ISSN 1003-8035 CN 11-2852/P
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坡面型泥石流运动特征模型试验

杨家豪, 肖世国, 薛元, 付正道

杨家豪,肖世国,薛元,等. 坡面型泥石流运动特征模型试验[J]. 中国地质灾害与防治学报,2025,36(0): 1-10. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202410011
引用本文: 杨家豪,肖世国,薛元,等. 坡面型泥石流运动特征模型试验[J]. 中国地质灾害与防治学报,2025,36(0): 1-10. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202410011
YANG Jiahao,XIAO Shiguo,XUE Yuan,et al. Model tests on movement characteristics of debris flows on slope faces[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2025,36(0): 1-10. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202410011
Citation: YANG Jiahao,XIAO Shiguo,XUE Yuan,et al. Model tests on movement characteristics of debris flows on slope faces[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2025,36(0): 1-10. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202410011

坡面型泥石流运动特征模型试验

基金项目: 四川省交通运输科技项目(2024-A-04);中铁二院工程集团有限责任公司科研项目(KSNQ213011)
详细信息
    作者简介:

    杨家豪(1999—),男,广东陆丰人,博士研究生,主要从事边坡工程研究。E-mail:928409358@qq.com

    通讯作者:

    肖世国(1973—),男,辽宁丹东人,博士,教授、博导,主要从事边坡稳定性与支挡结构研究。E-mail:xiaoshiguo@swjtu.cn

  • 中图分类号: TU452

Model tests on movement characteristics of debris flows on slope faces

  • 摘要:

    坡面型泥石流是山区常见的一种地质灾害,启动模式与物源特征对其运动过程有重要影响。依托大理-瑞丽铁路大理西站工点典型的坡面型泥石流,开展室内缩尺模型试验,模拟平面式启动和滑坡式启动两种模式,以及考虑物源不同的粘稠性、颗粒级配、方量等因素进行了8组试验,得到了相应的坡面型泥石流运动特征。结果表明,坡面型泥石流的形成全过程呈现3个典型阶段:速度逐渐增大的启动阶段、速度略有下降的运动阶段、速度快速衰减的堆积阶段;稀性物源的启动速度大于黏性物源,泥石流运动速度随路程呈逐渐非线性减小趋势;泥石流对坡面的刮铲效应在坡面中上部较为强烈,最大刮铲深度占模型坡体表层厚度的60%;在坡脚处堆积物沿相应的冲出距离呈现一定的分选现象,细颗粒在距离坡脚更远的区域堆积。基于试验结果,建议坡面型泥石流工程防治以物源高低位分别沿坡高分为3区、2区进行,前者以限制顶部启动速度、减小坡面中上部刮铲效应为原则,后者以限制物源启动速度、坡脚强拦挡为原则。

    Abstract:

    Debris flows on slope faces represent a common geological hazard. The initial movement mode and resource characteristics significantly impact the movement process of the debris flow. Based on a typical case of debris flows on slope faces at Dali west railway station of the Dali -Ruili railway, a series of laboratory scaled model tests were conducted to investigate the movement characteristics of these debris flows. A total of eight sets of tests were performed, including start movement modes such as planar and landslide-type slides, as well as varying viscosity, particle gradation, and volume of the resources. The results reveal three typical formation stages of debris flows: a startup stage with progressively increasing velocity, a movement stage with slightly decreasing velocity, and an accumulation stage with rapidly reduced velocity. The start velocity of loose resources is higher than that of dense resources, and the movement velocity decreases nonlinearly with distance. The scrapping effect on the slope face is pronounced in the mid-upslope zone, with a maximum scrapping depth reaching 60% of the surface layer thickness in the slope model. Accumulated soils near the slope toe exhibit sorting characteristics along the rush distance, with fine particles accumulating further away from the slope toe. Based on the test results, it is suggested that three or two zones along the slope face can be divided to prevent the debris flow according to the height of the resources position. The principle for the former is to restrict the start velocity at the upslope and reduce the scrapping effect on the slope face, and the principle for the latter is to decrease the start velocity of the resources and construct strong retaining walls at the slope toe.

  • 坡面型泥石流是指陡坡表面存在大量松散的固体物质,在降雨、地震以及人类工程活动等作用下诱发的高浓度碎屑与水的混合物沿坡面运动的现象[1]。在我国西部地区,山地面积广泛,山区公路、铁路沿线常存在爆发坡面型泥石流的可能性,对相关的交通基础设施及人民的生命安全产生损害或具有重大威胁。

    目前,国内外学者通过现场调查、室内模型试验、数值模拟等方法对坡面型泥石流进行了一些研究。Hungr[2]指出坡体在外部因素作用下未能及时排水,使土中孔压逐渐积累,从而破坏土体抗剪强度并逐渐崩塌、滑落,最终形成泥石流。Blijenberg[3]分析坡面型泥石流的产生离不开集中式大量降雨引发的地表径流增加,由此诱发坡面型泥石流。张万顺等[4]、陈宁生等[5]按坡面泥石流形成的物理力学机理分为水力类泥石流和土力类泥石流,即由地表径流冲刷坡面补给物质形成以及由降雨下渗引起坡面土体的滑坡、崩塌形成。姚一江[6]按固体物质的补给方式对坡面泥石流进一步划分为溜坍型、冲蚀型和滑坡型三种类型。李树德[7, 8]进一步研究了滑坡型泥石流的形成条件、形成机理及其特征。黄海等[9]基于物源特征,将坡面泥石流分为崩滑型、沟谷冲蚀型、坡面侵蚀性和面蚀型四种类型。唐红梅等[10]从地貌演化的角度出发,分析了坡面泥石流的顶部刮铲、溯源挖掘、局部饱和孕滑等三种演变模式。

    以往这些学者根据地形地貌、启动物源及水源条件对坡面泥石流的成因机制进行了分析。进一步地,有些学者依据实际发生的泥石流案例,从几何相似、模型土体和降水装置等方面建立坡面泥石流的室内试验模型,以定量或半定量方式研究坡面泥石流的形成过程。通过坡面泥石流的室内模型试验,杨为民等[11]研究了降雨诱发坡面泥石流的形成机理;陈洪凯等[12]通过控制降雨时间和强度,将泥石流的形成过程分为五个阶段;王腾飞等[13]基于麻柳沟区域的地形地貌及其气候条件,通过暴雨条件下的坡面泥石流模型试验,将坡面泥石流的形成过程进一步细分为六个阶段;周健等[14]和王子寒等[15]分别研究不同降雨条件下细粒含量对泥石流形态及其启动时间的影响;张登等[16]研究泥石流启动时间与坡度、降雨强度之间的关系;姚志雄[17]和陈中学等[18]分别研究了细砂型泥石流的诱发机制和黏土颗粒含量对泥石流启动的临界降雨阈值影响。

    实际上,坡面泥石流的发生往往是多因素作用下的结果。国内许多学者[1922]的研究表明,地震或人类工程活动同样会诱发坡面泥石流。这类泥石流通常是由于启动物源的滑动、溜塌形成,破坏力较大[20]。综合而言,现有的相关室内模拟试验大多集中于简单启动模式下坡面型泥石流运动特征研究,着眼于启动诱发因素对坡面型泥石流的影响,较少涉及多种启动模式、多个影响因素对坡面型泥石流运动过程的研究。

    有鉴于此,本文以降雨量较大、气候湿润的西南地区为研究背景,依托大理-瑞丽(大瑞)铁路沿线的大理西站工点典型的坡面型泥石流实例,建立概化地质及地形模型,开展相应的室内模拟试验。基于坡面型泥石流的一般启动机制,针对局部溜塌型和滑坡型泥石流启动模式,且考虑其不同物源级配和启动方量,研究坡面型泥石流的运动学和动力学特征,定量分析这些因素的影响。

    大瑞铁路大理西站位于横断山点苍山南麓,西洱河深切峡谷区右岸,地形左低右高,河谷标高1 840 m,山顶标高3 060 m,相对高差约1 200 m。山坡较陡,平均坡度在30~50°,如图1所示;坡面多被第四系松散土层覆盖,基岩零星出露,横向冲沟发育。坡体基本结构组成为堆积体下卧基岩式结构,其岩土体类型主要包括:自坡面下0−6 m深度以人工弃土(碎石土)(Q4q)、碎石土(Q4del)、粗角砾土(Q4al+pl)、粉质黏土(Q4dl+col)为主,在6~15 m深度以卵石土(Q4al+pl)、块石土(Q4al+pl)为主,其下主要为混合岩夹花岗片麻岩(Pt1s2)。

    图  1  原型坡体的典型地形地貌
    Figure  1.  Typical topography of the prototype slope

    根据当地的2005年至2020年气象监测资料,大理西站附近6月~11月降水较多,在8月降雨最为频繁且持续时间较长,年平均降雨量较大,约为1 014 mm,年最大降雨量为2008年1 364.8 mm,2020年为1 279.7 mm,最大月降雨量2020年8月403.8 mm,最大日降雨量为2020年9月18日123.9 mm。2020年进入雨季以来,大理地区阴雨绵绵,7、8月连续41天降雨,坡体表层2 m深度内饱和度达到约85%以上。大理西站右侧坡面陡坡地带发生众多表土溜塌,在线路D1K10+973、D1K11+204、D1K11+533断面处均发生坡面泥石流,最大冲淤距离达数十米,造成G320国道断道。

    现场观察一般降雨与特大暴雨条件下的坡面泥石流物质,分别具有稀性与黏性泥石流的特点,对其取样进行参数试验,得到其主要物理力学参数见表1

    表  1  原型泥石流物质的主要物理力学参数
    Table  1.  Main physical and mechanical parameters of prototype debris flow resources
    物源性质 重度γ/(kN·m−3 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°)
    稀性 14.9 14.1 30.5
    黏性 19.5 46.7 18.4
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    相较于沟谷型泥石流,坡面型泥石流的物源启动主要来自坡体浅表层滑坡、溜塌所形成的土体或土石混合体。实际上,由于物源高低位的差异,表现出的坡面型泥石流启动后运动路径可能有所不同。根据沿运动路径最小抗力原理,当陡坡上的物源处于低位时,在外部因素的诱发下可能直接沿坡面运动并流向坡脚。然而,处于高位坡面上的物源启动后,泥石流沿着坡面附近的最小抗力路径运动,可能表现为物源直接进入附近的沟谷,从而形成沟谷型泥石流。因此,从启动-运动过程机制的角度而言,坡面型泥石流模式呈现2种典型模式(图2):(1)坡面物源启动位置较低,呈现“坡面启动-坡面流动-坡脚堆积”模式(图2(a));(2)坡面物源启动位置较高,呈现“坡面启动-坡面流动-沟谷流动-坡脚堆积”模式(图2(b))。

    图  2  坡面型泥石流的2种运动模式
    Figure  2.  Two movement modes of slope-type debris flow

    本文主要聚焦于沿坡面运动的泥石流研究,因此以“坡面启动-坡面流动-坡脚堆积”模式为典型,进行缩尺模拟试验。为简单实现泥石流物源启动,在坡面上一定高度的位置人工设置闸门且在闸门后堆满物源,通过瞬间拉开闸门的方式模拟泥石流物源启动。进一步地,考虑到实际坡面型泥石流常见的溜塌型与滑坡型启动特征,本试验将物源启动模式模拟为平面式启动和滑坡式启动,前者为物源启动后则直接沿坡面平面滑动,后者为物源启动后先经浅表层圆弧滑动面后再沿坡面平面滑动。这样,就可基于试验观测研究不同启动模式下坡面型泥石流的运动与堆积特征。

    本模拟试验的平面式启动和滑坡式启动模式如图3所示。两类模式以物源粘稠性与颗粒级配(稀性、黏性)、物源方量(大、小)进行变化,共计8组试验,试验方案如表2所示。

    图  3  试验中两类物源启动模式
    Figure  3.  Two types of material initiation modes in the test (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation
    表  2  模拟试验方案
    Table  2.  Simulation plan of the model tests
    试验模式坡角θ/(°)物源级配启动方量组数
    平面式启动40稀性、黏性大、小4
    滑坡式启动40稀性、黏性大、小4
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    本试验依托大理-瑞丽铁路大理西站工点典型的坡面型泥石流,根据《泥石流防治指南》[23]建议,需满足模拟泥石流和原型泥石流的弗劳德数相等,按照此准则,且考虑试验场地条件,模拟泥石流与原型泥石流的相似条件及主要参数相似比见表3

    表  3  模拟试验的相似条件及相似比
    Table  3.  Similarity conditions and ratios in the model test
    相似条件 名称 符号 数值
    几何相似 长度比 λl 10∶1
    重力相似 重度比 λγ 1∶1
    阻力相似 糙率比 λnc 1.47∶1
    时间相似 时间比 λT 3.16∶1
    流量相似 流量比 λQ 316.22∶1
    冲击力相似 流速比 λUc 3.16∶1
    固体物质级配相似 级配比 λpᵢ 1∶1
    坡面土体孔隙率相似 孔隙率比 λn 1∶1
    泥石流粘度相似 粘度比 λn 1∶1
    静剪切强度相似 静剪切强度比 λn 1∶1
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    根据固体物质级配相似比λpi,确保各特征粒径(包括d90d60d50d30d10)的土体颗粒组成相似。此外,需对细颗粒的配比进行处理,模拟泥石流中小于0.075 mm颗粒的重量百分比与原型泥石流相同。原型中大颗粒按比例尺缩小后的粒径模拟,粒径小于0.075 mm的颗粒在模拟中用略大于0.075 mm的颗粒代替,粒径大于0.075 mm的颗粒按照缩小粒径值,不同粒径的颗粒按其重量含量百分比配备。

    对于黏性泥石流,根据宾汉姆流体假设,可按式(1)估算流核深H0

    H0=τ0γcsinθ (1)

    式中:H0——流核深/m

    τ0——流体静剪切强度/kPa

    γc——流体重度/(kN·m−3

    θ——坡角 /(°)

    一般经验而言,泥石流流深Hc不小于2H0,泥石流流宽Bf不小于10H0。根据这个经验条件,可估算泥石流流深。模型泥石流物源的最大颗粒粒径与流深之比应不大于原型的结果。综合考虑试验条件,相似材料主要以黏性土、砂土、水为基本材料,根据前文所述的相似比及相关条件要求进行配制,如图4所示。同时,对配制后的土体进行筛分试验确定级配曲线见图5,且进行直剪试验确定土体黏聚力c和内摩擦角φ(见表4)。

    图  4  物源土体材料配置照片
    Figure  4.  Photos of material configuration for the source soils in the test
    图  5  模型物源土体的颗粒级配曲线
    Figure  5.  Particle size distribution curve of the modelled source soils
    表  4  模型物源土体的主要物理力学参数
    Table  4.  Main physical and mechanical parameters of the modelled source soils
    物源性质 重度γ/(kN·m−3 黏聚力c/(kPa) 内摩擦角φ/(°)
    稀性 14.1 1.22 29.74
    黏性 18.6 5.48 17.08
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    试验模型箱长200 cm、高120 cm、宽80 cm,采用钢结构镶嵌透明钢化玻璃型箱体,箱体底面和两个侧面均采用矩形钢管作为骨架,底面板采用硬质木板密贴连接,试验模型的基本结构如图6所示,模型坡面平均坡度约为40°。

    图  6  坡面型泥石流试验模型示意图
    Figure  6.  Schematic diagram of the physical model of slope-type debris flow

    本试验以人工设置闸门瞬间施加物源的方式,模拟坡面泥石流启动,包括平面式和滑坡式启动模式,即:启动后的物源分别沿平面坡面运动和经圆弧面(于闸门前缘预设一圆弧面凹槽)滑动后再沿坡面运动的两种模式。抽离闸门直接为堆积物源提供势能,该模拟启动方式省略了泥石流启动前的过程,以便于试验操作。

    根据前述模型设计,按如下主要操作流程进行模型试验:

    (1)在模型箱前后侧面的玻璃板内侧铺设两层塑料薄膜,以减小泥石流运动时模型箱边界阻力;

    (2)在模型箱内部底面设置刚性板,其上面浇筑一定厚度的水泥砂浆模拟基岩,对模型“基岩”表面进行刨毛粗糙化处理;

    (3)在模型“基岩”上部,按照试验模型设计位置分层填筑的坡体浅层与表层土体,并进行分层适当压实,使之与相应原型坡体土层的密度相近,其间,布设相关的测试元件;

    (4)在模型坡体后缘设置竖向闸门,其后侧堆填泥石流物源;

    (5)在模型箱正面、侧面放置摄像仪,记录泥石流运动过程,并对各测试元件进行测读与初值调整;

    (6)模型堆填完成后静置1天,抽拔闸门模拟泥石流启动,观测坡面泥石流的运动学特征。

    由此,所建立的两类启动模式的试验模型如图7所示。此外,将不同因素组合所形成的8种试验工况具体列于表5

    图  7  试验中两类物源启动模式
    Figure  7.  Two types of material initiation modes in the test (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation
    表  5  试验工况
    Table  5.  Summary of test conditions
    试验模式试验编号坡角θ/(°)物源级配启动方量
    平面式启动工况140稀性
    工况2稀性
    工况3黏性
    工况4黏性
    滑坡式启动工况540稀性
    工况6稀性
    工况7黏性
    工况8黏性
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    各工况下坡面型泥石流流速变化各不相同,通过影像记录资料得到泥石流运动至坡面固定位置的时刻与分布情况。两类启动模式的泥石流运动过程中的典型状态(不同运动路程s时的状态)如图8所示,图9为所相应测得的泥石流运动速度沿坡面路径的变化曲线。可见,对于平面式启动模式下工况1~4(见图8(a)),泥石流的启动速度依次为1.33 m/s、1.65 m/s、0.90 m/s、0.74 m/s,且呈现稀性物源启动速度大于黏性物源、物源大方量启动速度大于物源小方量的特征;对于滑坡式启动模式下工况5~8(见图8(b)),泥石流从滑面出口流出的启动速度依次为0.95 m/s、1.25 m/s、0.74 m/s、0.74 m/s,且呈现稀性物源启动速度大于黏性物源的特征,而物源方量对速度影响较小。此外,物源启动后的泥石流速度变化受多种因素影响,总体随路程s呈逐渐减小趋势,工况1~4到达坡脚的瞬时速度分别为0.64 m/s、0.48 m/s、0.66 m/s、0.36 m/s,相较于其启动速度依次减小了为52%、71%、27%、52%;工况5~8到达坡脚的瞬时速度分别为0.57 m/s、0.37 m/s、0.66 m/s、0.34 m/s,相较于其启动速度依次减小了为40%、70%、11%、54%。此外,对于此两类模式的泥石流启动,若其物源方量越少,则其速度减小率越大。

    图  8  两种启动模式下泥石流运动过程典型照片
    Figure  8.  Typical photos of slope-type debris flow movement under two initial modes (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation
    图  9  两类启动模式的泥石流流速沿路程变化曲线
    Figure  9.  Velocity variation curves of debris flow along the path under two initiation modes (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    平面式启动和滑坡式启动的坡脚堆积现象如图10所示。由图10(a)可见,对于平面式启动,泥石流运动至坡脚后,因惯性而继续向前运动并逐渐堆积,形成一定的堆积范围和“冲击距离”。试验测得工况1~4的冲击距离分别为超出50 cm、45 cm、31 cm和25 cm,总体呈非线性减小。显然,物源粘稠性质对堆积范围的影响较为显著,而物源方量大小对堆积范围的影响较小。此外,试验中沿泥石流冲击距离进行采样,分别测量颗粒粒径的分布情况。结果表明,各工况堆积物源沿相应的冲出距离呈现一定的分选现象,细颗粒在距离坡脚更远的区域内堆积,粗颗粒就近堆积,大于2 mm的颗粒主要堆积于距坡脚10 cm以内,小于2 mm的颗粒在堆积范围内均有分布,在堆积区的边缘则主要为小于2 mm的砂粒。由图10(b)可见,对于滑坡式启动,由于试验中泥石流启动速度相对较小,在沿坡面向下运动中受到摩擦阻力后,物源沿途大部分堆积于坡面,运动至坡脚的泥石流物源量较少,坡脚处的堆积效应并不明显。

    图  10  坡脚泥石流堆积现象
    Figure  10.  Accumulation phenomenon of slope-type debris flow at the slope toe (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    具有一定启动速度的泥石流,启动后沿坡面向下运动,对坡面表层土体具有裹挟、摩擦、拖曳作用,简称刮铲效应。根据试验前后泥石流体积总量变化可直观表现泥石流运动过程中对坡面的刮铲作用(侵蚀程度)。由图10(b)可见,由于滑坡式启动的泥石流物源大多停留于坡面,故而其坡面刮铲效应并不明显。然而,如图11所示的平面式启动的泥石流停止流动后的坡面,在刮铲效应的作用下,边坡表层土体经坡面型泥石流刮铲后露出下部所夯实填筑的土层。

    图  11  平面式启动泥石流刮铲后的坡面
    Figure  11.  Scraped slope surface after debris flow movement under the planar-type initiation mode

    试验前测量确定启动物源体积(启动量),在泥石流堆积稳定后,铲出坡脚堆积物,以确定相应的物源量(堆积量),从而由启动物源体积减去坡脚堆积物体积,即可作为近似估算的刮铲土体体积(刮铲量),结果如表6所示。可见,相较于稀性物源的工况1和2,黏性物源的工况3和4对坡面的刮铲方量明显减少。对于稀性泥石流,启动方量越大,泥石流刮铲量越大。对于黏性泥石流,启动方量大小与坡面刮铲量无明显关系,且刮铲量明显小于稀性泥石流。这是由于黏性泥石流存在较大的粘滞阻力,导致其流动冲击性常比稀性泥石流较差。

    表  6  刮铲效应下物源体积变化统计表
    Table  6.  Statistics of source material volume variation under the scraping effect (dm3
    试验编号启动量堆积量刮铲量
    工况1405111
    工况220277
    工况340455
    工况420222
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    根据上述试验数据,进一步绘制平面式启动的坡面型泥石流刮铲作用结果如图12所示。由图12(a)可见,刮铲效应在坡面的中上部较为强烈,在坡脚附近则显著减弱。由图12(b)可见,在坡面后缘处(在启动点前侧)刮铲区范围较大且刮铲深度较大,最大刮铲深度达到6 cm,占模型坡体表层厚度的60%;刮铲深度在2 cm以上的区域长度约占坡面长度的1/3;而在坡脚附近刮铲范围与深度均明显减小。这是因为在坡面后缘泥石流运动速度较大,裹挟作用力较强,刮铲效应也就显著,而到坡脚附近运动速度逐渐减小,裹挟作用力也明显降低,刮铲效应也就随之减弱。

    图  12  坡面刮铲作用结果
    Figure  12.  Effects of the scraping action on the slope (a) Cross-Section of the Slope (b) Top View of the Slope Surface

    根据试验结果可将两种物源启动模式的坡面型泥石流形成过程分为三个阶段:启动阶段、运动阶段、堆积阶段,如图13所示。

    图  13  坡面型泥石流形成过程三阶段
    Figure  13.  Three stages in the formation progress of slope-type debris flow (a) Initiation Stage (b) Movement Stage (c) Deposition Stage

    (1)启动阶段:打开闸门到物源完全通过闸门为启动阶段,开始形成坡面型泥石流,见图13(a)。在此阶段,打开闸门瞬间堆积物源在自身重力作用下向坡脚运动,由图9可知这一阶段泥石流流速急剧增加并迅速达到峰值,其中针对物源土性不同,方量大小不同,所产生的泥石流速度峰值也不相同。

    (2)运动阶段:如图13(b)所示,平面式启动的泥石流在自重作用下向坡脚运动,并产生明显的刮铲效应,运动速度较启动速度略有降低,坡体表面的土体被泥石流运动侵蚀并裹挟一并向坡脚运动,而滑面式启动的泥石流则无明显刮铲效应。在此阶段,两类泥石流的坡体表面阻力作用大于泥石流自身重力,导致泥石流流速逐渐减小。

    (3)堆积阶段:如图13(c)所示,平面式启动的泥石流裹挟着坡体表面的土体在惯性作用下继续向前冲出一段距离,运动速度快速衰减,直至动能耗尽堆积于坡脚,且存在一定的分选现象;滑面式启动的泥石流大部分堆积于坡面,到达坡脚的泥石流质量较小,其动能很快耗尽,因而未有明显的堆积现象。

    如前所述,由于启动物源高低位的不同,导致泥石流运动特征并不一致。然而,因室内模拟试验的条件限制,未能充分展现高低位的差异。实际上,位于陡坡高处的物源启动后,先是沿着坡面平面运动,并很快产生明显的刮铲现象,从而产生负地形区域。因此,高位物源启动后,其前部沿坡面平面运动,而其后部沿负地形曲面运动。同时,由于高位物源拥有较大的势能储量,故其沿坡面向下运动至一定距离后,处于负地形区域的后部物源可能会冲出所处区域,进入附近对其运动阻力相对更小的沟谷区域,进而可能形成沟谷型泥石流。可见,高位物源的泥石流运动过程较为复杂,存在全程坡面型泥石流或先坡面型后沟谷型泥石流的两种可能的运动模式。

    根据前述试验得到的坡面型泥石流两种启动模式的三个阶段,对高、低位物源的坡面型泥石流的工程防治,均应沿坡高划分区域分而治之,提出下列建议:

    (1)对于坡顶存在大量松散固体物质的易发生坡面型泥石流的坡体,可分为坡顶区、坡体中上部、坡脚区等3个基本区域进行多级分区立体协同防治:在坡顶区域,应加强其土体的保水固土能力(可根据物源黏稠性和方量大小采取相应的工程加固措施),以限制物源启动的速度(见图9);在坡体中上部,因该区域的刮铲效应最为明显(见图12),故可采用适当长度的锚固结构进行浅表层加固,在防止坡体表面土体被泥石流前部裹挟向下运动的同时,还可限制其后部曲面式运动的流速,使其部分堆积于坡面;在坡脚区域,应设置适当高度与宽度的拦挡墙,以防止泥石流冲出危害道路、房屋等。

    (2)对于坡体中下部存在大量松散固体物质的易发生坡面型泥石流的坡体,可分2个主要区域进行防治:在物源区域附近,应采取植被绿化、工程加固等措施加强其水土保持能力,以抑制物源启动;在坡脚区域,由于泥石流动力冲击性可能较大,需设置具有一定高度与强度的拦挡墙,墙身可采用混凝土结构,基础可采用桩基础或锚拉基础。

    针对平面式和滑坡式启动两种典型的西南地区坡面泥石流启动模式,通过泥石流启动-运动全过程的室内物理模拟试验,确定出坡面泥石流的基本运动特征,及其受物源的粘稠性、颗粒级配、方量等因素的影响特点,进而提出坡面泥石流防治原则的建议,主要得到如下结论:

    (1)在平面式启动、滑坡式启动模式下,坡面型泥石流的形成全过程均呈现3个典型阶段:速度逐渐增大的启动阶段、速度略有下降的运动阶段、速度快速衰减的堆积阶段。

    (2)对于平面式启动模式,稀性物源的启动速度大于黏性物源、大方量物源的启动速度大于小方量物源;泥石流对坡面的刮铲效应在坡面中上部较为强烈,在坡脚附近则显著减弱,在坡面后缘处刮铲区范围较大,最大刮铲深度占模型坡体表层厚度的60%,黏性泥石流的刮铲量明显小于稀性泥石流;在坡脚处堆积物呈现一定的分选现象,细颗粒在距离坡脚更远的区域内堆积,粗颗粒相对靠近坡脚堆积。

    (3)对于滑坡式启动模式,由于试验中泥石流启动速度相对较小,对坡面刮铲效应较弱,在沿坡面向下运动中受到摩擦阻力后,物源沿途大部分堆积于坡面,运动至坡脚的泥石流物源量较少,坡脚处的堆积效应不明显。

    (4)对坡面型泥石流的工程防治,宜沿坡高分区进行多级立体协同防治:对于高位物源,可分坡顶区、坡体中上部、坡脚区等3个基本区域;对于中低位物源,可分物源区、坡脚区等2个主要区域。前者防治以限制顶部启动速度、减小坡面中上部刮铲效应为主;后者防治以限制物源启动速度、坡脚设置强拦挡墙为主。

  • 图  1   原型坡体的典型地形地貌

    Figure  1.   Typical topography of the prototype slope

    图  2   坡面型泥石流的2种运动模式

    Figure  2.   Two movement modes of slope-type debris flow

    图  3   试验中两类物源启动模式

    Figure  3.   Two types of material initiation modes in the test (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    图  4   物源土体材料配置照片

    Figure  4.   Photos of material configuration for the source soils in the test

    图  5   模型物源土体的颗粒级配曲线

    Figure  5.   Particle size distribution curve of the modelled source soils

    图  6   坡面型泥石流试验模型示意图

    Figure  6.   Schematic diagram of the physical model of slope-type debris flow

    图  7   试验中两类物源启动模式

    Figure  7.   Two types of material initiation modes in the test (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    图  8   两种启动模式下泥石流运动过程典型照片

    Figure  8.   Typical photos of slope-type debris flow movement under two initial modes (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    图  9   两类启动模式的泥石流流速沿路程变化曲线

    Figure  9.   Velocity variation curves of debris flow along the path under two initiation modes (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    图  10   坡脚泥石流堆积现象

    Figure  10.   Accumulation phenomenon of slope-type debris flow at the slope toe (a) Planar-Type Initiation (b) Landslide-Type Initiation

    图  11   平面式启动泥石流刮铲后的坡面

    Figure  11.   Scraped slope surface after debris flow movement under the planar-type initiation mode

    图  12   坡面刮铲作用结果

    Figure  12.   Effects of the scraping action on the slope (a) Cross-Section of the Slope (b) Top View of the Slope Surface

    图  13   坡面型泥石流形成过程三阶段

    Figure  13.   Three stages in the formation progress of slope-type debris flow (a) Initiation Stage (b) Movement Stage (c) Deposition Stage

    表  1   原型泥石流物质的主要物理力学参数

    Table  1   Main physical and mechanical parameters of prototype debris flow resources

    物源性质 重度γ/(kN·m−3 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/(°)
    稀性 14.9 14.1 30.5
    黏性 19.5 46.7 18.4
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    表  2   模拟试验方案

    Table  2   Simulation plan of the model tests

    试验模式坡角θ/(°)物源级配启动方量组数
    平面式启动40稀性、黏性大、小4
    滑坡式启动40稀性、黏性大、小4
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    表  3   模拟试验的相似条件及相似比

    Table  3   Similarity conditions and ratios in the model test

    相似条件 名称 符号 数值
    几何相似 长度比 λl 10∶1
    重力相似 重度比 λγ 1∶1
    阻力相似 糙率比 λnc 1.47∶1
    时间相似 时间比 λT 3.16∶1
    流量相似 流量比 λQ 316.22∶1
    冲击力相似 流速比 λUc 3.16∶1
    固体物质级配相似 级配比 λpᵢ 1∶1
    坡面土体孔隙率相似 孔隙率比 λn 1∶1
    泥石流粘度相似 粘度比 λn 1∶1
    静剪切强度相似 静剪切强度比 λn 1∶1
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    表  4   模型物源土体的主要物理力学参数

    Table  4   Main physical and mechanical parameters of the modelled source soils

    物源性质 重度γ/(kN·m−3 黏聚力c/(kPa) 内摩擦角φ/(°)
    稀性 14.1 1.22 29.74
    黏性 18.6 5.48 17.08
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    表  5   试验工况

    Table  5   Summary of test conditions

    试验模式试验编号坡角θ/(°)物源级配启动方量
    平面式启动工况140稀性
    工况2稀性
    工况3黏性
    工况4黏性
    滑坡式启动工况540稀性
    工况6稀性
    工况7黏性
    工况8黏性
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    表  6   刮铲效应下物源体积变化统计表

    Table  6   Statistics of source material volume variation under the scraping effect (dm3

    试验编号启动量堆积量刮铲量
    工况1405111
    工况220277
    工况340455
    工况420222
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图(13)  /  表(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-09
  • 修回日期:  2024-10-28
  • 录用日期:  2025-05-13
  • 网络出版日期:  2025-05-19

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