山區(qū)河流兩岸泥石流形成的機理和力學條件

陳野鷹，王俊杰

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074; 2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

山區(qū)河流兩岸泥石流形成的機理和力學條件

陳野鷹1，2，王俊杰1，2

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074; 2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

泥石流是山區(qū)溝谷的主要地質(zhì)災(zāi)害類型之一，對其開展研究是很有價值的，但目前對其進行的針對性研究很少。本文重點研究山區(qū)溝谷泥石流形成的機理和力學條件。根據(jù)地形地貌、氣候環(huán)境條件與土質(zhì)學原理，研究了山區(qū)河流泥石流的形成機理及影響因素。河流兩岸山坡巖土結(jié)構(gòu)、人為活動與持續(xù)降雨或暴雨是山區(qū)河流泥石流形成的主要影響因素，不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成的土層的滑移破壞機理也不相同。山區(qū)河流泥石流的物源可概化為粘性土塊體與松散砂礫兩種典型固相物質(zhì)?；诩羟衅茐睦碚摚⒘苏承酝翂K的失穩(wěn)滑動平衡條件;基于動量理論與重力分解原理，提出了松散砂礫啟動的力學計算公式和失穩(wěn)條件。

山區(qū)河流;泥石流;機理;力學條件

0 引言

泥石流是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑，地形險峻的地區(qū)，因為暴雨暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物質(zhì)容量大和破壞力強等特點。發(fā)生泥石流常常會沖毀公路鐵路等交通設(shè)施甚至村鎮(zhèn)等，造成巨大損失，因此，泥石流成為當前研究的熱點和難點課題［1－5］。對山區(qū)河流而言，泥石流是主要的次生災(zāi)害類型之一。當山區(qū)河流為通航河流時，泥石流是影響船舶安全航行、制造險灘急流航段的主要形成物質(zhì)之一，對其開展研究是很有價值的。盡管前人已對泥石流的形成、運動、堆積、防治等方面進行了不少有益的研究工作［6－7］，但是針對山區(qū)河流泥石流的研究還很少。

本文重點研究山區(qū)河流泥石流形成的機理及動力學條件，以期有益于泥石流這一世界難題的研究解決。

1 山區(qū)溝谷泥石流形成的機理及其影響因素

1.1 山區(qū)河流兩岸溝谷泥石流的形成機理

山區(qū)河流與平原河流相比，除河床斷面呈“V”形外，河道兩岸的地形地貌也差異甚遠。在平原地區(qū)，河流兩岸地勢平緩，地面泥沙或土體的穩(wěn)定能力強。降雨后地面徑流緩慢，且大量的雨水滲入地下，降雨很難啟動泥沙或土體形成泥石流。然而在山區(qū)，河流通常是從山間或峽谷中穿過，河道兩岸地形陡峻溝谷密布。降雨到達地面后，除少部分滲入地下外，大部分則沿地表快速漫流。地表漫流受到微地形地貌影響或歷史雨水流路的制約，漫流雨水會選擇勢能梯度變化方向匯入坡面網(wǎng)狀、彎曲向下延伸的細小沖溝。受雨水長期反復沖刷，細小沖溝能根據(jù)土層結(jié)構(gòu)與土質(zhì)松散狀況，在坡面的某個位置猶如樹枝一般交匯成規(guī)模較大的次沖溝。次沖溝的水流均遵循阻力最小、能量損耗最少的原則選擇運動路徑，在坡面凹陷處即沿坡面等高線凹彎頂點的連線上匯入主沖溝流進河中(圖1)。

由于坡面雨水流速快、動能高，沖刷、切割地表土層能力強，容易深切地表溝槽、淘蝕岸腳邊坡、破壞土層的整體性。被雨水沖刷失去整體性的土塊在流水動量作用下喪失穩(wěn)定，在水流沖擊力與自身重力的聯(lián)合作用下啟動隨水流滑移，土塊在溝槽內(nèi)滑動過程中解體造漿形成泥石流。由于受河床灘地制約，大量泥石流快速運動至坡腳后被堆積在河岸形成泥石流堆積扇，阻礙水流，在航道上形成淺灘急流河段，影響船舶的安全航行。

圖1 坡面雨水沖溝示意圖Fig.1 Schematic plan of gulley induced by rainfall on slope surface

1.2 山區(qū)河流兩岸泥石流形成的影響因素

泥石流的形成是多因素相互耦合、交織、共同作用的結(jié)果。山區(qū)河流泥石流形成的主要影響因素可歸納為地質(zhì)條件、人為活動與降雨三個方面。其中降雨尤其是暴雨，是山區(qū)河流沖溝泥石流最主要的誘發(fā)因素，是土體失穩(wěn)滑移的動力，在泥石流形成過程中起決定作用［1，2］。

1.2.1 地質(zhì)條件

一般而言，泥石流發(fā)生處的地形坡度較大，山體表層或淺層巖土體松軟。由于長期的外動力地質(zhì)作用，山體表層或淺層堆積有大量松散的坡積層。坡面或溝槽內(nèi)覆蓋的各類堆積物的結(jié)構(gòu)松散，吸水性強、滲透系數(shù)高，雨水降落后通過表層土體能快速向下滲透;當下覆是完整性好、裂隙節(jié)理不發(fā)育、結(jié)構(gòu)密實、透水性較差的基巖時，坡積層與下伏基巖的物理力學性質(zhì)差異大，雨水滲透至該交界面上形成滯水帶，構(gòu)成軟弱帶，坡面與溝槽內(nèi)的堆積土體極易崩塌，沿軟弱帶的梯度方向滑動。在重力和雨水的共同作用下，土體在滑動過程中解體造漿形成泥石流［2］。

1.2.2 人為活動

人為活動誘發(fā)泥石流主要反映在無序砍伐樹木、破壞植被與開山修路、沿山坡棄倒松散土石兩方面(圖2)。

圖2 山區(qū)河流典型岸坡Fig.2 Typical bank of a mountain channel

植被能削減形成泥石流的土體補給量和減少參與泥石流活動的水量，進而抑制泥石流的形成［3］。植被覆蓋良好的山區(qū)，喬木、灌木與草本錯落分布，形成立體地面保護網(wǎng)。該地面保護網(wǎng)能減少下滲雨水量、吸收其降落過程中的動能、減緩降落速度、防止雨水直接沖擊地表巖層。另外，分布于土層不同位置與深度的樹木、草本根系，猶如加筋土體的筋帶，將松散巖土層牢固地連為整體，增強土體的吸水能力和抗滑穩(wěn)定強度。樹木被砍伐后，土體將失去植被的庇護，雨水能直接沖擊巖層土體，在表面形成縱橫交錯的沖溝與裂痕，再在日曬、風吹、雨淋等自然力的長時間交替作用下，巖土解體形成松散的堆積物或失穩(wěn)隨雨水流動匯入溝槽，沖入山下河道內(nèi)(圖2)。

沿山坡棄倒的松散土石，由于其空隙多，雨水容易下滲使其飽和。在松散土體與透水性差的密實天然沉積土層間形成軟弱夾層，易使已飽和的松散土體失穩(wěn)、沿軟弱面滑移。

由此可見，不當?shù)娜藶榛顒釉炀土舜罅康乃缮⑼翆樱瑸樯絽^(qū)河流泥石流的形成提供了豐富的物源。

1.2.3 降雨

在我國，暴雨引發(fā)的泥石流占絕大多數(shù)，有統(tǒng)計表明暴雨泥石流占總數(shù)的95%左右［4］。雨水滲入地層后能軟化土質(zhì)，破壞土體結(jié)構(gòu)，松散土塊。隨著雨水的下滲，土質(zhì)含水量增加直至飽和膨脹。在此過程中，土體物理力學性質(zhì)不斷惡化。力學指標遭到弱化，穩(wěn)定性能降低，加速巖層土體的分裂、滑移、解體造漿后，隨雨水流動形成泥石流。另一方面，滲入松散土體中的雨水，在重力和慣性力的共同作用下，沿土體裂縫和孔隙流動，滲透力能加速土塊沿軟弱夾層蠕動、滑移，脫離原有巖土體，匯入到泥石流的運動行列，增加泥石流的洪量與破壞規(guī)模。

2 山區(qū)河流兩岸泥石流形成的力學條件

泥石流是高濃度水、泥土、砂礫復合異相流［5，6］，屬于典型的災(zāi)害地貌現(xiàn)象和地表過程。組成泥石流物源體的巖土性質(zhì)不同，泥石流的啟動力學條件也各異。根據(jù)山區(qū)河流岸坡土質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點，可將其概化為粘性巖土塊體和松散分離的沙土顆粒。本節(jié)利用材料剪切破壞理論與結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定理論分析泥石流啟動的動力學條件。

2.1 巖土塊體剪切破壞

處于山區(qū)河流岸坡上的松散巖土塊，受雨水與重力的聯(lián)合作用在傾角為α的近似平面的穩(wěn)定基巖表面產(chǎn)生下滑力(潛在滑移土塊的剪切力，以下簡稱剪力，用“T”表示)，其值等于巖土塊受到的水壓差ΔP與自重下滑力Fx之和，可由下式計算得到:

式中:T——潛在滑移土塊的剪切力;

ΔP——巖土塊受到的水壓差;

Fx——巖土塊的自重下滑力;

Pu、PL——分別為作用于土塊上、下游裂縫斷

面上的水壓力。

根據(jù)流體力學理論與靜力合成原理可分別求解土塊上下游裂縫斷面上的水壓力Pu、PL和下滑力Fx，即

式中:hu、hL——分別表示土塊上下游裂縫斷面處的水深;

α——滑移面坡角;

Bu、BL——分別表示上下側(cè)裂縫處的土塊寬度;

γω——水的重度;

γs——土體飽和容重;

ds——沿裂縫的曲線積分微元;

A——潛在滑移土塊在基巖上的面積;

h——土塊厚度;

dΩ——土塊面積積分微元。

降雨特別是暴雨時，土體快速飽水，需考慮基質(zhì)吸力的影響［2］?；|(zhì)吸力影響下土體抗剪強度τf和抗剪力Tf，可分別表示為:

式中:τf——基質(zhì)吸力影響下土體抗剪強度;

σ、ua、uω——分別為壓應(yīng)力、孔隙氣壓力、孔隙水壓力;

c′、φ′——飽和土的有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角;

φb——隨基質(zhì)吸力變化的摩擦角;

Tf——抗剪力。

上述公式中的單位分別用長度m、面積m2、力kn、應(yīng)力kn/m2、重度kn/m3、角度“°”表示。

當條件T＞Tf成立時，土塊產(chǎn)生剪切破壞，失穩(wěn)離開原有位置開始隨水流運動。

2.2 沙礫抗滑失穩(wěn)破壞

山區(qū)河流溝槽泥石流中的離散沙礫，自重下滑力與雨水沖擊力是產(chǎn)生滑移的主要動力。分析計算離散沙礫的失穩(wěn)破壞時，可將其概化為球體，且不計粘結(jié)力。沙礫按照滑移方式啟動，沖擊沙礫的雨水運動軌跡如圖3所示。

圖3 沙礫受沖概化圖Fig.3 Generalized scheme of scouring sand

由圖3可計算沙礫的失穩(wěn)啟動力，其中雨水對砂礫的沖擊力Fω、自重下滑力Fx以及摩阻力Pf分別由式(8)～(10)給出:

式中:Fω——雨水對砂礫的沖擊力;

Pf——摩阻力;

υ——水流速度;

φ——有效內(nèi)摩擦角;

R——砂礫半徑。

其余符號參見圖3。

當雨水的沖擊力與沙礫自重下滑力之和大于自身穩(wěn)定摩阻力，即Fω+Fx＞Pf時，則沙礫發(fā)生失穩(wěn)滑移破壞。

3 山區(qū)河流兩岸泥石流的成災(zāi)特點

山區(qū)河流泥石流的成災(zāi)特點與成災(zāi)方式不同于坡面型或溝谷型公路泥石流。無論坡面或溝谷型公路泥石流，其匯流面積寬廣、物源豐富、洪流量大，泥石流通過堵塞與掩埋道路、毀損橋涵、沖毀路基等方式造成災(zāi)害，成災(zāi)后規(guī)模大、后果嚴重，但泥石流爆發(fā)頻率低，災(zāi)害位置較為集中。相對于公路泥石流，山區(qū)河流泥石流的匯流面積、洪流量、成災(zāi)規(guī)模均較小，單次泥石流通常不會對河流造成實質(zhì)性的災(zāi)害。但是，山區(qū)河流泥石流易發(fā)生、頻繁時幾乎逢雨(或暴雨)必發(fā)。泥石流中的巖土與沙礫，隨雨水沿山坡溝槽流下，沖入河道、制造淺灘或堆積在平緩的岸灘上。待下次暴雨時河灘上的堆積物吸水軟化，再受后發(fā)泥石流運動物質(zhì)的推撞，將失穩(wěn)蠕動、滑入河道、逐漸向河心延伸、形成礙航險灘，影響船舶航行。不僅如此，泥石流爆發(fā)位置分散，不易防治，通常需采取生態(tài)、工程等綜合防治措施，且治理工程難度大、技術(shù)復雜、多為水下工程。

4 結(jié)束語

通過對山區(qū)河流兩岸泥石流發(fā)生機理，運動規(guī)律，成災(zāi)特點的研究分析，為山區(qū)河流兩岸泥石流的防治提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。主要結(jié)論認識如下:

(1)通過山區(qū)河流兩岸泥石流形成機理及影響因素研究，得知河流兩岸山坡巖土結(jié)構(gòu)、人為活動與持續(xù)降雨或暴雨是山區(qū)河流兩岸泥石流形成的主要影響因素，巖層土質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成不同，土層滑移破壞的機理也不相同。

(2)岸坡巖土層可分為粘性土塊與離散沙礫兩種典型結(jié)構(gòu)，利用流體力學與力的合成原理，提出了巖土塊和離散沙礫啟動動力計算公式;根據(jù)剪切破壞和抗滑失穩(wěn)破壞理論，提出了形成泥石流的滑移破壞條件。

(3)通過對山區(qū)泥石流爆發(fā)特點與洪量規(guī)模的研究分析，得知雖然單次泥石流洪量不大、危害程度低不會對河流造成實質(zhì)性的災(zāi)害，但是，爆發(fā)頻率高，受到雨水浸泡與后發(fā)泥石流的沖撞，岸邊沖積扇上的泥石流堆積物極易吸水軟化、失穩(wěn)蠕動，滑向河心形成礙航淺灘，影響船舶的安全航行。

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Abstract:Investigation on debris flow is very worthy，as the debris flow is a main secondary disaster in a mountain channel，but the published works are still scarce.This study focused on the mechanism and mechanic conditions on debris flow formation in a mountain channel.Based on the conditions of land forms，climatic environment，and soil science principle，the mechanism and influencing factors on forming a debris flow in a mountain channel were investigation.The main influencing factors included the structure of rock and soil in bank slopes，human activities and sustained rainfall or storm rainfall.The mechanisms of sliding destroy of different soils with different structures and matters were also different.The mass forming debris flow was divided into two types，i.e.，clay soil block and loose sand.According to the theory of shear failure，an equilibrium condition on slip of the clay soil block was suggested. According to the momentum theory and gravity analyzing method，a calculate formula to evaluate the enable and failure of the loose sand was presented.

Key words:mountain channel;debris flow;mechanism;mechanic condition

Mechanism and mechanic conditions of debris flow formation in a mountain channel

CHEN Ye-ying1，2，WANG Jun-jie1，2
(1.School of River＆Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China; 2.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China)

1003-8035(2010)03-0057-04

TV462

A

2010-05-11;

2010-06-07

重慶市自然科學基金重點項目(CSTC，2009BA6001);中國博士后科學基金特別資助項目(200902284)

陳野鷹(1957—)，男，重慶人，碩士，土木計劃專業(yè)，教授，現(xiàn)從事水利水電工程試驗、施工技術(shù)等方面的研究工作。

E－mail:cyy2227@163.com