基于水位與孔隙水壓分析的水力類泥石流起動試驗研究

屈永平，肖 進

(四川建筑職業技術學院，四川德陽618000)

0 引 言

“5·12”汶川強震直接作用于四川地區，在強震區內誘發了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，地質構造運動進入活躍期，遭受地震嚴重破壞地區的面積超過10×104km2。已有研究表明，地震作用后20年是地震次生災害高發期[1]，唐川[2]認為汶川強震區在地震后的10～15年內為泥石流高發期。泥石流主要包括水力類起動泥石流、坡面類起動泥石流和潰決類起動泥石流[3]。汶川強震區泥石流物源種類繁多，泥石流物源主要為滑坡、崩塌堆積體[4- 7]，泥石流類型主要為暴雨型泥石流[2]、水力類泥石流[8]、潰決型泥石流[9]。由于地震后效應作用和震后強烈降雨匯流條件，使得汶川強震區泥石流的暴發頻率增加，泥石流起動的降雨條件降低[2]。針對汶川強震區泥石流的特殊性，前人已經進行了大量的野外和室內試驗[10- 12]，主要研究泥石流起動過程中的臨界坡度、孔隙水壓力、降雨強度、流量、流速和侵蝕方量等[11- 13]。

泥石流溝道起動試驗發現，泥石流物源的堆積條件和物源儲量與泥石流的侵蝕、堆積特征密切相關[10]，在不同坡度條件下泥石流的起動機制也不同，當泥石流的溝道坡度為8°～17.5°時，泥石流物源主要以沖蝕、侵蝕起動為主[11]；在降雨匯水過程中，泥石流的溝道物源的內聚力和內摩擦角隨含水量呈先增后降的趨勢，含水量為85%時，內聚力和內摩擦角值最大[13]；泥石流物源固體顆粒d50的起動與泥石流的溝道坡度、地表徑流流速、流量相關[12]。綜上，水力類泥石流的起動與泥石流固體顆粒粒徑、物源含水量、地表徑流流深等參數密切相關。

為了更進一步研究汶川強震區水力類泥石流起動過程中孔隙水壓、水位的變化特征，本文根據汶川強震區泥石流溝的野外調查，通過室內水力類泥石流試驗，分析泥石流起動過程中的孔隙水壓和水位變化情況，為汶川強震區水力類泥石流研究提供參考。

1 研究區概況

“5·12”汶川地震后，汶川強震區誘發了1萬多處崩塌、滑坡[15]。汶川強震區屬于中高山侵蝕地貌，地形陡峭，泥石流溝道縱比降大[16]，崩塌、滑坡堆積體對泥石流物源的補給與泥石流暴發頻率直接相關[17- 18]。汶川震區滑坡堆積體具有結構松散、粘粒含量低、磨圓度低等特點。滑坡堆積體主要堆積于泥石流溝道內，在后期強降雨匯水條件下，短時間內可能誘發泥石流過程[19]，即在強降雨匯流時，泥石流溝道內形成一定流深的地表徑流，地表徑流對溝道堆積物的沖蝕搬運，使得溝道堆積物參與至泥石流形成過程。研究區泥石流溝道堆積物侵蝕特征見圖1。泥石流溝分布情況見圖2。

圖2 研究區泥石流溝分布

研究區位于四川盆地西北部邊緣[20]，屬于四川盆地邊緣亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫為15.2～15.9℃[21- 22]，且每年汛期(5月～9月)為崩塌、泥石流等地質災害高發期[23]。

在汶川地震后，研究區已暴發多次群發性泥石流，包括“9·26”、“8·13”，“7·03”、“7·10”等泥石流事件。降雨條件是泥石流暴發的必要條件，2010年7月10日凌晨5:00，“7·10”群發性泥石流暴發，映秀鎮的前期累積降水為316.2 mm，降雨強度約為18.6 mm/h；水磨鎮的前期累積降水為219.1 mm，降雨強度16.9 mm /h。

2 研究方法

2.1 試驗條件

試驗采用成都理工大學國家重點實驗室的泥石流動力模擬裝置(見圖3)。試驗裝置主要由試驗水槽、儲供水系統以及監測系統等3個部分組成。水力類泥石流試驗監測系統由尚水信息公司提供的多參考數據采集系統，監測系統主要由3組孔隙水壓力傳感器(9、10、11號)和3組水位傳感器(1、2、3號)組成，采集泥石流起動試驗過程中的孔隙水壓力、水位等數據，智能電磁流量計的流量適用范圍為0 ～31 m3/h，精確度為0.01 m3/h。泥石流試驗水槽可調坡度為0°～22°。試驗裝置見圖4[8，24]。

圖3 泥石流動力模擬裝置

圖4 試驗裝置

泥石流溝道物源的天然容重γ=19.9 kN/m3，飽和容重γsat=22.15 kN/m3，堆積物的孔隙比e=0.22。泥石流溝道物源的有效粒徑d10=0.5 mm，中值粒徑d30=4.8 mm，中值粒徑d60=11 mm，不均勻系數CU=22，曲率系數CC=4.2。溝道物源的試驗級配曲線見圖5。

圖5 泥石流模擬試驗顆粒級配

汶川強震區典型泥石流溝道堆積物的溝床坡度、堆積厚度等參數見表1。從表1可知，泥石流溝道坡度主要集中于9°～14.68°，平均坡度為11.46°。泥石流溝道堆積物堆積厚度為2.5～12 m，溝道平均堆積厚度為7.28 m。

根據試驗相似比，水力類泥石流試驗的溝道堆積厚度設計為12 cm，試驗水槽的設計坡度α為9°、12°和15°。水位以及孔隙水壓力通過傳感器傳輸至電腦[24]。試驗槽斷面高35 cm，試驗槽底部寬30 cm，試驗槽長6 m，底面糙率系數為0.3[8]。水力類泥石流試驗槽設計坡度為15°、12°、9°，溝道物源設計堆積厚度為12 cm。

表1 典型泥石流溝溝道坡度、堆積厚度

2.2 試驗水位特征

在12 cm堆積厚度和不同試驗槽坡度(9°，12°和15°)條件下，水力類泥石流試驗的全過程約為100 s，起動的時間為80 s。試驗過程中孔隙水壓力和水位變化特征見圖6。

圖6 水力類泥石流試驗水位變化

從圖6可知：

(1)不同的試驗槽坡度(9°，12°和15°)條件下，水力類泥石流1號水位計的水位值關系為：9°<12°<15°。在0～50 s時段內，水位值呈緩慢增加趨勢，在50～80 s時段內水位值有波動，即泥石流試驗槽內的固體顆粒起動、搬運導致水位值突增；在80～100 s時間段內的水位值整體呈穩定下降趨勢。

(2)在相同試驗槽坡度(9°)的水力類泥石流試驗過程中，在初始階段(0～20 s)水位值變化平緩。由于固體顆粒沖刷搬運，使得泥石流水位呈累積增加趨勢(20～60 s)，在泥石流溝道物質起動后，因試驗槽泥石流堆積物強烈侵蝕，使得試驗槽1、2、3號水位計的水位整體呈下降趨勢。

根據水力類泥石流起動試驗的水位條件，得到各個時刻的泥石流水位值。12°試驗條件下的2、3號水位與1號水位的對比關系見圖7。從圖7可知，泥石流水位值在整個過程中無明顯線性分布規律，但其比值有集中現象，分別集中于坐標軸的兩側，在泥石流起動前期和運動后期的水位比值差異明顯，因為在試驗前期，一部分上游徑流量沿著溝道堆積物下滲，形成一定流量的地下滲流，地表徑流的流深沿流向呈降低的趨勢；在泥石流起動后期，因為上游的溝道堆積物參與至泥石流過程中，即堆積物發生沿程侵蝕，使得泥石流水位值呈增加趨勢。

圖7 12°試驗條件下水力類泥石流試驗過程中水位變化關系

在此基礎上，水位比值(2號與1號，3號與1號)相對集中，即反應了水力類泥石流試驗過程中，其對應的各個時段的不同水位計記錄的水位值變化程度相近，且泥石流試驗起動前期水位呈增加趨勢，泥石流起動過程中，泥石流試驗水位呈降低趨勢。

2.3 試驗孔隙水壓特征

在水力類泥石流試驗過程中，孔隙水壓力的變化與泥石流的運動特征相關，不同試驗坡度條件下水力類泥石流試驗孔隙水壓變化見圖8。從圖8可知：

(1)不同試驗坡度條件下，相同孔隙水壓力計位置，孔隙水壓力值整體上與坡度呈正相關(即9°<12°<15°)；泥石流孔隙水壓力整體上與泥石流時間呈正相關，在泥石流起動前期(0～20 s)孔隙水壓力較平緩，在泥石流起動后期(20～40 s)有顯著增加，在此之后泥石流呈平穩增加趨勢。

(2)在相同坡度(15°)條件下，水力類泥石流試驗過程中的孔隙水壓力值與泥石流試驗槽孔隙水壓力儀分布位置相關，相同泥石流時刻的泥石流孔隙水壓力與其分布位置相關(10號<11號<9號)，且在80s時孔隙水壓力有突增特征，增加幅度為2 kPa。在泥石流起動過程中，孔隙水壓力處于平穩狀態，P10=1 kPa、P11=1.6 kPa、P9=2.1 kPa。

圖8 水力類泥石流試驗孔隙水壓力變化

根據水力類泥石流起動試驗的孔隙水壓力條件，得到泥石流各個時刻的泥石流孔隙水壓力值。9°條件下10、11、9號孔隙水壓力的關系見圖9。

從圖9可知：

(1)泥石流的孔隙水壓力值在整個過程中緩慢增加，且泥石流在起動前期和整個試驗過程趨勢相近，即水力類泥石流試驗起動前期孔隙水壓力關系(10、11號與9號孔隙水壓力的關系)與整個水力類泥石流試驗過程中的孔隙水壓力關系(10、11號與9號孔隙水壓力的關系)相近。

(2)各個孔隙水壓力比值(10號與9號、11號與9號相對集中，即泥石流孔隙水壓力在泥石流溝道堆積體侵蝕搬運過程中相對無明顯變化，且9、10、11號孔隙水壓力近似相等，約為1～2 kPa，平均為1.5 kPa。

圖9 9°試驗條件下水力類泥石流試驗孔隙水壓力變化

3 結 語

本文通過汶川強震區泥石流溝道物源堆積野外調查，在不同試驗槽坡度(9°、12°和15°)和相同堆積厚度(12 cm)的試驗條件下，得到了水力類泥石流起動過程中的水位和孔隙水壓力變化特征：

(1)泥石流起動過程可概括為3個階段，即前期地下滲流階段、中期起動階段、后期衰減階段。在泥石流起動前期，不同試驗槽坡度條件下的水位值增加時刻(14 s)比孔隙水壓力增加時刻(9 s)滯后約5 s。

(2)水力類泥石流暴發時刻約為80 s，而試驗水位峰值出現時刻約為50 s，試驗峰值孔隙水壓力峰值出現在80 s后，即基于水位峰值的水力類泥石流暴發預測更具有前瞻性。而泥石流的孔隙水壓力能更準確反映泥石流暴發時刻的起動條件和受力特征。

(3)水力類泥石流的水位和孔隙水壓力均呈現連續性，而在泥石流起動后，水位呈現下降趨勢，孔隙水壓力呈現同步增長型，且在泥石流起動時刻，孔隙水壓力呈現突增狀態，增加值約為1～2 kPa。