張座雄　劉興榮　王之君　王昱　馬彥杰

［關(guān)鍵詞］ 黃土滑坡型泥石流；孔隙比；濕陷性；細(xì)顆粒含量

［摘 要］ 黃土滑坡型泥石流在我國廣泛分布，且具有速度快、沖擊力強(qiáng)、破壞性大等特點(diǎn)，目前對其的觀測與專門研究仍處于起步階段?；邳S土的高孔隙比、強(qiáng)濕陷性和高細(xì)顆粒含量3個典型特征，分析其對黃土滑坡型泥石流形成的影響，結(jié)果表明：①高孔隙比使得黃土滲透速率較大，內(nèi)摩擦力較??；同時，在降雨增濕過程中，黃土濕陷促使其結(jié)構(gòu)性減弱，有效黏聚力快速降低，從而導(dǎo)致黃土抗剪強(qiáng)度快速降低，易產(chǎn)生庫侖破壞。②由于細(xì)顆粒含量高，黃土液化后孔隙水壓力消散較慢，使得黃土滑坡型泥石流滑距較長，堆積區(qū)顆粒組分沿縱向具有一定分選性。研究成果可為黃土滑坡型泥石流災(zāi)害防治提供參考。

［中圖分類號］ P642.23［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ C［文章編號］ 1000－0941（2023）09－0050－04

滑坡型泥石流是一種特殊泥石流，指高位滑坡在降雨或地下水作用下沿坡面滑動一段距離后，短時間內(nèi)由滑動轉(zhuǎn)化為流動的泥石流[1]。該類泥石流具有速度快、沖擊力強(qiáng)、破壞性大等特點(diǎn)，一經(jīng)提出便引起學(xué)界廣泛關(guān)注。目前針對滑坡型泥石流的形成特點(diǎn)、成因機(jī)理研究已取得較多研究成果[2-3]，但通過黃土自身特性系統(tǒng)總結(jié)黃土滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的專門研究相對較少。

據(jù)劉東生等[4]統(tǒng)計，我國黃土區(qū)面積約為64萬km2，占陸地面積的6.6%，其厚度一般為50～80 m，最厚可達(dá)180 m。PENG? et al.[5]認(rèn)為黃土性質(zhì)特殊，容易導(dǎo)致區(qū)內(nèi)黃土滑坡型泥石流災(zāi)害發(fā)生，如2018年4月19日，蘭州市堿水溝暴發(fā)黃土滑坡型泥石流，致1人死亡，約120戶居民不同程度受災(zāi)。因此，開展黃土滑坡型泥石流研究對于保障地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定、人民生命財產(chǎn)安全具有重要作用。此外，黃土物質(zhì)組成以粉粒為主，結(jié)構(gòu)疏松多孔，節(jié)理發(fā)育，具有濕陷性，與傳統(tǒng)泥石流相比，黃土滑坡型泥石流運(yùn)動特征及形成機(jī)理具有較明顯的特殊性。

因此，本研究從黃土的孔隙比、濕陷性、細(xì)顆粒含量3個基本指標(biāo)出發(fā)，探討其對黃土滑坡型泥石流形成的影響，以期為黃土滑坡型泥石流的研究提供理論依據(jù)。

1 黃土滑坡型泥石流的影響因素

黃土滑坡型泥石流形成影響因素眾多，如地形地貌、地層巖性、降雨條件等。有學(xué)者對黃土力學(xué)性能、黃土滑坡形成過程及機(jī)理進(jìn)行了較深入研究[6-7]，但從黃土微觀指標(biāo)研究黃土滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的相關(guān)文獻(xiàn)幾乎沒有。因此，本研究以黃土的孔隙比、濕陷性、細(xì)顆粒含量等基本特性為基礎(chǔ)，討論三者對黃土滑坡型泥石流形成特征和機(jī)理的影響。

1.1 孔隙比對黃土滑坡型泥石流的影響

1.1.1 孔隙比與土體抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

抗剪強(qiáng)度是評價土體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。根據(jù)摩爾-庫侖定律，土的抗剪強(qiáng)度τf計算公式為

式中：σ為正應(yīng)力，單位kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，單位（°）；c為土的黏聚力，單位kPa。

土的天然密度ρ及土體自重應(yīng)力σz計算公式分別為

式中：ds為土粒的相對密度；ρw為4 ℃純水的密度，單位kg/m3；ω為土的初始含水率；e為孔隙體積與土粒體積之比，即孔隙比；g為重力加速度，單位m/s2；h為土層厚度，單位m。

徐碩昌等[8]研究發(fā)現(xiàn)，黃土孔隙比較大，一般為0.8～1.2，且越靠近表層越大。由以上公式可知，土的抗剪強(qiáng)度τf在應(yīng)力作用下與孔隙比成反比，孔隙比越大抗剪強(qiáng)度越小。

1.1.2 孔隙比與土體滲透性的關(guān)系

土的滲透系數(shù)表征土體被水透過的能力，是研究入滲過程的重要參數(shù)。研究表明，孔隙分布是滲透系數(shù)最主要的影響因素。砂性土、黏土中應(yīng)用較多的滲透系數(shù)與孔隙比的公式[9]為

式中：k為土的滲透系數(shù)，單位m/s；C為滲透參數(shù)，單位m/s；m為經(jīng)驗指數(shù)，對一般軟土而言m的平均值為5[10]。

黃土為非飽和土，其垂直入滲規(guī)律可采用廣義達(dá)西定律描述，公式為

式中：v為斷面平均滲透速度，單位m/s；ψ為土水勢，以水頭表示，單位m；z為垂直滲透距離，單位m。

將公式（4）代入公式（5）得到孔隙比與滲透速度關(guān)系式為

公式（6）表明土的滲透速度與孔隙比呈指數(shù)遞增關(guān)系，且已有研究證實與低孔隙度的土相比，黃土入滲速度更快[11]，而且黃土普遍節(jié)理發(fā)育，雨水沿節(jié)理裂隙能較快向深部入滲。

1.2 濕陷性對黃土滑坡型泥石流的影響

黃土的濕陷性指在一定壓力作用下，黃土被水浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速破壞而產(chǎn)生顯著附加沉陷的特性。當(dāng)前缺乏濕陷性對黃土滑坡型泥石流影響的直接研究，筆者只能通過已有的黃土濕陷性與土體強(qiáng)度的相關(guān)研究，間接推論黃土濕陷性在滑坡型泥石流形成與轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮的作用。

黃土增濕后抗剪強(qiáng)度降低是導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。張茂花等[12]在增濕條件下對原狀非飽和Q3黃土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)其抗剪強(qiáng)度并不完全符合摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，以此推斷，受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，其規(guī)律表現(xiàn)為兩條直線組成的折線，公式為

式中：φ1為結(jié)構(gòu)發(fā)揮段的內(nèi)摩擦角，單位（°）；φ2為結(jié)構(gòu)喪失段的內(nèi)摩擦角，單位（°）；σc為結(jié)構(gòu)臨界點(diǎn)的法向應(yīng)力，單位kPa。

張茂花等[12]同時指出，分段規(guī)律只在低含水率下成立，在高含水率下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度喪失，強(qiáng)度包線退化為符合摩爾-庫侖理論的直線。此外，研究表明[13]，隨著土體含水量增加，非飽和黃土在膠溶作用和水分楔入作用下，黃土黏聚力減弱，甚至喪失，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角也減小。

濕陷性表現(xiàn)形式主要為暗穴、落水洞、沖溝等。占樣烈[14]對山西臨縣濕陷性黃土滑坡機(jī)理進(jìn)行了梳理，認(rèn)為由于邊坡底部具有較強(qiáng)的隔水層，黃土洞穴形成的排水通道易于水體在接觸面富集，導(dǎo)致土體軟化，形成軟弱易滑帶。蘇生瑞等[15]認(rèn)為，在雨水入滲作用下，濕陷性黃土邊坡洞穴逐漸擴(kuò)大，并發(fā)生水力聯(lián)系，內(nèi)部滑動面逐漸貫通，最終誘發(fā)較大規(guī)模的滑坡。ZHANG et al.[16]對灌溉誘發(fā)的黃土流滑進(jìn)行研究，認(rèn)為灌溉水通過陷穴入滲使得坡底完全飽和，是產(chǎn)生液化墊層的重要原因。

濕陷性主要受控于坡體增濕過程。圖1為濕陷坡體破壞示意圖，隨著坡體含水量的增加，黃土結(jié)構(gòu)性快速瓦解，產(chǎn)生較大的濕陷體積變形，進(jìn)而發(fā)育為各種黃土洞穴，待土的結(jié)構(gòu)性完全喪失，在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪切變形，數(shù)個洞穴在剪應(yīng)力和水流作用下產(chǎn)生貫通滑動面，若水體持續(xù)入滲使得底部接近飽和液化，可能誘發(fā)黃土流滑，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為泥石流。

1.3 細(xì)顆粒對黃土滑坡型泥石流的影響

黃土在我國北方廣泛分布，各地黃土顆粒組分有所區(qū)別，按顆粒組分不同可分為砂黃土、粉黃土、黏黃土等多種類型，但基本以細(xì)顆粒（＜0.075 mm）為主。黃土的高細(xì)顆粒含量特性對滑坡型泥石流的形成、轉(zhuǎn)化、堆積均有其特殊影響。鑒于顆粒含量對黃土滑坡的影響前人所作研究已較為全面，本研究重點(diǎn)分析滑坡型泥石流轉(zhuǎn)化、堆積過程。

1.3.1 細(xì)顆粒對滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的影響

PENG et al.[17]對甘肅天水大溝村黃土滑坡型泥石流的形成條件及過程進(jìn)行了細(xì)致研究，認(rèn)為液化效應(yīng)是黃土滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的主要機(jī)理。HU et al.[18]對原因不同的細(xì)顆粒含量堆積體運(yùn)動過程進(jìn)行室內(nèi)模擬，觀察到細(xì)顆粒含量越高、滑距越長，滑體越接近流態(tài)。他們認(rèn)為隨細(xì)顆粒含量增加，飽和導(dǎo)水率下降，孔壓消散較慢，高孔壓能維持較長時間，使得滑體較易液化?？梢?，液化是黃土滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的主要內(nèi)因。同時，細(xì)顆粒含量在液化過程中也具有重要作用。高細(xì)顆粒含量營造出良好不排水條件，使得邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的超孔隙水壓逐步擴(kuò)散至周圍土體，加之滑動過程中水體持續(xù)補(bǔ)充，最終導(dǎo)致滑坡體轉(zhuǎn)化為泥石流。

1.3.2 細(xì)顆粒對滑坡型泥石流堆積的影響

黃土滑坡型泥石流的主要固體物源為一次或次級滑坡堆積體，因此此類泥石流多為一次性滑動堆積[1]。例如，PENG et al.[17]發(fā)現(xiàn)流滑體對溝岸劇烈側(cè)蝕誘發(fā)次級滑坡，混合沉積物在雨水作用下飽和液化，轉(zhuǎn)化為黏性泥石流在溝口堆積。堆積體平面形態(tài)呈長矩形，物質(zhì)組成以黃土為主夾雜少量碎石，橫向無分選和層理，但在縱向存在一定分選性。這主要是因為細(xì)粒土孔壓消散較慢，在粗粒停積后，細(xì)粒繼續(xù)保持了慣性滑移運(yùn)動。

2 黃土滑坡型泥石流的形成機(jī)理分析

結(jié)合黃土的高孔隙比、強(qiáng)濕陷性、高細(xì)顆粒含量對滑坡型泥石流影響的分析結(jié)論，初步探討黃土滑坡型泥石流的形成機(jī)理。圖2為黃土滑坡型泥石流形成過程示意。

如圖2（a）所示，在水體入滲過程中，黃土中廣泛存在的孔隙通道便于水體入滲，土體含水量劇增，有效黏聚力降低，達(dá)到臨界含水量后土體結(jié)構(gòu)性完全喪失，產(chǎn)生濕陷變形，進(jìn)而使上下地塊連通，形成黃土洞穴，促使水體向更深層入滲，在坡體內(nèi)部形成軟弱滑動面；同時，坡體細(xì)顆粒在滲透作用下易于發(fā)生起動拖拽，形成穩(wěn)定的滲流通道，隨著土體下滑力不斷增大，抗剪強(qiáng)度不斷減小，最終邊坡沿軟弱易滑面發(fā)生庫侖剪切破壞，產(chǎn)生較大滑坡。

如圖2（b）所示，滑坡體底部接近飽和，含水量由下到上遞減，在滑坡體運(yùn)動過程中，高孔隙比導(dǎo)致黃土易發(fā)生剪縮，產(chǎn)生高孔壓。

如圖2（c）所示，滑體運(yùn)動過程中，細(xì)顆粒營造出良好不排水條件，減小了與床面摩擦帶來的動能損失，使得滑坡體能保持較高速、長距離滑移運(yùn)動，土體在滑動中拌和雨水發(fā)生液化，轉(zhuǎn)化為高速黏性泥石流。

如圖2（d）所示，泥石流流至下游開闊地或較寬溝谷停留、堆積，完成滑坡型泥石流運(yùn)動過程。

黃土滑坡型泥石流的形成影響因素眾多，且各因素之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。黃土的孔隙比、濕陷性、細(xì)顆粒含量之間也具有深刻的內(nèi)在聯(lián)系，三者共同作用效應(yīng)對滑坡型泥石流的影響是以后研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

本研究聯(lián)系黃土的高孔隙比、強(qiáng)濕陷性、高細(xì)顆粒含量3個基本特性，綜述現(xiàn)有研究成果，分析其對滑坡型泥石流形成過程的影響，得出以下結(jié)論：

1）黃土的高孔隙比，使其內(nèi)摩擦力較低，同時降雨增濕過程中，濕陷性促使其結(jié)構(gòu)性減弱，有效黏聚力隨含水量增加也降低，在二者共同作用下抗剪強(qiáng)度降低，產(chǎn)生庫侖破壞。若足量雨水沿陷穴繼續(xù)入滲，坡體內(nèi)部軟弱滑面貫通易誘發(fā)滑坡，進(jìn)而可能演化為泥石流。

2）由于細(xì)顆粒含量高，黃土液化后孔壓消散較慢，使得黃土滑坡型泥石流滑距較長，因此堆積區(qū)顆粒組分沿溝道縱向具有一定分選性。

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收稿日期： 2022-08-30

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（42067066）；甘肅省2021年度重點(diǎn)人才項目（2021RCXM066）；甘肅科學(xué)院應(yīng)用研究與開發(fā)項目（2021JK-07）

第一作者： 張座雄（1997—），男，江西鄱陽人，碩士研究生，主要研究方向為地質(zhì)災(zāi)害防治。

通信作者： 劉興榮（1979—），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，研究員，碩士，主要研究方向為地質(zhì)災(zāi)害防治。

E-mail：1781795556@qq.com

（責(zé)任編輯 楊傲秋）