坡面型泥石流治理過程中土體變形機制探討

(四川省冶金地質勘查局成都地質調查所, 四川 成都 610203)

在強降雨地區，基巖埋藏較淺、坡度較大（30-50°）、上方覆蓋物較薄（5m以內）的坡體，容易發生坡面型泥石流，具有突發性、歷時短、破壞重的特點，對自然環境和人類生活造成嚴重損害。因此，如何防治泥石流、降低災害影響，成為人們關注的重點。本文針對泥石流治理過程中的土體變形機制進行探討。

1 坡面型泥石流的防治研究現狀

1.1 特征

坡面型泥石流的特征主要概括如下：①前期降雨充足，山體土層內部飽水，地下水變成壓力水流，繼而破壞表層土體結構；②松散土體飽水后，土體的骨架就會變形，發生塑化、液化等破壞；③常發生在沙巖、灰巖、變質巖、花崗巖、半成巖、黃土、紅壤土等巖土層中；④泥石流發生時，因土體突然變動會伴有沉悶聲響，且土體順坡下滑，對坡面產生沖刷作用，原來平整的坡面上形成溝槽；⑤泥石流的發生具有隨機性，且不會在同一部位重復發生。在發育特征上，坡面較長且平整，坡度較大、坡積層較薄，下部基巖的透水性差；在斜坡的中上部，有匯水性的凹形坡面，沒有明顯的流通區；泥石流的規模較小，流域面積在0.4km2以內，堆積物是一次性搬運形成的，泥砂搬移量在10-1000m3之間。

1.2 防治現狀

目前在泥石流防治上的研究較多，且取得了一定成果。國外研究中，分析了不同類型的工程治理措施的特點，總結了防治經驗；對比了工程防治措施、非工程防治措施之間的差異；提出了減緩泥石流流動速度的技術方案。國內研究中，結合格柵壩理論，明確了支墩間距的計算方法，提出計算公式；按照流量、流速參數，計算了重力式擋墻的高度，按照沖刷深度計算基礎埋深等[1]。分析這些研究的共性，都是在宏觀層面上開展的研究，在微觀方面的研究較少。

2 室內模擬實驗

在泥石流的治理中，大面積護坡工程是一種常見方案，以下利用錨桿-護坡對此進行模擬（即在坡面土體上打入錨桿，并在坡腳設置支擋措施），并分析治理過程中土體的變形機制和特征。具體如下：

2.1 試驗裝置

第一，泥石流發生槽。試驗坡體的參數設置如下：一級、二級坡底的長度均為75cm，與水平面的夾角分別為35°、15°，寬度為25cm，深度為40cm。泥石流發生在一級坡體上，流通在二級坡體上，如下圖 1所示。第二，降雨設備。在模型上方設置 5個低壓霧化噴頭，呈現單排排列，噴口直徑為 1mm、壓力為0.07MPa。試驗期間，人工控制降雨量，保證降雨均勻穩定，強度控制在600ml/min。第三，數據量測。數據的采集由數字圖像設備、細觀圖像設備組成，前者利用佳能數碼相機，每間隔5秒拍攝一張照片；后者能對細節放大200倍并形成圖像。

圖1 坡面型泥石流治理模型

2.2 試驗材料

第一，土樣。依據以往的研究結果，采用粒徑2mm以上的土樣顆粒，含水量為 1%，滲透系數 k為 0.005cm/s，顆粒級配如下[2]：0.075-0.5mm占比 33.4%，0.5-1.0mm占比33.3%，1.0-2.0mm占比33.3%。坡體采用自然落砂法制備，表面施加壓力0.67×10-3N/cm2，靜止18小時后固結，成型坡體的相對密度為0.43。第二，錨桿護坡。護坡模型的材質是有機玻璃，長寬厚分別為22cm、25cm、1cm，網孔尺寸2×2cm，格柵寬度為0.5cm，坡體長度為60cm。護坡加固位于坡體下部，入土深度1cm，厚度是坡體自身厚度的10%，并利用拉繩對錨桿進行加固。

2.3 試驗結果

以往研究證實，坡面型泥石流的破壞是從坡腳開始的，采用錨桿-護坡治理方案后，分為以下四個階段[3]：一是雨水入滲階段，此時泥石流發生，坡體表面沉降，坡腳處會有少量清水流出；二是孔隙水積蓄階段，坡體發生張拉裂縫，形成潛在的滑動面；三是滑動密實階段，坡體出現小規模的滑移，巖土顆粒從坡孔中溢出；四是相對穩定階段，坡體滑動后轉為穩定狀態，雨水能及時排出。

如下表1，對比了坡面治理和未治理的泥石流參數，可見治理后的坡體初始滑動時間延遲、最終流動量減小，能有效控制泥石流的爆發情況。在坡體的變形機制上，坡體沒有出現分層滑動現象，松散土體形成量較少；錨桿-護坡方案類似于一個拉索網，起到濾水固土的作用，限制了土體滑動。

表1 坡面型泥石流治理和未治理的滑坡參數對比

3 坡面型泥石流治理過程中土體變形特征

3.1 不同階段的土體變形特征

錨桿-護坡方案的應用，能減緩泥石流的爆發，從治理現象、位移場、細觀顆粒運動等要素入手，總結特征如下[4]：

第一，在雨水入滲階段，顆粒骨架變形，坡體表面沉降，細觀上顆粒位移的變化小，以點狀位移為主，此時面積空隙率變化不明顯。第二，在孔隙水積蓄階段，雨水在坡體內積聚、在坡腳處滲出，坡體重度增加、抗剪強度減小，繼而出現沉降。細觀上顆粒出現豎向運動，位移量是水平位移量的2倍。此時坡體位移、顆粒移動變化小，底面孔隙率減小，上部土體的孔隙率增大。第三，在滑動密實階段，坡體出現小位移滑動，位移場呈現圓弧滑動，細觀上顆粒發生平移、轉動，多在坡底積聚，下沉后充填了粗顆粒骨架的間隙，因此坡體在滑動同時變得密實。第四，在相對穩定階段，細觀上坡底顆粒的位移變化較小，在流動雨水的作用下，只有部分顆粒會出現微小的水平位移，坡體中層面積孔隙率明顯增大。

3.2 治理期間的土體變形特征

實施錨桿-護坡方案，坡體結構相應發生改變，在降雨的作用下，上層顆粒下沉，粗顆粒構成了坡體骨架；細顆粒滲透下沉，積聚在坡底并充填粗顆粒之間的空隙，土體的密實度提高。但是，與此同時坡體下部的滲透性減弱，會造成孔隙水積聚，坡體的抗滑強度降低，繼而發生滑移。錨桿-護坡的作用，是在坡體表面形成拉索網，一方面加快雨水排出，另一方面阻止坡腳土體滑動[5]。在濾水固土作用下，土體逐漸密實，最終底部顆粒積聚密實、上部顆粒骨架穩定，形成穩定結構。

4 結語

綜上所述，坡面型泥石流屬于一種常見的泥石流類型，目前在防治研究上取得了一定成果。本文采用錨桿-護坡方案，在室內開展模擬實驗，結果顯示泥石流破壞是從坡腳開始的，分為雨水入滲、孔隙水積蓄、滑動密實、相對穩定四個階段。錨桿-護坡治理方案的應用，能加快雨水排出、阻止坡腳土體滑動，起到濾水固土的作用。

[1]周健,李業勛,張姣等.坡面型泥石流治理過程中土體變形機制宏細觀研究[J].巖石力學與工程學報,2013,(5):1001-1008.

[2]倪化勇.基于地貌特征的泥石流類型劃分[J].南水北調與水利科技,2015,13(1):78-82.

[3]胡卸文,韓玫,梁敬軒等.汶川地震災區泥石流若干關鍵問題[J].西南交通大學學報,2016,51(2):331-340.

[4]楊建元,金忠良,何桂鳳等.高坡降小流域泥石流特性與治理設計研究[J].科技通報,2017,33(2):30-33,38.

[5]白剛剛,趙瑛,陳菊林等.柴達木盆地泥石流災害特征與治理[J].青海大學學報（自然科學版）,2016,34(5):58-62,74.