冲刷径流密度和渣场饱和内聚力间的相关关系。

在上游汇水径流冲刷条件下，渣场坡表松散物质因水流冲刷拖拽力作用而搬运流失，随地表径流流速逐渐增大，渣场坡面在水流冲刷拖拽力作用下，不断向下铲刮形成径流通道并逐渐扩展、贯通，同时渣场部分深度因水流入渗逐渐达到饱和，渣场抗启动力降低，最后在地表径流达到临界流速条件后启动形成泥石流。

6 结论

本文以弄家曲流域拟建弃渣场为研究对象，提出了多种渣场堆置方案，并基于物理模型实验开展了流域汇水径流冲刷作用下渣场不同堆置方案的成灾模式研究，为拟建弃渣场规划设计提供参考。主要结论如下：

（1）地表径流作用下，前期主要以溯源侵蚀和下蚀为主，渣场坡表物质大量流失；在水流不断冲刷作用下，渣场坡表的径流通道逐渐形成、扩展、贯通，沟道径流不断侧蚀两侧岸坡，在携带足量渣料的情况下启动形成沟道泥石流。

（2）渣场三台阶堆填方案泥石流启动主要为沟道径流不断侧蚀冲刷岸坡，水流携带大量垮塌渣料和沿途侵蚀渣料启动形成泥石流，泥石流启动模式为侵蚀启动型；在渣场双台阶堆填方案中，前期溯源侵蚀在渣场台阶平台淤积了部分渣料，堆积物的存在阻挡了地表径流，后期径流通道贯通并携带大量渣料启动形成泥石流，泥石流启动模式为堵溃启动型；渣场单台阶堆填方案的坡表溯源侵蚀强烈，在渣料大量流失下启动形成坡面型泥石流，泥石流启动后水流侵蚀作用增强，径流通道逐渐贯通形成沟道型泥石流，泥石流启动模式为混合启动型。

（3）渣场不同台阶堆填方案下，因为具有明显差异的泥石流启动模式，在泥石流启动时的特征参数规律明显。其中，渣场全程三台阶堆填方案在泥石流启动时，所需上游来流临界流量最大、泥石流流量较小、泥石流规模最小，在3种不同台阶堆渣方案中具有明显优势。三台阶、双台阶和单台阶堆填弃渣场启动流量分别为41.4l／min、34.2l／min和32.1l／min，经相似比换算真实启动流量为2 208 m3／s、1 824m3／s和1 712m3／s，泥石流启动流量极大，渣场很难整体启动，但局部会因汇水径流冲刷发育冲沟，存在水土流失及岸坡物质垮塌的风险。

（4）在径流冲刷作用下，建立了弃渣堆积体的启动力学模型。径流冲刷作用下，地表径流对渣场坡表具有一定的拖拽力，同时水流入渗产生的渗流力也对弃渣堆积体启动具有影响。另外，渣料饱水后抗剪强度参数降低使得其抗启动力减小，在地表径流达到一定流速时可使弃渣堆积体失稳启动。