棄渣型泥石流起動(dòng)機(jī)理水槽試驗(yàn)研究

劉 鵬

（西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710000）

近年來(lái)，隨著人類工程活動(dòng)加劇，大量的房建、道路橋梁、軌道交通等市政工程所產(chǎn)生的建筑垃圾肆意堆放，以這些棄渣為物源的泥石流正在逐漸走進(jìn)人們視野，由于此類棄渣的不合理堆放而導(dǎo)致的泥石流稱為棄渣型泥石流。由于這些工程活動(dòng)多位于城鎮(zhèn)或郊區(qū)等人口密集區(qū)，因此，一旦發(fā)生棄渣型泥石流，其造成的損失往往不可估量。

由于棄渣型泥石流其物源組成的特殊性、與人為活動(dòng)的密切性、高危害性，已經(jīng)有越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了針對(duì)性研究。謝湘平等[1]針對(duì)工程棄渣的特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析法和黃金分割法對(duì)工程棄渣泥石流進(jìn)行了易發(fā)性評(píng)估；趙光旭[2]對(duì)皖江地區(qū)某棄渣泥石流的危險(xiǎn)源進(jìn)行了辨識(shí)；趙洪[3]針對(duì)某礦山排土場(chǎng)，對(duì)棄渣型泥石流基于力學(xué)和數(shù)值模擬的角度進(jìn)行了形成機(jī)理及防治對(duì)策的研究，劉菲等[4]基于理論力學(xué)分析了重慶某庫(kù)區(qū)棄渣泥石流的形成機(jī)理，陳寧生等[5]探究了工況棄渣泥石流災(zāi)害工程的治理模式。盡管前人對(duì)棄渣型泥石流已經(jīng)做了大量工作，但大都集中在對(duì)泥石流的易發(fā)性、工程防治、數(shù)值模擬等方面，泥石流的形成機(jī)理一直都是泥石流領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，到目前為止仍未形成一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

本文通過(guò)對(duì)西安市長(zhǎng)安區(qū)航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地的泥石流隱患進(jìn)行勘察取樣，在大型地質(zhì)災(zāi)害物理模擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)棄渣型泥石流松散物源的起動(dòng)機(jī)理進(jìn)行探索。

1 工程概況

西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地，位于西安市長(zhǎng)安區(qū)杜曲鎮(zhèn)境內(nèi)，研究區(qū)為一條黃土溝谷，常年流水，溝谷中系西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地，溝岸總體穩(wěn)定。研究區(qū)縱坡降較大，溝岸局部存在崩塌隱患，溝谷中堆填有大量建筑垃圾，因此在強(qiáng)降水的情況下，可能發(fā)生崩塌和滑坡災(zāi)害，若強(qiáng)降水長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，滑坡體和崩塌體可能會(huì)沿著溝谷向下游運(yùn)動(dòng)，繼而形成泥石流災(zāi)害。區(qū)內(nèi)流域面積約0.075 km2，溝道平面形態(tài)呈折線狀，溝道縱向長(zhǎng)度約0.73 km，溝道平均寬度約8 m，溝道內(nèi)肆意堆填的建筑垃圾和少量松散的坡面堆積物均為泥石流的物質(zhì)來(lái)源。

2 成因分析

泥石流的成因一般有地形條件、物源條件、水動(dòng)力條件三個(gè)因素，針對(duì)本研究區(qū)的棄渣型泥石流的成因分析如下。

航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地泥石流溝流域內(nèi)相對(duì)高差較大，高程介于450 m～520 m之間（相對(duì)高程），地形較陡峻，溝谷縱坡大，溝道形態(tài)比較較順直，為泥石流的形成提供了地形地貌條件。形成區(qū)平均比降為423‰，地貌主要為陡峻的斜坡地貌，坡度為35°～50°，高差較大；流通區(qū)位于該溝道的狹長(zhǎng)溝谷地帶，高程介于450 m～500 m之間，其地貌上部分位置表現(xiàn)為“U”型谷，其縱坡降較大，平均坡降為124‰，且流通區(qū)溝谷形態(tài)相對(duì)順直，為泥石流流通提供了便利條件。

西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地內(nèi)泥石流物源豐富，其中以建筑垃圾棄渣為主，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，泥石流固體物質(zhì)儲(chǔ)量來(lái)源有三部分，溝道內(nèi)建筑垃圾堆積體總放量約2.53×104m3，坡面松散堆積物方量約0.17×104m3，坡腳崩塌堆積體方量約270.6 m3。

西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地泥石流隱患為暴雨泥石流，該地區(qū)年平均降雨量為958.1 mm，夏季降雨量505.2 mm，占全年總量的53.7%。連陰雨平均每年4.2次，每次降水5 d～15 d，降雨總量超過(guò)30 mm，集中在7月～10月。暴雨平均每年1.8次，最多達(dá)6次，一般發(fā)生在5月～10月，集中于7月上旬至9月上旬，平均暴雨強(qiáng)度為66.3 mm/d，最高降雨強(qiáng)度為498.2 mm/d。且溝道縱坡降較大，降水可在短時(shí)間內(nèi)匯集并沿溝道向下運(yùn)動(dòng)，水動(dòng)力充足。

3 基于水槽試驗(yàn)的工程棄渣泥石流起動(dòng)機(jī)理研究

3.1 實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

試驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)裝置為西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院大型地質(zhì)災(zāi)害物理模擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)槽系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)三大部分組成。

實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)15 m、寬1 m（內(nèi)寬0.8 m）、高1.1 m，由鋼制金屬板組成，水槽上方有三個(gè)起重設(shè)備，由水槽上游至下游三個(gè)起重砝碼的最大起重力為15 kN、10 kN、5 kN。水槽頂部設(shè)置有模擬自然降水的噴淋設(shè)備。在水槽下游泥石流物質(zhì)沖出后設(shè)置有5 m·2 m·1.5 m的堆積區(qū)，用于存放泥石流發(fā)生后產(chǎn)生的堆積體，且在堆積區(qū)內(nèi)部設(shè)置有排污泵，以便試驗(yàn)后進(jìn)行清理。供水水箱長(zhǎng)1.7 m、寬1.5 m、高1.5 m，底面積2.55 m2。泥石流溝道起動(dòng)區(qū)多集中于一段較短的溝道內(nèi)，將水槽升起端5 m長(zhǎng)一段確定為起動(dòng)區(qū)，其余部分均為流通區(qū)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取樣樣品為西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)溝道內(nèi)堆放的建筑棄渣，就地進(jìn)行人工取土，取樣位置位于溝道中上游物源區(qū)。試驗(yàn)選取固體物源儲(chǔ)量、水量及溝床坡度三個(gè)因素作為實(shí)驗(yàn)變量，每組試驗(yàn)固定第一個(gè)變量，改變第二個(gè)變量，將第三個(gè)變量作為待測(cè)變量，來(lái)探究第二個(gè)變量與第三個(gè)變量之間的關(guān)系。

水槽物理試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)將流槽固定好，調(diào)整好角度，保持槽底橫向水平；

(2)在流槽中堆放物源物質(zhì)4 m3，堆放時(shí)渣堆后緣略高，高出5 cm，前端自然堆放。

(3)在水箱閥門關(guān)閉的狀態(tài)下，給水箱抽水，并記錄水箱內(nèi)壁水位的初始位置；

(4)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，此時(shí)打開(kāi)起重設(shè)備的閘刀，兩個(gè)人操控起重設(shè)備并開(kāi)始起吊，使水槽起吊角度為16°，同時(shí)一個(gè)人打開(kāi)水箱閥門并同時(shí)打開(kāi)秒表，另一個(gè)人觀察物源起動(dòng)情況，進(jìn)行記錄和描述；

(5)在物源起動(dòng)的瞬間，記錄此時(shí)水箱用水量，描述此時(shí)泥石流形態(tài)及堆積特征；

(6)待泥石流停止運(yùn)動(dòng)后，記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，再次描述此時(shí)泥石流形態(tài)及堆積特征；

(7)用水沖刷流槽，并利用清污泵清理堆積區(qū)，將流槽重新調(diào)整回原始狀態(tài)，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一場(chǎng)試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）溝床坡度對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響

為了探究溝床坡度對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響，進(jìn)行了六組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及臨界水量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 溝床坡度與臨界含水量試驗(yàn)方案

通過(guò)以上6組試驗(yàn)所記錄的數(shù)據(jù)繪制成的曲線表明：對(duì)于棄渣型泥石流，固體物源儲(chǔ)量一定時(shí)，溝床坡度越大，臨界含水量越小，但是并非呈線性關(guān)系，縮小速率在不斷減小，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 溝床坡度與臨界含水量的關(guān)系

（2）降雨對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響

為了探究降水對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響，進(jìn)行了四組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及臨界坡度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 降水量與臨界坡度試驗(yàn)方案

通過(guò)4組試驗(yàn)所記錄的數(shù)據(jù)繪制成的曲線表明：對(duì)于棄渣型泥石流，固體物源儲(chǔ)量一定時(shí)，水量越小，臨界坡度越大，但是并非呈線性關(guān)系，速率在不斷增大，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)水量與臨界坡度的關(guān)系

（3）固體物質(zhì)儲(chǔ)量對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響

為了探究固體物質(zhì)儲(chǔ)量對(duì)棄渣型泥石流起動(dòng)的影響，進(jìn)行了四組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及臨界水量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 固體物質(zhì)儲(chǔ)量與臨界水量試驗(yàn)方案

通過(guò)4組試驗(yàn)所記錄的數(shù)據(jù)繪制成的曲線表明：對(duì)于棄渣型泥石流，溝床坡度一定時(shí)，固體物質(zhì)儲(chǔ)量越大，臨界水量越大，說(shuō)明棄渣型泥石流，固體物質(zhì)儲(chǔ)量越豐富，越難起動(dòng)。結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 固體物質(zhì)儲(chǔ)量與臨界水量的關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西安航天基地建筑垃圾消納場(chǎng)地泥石流隱患的成因分析，設(shè)計(jì)了水槽物理模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)工程棄渣型泥石流的啟動(dòng)進(jìn)行探索。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)表明：溝床坡度對(duì)棄渣型泥石流的影響較大，當(dāng)溝床坡度較大時(shí)，即便沒(méi)有持續(xù)性強(qiáng)降水，在一般水動(dòng)力條件下即可起動(dòng)，反之亦然；物體物質(zhì)儲(chǔ)量越大時(shí)，棄渣型泥石流的啟動(dòng)越困難，棄渣堆積高度越大，越容易啟動(dòng)。結(jié)果可為后續(xù)棄渣型泥石流防治的工程設(shè)計(jì)及預(yù)防預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，對(duì)后續(xù)棄渣型泥石流形成機(jī)理的深入研究具有積極意義。