朱興華， 孔靜雯*， 張妮， 康永闖， 王夢(mèng)奎

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054； 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054；3.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院， 西安 710054)

泥石流是產(chǎn)生于山坡溝谷中，含小到黏粒、大至巨石的固相、液相及少量氣相，具有多種流態(tài)和運(yùn)動(dòng)形式的多相流，是一種具有較強(qiáng)破壞力的地質(zhì)災(zāi)害[1]。它不僅會(huì)威脅人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2-3]，還會(huì)嚴(yán)重影響災(zāi)區(qū)的生態(tài)環(huán)境平衡[4]。泥石流成因復(fù)雜，分布面廣，其防治問題受到人們的廣泛關(guān)注。按照泥石流起動(dòng)的動(dòng)力作用(即形成機(jī)理)可將其分為土力類和水力類[5]。土力類是指由于土體內(nèi)的容水量超過飽和，土體在自身重力作用下失去平衡并引起滑動(dòng)而產(chǎn)生的。水力類是指松散碎屑堆積物在一定流速的徑流沖刷作用形成的。泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究是泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)的關(guān)鍵所在，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)是建立在正確認(rèn)識(shí)泥石流起動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)之上。因此，對(duì)泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究是十分必要的。學(xué)者們經(jīng)過調(diào)查研究明確了泥石流的孕災(zāi)條件[6-8]，通過模擬試驗(yàn)和理論研究進(jìn)一步揭示了泥石流的形成條件[9-11]、動(dòng)態(tài)起動(dòng)過程分析[12-14]、起動(dòng)機(jī)理[15-16]和成因機(jī)制，并在此基礎(chǔ)建立了不同的泥石流起動(dòng)模型?，F(xiàn)圍繞泥石流的孕災(zāi)條件、土力類泥石流的起動(dòng)機(jī)理和起動(dòng)模型三個(gè)方面，對(duì)其相關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，提出目前泥石流起動(dòng)機(jī)理研究存在的不足、重點(diǎn)難點(diǎn)和進(jìn)一步的研究方向，從而為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該類泥石流的起動(dòng)機(jī)理提供科學(xué)參考，同時(shí)為泥石流的預(yù)警預(yù)報(bào)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 泥石流的孕災(zāi)條件

泥石流形成的基本條件包括陡峻的地形、豐富的物源和充沛的水源。泥石流的起動(dòng)概率和發(fā)生規(guī)模，取決于這些因素的綜合影響。針對(duì)不同的影響因素，中外地質(zhì)學(xué)家在此基礎(chǔ)上做了大量的土力類泥石流起動(dòng)試驗(yàn)，從地形、物源和水源三個(gè)方面揭示了泥石流的孕災(zāi)條件，為土力類泥石流的起動(dòng)機(jī)理的探索打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，極大程度上推動(dòng)了泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究進(jìn)展。

1.1 地形條件

地形條件是泥石流形成的基本條件之一，主要是為泥石流的起動(dòng)和活動(dòng)提供能量和能量的轉(zhuǎn)化條件，同時(shí)也影響著泥石流固體物源的儲(chǔ)備。地形對(duì)泥石流可能起動(dòng)的位置(飽和位置)具有顯著的影響[17-18]。

泥石流的起動(dòng)一般發(fā)生在坡度大于15°的斜坡上[19]，后面經(jīng)調(diào)查研究泥石流發(fā)生的坡度多集中在15°～40°，在20°～35°的斜坡上發(fā)生的泥石流更為密集[1]。溝床坡度與主動(dòng)力成正比，與阻力成反比[20]，其他學(xué)者也驗(yàn)證了溝床坡度與泥石流起動(dòng)條件之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)[21-22]。在影響泥石流起動(dòng)的眾多因素中，Klubertanz等[23]認(rèn)為溝床坡度對(duì)泥石流起動(dòng)的影響最小，而李麗[24]認(rèn)為地形中的坡度、流域面積和溝床比降對(duì)泥石流的起動(dòng)都有著重要影響。朱淵等[25]通過形成區(qū)流域面積、形狀系數(shù)和溝床比降之間特征關(guān)系得到地形因子，通過地形因子可以判斷泥石流的易發(fā)等級(jí)。

目前地形條件對(duì)泥石流起動(dòng)影響的研究多集中于溝床坡度，少數(shù)學(xué)者通過一些地形參數(shù)之間的特征關(guān)系提出相應(yīng)的地形因子，但只適用于局部區(qū)域。因此，亟需建立一個(gè)統(tǒng)一的泥石流類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上研究地形條件對(duì)于泥石流起動(dòng)的影響和判斷泥石流易發(fā)程度與地形條件的關(guān)系。

1.2 物源條件

物源條件主要反映在不同構(gòu)造地質(zhì)作用下形成的松散碎屑堆積物方面，它可能是一種細(xì)粒材料，如沙子或礫石[26]，也可能是一種具有較寬粒度分布的粗粒材料[27]，還可能是大范圍級(jí)配的崩積土和殘積土[28]。目前有關(guān)物源條件對(duì)泥石流起動(dòng)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)物源的顆粒組成：物源顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度和松散材料的結(jié)構(gòu)由細(xì)顆粒與粗顆粒的含量決定[20]，不同的顆粒級(jí)配反映了不同細(xì)顆粒含量下松散固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的不同。土力類泥石流起動(dòng)試驗(yàn)主要以黏粒含量、細(xì)顆粒含量和粗顆粒含量三個(gè)方面為重點(diǎn)研究對(duì)象。陳中學(xué)等[29]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蔣家溝泥石流起動(dòng)過程中松散碎屑堆積物中的黏粒含量具有臨界性，當(dāng)黏粒含量處于5%～18%時(shí)，易于引發(fā)泥石流的起動(dòng)，其中當(dāng)松散碎屑堆積物中的黏粒含量達(dá)到10%時(shí)，最容易造成泥石流的起動(dòng)。這表明黏土顆粒的含量對(duì)泥石流的起動(dòng)有著十分重要的影響，其他學(xué)者的試驗(yàn)也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)果[30]。細(xì)粒含量對(duì)礦渣型泥石流的起動(dòng)有著顯著影響，細(xì)顆粒含量的增加會(huì)導(dǎo)致礦渣的抗剪強(qiáng)度和滲透性降低，從而影響礦渣型泥石流的起動(dòng)[13,31]。徐友寧等[22]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)粒物質(zhì)含量占28%左右時(shí)，最有利于礦渣型泥石流的起動(dòng)。魏厚振等[32]通過對(duì)蔣家溝不同粗粒含量的礫石土土樣進(jìn)行直剪強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礫石土不同的粗粒含量對(duì)泥石流的起動(dòng)也有著十分重要的意義。

(2)物源的強(qiáng)度特性：物源的強(qiáng)度變化是泥石流起動(dòng)的重要原因之一。土體內(nèi)有效應(yīng)力和強(qiáng)度的降低是由孔隙水壓力的增加引起的[33-34]。Eckersley[35]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剪切區(qū)產(chǎn)生的超孔壓導(dǎo)致尾礦料強(qiáng)度降低、土體破壞，進(jìn)而引發(fā)泥石流起動(dòng)。而Hu等[36]認(rèn)為土體破壞的原因是土體浸潤(rùn)導(dǎo)致吸力降低和內(nèi)聚強(qiáng)度的損失引起的。Sassa[37]和Kikuno等[38]提出顆粒破碎理論——在剪切面上的土體顆粒發(fā)生液化，土體摩擦角和強(qiáng)度降低引發(fā)土體破壞。王裕宜等[39]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)角礫土的抗剪強(qiáng)會(huì)隨著含水量變化而變化，含水量存在著一個(gè)突變的臨界值(11.5%)，通過分析斜坡飽和角礫土抗剪強(qiáng)度趨向于零的突發(fā)臨界值的應(yīng)力特征，定量地揭示了泥石流飽和土體侵蝕的機(jī)理和特征。不同的外部條件也會(huì)直接影響土體的強(qiáng)度特性。在降雨作用下，土體細(xì)顆粒和黏粒的流失導(dǎo)致粗顆粒骨架架空黏聚力減小[40]、土體基質(zhì)吸力的降低或喪失[41-43]、顆粒間的有效強(qiáng)度降低[44]或是摩擦系數(shù)降低[45]，都會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低引發(fā)土體失穩(wěn)；在地震作用下，處于極限平衡狀態(tài)的土體在震動(dòng)作用下山體穩(wěn)定性破壞，在水的作用加持下形成軟弱帶[46]或是土體的黏聚力和有效黏聚力減小導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低[47]，引發(fā)泥石流的起動(dòng)。

(3)物源的滲透特性：泥石流的起動(dòng)與物源的滲透特性密切相關(guān)，土體的滲透特性會(huì)極大地影響泥石流的起動(dòng)。土體局部的不均勻性[48]和高滲透層[49]會(huì)放大降雨對(duì)其的破壞作用。Lourenco等[50]研究了土體的滲透特性對(duì)土體破壞形態(tài)的影響，對(duì)于砂土性質(zhì)的泥石流來說，滲透破壞起控制作用。細(xì)砂的含量影響著滲透系數(shù)和滲透速率[51]，砂質(zhì)材料更高的滲透特性和滲透速率有利于孔隙水壓力的發(fā)展，促進(jìn)土體的破壞[52]。低滲透率的細(xì)粒土不會(huì)導(dǎo)致正孔隙水壓力的發(fā)展，并且土體的抗剪強(qiáng)度隨著基質(zhì)吸力的損失而逐漸降低，引發(fā)土體破壞[53]。在降雨條件下，細(xì)顆粒會(huì)運(yùn)移到土體下部并使其滲透系數(shù)降低，孔隙水壓力上升，形成破壞面[54]。降雨入滲后的土體水分和土體-基巖界面孔隙水壓響應(yīng)的“響應(yīng)時(shí)間”反映了降雨入滲下的整體邊坡特征，可作為淺層邊坡破壞開始的有效指標(biāo)[55]。Kikuno等[38]發(fā)現(xiàn)在一定的降雨強(qiáng)度下，泥石流的起動(dòng)發(fā)生在特定的滲透系數(shù)范圍內(nèi)，并存在一個(gè)最優(yōu)滲透系數(shù)，孔壓的生成和消散速度都與滲透系數(shù)有關(guān)。

物源條件的研究是泥石流形成基本條件中研究最為廣泛的，但目前的研究多數(shù)是對(duì)物源條件的單獨(dú)研究，未與地形條件、水源條件相結(jié)合。

1.3 水源條件

水源的補(bǔ)給方式有大氣降水、冰雪融水、地下水和潰決水。泥石流按照水源的補(bǔ)給方式可分為：降雨型、冰川型、潰決型、地下水型、灌溉型、復(fù)合型等[1]；其中以降雨型分布最為廣泛[56-57]。在不同地區(qū)，不同雨型對(duì)泥石流形成的影響也有所不同[58-59]，其對(duì)土體結(jié)構(gòu)[40,60]、顆粒的運(yùn)移[61]、孔隙水壓力[62-63]、土的應(yīng)力應(yīng)變特征[64]和滲透能力[65]等土體力學(xué)特征方面和土體結(jié)構(gòu)參數(shù)方面上的影響與泥石流的起動(dòng)有著密切聯(lián)系。

土體的初始含水率直接影響著泥石流的起動(dòng)[36,66]，當(dāng)邊坡由高含水量的松散土組成時(shí)，孔隙水壓力會(huì)顯著增加，降低土體的抗剪強(qiáng)度，引發(fā)土體破壞[67]。只有在較高飽和度的情況下土體才會(huì)發(fā)生流滑破壞[50]。若松散碎屑物質(zhì)的水分狀況達(dá)到一定水平時(shí)，也會(huì)引發(fā)泥石流的起動(dòng)[68]。當(dāng)含水量處于28%～30%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的逐漸降低而降低；當(dāng)飽和度大于75%時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角則迅速減小引發(fā)土體失穩(wěn)[41]。在降雨條件下，土體含水率的增加和負(fù)壓的降低引起的土體抗剪強(qiáng)度下降泥石流起動(dòng)的主要原因[69]；降雨入滲也可能會(huì)直接引發(fā)淺層滑坡并可能轉(zhuǎn)化為泥石流[70]；雨水入滲使殘積土飽和軟化，基質(zhì)吸力減小，剪應(yīng)力增大，局部剪應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度，土體失穩(wěn)，引發(fā)坡面泥石流起動(dòng)[41]。陳曉清等[71]通過野外人工降雨試驗(yàn)，表明土體不一定在飽和狀態(tài)下破壞，也可能處于非飽和狀態(tài)。

目前，水源條件對(duì)泥石流的影響局限于水源條件引發(fā)泥石流起動(dòng)的機(jī)理，還需要深入研究具有普遍適用的水源引發(fā)泥石流起動(dòng)的臨界條件或公式。

中外學(xué)者對(duì)泥石流的孕災(zāi)條件做了大量的研究并取得了豐碩的成果。但由于泥石流的成因十分復(fù)雜，模型試驗(yàn)條件的局限性使得對(duì)其綜合條件的研究程度較低，未來應(yīng)該多種因素結(jié)合并深入研究。

2 土力類泥石流起動(dòng)機(jī)理研究

2.1 試驗(yàn)研究

為了探求土力類泥石流起動(dòng)的機(jī)理，中外學(xué)者做了大量的土力類泥石流的起動(dòng)機(jī)理(表1)和起動(dòng)的全過程動(dòng)態(tài)分析試驗(yàn)(表2)。

泥石流成因復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)其起動(dòng)機(jī)理的探索十分困難，但中外學(xué)者在這方面取得了一定的成果。崔鵬[73]提出了泥石流起動(dòng)的定義和準(zhǔn)泥石流體的概念并認(rèn)為泥石流的起動(dòng)是準(zhǔn)泥石流體的形成到其失穩(wěn)下移的過程。Anderson等[17]認(rèn)為降雨誘發(fā)泥石流起動(dòng)的機(jī)理是高強(qiáng)度降雨下土體的不排水加載破壞。Gabet等[78]和Chen等[79]認(rèn)為泥石流的起動(dòng)是由于土體的液化導(dǎo)致其失穩(wěn)。滑坡和泥石流雖然是兩種不同類型的地質(zhì)災(zāi)害，但滑坡在一定的條件下可以與泥石流共生，也可以轉(zhuǎn)化成為泥石流[82]，這是一個(gè)連續(xù)的過程。因此，它們的起動(dòng)機(jī)理具有緊密的聯(lián)系性和復(fù)雜性。不同條件下滑坡形成泥石流的起動(dòng)機(jī)理也有所不同。

表1 土力類泥石流起動(dòng)機(jī)理試驗(yàn)匯總表

一般情況下，滑坡形成泥石流的起動(dòng)機(jī)理為三個(gè)方面：①大范圍土體內(nèi)部發(fā)生庫(kù)倫破壞；②土體內(nèi)部過高的孔隙水壓力導(dǎo)致土體液化；③滑坡勢(shì)能轉(zhuǎn)化為土體內(nèi)部的震動(dòng)能[49]；在中小強(qiáng)度降雨條件下，其起動(dòng)機(jī)理為局部軟化或液化[71]；在高強(qiáng)度降雨條件下，其起動(dòng)機(jī)理為振動(dòng)軟化或液化[71]；而在暴雨條件下，其起動(dòng)機(jī)理為松散碎屑堆積物不排水或不完全排水的應(yīng)變軟化和破壞擴(kuò)展[64]。不同雨強(qiáng)下泥石流的起動(dòng)機(jī)理也有所不同，當(dāng)降雨強(qiáng)度相對(duì)較小時(shí)，泥石流的起動(dòng)機(jī)理為松散碎屑堆積物的塊體滑移[80]；在低雨強(qiáng)條件下，泥石流的起動(dòng)機(jī)理為土體的坡面侵蝕[83]。

表2 土力類泥石流起動(dòng)全過程動(dòng)態(tài)分析試驗(yàn)匯總

在上述泥石流起動(dòng)演化過程試驗(yàn)中，中國(guó)學(xué)者探索到了不同條件下不同類型的泥石流起動(dòng)的不同演化過程。在降雨條件下，砂性泥石流起動(dòng)的演化過程為堆積體形成浸潤(rùn)區(qū)、出現(xiàn)滑動(dòng)面、土體形成拉裂破壞和泥石流起動(dòng)[85]。不同雨強(qiáng)對(duì)泥石流起動(dòng)演化過程的影響有所不同，在小雨強(qiáng)條件下，工程棄渣坡面泥石流的演化過程為吸水引起棄渣強(qiáng)度降低、棄渣開始蠕滑、棄渣出現(xiàn)局部滑動(dòng)、快速滑動(dòng)、形成泥石流堆積體這5個(gè)階段[84]，周健等[86-87]通過試驗(yàn)將泥石流起動(dòng)的演化過程劃分為雨水入滲階段、坡腳破壞與裂縫發(fā)展階段和分層滑動(dòng)階段；在中高雨強(qiáng)條件下，泥石流的起動(dòng)演化階段可能為坡面、溝道侵蝕和大規(guī)模溜滑[83]，也可能為雨水入滲階段、整體滑動(dòng)階段和泥石流形成與下滑階段[81]；在極端暴雨條件下，滑坡泥石流的起動(dòng)演化過程可以劃分成為降雨入滲土體飽和、土體發(fā)生排水剪脹、土體出現(xiàn)剪脹破壞、土體裂隙擴(kuò)展、土體軟化滑動(dòng)、滑動(dòng)加速引起土體解體、土體失穩(wěn)流動(dòng)和形成松散碎屑堆積物8個(gè)階段[77]。

2.2 理論研究

土力類泥石流是松散碎屑物質(zhì)在大氣降水和地表徑流的影響，其穩(wěn)定性遭到了破壞最后在自身重力作用下起動(dòng)形成的。中外學(xué)者在泥石流起動(dòng)機(jī)理的理論上的研究主要集中在孔隙水壓力和土體的靜力平衡兩方面，但目前Iverson[74]的觀點(diǎn)被廣大學(xué)者廣泛接受，詳細(xì)地闡述了泥石流起動(dòng)過程中的液化機(jī)制并提出了完整的方程。

Iverson[74]在1992年提出了斜坡的安全系數(shù)Fs由3個(gè)無量綱比率之和組成，即

Fs=Tf+Tw+Tc

(1)

式(1)中：

(2)

戚國(guó)慶等[89]認(rèn)為孔隙水壓力的變化是造成降雨型泥石流起動(dòng)的原因，在非飽和土強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，指出降雨型泥石流的形成過程為兩個(gè)階段，即：降雨型泥石流的松散碎屑堆積物的抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的減小而降低；抗剪強(qiáng)度隨孔隙水壓力的上升而增大引發(fā)泥石流。當(dāng)降雨型泥石流進(jìn)入第二階段后，飽和松散碎屑堆積物的臨界起動(dòng)判別式[90]為

(3)

式(3)中：A為固體松散物質(zhì)與溝床的接觸面積；σ-μw為有效應(yīng)力；G為松散碎屑堆積物的重力；T為徑流的推力；β為床底坡度；K為松散碎屑堆積物的穩(wěn)定性系數(shù)。當(dāng)K=1時(shí)，飽和松散碎屑堆積物處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)K>1時(shí)，飽和松散碎屑堆積物處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生泥石流；當(dāng)K<1時(shí)，飽和松散碎屑堆積物處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會(huì)形成泥石流。

李樹德[91]認(rèn)為滑坡型泥石流的起動(dòng)是由斜坡上土體的靜力平衡破壞引起的，并提出了土體破壞的起動(dòng)判別式，即

S=QsinA

(4)

S0=RtanU+C

(5)

式中：S為平行于斜坡的重力分力；Q為土體自身的重力；A為斜坡坡腳；S0為抗滑動(dòng)力即臨界起動(dòng)力；R為垂直于斜坡的重力分力；U為土體的內(nèi)摩擦角；C為土體的內(nèi)聚力。當(dāng)S>S0時(shí)，土體破壞起動(dòng)并在一定水力條件下形成滑坡泥石流。

3 泥石流起動(dòng)模型研究

為了多方面研究泥石流起動(dòng)，學(xué)者們通過和其他學(xué)科相結(jié)合，建立了描述泥石流起動(dòng)的數(shù)值模型，其中比較典型的起動(dòng)模型如泥石流起動(dòng)的突變模型、滲流模型、分布式坡面泥石流起動(dòng)模型和水文-力學(xué)耦合模型，具體如下。

3.1 泥石流起動(dòng)的突變模型

崔鵬等[73]通過大量試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，分析了泥石流的起動(dòng)與床底坡度(θ)、顆粒級(jí)配(C)和水分飽和度(Sr)的關(guān)系，明確了泥石流起動(dòng)的臨界條件[72]，并建立泥石流起動(dòng)模型，即

(6)

式(6)中：θ為底床坡度；Sr為土體飽和度；C為顆粒級(jí)配。

該模型揭示了泥石流起動(dòng)的物理機(jī)制，表明了泥石流的起動(dòng)具有加速起動(dòng)、常速起動(dòng)和緩慢起動(dòng)三種起動(dòng)方式。雖然該模型可以解釋泥石流的起動(dòng)機(jī)理，但該模型僅表述了九寨溝內(nèi)的樹正溝泥石流的起動(dòng)機(jī)理，未能在相似條件下(忽略水力沖刷作用，粗細(xì)顆粒分界粒徑為1 mm其余條件與一般泥石流溝道特征一致)的其他流域驗(yàn)證，在分析細(xì)顆粒含量對(duì)泥石流起動(dòng)的影響未考慮到顆粒運(yùn)移，細(xì)顆粒的損失對(duì)土體強(qiáng)度的影響。因此，泥石流的起動(dòng)機(jī)理還需要結(jié)合土體結(jié)構(gòu)、滲透系數(shù)、孔隙水壓力等土體特征參數(shù)和土體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行更深入的研究。

3.2 滲流模型

李后強(qiáng)等[92]在滲流理論的基礎(chǔ)上，提出了泥石流的滲流模型，即泥石流起動(dòng)前松散碎屑物質(zhì)中的符合貝塞爾點(diǎn)陣，其滲流臨界值Pc為

(7)

式(7)中：Z為配位數(shù)；d為歐式空間維數(shù)。

泥石流起動(dòng)的難易程度與Pc相關(guān)，Pc越小泥石流越容易起動(dòng)。

滲流模型適合于物源為松散碎屑堆積物的泥石流，松散堆積的孔隙越大泥石流越容易起動(dòng)，作者通過滲流模型與廣義的Fibonacci數(shù)列得到分形維數(shù)相結(jié)合分析了段家河流域泥石流的形成過程，認(rèn)為泥石流的起動(dòng)既與松散堆積物的總量有關(guān)又與堆積物的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[92]。該模型將數(shù)學(xué)上的滲流問題與泥石流的起動(dòng)結(jié)合起來，使泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究邁入新的研究方向。但是由于泥石流松散碎屑物質(zhì)顆粒的不均勻性導(dǎo)致其堆積方式十分復(fù)雜并且泥石流內(nèi)部水流的滲透通徑的研究十分困難，不適合結(jié)合一般的滲流模型來討論泥石流的起動(dòng)。因此，還需要更深入地研究滲流理論及模型在泥石流起動(dòng)機(jī)理方面的結(jié)合應(yīng)用。

3.3 分布式坡面泥石流起動(dòng)模型

在前人土力類泥石流的研究基礎(chǔ)上[39,58,93]，為了動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)地定量化坡面泥石流的起動(dòng)理論。張萬順等[94]基于一系列的土壤學(xué)理論，建立了分布式坡面泥石流起動(dòng)模型。該模型主要包括了三個(gè)部分：土體下滲和土體含水率計(jì)算(土壤下滲模型)、土體動(dòng)力分析和定量計(jì)算(泥石流起動(dòng)模型)、坡面泥石流演算。

其中泥石流的起動(dòng)模型由土體應(yīng)力計(jì)算和土體起動(dòng)厚度估算兩部分組成。土體應(yīng)力計(jì)算方程為

(8)

式(8)中：τ為土體抗剪切應(yīng)力；F為土體的切向應(yīng)力；c為土體黏聚力；σn為土體的法向應(yīng)力；σn=(G+G′)cosα/α；σ′n為土體的切向應(yīng)力，σ′n=GVsinα/α；α為表層土體坡度；G為土體重力；G′為表層泥石流重力；A為土體單元表層面積；ρ0為表層泥石流密度；k1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

坡面土體起動(dòng)并形成泥石流與土體剪切應(yīng)力(F)和抗剪切應(yīng)力(τ)有著密切的關(guān)系，土體起動(dòng)厚度估算方程為

(9)

式(9)中：Hs為起動(dòng)土體的厚度，通過迭代計(jì)算來確定；ρs為起動(dòng)土體的密度；I為坡面比降；α、β、γ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)泥石流流域?qū)崪y(cè)資料選定。

分布式坡面泥石流起動(dòng)模型適用于降雨條件下單一的坡面泥石流，通過對(duì)云南東川蔣家溝典型的降雨型坡面泥石流過程進(jìn)行數(shù)值模擬，還原了天然降雨形成的坡面泥石流的所有特征——陣發(fā)性、不連續(xù)性、滯后性等[94]。表明了該模型能依據(jù)實(shí)際降雨過程動(dòng)態(tài)地、系統(tǒng)地定量化計(jì)算泥石流的起動(dòng)，充分認(rèn)識(shí)泥石流起動(dòng)過程中各個(gè)部分之間的聯(lián)系，能夠解決復(fù)雜的坡面泥石流起動(dòng)問題，推動(dòng)了泥石流的預(yù)報(bào)進(jìn)展。但該模型也存在著一些缺點(diǎn)，該模型僅適用于降雨條件下單一的坡面泥石流，并且一些數(shù)值的計(jì)算太過復(fù)雜，需要一直迭代才能得到結(jié)果，對(duì)模型的廣泛應(yīng)用造成不利影響。

3.4 水文-力學(xué)耦合模型

Klubertanz等[23]提出了水文-力學(xué)耦合模型，一種基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，將土視為一種充滿兩種不混相孔隙流體(水和氣)的可變形多孔介質(zhì)，質(zhì)量和動(dòng)量平衡方程形成了一個(gè)高度耦合的非線性系統(tǒng)。它可以作為研究泥石流起動(dòng)的一種數(shù)值方法。在該模型中，當(dāng)水充滿所有的空隙時(shí)，混合物才能被認(rèn)為達(dá)到飽和狀態(tài)，否則是不飽和的。該模型由動(dòng)量平衡、質(zhì)量守恒、離散系統(tǒng)、非飽和土的本構(gòu)模型4個(gè)部分組成。

該模型適用于多類型泥石流的起動(dòng)研究，并能夠提供邊坡不穩(wěn)定性的指示、預(yù)測(cè)破壞位置和初始泥石流體積，通過對(duì)模型參數(shù)的選取研究時(shí)發(fā)現(xiàn)泥石流的起動(dòng)與坡角的關(guān)系并不大，供水的瞬態(tài)特性才是關(guān)鍵參數(shù)，具有良好的創(chuàng)新性，但由于大型野外試驗(yàn)儀器和數(shù)據(jù)資料的不全面，還沒用實(shí)際泥石流驗(yàn)證模型的應(yīng)用性與正確性，因此暫時(shí)不能應(yīng)用于驗(yàn)證實(shí)際泥石流的起動(dòng)。

土力類泥石流的起動(dòng)模型對(duì)于泥石流的起動(dòng)預(yù)警有著十分重要的作用，目前泥石流的起動(dòng)模型與多學(xué)科結(jié)合并取得了相應(yīng)的成果，但目前還僅限于理論上且模型參數(shù)較為復(fù)雜，獲取精度低，因此，模型還不能大范圍地應(yīng)用于實(shí)際的泥石流起動(dòng)中。這些問題還需要深入研究并解決。

4 結(jié)論與展望

泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究是泥石流災(zāi)害防治的核心問題之一，中外地質(zhì)學(xué)家在土力類泥石流起動(dòng)機(jī)理和模型上的研究有了許多豐碩的成果，地質(zhì)學(xué)者通過大量的野外調(diào)查和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出了不同類型的泥石流的起動(dòng)臨界條件，為泥石流的預(yù)報(bào)提供了理論基礎(chǔ)。研究了不同類型泥石流的起動(dòng)機(jī)理和其起動(dòng)的動(dòng)態(tài)全過程分析，并提出了多種起動(dòng)模型。但由于土力類泥石流起動(dòng)過程本身的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，土力類泥石流起動(dòng)研究還存在一些重點(diǎn)難點(diǎn)。

(1)土力類泥石流起動(dòng)時(shí)土體物理力學(xué)特征測(cè)定。為了探究土力類泥石流起動(dòng)時(shí)的土體物理力學(xué)特征，目前多用水槽試驗(yàn)與各種傳感器相結(jié)合的方法。但該方法存在一定的問題，傳感器埋入本身會(huì)對(duì)試驗(yàn)土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，因此傳感器埋入的多少和埋入的位置都是研究的難點(diǎn)，傳感器埋入太少加上位置的偏差監(jiān)測(cè)不到起動(dòng)時(shí)的土體變化特征；傳感器埋入太多又會(huì)對(duì)試驗(yàn)土體產(chǎn)生不可忽略的影響。如何避免傳感器對(duì)于試驗(yàn)土體產(chǎn)生的穩(wěn)定性影響是土力類泥石流起動(dòng)機(jī)理研究的難點(diǎn)之一。

(2)土力類泥石流起動(dòng)的力學(xué)機(jī)制研究。目前土力類泥石流起動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究已有一定的成果和基礎(chǔ)。但土力類泥石流起動(dòng)具有復(fù)雜性導(dǎo)致探究其內(nèi)在的力學(xué)機(jī)制十分困難，其中所涉及的力學(xué)參數(shù)十分復(fù)雜，目前關(guān)于土力類泥石流起動(dòng)試驗(yàn)所考慮的參數(shù)比較單一，加上一些力學(xué)參數(shù)獲取比較困難，所以已有的起動(dòng)力學(xué)機(jī)制還不夠深入因此不能完全揭示泥石流的起動(dòng)機(jī)理，以此建立的起動(dòng)模型同樣不能廣泛應(yīng)用于實(shí)際泥石流中。

(3)土力類泥石流起動(dòng)的臨界條件研究。泥石流起動(dòng)的臨界條件是泥石流災(zāi)害防災(zāi)的關(guān)鍵點(diǎn)，找到泥石流起動(dòng)的臨界起動(dòng)條件，就可以有效地對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。土力類泥石流的起動(dòng)臨界條件是建立土力類泥石流土體物理力學(xué)特征與力學(xué)機(jī)制之上。泥石流的類型不同，其土體物理力學(xué)特征與起動(dòng)力學(xué)機(jī)制也有所不同導(dǎo)致其起動(dòng)的臨界條件也有所區(qū)別，因此亟需建立一個(gè)以研究泥石流起動(dòng)機(jī)理為目的的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合物源土體的物理力學(xué)特征與起動(dòng)的力學(xué)機(jī)制，研究其起動(dòng)臨界條件，建立相應(yīng)的能廣泛應(yīng)用于實(shí)際泥石流中的起動(dòng)判別式或起動(dòng)模型，為泥石流災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供有力的理論依據(jù)。