胡艷香，朱厚影，陳昊，薛凱喜，韓靜云，梁海安

（1. 東華理工大學(xué)巖土與地下工程系，江西 南昌 330013；2. 北方民族大學(xué)土木工程系，寧夏 銀川 750001）

0 引言

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，暴發(fā)突然，破壞力極強。為有效防治泥石流，國內(nèi)外研究人員從泥石流的發(fā)育規(guī)律、防治措施、預(yù)警預(yù)防等方面進行了深入研究。

試驗作為研究泥石流的有效手段而被廣泛應(yīng)用，Iverson等[1?2]、George等[3]進行了多 次泥石流啟動試驗，將泥石流的啟動與孔隙水壓力聯(lián)系起來，用有效應(yīng)力和孔隙水壓力揭示其啟動過程，并同步考慮黏粒的作用，但試驗條件未考慮黏性顆粒的定量化及土體級配差異，因此相關(guān)成果略有不足。Takahashi[4]以侵蝕后的溝道堆積物為研究對象，進行了試驗研究，研究成果表明松散物質(zhì)特性、溝床比降、表面水流流速等對泥石流的啟動有重要影響。國內(nèi)的西南地區(qū)泥石流發(fā)育較為頻繁，經(jīng)過眾多學(xué)者的深入研究，泥石流發(fā)育的地貌特征、發(fā)育條件、啟動機制越發(fā)清晰，為其他地區(qū)的泥石流研究提供了強有力的理論基礎(chǔ)。胡明鑒、陳中學(xué)等以蔣家溝為主要研究對象，借助試驗技術(shù)手段系統(tǒng)研究了暴雨作用下滑坡與泥石流的共生關(guān)系[5]，探明了堆積物源在降雨作用下自身結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性喪失是泥石流發(fā)育的內(nèi)因[6]，揭示了黏土顆粒對泥石流啟動具有顯著影響[7]，并進一步借助數(shù)值模擬等手段探索了啟動過程和失穩(wěn)災(zāi)變模式[8?9]。程尊蘭等[10?11]對冰湖潰決型泥石流形成機制及泥石流阻塞壩的形成進行了系統(tǒng)的研究。胡凱衡等[12?13]對泥石流溝床的形態(tài)阻力開展試驗研究，精準描述了泥石流陳性波狀運動狀態(tài)。

上述研究成果為泥石流試驗研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，但由于泥石流物源啟動的復(fù)雜性和區(qū)域差異性，通過對特定區(qū)域泥石流物源實施試驗研究形成的理論具有的一定的局限性，旱區(qū)泥石流的相關(guān)研究幾乎很少涉及。

有鑒于此，文中以蘇峪口泥石流為研究對象，通過開展模型試驗，深入研究旱區(qū)泥石流物源土破壞與啟動特征，明晰泥石流發(fā)育規(guī)律，進一步豐富對旱區(qū)泥石流的認識，為區(qū)域泥石流防治及防災(zāi)減災(zāi)工程設(shè)施的建設(shè)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

研究區(qū)位于賀蘭山東麓，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，干旱少雨，年降雨量400～800 mm，且降雨集中在7—8 月份，多為短歷時強降雨，易形成地表徑流。區(qū)內(nèi)泥石流物源主要來自溝道堆積物，粗顆粒含量高。相比于西南地區(qū)地形高差大、降雨量充盈、物源儲備豐富、細顆粒（黏粒、粉粒和砂）含量高的特點，研究區(qū)泥石流發(fā)育模式明顯不同。

1.1 土樣來源

賀蘭山東麓沿線分布數(shù)十條溝谷，孕育著溝谷型稀性泥石流，近年來位于銀川段的數(shù)條溝谷災(zāi)害頻發(fā)，嚴重威脅東麓沿線生產(chǎn)生活設(shè)施安全，泥石流溝谷分布見圖1。其中蘇峪口流域面積最大，為50.5 km2。溝谷長13.7 km，溝道比降73.9‰。該流域泥石流發(fā)育規(guī)模較大，危害較為嚴重，最近一次啟動時間為2018 年7 月23 日，部分沖出物保存完好。

圖1 蘇峪口流域周邊泥石流溝谷分布Fig.1 The distribution of debris flow gullies around Suyukou Basin

選取長300 m、寬75 m 的典型溝道堆積物取樣，土體天然密度為1.54 g/cm3[5]，試驗用土按粗顆粒含量配置，密度分別為1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3，天然含水率為1.03%，飽和含水率為10.98%，土體級配曲線見圖2，試驗中分別篩分了兩次試樣，取平均值作為試驗數(shù)據(jù)。不均勻系數(shù)Cu=66.96，曲率系數(shù)Cc=0.47，該土屬級配不良土。

圖2 試驗土樣顆粒級配曲線Fig.2 Test the soil-like particle-grade matching curve

1.2 試驗裝置

試驗裝置由供水系統(tǒng)、物源箱、堆積區(qū)三部分組成，供水系統(tǒng)可提供不同流速的表面徑流，模擬不同降雨頻率下的后方匯水。模型裝置由物源箱和堆積區(qū)組成，物源箱由上下兩個獨立箱體構(gòu)成，箱體之間可在0°～90°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以模擬不同的溝道平面彎曲形態(tài)，模型箱總體長度3 m、寬0.75 m，箱體底部粘結(jié)不同粒徑的粗顆粒，模擬溝床的粗糙度，使模型箱的粗糙程度更接近真實狀態(tài)，箱內(nèi)的土體采用平鋪的方法，與溝床原型堆積相似，無邊值考慮，且模型箱底面坡度可通過箱體底部的支座進行調(diào)節(jié)；堆積區(qū)由帶有刻度的木板拼接而成，并鋪設(shè)塑料布料防滲，試驗裝置簡圖及實物圖見圖3。

圖3 試驗裝置簡圖及實物圖Fig.3 A brief diagram of the test device and a physical diagram

1.3 試驗設(shè)計

為了真實反映泥石流啟動的客觀規(guī)律，參考相關(guān)研究經(jīng)驗[14]，對模型箱幾何尺寸、洪水總量及土顆粒級配進行相似設(shè)計，模型的幾何相似比λl為1∶100，依據(jù)弗勞德準則分別計算洪水總量和洪水沖刷時長比例。文中選用了20 年一遇洪水進行相似設(shè)計，經(jīng)計算，模型洪水總量Qm為1.46 m3，試驗中控制平均流量（流量與截面積的乘積）為1.14 L/s。

式中：Vm——模型流速/（m·s?1）；

Vn——原型流速/（m·s?1）；

lm——模型幾何尺寸/m；

ln——原型幾何尺寸/m

tm——模型時間比尺/s；

tn——原型時間比尺/s；

Qm——模型洪水總量/m3；

Qn——原型洪水總量/m3。

物源相似依據(jù)《泥石流防治指南》設(shè)計，模型箱的寬度應(yīng)大于或等于試驗流體中最大粒徑的5 倍，且模型中最大顆粒粒徑與流深之比應(yīng)小于等于原型中泥石流的最大顆粒粒徑與流深之比，見式（5）—（6）。模型箱寬度為75 cm，DMm應(yīng)小于15 cm，結(jié)合現(xiàn)場踏勘結(jié)果，溝道中堆積的最大塊石粒徑約為3 m，DMm應(yīng)小于3 cm。由此，確定了模型試驗允許的最大顆粒粒徑。采用等質(zhì)量替代法用0.5～3 cm 的顆粒替代粒徑大于3 cm 的顆粒。

試驗設(shè)計采用正交試驗法，選用溝床坡度、粗顆粒含量及土體含水率作為影響泥石流啟動的關(guān)鍵性控制因素，其中土體含水率代表前期降雨量。據(jù)研究區(qū)實地調(diào)查與前期試驗，物源粗顆粒含量介于60%～90%，蘇峪口溝床平均坡度為5°，泥石流啟動臨界坡度為15°[15]，由此設(shè)計了9 組試驗工況（表1）。試驗全程采用攝像機記錄物源破壞與泥石流的發(fā)育過程，并采用浮標法測量流速；現(xiàn)場測量泥石流沖溝發(fā)育形態(tài)、堆積形態(tài)與物源沖出量等特征。

表1 模型試驗工況設(shè)計Table 1 Model test condition design

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 泥石流啟動模式

根據(jù)試驗現(xiàn)象，不同粗顆粒含量的物源啟動模式可以概化為三類，分述如下。

2.1.1 模式一：溝道侵蝕型

工況一（10°）、工況六（15°）、工況八（5°），粗顆粒含量為60%，三組試驗啟動模式為溝道侵蝕型，發(fā)育過程概化為：物源表面細顆粒遷移—頂面下切形成沖溝—侵蝕切割加深拓寬溝道—溝道形態(tài)穩(wěn)定；分析認為出現(xiàn)該發(fā)育模式的原因在于物源細顆粒含量相對較高，孔隙充填密實，堆積體整體結(jié)構(gòu)性較好，滲透性差，徑流沖刷作用下，物源頂面滿足臨界啟動速度的顆粒啟動，下切形成沖溝并不斷發(fā)展，直至侵蝕停止。受控制因素影響，發(fā)育特征有所不同：工況六為控制因素最佳組合，物源侵蝕最為劇烈，如圖4（b）、（e）所示，沖溝平均下切深度達到11.47 cm，坡腳處沖刷18 s 即形成匯流通道，侵蝕歷時最長為409 s，測得漿體容重為1.34～1.56 g/cm3。侵蝕劇烈程度其次為工況一，沖刷歷時36 s 后，坡腳處形成匯流通道，沖溝平均下切深度為5.00 cm，侵蝕歷時274 s，漿體容重為1.37～1.47 g/cm3，試驗中溝道兩側(cè)土體崩塌后在溝道內(nèi)堆積，如圖4（d）所示。工況八坡度較小，重力侵蝕并不明顯，僅在物源箱下部形成貫通性沖溝，上部為大面積面蝕，面蝕深度達到2.20 cm，如圖4（f）所示，沖溝平均下切僅3.30 cm，漿體容重稍小，為1.21～1.31 g/cm3，侵蝕歷時相對上述兩種工況最短，歷時240 s 后，侵蝕停止。

圖4 粗顆粒含量60%泥石流發(fā)育特征Fig.4 The crude particles of the source are higher than 60% of the mudslide grown characteristics

2.1.2 模式二：堵潰型

工況三、四、五為堵潰型，發(fā)育過程概化為：徑流入滲—土體內(nèi)部細顆粒遷出—物源堆積結(jié)構(gòu)重組—物源堆積結(jié)構(gòu)失穩(wěn)—物源堵塞—潰決；試驗中大規(guī)模的物源啟動與沖出次數(shù)和淤積體的潰決次數(shù)基本一致，且過程短暫。分析認為由于粗顆粒含量增加，堆積體內(nèi)部孔隙含量和滲流通道增加，細顆粒首先進行遷移，粗顆粒構(gòu)成的骨架進行結(jié)構(gòu)重組，發(fā)生沉降、鋪床等現(xiàn)象，溝口物源由于結(jié)構(gòu)重組引發(fā)潰決而啟動，如圖5（a）（b）（c）（d）所示。沖溝在物源滑動沉降時形成，在后續(xù)多次滑動中進一步拓寬加深，整體形態(tài)呈橢圓型、啞鈴型，如圖5（e）（f）所示。

圖5 物源粗顆粒高于60%泥石流啟動特征Fig.5 The crude particles of the source are higher than 60% of the mudslide start-up characteristics

相比溝道侵蝕型，堵潰型泥石流明顯有著不同的發(fā)育特征，泥石流的形成主要由箱體內(nèi)物源潰決滑出形成，由于物源侵蝕遷出方式不同，侵蝕歷時相對溝道侵蝕型較長，且沖溝下切深度差異不大。工況三、四、五分別歷時354 s、720 s、342 s 后，水流清澈，侵蝕完全停止；下切深度分別為6.50 cm、6.63 cm、7.00 cm。由于物源的組成差異，所測漿體容重明顯小于溝道侵蝕型，分別為1.15～1.35 g/cm3、1.07～1.26 g/cm3、1.22～1.54 g/cm3。堵潰型泥石流的啟動時間相對溝道侵蝕型較為滯后，分別沖刷237 s、592 s、97 s 后有物源沖出，啟動前上游物源經(jīng)歷了不同程度的滑動、堆積等行為。

2.1.3 模式三：物源擾動型

工況二、七、九僅有部分細顆粒遷出，在物源表面形成粗化層，箱體內(nèi)部粗顆粒出現(xiàn)短距離滑移和小范圍的沉降，并未出現(xiàn)大規(guī)模的泥石流活動，為物源擾動型。發(fā)育過程劃分為：徑流入滲—土體內(nèi)部細顆粒遷出—物源堆積結(jié)構(gòu)重組并保持穩(wěn)定；發(fā)育過程如圖6所示。

圖6 物源擾動后形成的粗化層Fig.6 Coarsening layer formed after source disturbance

2.2 泥石流堆積特征

據(jù)圖分析：各組堆積扇粗細顆粒堆積均呈現(xiàn)一定的分選，細顆粒在距離溝口更遠的區(qū)域內(nèi)堆積，粗顆粒就近堆積，這一現(xiàn)象隨著粗顆粒含量增加表征更明顯。粗顆粒含量高于70%的工況，大于2 cm 的顆粒在流至堆積區(qū)時就停止運動并堆積，1～2 cm 的顆粒在距離溝口0.8～1.5 m 的范圍內(nèi)堆積，小于1 cm 的顆粒則在堆積區(qū)的邊緣位置堆積，見圖7（c）。粗顆粒含量低時（60%），細顆粒含量相對較高，初次堆積時，表現(xiàn)出粗細顆?；祀s，在表面徑流持續(xù)沖刷下，堆積區(qū)細顆粒再次遷移，堆積物表面也表現(xiàn)出一定的粗細顆粒分選。分析認為造成粗細顆粒分選的原因在于流體運動至堆積區(qū)后，流體向兩側(cè)展布變寬，徑流深度變小，大顆粒失去徑流浮力而停止遷移，細顆粒在徑流浮力下繼續(xù)向前運動。

除工況八以外，其他工況形成的堆積扇的厚度均表現(xiàn)出中間厚兩側(cè)薄，后緣厚度大、前緣厚度小的堆積特征。如圖8 所示，工況八形成的堆積扇沿垂直徑流方向的展布規(guī)律與其他工況一致，沿徑流方向展布特征則相反。結(jié)合試驗現(xiàn)象分析認為：粗顆粒含量為70%、80%的物源啟動后，粗顆粒含量相對較高且就近堆積（圖7）；工況一、工況六的侵蝕程度均強于工況八，更多的粗顆粒被啟動；而工況八坡度較小，物源勢能不足，粗顆粒被啟動的較少，堆積范圍距離溝口最遠也說明了這一點，因而沿徑流方向的堆積特征與其他工況相反。

圖7 粗顆粒含量高于60 %的物源各地形條件下堆積特征Fig.7 The accumulation characteristics of the crude particle content is higher than 60% under the condition of the origin

圖8 粗顆粒含量60 %的物源各地形條件下堆積特征Fig.8 The accumulation characteristics of the source under the condition of all shapes and conditions with 60% coarse particle content

2.3 因素顯著性分析

2.3.1 同一因素不同水平對泥石流發(fā)育的影響

泥石流的發(fā)育規(guī)模常用物源沖出量表征，因此，將物源沖出總量或平均值作為監(jiān)測指標，并分析其對不同因素水平的響應(yīng)[16]。將同一因素水平下的沖出總量及平均值列于表2，并繪制成圖（圖8）。表2中Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi表示某因素三個水平下的物源沖出量；第四列至第六列分別代表Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi的平均值。Ri表示平均值極差。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表影響因子的三個水平，i=（A、B、C），分表代表溝床坡度、土體含水率、粗顆粒含量三個影響因子，表中數(shù)據(jù)則代表相應(yīng)工況下的沖出量實測值。

表2 試驗數(shù)據(jù)正交分析表Table 2 The test data orthogonal analysis table

結(jié)合表2 和圖9 分析可知：①物源沖出量與溝床坡度成正比，隨著溝床坡度增大，泥石流發(fā)育規(guī)模越大，易啟動且侵蝕時間更長，物源侵蝕更劇烈；坡度為5 °時，僅有工況八（粗顆粒含量60%）形成泥石流，說明在相同的勢能和水動力條件下，細粒含量越高，物源越容易啟動，即泥石流較水石流易啟動，工況三泥石流的形成驗證了這一規(guī)律。②據(jù)圖9，物源沖出量與土體含水率成正比，含水率越高，物源沖出量越大；對比分析同一粗顆粒含量或溝床坡度水平下，物源沖出量與含水率并非正比關(guān)系，說明含水率對泥石流的形成作用相對最小。③物源沖出量與粗顆粒含量成反比，隨著粗顆粒含量增加，泥石流發(fā)育規(guī)模逐漸減小。④粗顆粒含量對應(yīng)的極差值RC最大，即物源沖出量散布最大；RA稍小，為24.86；RB最小，為13.57，說明粗顆粒含量對物源沖出量影響最強，依次是溝床坡度、土體含水率。⑤溝床坡度為15 °，土體飽和，且粗顆粒含量為60%時，最利于泥石流的形成。因此，因素水平組合為A3B3C1 為最佳組合，工況六的物源沖出量最大亦印證了這一規(guī)律。

圖9 同一因素不同水平對物源沖出量的影響Fig.9 The effect of different levels of the same factor on the amount of source out of the source

2.3.2 不同因素對泥石流發(fā)育的影響

為了檢驗數(shù)據(jù)的波動是否由試驗條件改變引起的，將試驗數(shù)據(jù)進行方差分析（表3），表中Adj SS、Adj MS 為軟件分析中間值，F(xiàn)是對模型的方差檢驗，P是判斷F檢驗是否顯著，根據(jù)P值大小檢驗三個因素對物源沖出量的顯著性，P值越小，則代表影響因子對的結(jié)果影響越顯著。三個因素對物源沖出量的顯著性均為高度顯著，說明物源沖出量的差異是由條件改變引起的。土體含水率對應(yīng)的P值最大，依次是溝床坡度、粗顆粒含量，說明對物源沖出量影響最為顯著的因素是粗顆粒含量，其次是溝床坡度，影響相對最小的是土體含水率。結(jié)合文中第2 節(jié)中泥石流發(fā)育模式分析認為：研究區(qū)內(nèi)泥石流防治與預(yù)測可分區(qū)進行，物源粗顆粒含量低且坡度大的區(qū)域泥石流更易啟動；反之，坡度小、粗顆粒含量高的區(qū)域泥石流則不易啟動。

表3 泥石流影響因素方差分析表Table 3 The anovary table of the factors affected by mudslides

3 討論

文中的主要研究目的在于探明賀蘭山蘇峪口泥石流的發(fā)育規(guī)律，為該地區(qū)泥石流防治提供理論支撐。研究結(jié)果顯示，泥石流的啟動模式與物源侵蝕因物源組成而存在差異，細顆粒含量高時，侵蝕以溝道侵蝕為主，且溝岸以崩塌、傾倒的方式進行物源補給。隨著細顆粒含量降低，泥石流的啟動模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎聺⑿?，土體破壞以滑坡沉降為主，泥石流的啟動具有明顯的陣性特征，啟動次數(shù)與堵塞體潰決次數(shù)相等。物源的粗顆粒含量、溝床坡度及土體含水率均會對泥石流發(fā)育產(chǎn)生不同程度的影響，其中，物源沖出量與溝床坡度、土體含水率成正比，與粗顆粒含量成反比且粗顆粒含量產(chǎn)生的影響最為顯著，依次是溝床坡度、土體含水率。這與現(xiàn)有的研究結(jié)果相符[15,17?18]。

分析上述試驗結(jié)果認為：不同細粒含量的物源結(jié)構(gòu)存在差異，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對土體的滲透性與強度有顯著影響。細顆粒含量越高，土體的滲透性越差，滲透水無法及時排除造成孔隙水壓增大，有效應(yīng)力相對減?。煌瑫r，堆積體表面水流因攜帶細顆粒沖刷能力增強，越來越多的顆粒被啟動，因此，粗顆粒含量為60%的物源以溝道侵蝕的方式形成規(guī)模較大的泥石流。隨著粗顆粒（>2 mm）的含量增加，物源堆積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強度主要由咬合力構(gòu)成，此時，透水性較大，滲流水可以自由流出，而不會引起孔隙水壓的增大，細顆粒遷移在滲透水的長期滲流下，粗顆粒組成的土體骨架進行結(jié)構(gòu)重組而引起坡體滑動與沉降。因此，粗顆粒含量高時泥石流難以啟動。

對比前人研究成果發(fā)現(xiàn)，將貫通性沖溝的形成作為泥石流的啟動標志并不適用稀性泥石流和水石流。細顆粒含量高時，細小沖溝形成時流體容重并未達到1.3 t/m3；細顆粒含量較低時，泥石流的啟動與溝口堵塞體的潰決相關(guān)，在潰口形成引發(fā)泥石流后，上游物源才進行滑坡、沉降等一系列活動。

4 結(jié)論與建議

文中以賀蘭山東麓蘇峪口為原型，通過開展模型試驗，研究了泥石流在不同粗顆粒含量、不同含水率及不同溝床坡度下的發(fā)育規(guī)律。并分析了泥石流發(fā)育規(guī)模與形成條件代表性因素之間的關(guān)系，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）泥石流發(fā)育模式因物源組成而存在差異，細顆粒含量較高時，泥石流的類型為溝道侵蝕型，溝道兩側(cè)土體除直接侵蝕外，以崩塌、傾倒的方式進行補給。物源連續(xù)沖出直至侵蝕結(jié)束，侵蝕歷時和沖溝形態(tài)穩(wěn)定歷時較長。沖出物堆積具有明顯的分帶特征，即粗顆粒就近堆積，細顆粒經(jīng)遠距離搬運后堆積，堆積扇展布寬，厚度小。隨著粗顆粒含量增加，泥石流形成轉(zhuǎn)變?yōu)槎聺⑿停也灰讍?，土體破壞以滑動沉降的方式進行，泥石流啟動具有陣型特征，且啟動次數(shù)與溝口潰決次數(shù)相同，堆積扇在后口不遠處堆積，堆積厚度大，展布小。

（2）泥石流形成條件的代表因素對泥石流的形成作用不同，溝床坡度越大、含水率越高越有利于泥石流發(fā)育，粗顆粒含量反之。因素水平最佳組合為粗顆粒含量60%、溝床坡度為15°、含水率為飽和含水率，工況六的沖出物體積最大，印證了這一規(guī)律。

（3）影響因素顯著性分析結(jié)果表明，三種影響因素對物源沖出量均高度顯著，其中，粗顆粒含量顯著性最強，依次是溝床坡度、土體含水率。

（4）結(jié)合研究區(qū)內(nèi)短歷時強降雨的降水特征及物源的強滲透性，研究區(qū)的泥石流防治可分區(qū)進行，物源細顆粒含量高的溝道可在上游進行分流以降低下游水深，防止過度沖刷；采取防護措施防止溝岸崩塌、傾倒；物源粗顆粒含量高的溝道可在溝道堆積物的坡腳處設(shè)置梯級壩系，防止堆積體坡腳發(fā)生潰決，進而有效阻止泥石流活動。