(四川省冶金地質(zhì)勘查局成都地質(zhì)調(diào)查所, 四川 成都 610203)

在強(qiáng)降雨地區(qū)，基巖埋藏較淺、坡度較大（30-50°）、上方覆蓋物較?。?m以內(nèi)）的坡體，容易發(fā)生坡面型泥石流，具有突發(fā)性、歷時(shí)短、破壞重的特點(diǎn)，對(duì)自然環(huán)境和人類生活造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，如何防治泥石流、降低災(zāi)害影響，成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文針對(duì)泥石流治理過程中的土體變形機(jī)制進(jìn)行探討。

1 坡面型泥石流的防治研究現(xiàn)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(nèi)部飽水，地下水變成壓力水流，繼而破壞表層土體結(jié)構(gòu)；②松散土體飽水后，土體的骨架就會(huì)變形，發(fā)生塑化、液化等破壞；③常發(fā)生在沙巖、灰?guī)r、變質(zhì)巖、花崗巖、半成巖、黃土、紅壤土等巖土層中；④泥石流發(fā)生時(shí)，因土體突然變動(dòng)會(huì)伴有沉悶聲響，且土體順坡下滑，對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷作用，原來平整的坡面上形成溝槽；⑤泥石流的發(fā)生具有隨機(jī)性，且不會(huì)在同一部位重復(fù)發(fā)生。在發(fā)育特征上，坡面較長(zhǎng)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(qū)；泥石流的規(guī)模較小，流域面積在0.4km2以內(nèi)，堆積物是一次性搬運(yùn)形成的，泥砂搬移量在10-1000m3之間。

1.2 防治現(xiàn)狀

目前在泥石流防治上的研究較多，且取得了一定成果。國(guó)外研究中，分析了不同類型的工程治理措施的特點(diǎn)，總結(jié)了防治經(jīng)驗(yàn)；對(duì)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(dòng)速度的技術(shù)方案。國(guó)內(nèi)研究中，結(jié)合格柵壩理論，明確了支墩間距的計(jì)算方法，提出計(jì)算公式；按照流量、流速參數(shù)，計(jì)算了重力式擋墻的高度，按照沖刷深度計(jì)算基礎(chǔ)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(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

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

2.1 試驗(yàn)裝置

第一，泥石流發(fā)生槽。試驗(yàn)坡體的參數(shù)設(shè)置如下：一級(jí)、二級(jí)坡底的長(zhǎng)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(fā)生在一級(jí)坡體上，流通在二級(jí)坡體上，如下圖 1所示。第二，降雨設(shè)備。在模型上方設(shè)置 5個(gè)低壓霧化噴頭，呈現(xiàn)單排排列，噴口直徑為 1mm、壓力為0.07MPa。試驗(yàn)期間，人工控制降雨量，保證降雨均勻穩(wěn)定，強(qiáng)度控制在600ml/min。第三，數(shù)據(jù)量測(cè)。數(shù)據(jù)的采集由數(shù)字圖像設(shè)備、細(xì)觀圖像設(shè)備組成，前者利用佳能數(shù)碼相機(jī)，每間隔5秒拍攝一張照片；后者能對(duì)細(xì)節(jié)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(yàn)材料

第一，土樣。依據(jù)以往的研究結(jié)果，采用粒徑2mm以上的土樣顆粒，含水量為 1%，滲透系數(shù) k為 0.005cm/s，顆粒級(jí)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(shí)后固結(jié)，成型坡體的相對(duì)密度為0.43。第二，錨桿護(hù)坡。護(hù)坡模型的材質(zhì)是有機(jī)玻璃，長(zhǎng)寬厚分別為22cm、25cm、1cm，網(wǎng)孔尺寸2×2cm，格柵寬度為0.5cm，坡體長(zhǎng)度為60cm。護(hù)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(duì)錨桿進(jìn)行加固。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

以往研究證實(shí)，坡面型泥石流的破壞是從坡腳開始的，采用錨桿-護(hù)坡治理方案后，分為以下四個(gè)階段[3]：一是雨水入滲階段，此時(shí)泥石流發(fā)生，坡體表面沉降，坡腳處會(huì)有少量清水流出；二是孔隙水積蓄階段，坡體發(fā)生張拉裂縫，形成潛在的滑動(dòng)面；三是滑動(dòng)密實(shí)階段，坡體出現(xiàn)小規(guī)模的滑移，巖土顆粒從坡孔中溢出；四是相對(duì)穩(wěn)定階段，坡體滑動(dòng)后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)，雨水能及時(shí)排出。

如下表1，對(duì)比了坡面治理和未治理的泥石流參數(shù)，可見治理后的坡體初始滑動(dòng)時(shí)間延遲、最終流動(dòng)量減小，能有效控制泥石流的爆發(fā)情況。在坡體的變形機(jī)制上，坡體沒有出現(xiàn)分層滑動(dòng)現(xiàn)象，松散土體形成量較少；錨桿-護(hù)坡方案類似于一個(gè)拉索網(wǎng)，起到濾水固土的作用，限制了土體滑動(dòng)。

表1 坡面型泥石流治理和未治理的滑坡參數(shù)對(duì)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(hù)坡方案的應(yīng)用，能減緩泥石流的爆發(fā)，從治理現(xiàn)象、位移場(chǎng)、細(xì)觀顆粒運(yùn)動(dòng)等要素入手，總結(jié)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(xì)觀上顆粒位移的變化小，以點(diǎn)狀位移為主，此時(shí)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(nèi)積聚、在坡腳處滲出，坡體重度增加、抗剪強(qiáng)度減小，繼而出現(xiàn)沉降。細(xì)觀上顆粒出現(xiàn)豎向運(yùn)動(dòng)，位移量是水平位移量的2倍。此時(shí)坡體位移、顆粒移動(dòng)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(dòng)密實(shí)階段，坡體出現(xiàn)小位移滑動(dòng)，位移場(chǎng)呈現(xiàn)圓弧滑動(dòng)，細(xì)觀上顆粒發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)同時(shí)變得密實(shí)。第四，在相對(duì)穩(wěn)定階段，細(xì)觀上坡底顆粒的位移變化較小，在流動(dòng)雨水的作用下，只有部分顆粒會(huì)出現(xiàn)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(shí)施錨桿-護(hù)坡方案，坡體結(jié)構(gòu)相應(yīng)發(fā)生改變，在降雨的作用下，上層顆粒下沉，粗顆粒構(gòu)成了坡體骨架；細(xì)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(shí)度提高。但是，與此同時(shí)坡體下部的滲透性減弱，會(huì)造成孔隙水積聚，坡體的抗滑強(qiáng)度降低，繼而發(fā)生滑移。錨桿-護(hù)坡的作用，是在坡體表面形成拉索網(wǎng)，一方面加快雨水排出，另一方面阻止坡腳土體滑動(dòng)[5]。在濾水固土作用下，土體逐漸密實(shí)，最終底部顆粒積聚密實(shí)、上部顆粒骨架穩(wěn)定，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)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(hù)坡方案，在室內(nèi)開展模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(dòng)密實(shí)、相對(duì)穩(wěn)定四個(gè)階段。錨桿-護(hù)坡治理方案的應(yīng)用，能加快雨水排出、阻止坡腳土體滑動(dòng)，起到濾水固土的作用。

[1]周健,李業(yè)勛,張姣等.坡面型泥石流治理過程中土體變形機(jī)制宏細(xì)觀研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(diào)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(zāi)區(qū)泥石流若干關(guān)鍵問題[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(shè)計(jì)研究[J].科技通報(bào),2017,33(2):30-33,38.

[5]白剛剛,趙瑛,陳菊林等.柴達(dá)木盆地泥石流災(zāi)害特征與治理[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2016,34(5):58-62,74.