亓 星，余 斌，朱 淵

成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

滑坡碎屑堆積體形成泥石流的實(shí)驗(yàn)

亓 星，余 斌，朱 淵

成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

地震或強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡，滑坡體碰撞解體形成碎屑物質(zhì)堆積在溝道內(nèi)，在后期降雨作用下形成泥石流，這是泥石流形成的一種方式，可稱為滑坡碎屑堆積體泥石流。筆者分析了影響碎屑堆積體泥石流起動的特征參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)研究了碎屑堆積體泥石流形成的過程，分析了堆積體表面坡度、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑(d50)以及不均勻系數(shù)(Cu)對泥石流形成的影響。結(jié)果表明：碎屑堆積體表面坡度對形成泥石流所需單寬流量無明顯影響；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不大于5%時僅影響碎屑堆積體侵蝕，對碎屑堆積體揭底所需單寬流量無明顯影響；影響碎屑堆積體形成泥石流所需單寬流量的因素主要為中值粒徑和不均勻系數(shù)----隨堆積體中值粒徑、不均勻系數(shù)的增大而增大。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出了中值粒徑和不均勻系數(shù)與泥石流形成和揭底所需單寬流量的公式；由于公式中只考慮了影響碎屑堆積體形成泥石流的兩個主要因素(d50和Cu)，因此對比水文計(jì)算結(jié)果偏小，但整體趨勢基本一致。在實(shí)際應(yīng)用到這類泥石流溝時，可通過修正進(jìn)行預(yù)測。

碎屑堆積體；泥石流；顆粒級配；起動流量;滑坡

0 前言

由于地震或強(qiáng)降雨等原因使溝道兩側(cè)斜坡產(chǎn)生滑坡，在溝道內(nèi)形成大量的松散固體物質(zhì)，使泥石流起動所需降雨量大大降低，因此原本非泥石流溝或低頻泥石流溝轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S型的泥石流溝，這類泥石流可稱為滑坡碎屑堆積體泥石流。如汶川震區(qū)牛圈溝[1]和文家溝[2-4]，震前為低頻或非泥石流溝，在地震作用下產(chǎn)生的滑坡在溝道內(nèi)解體形成碎屑流，在震后每年雨季均發(fā)生了規(guī)模不等的泥石流災(zāi)害，并多次堵塞主河；又如貴州地區(qū)大寨溝[5-6]、馬達(dá)嶺溝[7-8]等，在發(fā)生滑坡前從未發(fā)生過泥石流災(zāi)害，由于滑坡解體形成大量松散碎屑堆積體堆積在溝道內(nèi)，在隨后的降雨作用下發(fā)生了多次泥石流災(zāi)害，造成重大人員傷亡或者經(jīng)濟(jì)損失。

目前對于滑坡起動轉(zhuǎn)化為泥石流的過程和特征有較多研究，但對于滑坡碎屑堆積體自身?xiàng)l件與泥石流起動條件之間的關(guān)系還缺乏研究。筆者分析了影響碎屑堆積體泥石流形成的主要因素，通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M滑坡碎屑堆積體泥石流形成過程，研究泥石流單寬起動流量和揭底流量與各主要因素之間的關(guān)系，擬合得到碎屑堆積體特征參數(shù)與泥石流單寬起動流量和揭底流量的關(guān)系式，并與實(shí)際溝道碎屑堆積體形成泥石流進(jìn)行了對比驗(yàn)證。

1 典型泥石流溝分析

1.1 牛圈溝泥石流

牛圈溝位于四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)南側(cè)岷江右岸，流域面積 10.7 km2，最高點(diǎn)海拔2 700 m，溝口最低點(diǎn)海拔858 m，相對高差1 842 m，縱坡降340‰。汶川地震后，流域內(nèi)支溝由于地震產(chǎn)生高速遠(yuǎn)程滑坡并解體形成碎屑流堆積在溝道內(nèi)，長約300 m，寬100～150 m，最大厚度達(dá)到30 m，平均表面坡度16°，碎屑流堆積物總量約100 萬m3?；掳l(fā)生后，牛圈溝在降雨作用下發(fā)生多次泥石流，淤埋溝口公路并多次堵塞岷江，其中，規(guī)模最大的兩次分別為2008年“9·26”泥石流和2010年的“8·13”泥石流，泥石流沖出量分別為17.15 萬m3和14.87 萬m3[1]。

1.2 文家溝泥石流

文家溝位于綿竹市清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)北部，流域面積7.81 km2，主溝長3.25 km，相對高差1 519 m，溝床平均縱坡降467.4‰。汶川地震使文家溝上游產(chǎn)生巨型滑坡，約2 750×104m3的巖體在滑動過程中多次碰撞解體成碎屑流，大部分從其前緣陡坎頂部高速拋射出去后進(jìn)入1 300 m平臺并最終停留在主溝中下游，堆積總量達(dá)3 000×104m3[3]。其形成的堆積物結(jié)構(gòu)松散，以碎塊石、角礫以及砂土為主，黏土含量較少，最大厚度達(dá)150 m[9]，穩(wěn)定性較差，是形成泥石流的主要物源。

調(diào)查得知文家溝震前為非泥石流溝[4]，滑坡發(fā)生后4個雨季期間文家溝共發(fā)生了5次特大規(guī)模和大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，沖出固體物質(zhì)總量約420×104m3，僅占松散堆積物總量的14%。經(jīng)過多次泥石流侵蝕下切，1 300 m平臺下方碎屑堆積體上已形成最深70 m的深槽[3]。

1.3 大寨溝泥石流

大寨溝位于關(guān)嶺縣崗烏鄉(xiāng)，2010年6月28日在前期降雨影響下大寨溝發(fā)生特大型崩滑碎屑流造成重大人員傷亡[5]。滑坡體長370 m、寬170 m，總量約118 萬m3。滑坡滑入溝道后碰撞解體成碎屑流沖向溝口，并沿程鏟刮溝道表層的松散堆積物，在整個溝道形成長960 m、平均寬度約110 m的碎屑堆積區(qū)，其最大堆積厚度約40 m，松散固體物總量達(dá)175 萬m3[10]；并在后期降雨過程中形成了多次泥石流[6]。

1.4 馬達(dá)嶺溝泥石流

馬達(dá)嶺溝位于都勻市江州鎮(zhèn)富溪村，流域面積0.7 km2，僅有一條主溝，溝長1.42 km，溝道上游窄而陡，下游較寬。流域最高點(diǎn)海拔1 570 m，溝口最低海拔為1 170 m，相對高差400 m，平均縱坡降282‰。由于采煤和降雨的共同作用，2006年5月18日，馬達(dá)嶺溝上游煤礦開采區(qū)形成總量約82 萬m3的滑坡，部分滑坡體沖入溝道并碰撞解體成碎屑流。碎屑堆積體長約800 m，表面坡度10°，堆積在整個溝道中下游，最大堆積厚度達(dá)20 m，平均厚度約8 m，物源總量達(dá)16 萬m3。

可見，滑坡碎屑堆積體泥石流的形成與溝道內(nèi)松散堆積體的特征密切相關(guān)，在水流作用下碎屑堆積體拉槽侵蝕、揭底的演化過程就是泥石流形成的過程。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

物理模擬并不能保證實(shí)驗(yàn)條件與野外完全的相似性，但可以基于理論研究分析影響泥石流形成的主要因素[11]?？紤]物理模擬與原型的相似性，本實(shí)驗(yàn)以坡度、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、堆積體粒徑為主要控制因素，通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)并與原型進(jìn)行對比，從而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行必要的修正。

影響滑坡碎屑堆積體泥石流形成的因素有很多。大型滑坡體在溝道內(nèi)碰撞解體后形成碎屑堆積在溝道內(nèi)，堆積體厚度大、延伸長、結(jié)構(gòu)松散，流體對堆積體的侵蝕主要發(fā)生在碎屑堆積體表面，如文家溝溝道下切70 m仍未侵蝕至原溝道深度，底坡對堆積體泥石流的形成并沒有明顯的影響，而表面坡度的變化可能減緩或者加速堆積體的侵蝕，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5°、10°、18°三種表面坡度，研究碎屑堆積體表面坡度變化與泥石流起動流量的關(guān)系。

碎屑堆積體中一般含有部分黏粒，黏粒主要影響泥石流的屈服應(yīng)力[12]。當(dāng)泥石流體積分?jǐn)?shù)相同時，固體物質(zhì)中所含黏粒的種類和比例直接影響著泥石流屈服應(yīng)力的大小[12-13]。在泥砂體積分?jǐn)?shù)和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變的情況下，黏粒成分的黏性越強(qiáng)，泥石流屈服應(yīng)力越大，對應(yīng)泥石流黏性越強(qiáng)[14]。由于牛圈溝、文家溝滑坡體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較少，采用純蒙脫石黏土作為黏粒，設(shè)計(jì)了6組實(shí)驗(yàn)，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.00%、0.77%、1.50%、3.00%、5.00%和8.00%，來研究黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對堆積體泥石流形成和揭底所需單寬流量的影響，以得到適用于這類滑坡碎屑堆積體的特征規(guī)律。

堆積體粒徑分布對泥石流的形成有較大影響，堆積體粒徑分布可以用粒徑累積曲線的中值粒徑d50和不均勻系數(shù)Cu表示。以往的研究表明[15-16]，中值粒徑與單寬起動流量具有直接關(guān)系。另外，在溝床起動型泥石流的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)[16]，不均勻系數(shù)對碎屑物質(zhì)起動影響較大。因此，中值粒徑和不均勻系數(shù)與碎屑堆積體單寬起動流量的關(guān)系也是試驗(yàn)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

綜上所述，筆者將對碎屑堆積體的表面坡度、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑和不均勻系數(shù)這4個特征參數(shù)與泥石流起動和揭底所需單寬流量的關(guān)系展開實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由供水水池、控水閥門和溝槽組成。水從2號水池進(jìn)入1號水池，維持1號水池水深恒定，從而確保通過控水閥門的水流穩(wěn)定?？厮y門可對過水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)并隨時中止過水水流。溝槽長5 m，寬1 m，底坡為10°。實(shí)驗(yàn)時，堆積在溝槽內(nèi)的碎屑堆積體表面長度均為2 m，平均堆積厚度0.25 m。通過攝像機(jī)記錄堆積體正上方和背水坡處的侵蝕情況，并在下游取樣測定泥石流容重，綜合堆積體的侵蝕狀態(tài)和下游流體容重值判定泥石流的形成，對應(yīng)的單寬流量為泥石流起動所需單寬流量。隨著水流下切侵蝕，在碎屑堆積體上逐漸形成寬大的深槽，觀察形成深槽后的堆積體在后續(xù)降雨作用下的侵蝕變化情況，記錄堆積體最終揭底時所需單寬流量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment device

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料

用砂石和黏粒混合模擬碎屑堆積體。考慮碎屑堆積體顆粒為破碎無規(guī)則形狀，砂石采用碎石顆粒、粗砂和細(xì)砂。為了避免實(shí)驗(yàn)中碎屑堆積體中碎石粒徑過大對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，將最大顆粒粒徑控制在厚度的1/5以下，即碎石粒徑≤50 mm；黏粒采用純蒙脫石黏土。砂石和黏粒分布曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)砂石級配分布Fig.2 Experiment particle analysis curves

2.3.2 堆積體級配

圖4 實(shí)驗(yàn)級配圖Fig.4 Experiment grading picture

實(shí)驗(yàn)中結(jié)合野外取樣得到的文家溝、牛圈溝碎屑堆積體顆粒級配(圖3)，考慮不同表面坡度、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑和不均勻系數(shù)對堆積體形成泥石流和揭底所需流量的影響，通過變化原有級配的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑和不均勻系數(shù)設(shè)計(jì)了14組不同級配(圖4)和6組不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碎屑堆積體模型，共進(jìn)行24次有效實(shí)驗(yàn)，以便研究各單一因素變化對應(yīng)的堆積體泥石流起動和揭底所需單寬流量的關(guān)系。

圖3 文家溝和牛圈溝碎屑堆積體級配Fig.3 Clastic deposition graduation of Wenjiagou and Niujuangou gully

2.3.3 堆積體

考慮野外滑坡解體形成的碎屑流在運(yùn)動一段距離后會逐漸停止下來，前緣大致呈自然休止角，在溝道內(nèi)形成較長較厚的自然松散堆積區(qū)域。因此,實(shí)驗(yàn)中堆積體保持自然松散狀態(tài)堆積在溝槽中部，背水坡按自然休止角設(shè)計(jì)為30°，迎水反坡設(shè)置為5°，不同表面坡度的堆積體表面長度均為2 m。

3 實(shí)驗(yàn)過程

滑坡碎屑堆積體起動形成泥石流呈現(xiàn)“上游洪水匯流--下切侵蝕--堆積體兩側(cè)持續(xù)崩塌--陣型堵塞潰決--進(jìn)一步下切侵蝕”的循環(huán)模式。水流侵蝕堆積體逐漸形成溝道，背水坡表面也形成多條小沖溝，隨流量逐漸增加，背水坡拉槽侵蝕加深，大量固體顆粒被帶走，并在下游平緩處產(chǎn)生淤積(圖5)，此時對應(yīng)的上游來流流量即為泥石流單寬起動流量。隨著過水流量的繼續(xù)增大，堆積體被侵蝕出一條寬窄不一的溝道，這些模擬現(xiàn)象與圖6所示的文家溝碎屑堆積體上的“槽谷”和“峽谷”寬窄相間的現(xiàn)象相符合。

圖5 背水坡下游淤積Fig.5 Debris deposit at downstream of back slope

左圖為實(shí)驗(yàn)侵蝕后的溝道；右圖為文家溝堆積體侵蝕形成的寬窄相間的“大肚子”[3]。圖6 實(shí)驗(yàn)與文家溝拉槽對比Fig.6 Contrast of encroaches on the experiment model and in Wenjiagou gully

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 泥石流起動的影響因素

通過實(shí)驗(yàn)得到了表面坡度、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中值粒徑和不均勻系數(shù)與堆積體泥石流起動和揭底所需單寬流量的關(guān)系。

4.1.1 單寬流量與表面坡度的關(guān)系

圖7表明了堆積體表面坡度與泥石流形成和揭底時的單寬流量的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中碎屑堆積有效坡段長度僅為2 m，而背水坡長度較大并為自然休止角，長度最大近1 m，背水坡長度與堆積體表面長度比為1∶2。泥石流形成主要從背水坡處開始溯源往上，與野外從堆積體表面開始逐漸侵蝕形成的現(xiàn)象有一定差異，變化表面坡度時對泥石流的形成并未產(chǎn)生明顯的影響，因此實(shí)驗(yàn)中并未得出碎屑堆積表面坡度與形成泥石流和揭底所需單寬流量的關(guān)系。但表面坡度增大時，上游來流在堆積體表面侵蝕下切的速度更快，最終形成的溝道也較窄。圖8為堆積體揭底侵蝕后在堆積體中部形成的溝道寬度隨堆積體表面坡度變化的規(guī)律，可見隨表面坡度增大，形成的溝道變窄。

4.1.2 單寬流量與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖9為相同中值粒徑和不均勻系數(shù)情況下黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(黏粒))與堆積體泥石流形成和揭底所需單寬流量的關(guān)系?？梢妛(黏粒)≤5.00%時，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對于碎屑堆積體的起動和揭底并未起明顯作用。黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)在堆積體的侵蝕過程上，隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，堆積體下切形成溝道時對兩側(cè)的掏蝕也減小，使最終揭底形成的溝道更加狹窄。實(shí)驗(yàn)中對比堆積體中部形成的溝道寬度可較明顯地看出這一現(xiàn)象(圖10)。

圖7 表面坡度與單寬起動流量關(guān)系Fig.7 Relationship between surface slope and unit width discharge

圖8 表面坡度與背水坡頂溝道寬度關(guān)系Fig.8 Relationship between width of surface slope and top back slope

圖9 黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與單寬流量關(guān)系Fig.9 Relationship between clay content and unit width discharge

d50=1.8 mm;Cu=29;表面坡度10°。圖10 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)堆積體侵蝕情況對比Fig.10 Contrast of encroach with different clay content

表面坡度10°;Cu=29。圖11 中值粒徑與單寬流量關(guān)系Fig.11 Relationship between median diameter of debris and discharge of unit width

當(dāng)w(黏粒)大于5.00%時，單寬流量呈現(xiàn)出增加的趨勢，原因可能是由于黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定程度對堆積體產(chǎn)生明顯的黏性影響，使揭底所需單寬流量增大；但野外泥石流堆積物達(dá)不到那么強(qiáng)的黏性，因此認(rèn)為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時不影響堆積體形成泥石流和揭底所需單寬流量。

4.1.3 單寬流量與中值粒徑的關(guān)系

表面坡度10°；d50=1.8mm。圖12 不均勻系數(shù)與單寬流量關(guān)系Fig.12 Relationship between non-uniformity coefficient and discharge of unit width

圖11所示為實(shí)驗(yàn)得到的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%(圖11a)和5.00%(圖11b)情況下不同中值粒徑d50與堆積體起動和揭底所需單寬流量的關(guān)系，由圖可見不同中值粒徑d50與堆積體形成泥石流和揭底所需單寬流量呈線性正相關(guān)。

黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對單寬流量的影響不明顯，因此，實(shí)驗(yàn)擬合堆積體中值粒徑與單寬起動流量的關(guān)系(公式(1))和中值粒徑與揭底單寬流量的關(guān)系(公式(2))時，沒有考慮黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對單寬流量的影響。

單寬起動流量與中值粒徑公式為

揭底單寬流量與中值粒徑公式為

式中：Q1為起動單寬流量(10-4m3/(s·m))；Q2為揭底單寬流量(10-4m3/(s·m))；A1，A2為系數(shù)，A1=0.298×10-4m3/(s·m)，A2=0.684×10-4m3/(s·m) ；d為相對中值粒徑，無量綱，d=d50/d0，d0為單位中值粒徑，d0=1.0 mm。

4.1.4 起動流量與不均勻系數(shù)的關(guān)系

圖12所示為實(shí)驗(yàn)得到的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%(圖12a)和5.00%(圖12b)情況下不同不均勻系數(shù)Cu與堆積體起動和揭底所需單寬流量的關(guān)系。由圖12可見，不同不均勻系數(shù)與堆積體形成泥石流和揭底所需單寬流量呈冪指數(shù)正相關(guān)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合出的不均勻系數(shù)與泥石流形成所需單寬流量的關(guān)系(公式(3))和不均勻系數(shù)與揭底所需單寬流量的關(guān)系(公式(4))如下：

Q1=B1Cu0.211；

式中，B1，B2為系數(shù)，B1=0.433×10-4m3/(s·m)，B2=0.735×10-4m3/(s·m)。

4.2 實(shí)驗(yàn)擬合模型

圖13 公式計(jì)算與實(shí)驗(yàn)單寬流量對比Fig.13 Contrast of formula calculation and experiment discharge of unit width

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M滑坡碎屑堆積體形成泥石流的過程發(fā)現(xiàn)，影響堆積體形成泥石流和揭底所需單寬流量的主要因素為中值粒徑和不均勻系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的綜合經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Q1=C1(Cu0.2d+1) ；

式中，C1，C2為系數(shù)，C1=0.2×10-4m3/(s·m)，C2=0.4×10-4m3/(s·m)。

圖13為分別用公式(5)和公式(6)計(jì)算單寬流量與實(shí)驗(yàn)值的對比,可見綜合擬合公式能較好地反映出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律。

4.3 野外對比驗(yàn)證

4.3.1 泥石流起動條件

牛圈溝、文家溝均為由于溝道內(nèi)滑坡解體形成碎屑流堆積在溝道內(nèi)形成的泥石流溝。由于碎屑堆積體提供了大量的物源，這兩條溝道每年雨季均發(fā)生多次泥石流災(zāi)害。

根據(jù)牛圈溝和文家溝碎屑堆積體級配[1,17]，可以采用公式(5)和(6)計(jì)算兩條溝道泥石流形成和揭底所需單寬流量；同時采用水文計(jì)算中對應(yīng)發(fā)生概率P=99%時設(shè)計(jì)暴雨洪峰流量(水文計(jì)算值1)進(jìn)行泥石流形成單寬流量驗(yàn)證。文家溝在2010-08-13強(qiáng)降雨作用下堆積體劇烈下切侵蝕形成了大深槽，實(shí)驗(yàn)中堆積體的揭底再現(xiàn)了文家溝拉槽侵蝕現(xiàn)象，因此采用文家溝2010-08-13峰值雨強(qiáng)對應(yīng)的暴雨洪峰流量(水文計(jì)算值2)進(jìn)行揭底單寬流量驗(yàn)證。水文計(jì)算值和公式計(jì)算值如表1所示。

4.3.2 偏差分析及其他溝道預(yù)測

通過對牛圈溝和文家溝的驗(yàn)證可見，實(shí)驗(yàn)擬合公式值比野外中碎屑堆積體起動和揭底所需單寬流量值均偏小。其原因如下。

1)野外碎屑堆積體長度可達(dá)數(shù)百米以上，泥石流的形成主要是從堆積體表面侵蝕而成，表面地形的坡度對其形成所需流量具有重要的影響[18]。而由于實(shí)驗(yàn)裝置所限，實(shí)驗(yàn)堆積體背水坡長度相對于堆積體表面長度較長，泥石流的形成主要從背水坡處溯源侵蝕往上，實(shí)驗(yàn)中變化表面坡度時并未得出堆積體表面坡度與形成泥石流所需流量的關(guān)系，擬合公式通過忽略碎屑堆積體表面坡度這一因素?cái)M合出了單寬流量與碎屑堆積體形成泥石流的關(guān)系。

調(diào)查分析得到：牛圈溝碎屑堆積體長約1 800 m，平均表面坡度16°，前緣自然休止角長度約60 m，休止角長度與堆積體表面長度比為1.0∶30.0；文家溝1 300 m平臺處碎屑堆積體長約800 m，平均表面坡度約13°，前緣自然休止角長度約110 m，休止角長度與堆積體表面長度比小于1.0∶7.3，對泥石流形成起主要作用的仍然是堆積體表面坡度。表面坡度減小時，起動也需要更大單寬流量，實(shí)驗(yàn)得出的擬合公式計(jì)算值與水文計(jì)算對比可見，隨著表面坡度的增大，公式計(jì)算結(jié)果偏差也相應(yīng)減小，大致呈線性對應(yīng)關(guān)系。

表1 水文計(jì)算值與公式計(jì)算值對比

2)牛圈溝和文家溝在滑坡發(fā)生后每年均會發(fā)生多次泥石流災(zāi)害，泥石流暴發(fā)頻率高于一年一遇，即對應(yīng)的降雨頻率大于一年一遇就可激發(fā)泥石流，而水文計(jì)算只能計(jì)算至P=99%時設(shè)計(jì)雨量對應(yīng)的洪峰流量，相當(dāng)于一年一遇的洪水流量，計(jì)算值可能偏大。

因此，擬合公式能反映出碎屑堆積體中值粒徑d50和不均勻系數(shù)Cu與起動流量的關(guān)系，雖然有一定偏差，但趨勢基本一致。通過誤差分析可以對這種類型的其他溝道形成泥石流所需單寬流量進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測，如貴州馬達(dá)嶺溝和大寨溝也為這類滑坡碎屑堆積體形成的泥石流，其形成泥石流所需單寬流量如表2所示。

表2 泥石流起動所需單寬流量計(jì)算表

Table 2 Calculation chart of unit width discharge of debris flow initiation

堆積體表面坡度/(°)中值粒徑/mm不均勻系數(shù)公式(5)計(jì)算的單寬流量/(10-2m3/(s·m))馬達(dá)嶺溝10803330.51大寨溝15701000.35

馬達(dá)嶺溝滑坡碎屑堆積體表面坡度10°，由于表面坡度較小，其實(shí)際發(fā)生泥石流所需單寬流量可能更大，實(shí)際泥石流形成所需單寬流量可能比公式(5)計(jì)算值大6～8倍。同樣，大寨溝滑坡碎屑堆積體平均表面坡度約15°，其實(shí)際發(fā)生泥石流所需單寬流量可能比公式(5)計(jì)算值大2～4倍。

5 結(jié)論

1)碎屑堆積體表面坡度對形成泥石流所需單寬流量無明顯影響；黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不大于5%時僅影響碎屑堆積體侵蝕，對碎屑堆積體揭底所需單寬流量無明顯影響；影響碎屑堆積體形成泥石流所需單寬流量的因素主要為中值粒徑和不均勻系數(shù)。

2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到堆積體泥石流形成所需單寬流量Q1和揭底所需單寬流量Q2的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了牛圈溝和文家溝碎屑流形成泥石流所需單寬流量，并與水文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。由于公式中只考慮了影響碎屑堆積體形成泥石流的兩個主要因素d50和Cu，對比水文計(jì)算結(jié)果偏小，但整體趨勢基本一致，在實(shí)際應(yīng)用到這類泥石流溝時，可通過修正進(jìn)行預(yù)測。

3)由于實(shí)驗(yàn)裝置所限，本實(shí)驗(yàn)未能得到表面坡度與堆積體泥石流形成和揭底所需單寬流量這一較重要的關(guān)系，在今后的研究中可繼續(xù)探索其他因素對滑坡碎屑堆積體形成泥石流的影響。

筆者在實(shí)驗(yàn)過程中得到了王濤、陳源井、馬敏、朱云波、王治兵、余天斌等同學(xué)的幫助，在此一并致謝。

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Experimental Study on the Clastic Deposition Forming Debris Flow

Qi Xing, Yu Bin, Zhu Yuan

State Key Laboratory of Geo-Hazards Prevention and Geo-Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059，China

Earthquake or strong rainfall can induce landslides. The landslide collapses to form clastic flow accumulation in the channels, forms debris flow under the action of the later rainfall. This is a type of debris flow which is called the landslide clastic accumulation of debris flow. The authors analyse characteristic parameters of the influence on starting of clastic accumulation of debris flow, research the information process of the landslide clastic accumulation of debris flow on the basis of experiments, and then analyse the influence of clastic accumulation surface slope, soil clay content, median grain size and non-uniformity coefficient on the formation of debris flow. The results show that the surface slope of clastic deposition have no significant effect on forming debris flow with discharge per unit width. The clay content are only affect clastic erosion at not more than 5%. It has no significant effect on digging up discharge per unit width. The main influence factors of required discharge per unit width are median diameter and non-uniformity coefficient width are increased with the increase of median diameter and non-uniformity coefficient. By fitting the experimental data, the formula of unit width discharge is obtained, which reflects the influence of median particle size and non-uniformity coefficient. For the formula only two main factors are considered width influence the formation of debris flow (d50andCu). Therefore, the calculation results is smaller than hydrological calculation, but the overall trend is consistent. The formula can be applied in predicting this kind of debris flow after modificatin.

clastic deposition; debris-flow; grading; initiation flow;landslide

10.13278/j.cnki.jjuese.201406203.

2014-04-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41372366)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(水201302-021-007)

亓星(1988--)，男，博士研究生，主要從事地質(zhì)工程相關(guān)研究，E-mail:qixing2009@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201406203

P642

A

亓星，余斌，朱淵.滑坡碎屑堆積體形成泥石流的實(shí)驗(yàn).吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2014,44(6):1950-1959.

Qi Xing, Yu Bin, Zhu Yuan.Experimental Study on the Clastic Deposition Forming Debris Flow.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(6):1950-1959.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201406203.