滑坡型泥石流的轉化機理研究

吳和秋，楊 龍，金鋼雄

(1.浙江省工程物探勘察設計院有限公司，浙江 杭州 310005;2.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;3.臺州市自然資源和規劃局黃巖分局，浙江 臺州 318200)

由于青藏高原的不斷隆升，我國西部新構造運動活躍，地質環境復雜，滑坡崩塌產生的大量松散堆積物為泥石流的形成提供了大量物源[1-2]。其中，滑坡型泥石流是最為普遍的泥石流類型之一。滑坡一旦轉化為泥石流，運動距離將顯著增加，不僅對生態環境造成破壞，而且嚴重威脅人民的生命和財產安全[3]。因此，揭示滑坡型泥石流的轉化機理，為其預測預報與防治提供理論支持，顯得十分必要。

目前對滑坡型泥石流的研究手段主要包括野外考察與觀測、模型和原位實驗、室內巖土體測試實驗等。其中，野外考察與觀測是滑坡型泥石流轉化機理研究的基礎。如李天池等[4]對降雨引發的四川南江縣白梅埡滑坡型泥石流進行了實地考察，認為滑坡型泥石流的形成條件是滑坡剪出口較高，斜坡具有較大的坡度，斜坡前部具有較大的滑動空間；陳自生[5]對高位滑坡轉化為泥石流進行了分析，認為其形成的關鍵因素在于滑體的碎屑化以及碎屑化過程中出現的造漿過程；謝洪等[6]對四川普格縣因暴雨引發的標水巖滑坡型泥石流進行了野外考察，認為滑坡啟動后，滑體在向下運動過程中繼續遭受地表水沖刷，使土體、石塊和水在運動中充分攪拌，演變為大小混雜、結構性很強的黏性泥石流；田連權等[7-8]通過對蔣家溝泥石流源地觀測，將泥石流的形成分為土力類和水力類兩類，并探討了水力類泥石流的形成過程；喬建平[9]根據前人野外考察資料，將降雨型滑坡泥石流預警分為空間預警和時間預警兩大類，并構建了泥石流預警系統；魯道洪等[10]對黃土梁滑坡型泥石流進行了詳細的野外調查，認為黃土梁滑坡在狹窄陡峭溝道中形成的大量松散堆積物為泥石流的形成提供了豐富的物源；邵海等[11]分析了新疆伊寧克孜勒賽黃土滑坡堵潰型泥石流成災模式，認為持續降雨引起的飽和黃土層液化及強度急劇降低是該泥石流形成的主要原因。模型和原位實驗、室內巖土體測試是目前國內外學者對滑坡型泥石流轉化機理進行深入研究的主要手段。如李永益[12]通過模型實驗，提出滑坡型泥石流的轉化過程主要包括滑坡碎屑化、滑坡液化及空氣包裹等過程，其中滑坡液化的形式主要有滑帶液化、膨脹壓縮液化和震動液化三種；Dai等[13]以香港火山巖的坡殘積土為研究對象，通過GDS三軸測試系統開展了低圍壓下偏壓固結不排水剪和偏壓固結常剪應力排水剪試驗研究；Sassa[14]通過在高速環剪實驗儀上的不排水加載試驗，提出了一種流態化滑坡機理；Yoichi等[15]通過變坡度的水槽試驗，研究了滑坡流態化問題，并提出了滑坡流態化的三個階段，即上部坡體下滑引起砂層的壓實、飽和區產生超靜孔壓、發生快速剪切；張明等[16]以四川省達縣青寧鄉滑坡為研究對象，利用環剪試驗模擬青寧鄉滑坡失穩以后滑體長距離滑動剪切的過程，認為滑坡型泥石流的轉化機制除了超孔隙水壓力的作用外，還有軟弱基座效應。在野外現場試驗方面，陳曉清等[17]和胡明鑒等[18]選擇泥石流典型流域開展了野外人工降雨下滑坡轉化為泥石流的起動試驗，通過實時監測試驗過程中土體水勢、體積含水量、孔隙水壓力和溫度等土體特征參數的變化，研究了降雨條件下滑坡轉化為泥石流的啟動機制；李俊等[19]對扎木弄溝滑坡型泥石流的成因進行了系統分析，認為內外動力條件變化(凍融循環、干濕循環、地震作用)是該滑坡型泥石流形成的主要原因；朱君星等[20]在大量統計資料的基礎上，對礦山排土場滑坡型泥石流進行了深入細致的分析，認為礦山排土場滑坡轉化為泥石流存在降雨臨界值。

滑坡體轉化為泥石流過程中土體物理力學參數的變化是揭示其轉化機理的重要前提，但是基于泥石流的突發性及其動力學的復雜性、監測手段的局限性等，目前的研究獲取的此類參數還非常有限。因此，本文以蘇約克河流域內典型滑坡型泥石流——喬庫而泥石流為研究對象，利用遙感影像、現場調查和室內實驗(包括顆粒分析、直剪和環剪試驗)等手段，獲取了喬庫而滑坡型泥石流啟動過程中土體的顆粒級配、剪切強度、剪應力、孔隙水壓力和垂向位移等變化曲線，分析其變化規律，以揭示喬庫而滑坡型泥石流的轉化機理。

1 喬庫而滑坡型泥石流概況

喬庫而滑坡型泥石流位于中國與吉爾吉斯斯坦邊境的蘇約克河流域，處于蘇約克河的西岸，距離烏恰縣托云鄉集鎮場址約15 km，主要的威脅對象為河流漫灘上的牧場。研究區地處喜馬拉雅西構造結區，位于喜馬拉雅造山帶的西北端，地質條件極其復雜，區內發育多條東西向及北西-南東向走滑、逆沖走滑斷層，巖漿活動頻繁，巖漿巖分布范圍較廣。

喬庫而滑坡型泥石流區被一逆沖斷層橫切(見圖1)，斷層下盤為白堊系紅色砂泥巖，由于成巖時間短，其力學性質較弱，風化作用使巖體表面較為破碎，在其組成的斜坡坡腳處往往堆積有小規模的細粒崩坡積層；斷層上盤為黑色的砂巖、礫巖，斷層附近的巖體極為破碎，形成大量崩坡積物，是喬庫而滑坡型泥石流的主要物源[圖2(a)和(b)分別為泥石流溝北側和南側斷層面，為斷層破碎面附近山體，特別是上盤山體發生的崩塌滑坡堆積物堆積在坡腳，為泥石流提供了豐富的物源]。

圖1 喬庫而滑坡型泥石流平面圖Fig.1 Floor plan of Qiaokuer landslide debris flow

根據現場調查，喬庫而滑坡型泥石流溝的整個匯水區(黃色虛線)面積為4.42 km2，物源區(綠色虛線)、流通區(藍色虛線)和堆積區(紅色虛線)如圖1所示。在物源區上游的廣大區域，雖然也有松散物源提供，但是物源量非常少，在本次研究中不予考慮，本次研究的對象主要為上述三個區域，根據這三個區域獲取的喬庫而滑坡型泥石流典型縱剖面圖見圖3。

圖2 喬庫而滑坡型泥石流溝斷層面及流通區細粒 物質分布Fig.2 Distribution of fine material in fault plane and flow area of Qiaoquer landslide debris flow gully

圖3 喬庫而滑坡型泥石流典型縱剖面圖Fig.3 Typical longitudinal profile of Qiaokuer landslide debris flow

喬庫而滑坡型泥石流的物源區為臨近斷層面的上盤、溝谷南側破碎山體失穩堆積在坡腳的滑坡及崩塌堆積物[圖2(b)]，根據估算，物源區堆積物的方量約為120萬m3；流通區分布在斷層下盤的溝谷底部，長度約為1 500 m,流通區的兩側為紅色砂泥巖組成的溝壁，由于成巖時間短，其強度較弱，風化作用使其發生連續的小規模崩塌，松散細粒物質堆積在坡腳[圖2(c)]，泥石流在流通的過程中不斷地鏟刮這些細粒物質；堆積區面積約為0.11 km2，堆積物呈扇形堆積，平均厚度約為4 m，體積約為44萬m3，以0.1 m以下的顆粒為主。

此外，受當地自然環境和社會經濟狀況的影響，本次研究缺乏喬庫而滑坡型泥石流此前爆發的相關資料,通過對物源區堆積物的調查，發現堆積物具有多期次堆積的特征，說明喬庫而滑坡型泥石流歷史上多次爆發，同時堆積物前緣有新近失穩的跡象。

2 滑坡型泥石流堆積物土體顆粒級配的變化規律

為了獲取喬庫而滑坡型泥石流堆積物土樣在運移過程中顆粒級配的變化規律，在如圖1所示物源區、流通區和堆積區的B01、B03～B13共12個取樣點獲取了喬庫而滑坡型泥石流堆積物樣品進行顆分試驗，得到堆積物樣品的顆粒級配隨運移距離的變化規律。其中，B01取自物源區；B03～B11取自于流通區；B12和B13取自堆積區。

采用篩分法獲得12個泥石流堆積物土樣的顆粒級配累計曲線，見圖4。

圖4 喬庫而滑坡型泥石流堆積物土樣的顆粒級配累計曲線Fig.4 Variation curves of particle gradation in different parts of Qiaokuer landslide debris flow soil samples

由圖4可見，喬庫而滑坡型泥石流物源區堆積物土樣的顆粒較粗，以5～100 mm粒徑的顆粒為主；堆積區堆積物土樣的顆粒較細，以0.5 mm粒徑的顆粒為主；此外，B06和B07取樣點堆積物土樣同樣以5 mm以下粒徑的顆粒為主，主要是由于其取自于流通區溝谷兩側坡腳處的崩坡積物，物質成分為來自于斷層破碎帶中紅色砂泥巖的風化物。

上述顆粒分析試驗結果表明：總體上B01、B03～B05、B08～B13這9個沿著泥石流運移路徑上所獲取的堆積物土樣品，運移的距離越遠，土樣的顆粒級配越細。

3 滑坡型泥石流堆積物土體抗剪強度參數的變化規律

3. 1 試驗工況

為了獲取喬庫而滑坡型泥石流堆積物土樣在不同含水率條件下的抗剪強度參數隨運移距離的變化規律，對B01、B03～B13共12個堆積物樣品進行了不同含水率條件下的直剪試驗。本次試驗采用不固結不排水剪切，測試每個堆積物土樣在4種不同含水率條件下的抗剪強度參數即土體黏聚力和內摩擦角，共計60組試驗。現場調查發現，泥石流啟動之后，將不斷鏟刮流通區溝谷底部的飽和細粒土層及洼地的積水，導致土體在運移過程中含水率不斷上升，直至達到飽和狀態。所以本次研究將直剪試驗以及后續環剪試驗土樣的含水率設置為從天然狀態到飽和狀態均勻分布的4種含水率狀態，4種不同的含水率分別設置為13%(天然)、20%、27%和35%(飽和)。每種含水率土樣設置4種法向荷載進行直剪試驗，4種不同的法向荷載分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。根據《土工試驗規程》(SL 237—1999)和本次試驗的剪切盒尺寸，剔除樣品中2 mm以上粒徑的顆粒。

3. 2 試驗結果與分析

圖5為測試獲取的B01、B03、B05、B10、B12、B13泥石流堆積物土樣的黏聚力和內摩擦角隨含水率的變化曲線。

圖5 喬庫而滑坡型泥石流不同堆積物土樣抗剪強度 參數隨含水率的變化曲線Fig.5 Shear strength parameter variation curves of different debris soil samples with water content

由圖5可見，總體上來說，該泥石流堆積物土樣的黏聚力和內摩擦角均隨著含水率的增加而減小。

此外，為了獲取喬庫而滑坡型泥石流堆積物土體沿運移路徑抗剪強度參數的變化規律，繪制了沿泥石流運移路徑取得的B01、B03、B04、B09、B10、B11、B12、B013泥石流堆積物土樣的內摩擦和黏聚力(飽和狀態下)與運移距離的關系曲線，見圖6。

圖6 飽和狀態下喬庫而滑坡型泥石流堆積物土樣 抗剪強度參數與運移距離的關系曲線Fig.6 Relation curves of shear strength parameters and transport distance of debris soil samples in saturated state

由圖6可見，隨著運移距離的增加,該泥石流堆積物土樣的內摩擦角減小，但是其黏聚力略微增加，這主要是受到細粒物質在運移過程中不斷增加的影響；但總體來說，泥石流堆積物土樣的抗剪強度參數隨著運移距離的增加而減小。

4 滑坡型泥石流轉化過程中土體物理力學參數的變化規律

不同于傳統的直剪和三軸試驗，環剪試驗能夠持續地長距離剪切。為了獲取喬庫而滑坡型泥石流堆積物運移過程中土體剪應力、孔隙水壓力和垂向位移的變化規律，取喬庫而滑坡型泥石流物源區堆積物土樣進行環剪試驗，模擬堆積物長距離剪切運移的過程。試驗土樣取自圖1中B01位置。

本次試驗采用的是中國科學院力學所引進的美國GCTS公司生產的SRS-150型環剪儀，該環剪儀固結壓力為0～1 000 kPa，剪切速率為0.001～360°/min，最大剪切圈數/剪切距離為5圈/2.4 m。

4. 1 試驗工況

為了獲取不同含水率條件下泥石流堆積物土樣剪應力、孔隙水壓力和垂向位移隨剪切距離的變化規律，本次研究進行了13%(天然)、20%、27%和35%(飽和)4種含水率條件下泥石流堆積物土樣的環剪試驗。由于泥石流實際運動速度較快，運移過程中土體中的孔隙水難以及時排出，故試驗中統一采用固結不排水剪切，剪切速率也采用儀器最大剪切速率360°/min(線速度為0.8 cm/s)，剪切距離選擇儀器允許的最大剪切位移2.4 m。由于缺乏喬庫而滑坡型泥石流歷史爆發數據，采用泥石流物源區堆積物平均厚度8 m作為其失穩后滑體的厚度，據此計算出垂向荷載為100 kPa。因此，本次環剪試驗在剪切方式、剪切速率、剪切距離和垂向荷載分別為固結不排水剪切、360°/min、2.4 m和100 kPa條件下，進行不同含水率(13%、20%、27%和35%)條件下泥石流堆積物土樣的環剪試驗。

4. 2 試驗步驟

(1) 制樣：將B01土樣中大于5 mm粒徑的顆粒剔除，烘干后制成干密度為1.4 g/cm3、初始含水率分別為13%、20%、27%和35%的試樣。

(2) 固結：對試樣施加垂向荷載100 kPa進行排水固結。

(3) 剪切：以恒定速度360°/min剪切試樣，剪切的過程中記錄剪應力、孔隙水壓力、剪切距離和垂向位移值。

(4) 測試：測試試樣的顆粒級配。

4. 3 試驗結果與分析

圖7(a)為工況1(天然土樣，即初始含水率為13%的土樣)下環剪試驗所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應力隨剪切位移的變化曲線。

由圖7(a)可見，①剪切開始后，土樣的垂向位移不斷增加，最終逐漸穩定在約2 mm，表明此樣品為剪縮性土體；另外，顆粒剪切破碎也是土體體積不斷減小的原因，土樣的垂向位移隨著剪切位移的增加而增加;在剪切位移達到某一定值后，顆粒破碎逐漸停止，土樣垂向位移也趨于穩定。②由于樣品中的初始含水率較低，土體體積的縮小并沒有引起孔隙水壓力的明顯變化。③土樣的剪應力最開始不斷升高達到峰值強度78.9 kPa，隨后土樣的剪應力下降至73.5 kPa左右，然后土樣的剪應力緩慢減小并逐漸穩定在殘余強度70 kPa。剪應力的變化主要是由顆粒破碎效應導致的，直剪試驗表明在此過程中土體的黏聚力雖略有上升，但其內摩擦角降低，使得抗剪強度總體降低，表明在含水率較低、孔隙水壓力無明顯變化的情況下，土體顆粒破碎引起的抗剪強度變化不大。

圖7(b)為工況2(即初始含水率為20%的土樣)下環剪試驗所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應力隨剪切位移的變化曲線。

由圖7(b)可見，與工況1相似，隨著剪切位移增大，土體顆粒不斷破碎，土樣的垂直位移逐漸增大，最終穩定在1.5 mm左右；在這個過程中，受剪縮和顆粒破碎的影響，土體體積收縮、孔隙水壓力緩慢上升至6 kPa；土樣剪應力在剪切開始時迅速上升至81.3 kPa，隨后下降至75 kPa，并在剪切的過程中逐漸穩定在65 kPa的殘余強度。與工況1相比，工況2含水率較高，剪切過程中土樣孔隙水壓力的變化較明顯，殘余抗剪強度也略低于工況1。

圖7 不同含水率條件下土樣剪應力、孔隙水壓力和垂向位移隨剪切位移的變化曲線Fig.7 Variation curves of shear stress,pore water pressure and vertical displacement of soil samples with shear displacement under different water content conditions

圖7(c)為工況3(即初始含水率為27%的土樣)下環剪試驗所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應力隨剪切位移的變化曲線。

由圖7(c)可見，土樣的垂直位移最終穩定在1.3 mm左右；在剪切過程中，由于土體的體積收縮，孔隙水壓力升至34 kPa，相較于工況1、工況2變化較大；土樣剪應力在達到峰值78.4 kPa以后，迅速下降至約73.5 kPa，但是由于土樣剪縮導致的孔隙水壓力上升，土樣剪應力也逐漸下降至約19 kPa。與工況1、工況2相比，隨著土樣初始含水率的上升，在剪切過程中，工況3下土樣孔隙水壓力變化更為明顯，隨著孔隙水壓力的大幅上升，土樣剪應力迅速下降，殘余抗剪強度明顯下降。

圖7(d)為工況4(飽和土樣，即初始含水率為35%的土樣)下環剪試驗所獲得的土樣垂向位移、孔隙水壓力和剪應力隨剪切位移的變化曲線。

由圖7(d)可見，土樣的垂直位移最終穩定在1.65 mm左右，與前3種工況相差不大；在剪切過程中，土樣的孔隙水壓力上升至40 kPa；而土樣的剪應力在剪切開始迅速上升至81.4 kPa，隨后迅速下降至約65 kPa，并且隨著孔隙水壓力上升而逐漸下降至17 kPa。

由于本次試驗采用的環剪儀器密封程度不好，在工況3和工況4的剪切過程中，當土樣的孔隙水壓力上升到一定值時，上下剪切盒之間便會有泥漿(孔隙水和細的土顆粒混合形成)流出(見圖8)，且本次試驗的條件為固結不排水剪切，剪切過程中由于土樣的剪縮效應，導致其含水率和孔隙水壓力不斷上升，最終土體達到飽和狀態，而此時土樣的孔隙水壓力仍不斷上升，表明試驗過程中隨著土樣不斷減縮，土樣內部產生了超孔隙水壓力且已經發生了一定程度的液化。比較工況3和工況4，因為工況4所采用的為飽和土樣，如果剪切盒不發生泄漏，最終其孔隙水壓力應該比工況3更高，而土樣的殘余剪應力應該比工況3更低，但是由于泥漿泄漏，最終工況3和工況4所獲得的土樣孔隙水壓力和殘余剪應力均相差不大。

在上述4種工況下環剪試驗結束后，將土樣取出剪切盒風干后進行顆粒分析，其結果見圖9。

圖8 土樣剪切過程中發生的泥漿流出現象Fig.8 Mud outflow during shearing of soil samples

圖9 環剪試驗前后土樣的顆粒級配累計曲線Fig.9 Grain gradation curves of soil samples before and after ring shear test

由圖9可見，經過環剪試驗的土樣與原始土樣相比，其顆粒級配變細，說明在土樣剪切的過程中發生了顆粒破碎現象；不同工況下剪切后的土體顆粒級配變化并不大，說明4種工況下土體顆粒破碎的程度是相近的，因此可以判斷試樣初始含水率的差別和試驗中土樣孔隙水壓力的變化是4種工況所獲得的土樣殘余剪切應力相差較大的原因。

5 討 論

顆粒分析試驗結果表明：從滑坡型泥石流物源區到堆積區，隨著運移距離的增加，泥石流堆積物土體中的細顆粒含量不斷上升；同時，環剪試驗模擬了泥石流堆積物土體的長距離剪切過程，環剪試驗前后土樣顆粒級配的變化說明了這一點。土體顆粒級配的變化主要有兩方面的原因：①在泥石流運移的過程中，土體顆粒由于受到擠壓剪切作用而持續破碎，導致細顆粒增多；②在泥石流的流通區，溝谷兩側斷層破碎帶中的細粒砂泥巖風化土層堆積在坡腳，泥石流在運移過程中不斷鏟刮這些堆積物，導致細顆粒增多。

當泥石流物源區的土體失穩啟動后，由于剪縮效應和顆粒破碎，土體運移過程中細顆粒不斷增加，孔隙水壓力不斷上升，產生超孔隙水壓力，土體的剪切強度不斷下降，甚至出現液化，逐漸轉化成為泥石流。環剪試驗結果表明：對于喬庫而滑坡型泥石流滑坡土體轉化為泥石流的臨界初始含水率在20%～27%之間的某個值，高于這個臨界值，土體在失穩以后孔隙水壓力才會不斷上升并達到飽和狀態，產生超孔隙水壓力；土體初始含水率低于這個臨界值，則滑坡體無法轉化為泥石流。

本次的研究結論也從試驗上直接論證了Hutchinson等[21]、Iverson等[22]的觀點：疏松土體組成的滑坡體轉化成泥石流的關鍵在于不排水效應，在滑坡體與滑床的剪切過程中形成不排水環境，土體剪縮而引起孔隙水壓力增加，產生超孔隙水壓力，使土體抗剪強度消失或部分消失，甚至發生液化，從而轉化為泥石流。

6 結 論

受有限降水條件的影響，喬庫而滑坡型泥石流物源區堆積物失穩后不能直接形成泥石流，而是首先形成滑坡，但是滑坡體在長距離運移過程中：一方面是由于受土體顆粒破碎和鏟刮作用的影響，導致土體運移過程中細顆粒物質逐漸增加，土體抗剪強度不斷降低；另一方面則是在剪縮效應和顆粒破碎作用下，土體體積減小，孔隙水壓力上升產生超孔隙水壓力，使土體抗剪強度急劇下降甚至發生液化，最終轉化為泥石流。此外，對于喬庫而滑坡型泥石流而言，滑坡體轉化為泥石流的土體臨界初始含水率在20%～27%之間，而其低于20%，則滑坡體無法轉化為泥石流。