馬 超,王玉杰,王 彬

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083)

0 引言

泥石流是一種介于滑坡和高含沙水流之間的特殊流體，其暴發(fā)突然、運(yùn)動(dòng)速度快、沖擊力強(qiáng)[1-2]。泥石流具有極強(qiáng)的輸沙能力，往往短時(shí)間內(nèi)搬運(yùn)大量松散物質(zhì)，造成河床淤高，主河堵塞[3-5]。自然界中，泥石流多由上游溝岸或者坡面的固體物質(zhì)失穩(wěn)進(jìn)入溝道，并在溝道水流的水動(dòng)力作用下形成[6]。一般來(lái)說(shuō)，初始形成的泥石流規(guī)模并不大，但其對(duì)溝床的侵蝕能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般高含沙水流，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)侵蝕、裹挾、掀揭溝床物質(zhì)[7-8]，造成溝床下切[9]，岸坡失穩(wěn)，使更多的物質(zhì)參與形成泥石流過(guò)程中，以“滾雪球”的方式造成流量增加、規(guī)模增大、破壞性增強(qiáng)。

對(duì)于物源非常豐富的泥石流溝，隨著泥石流不斷輸移物源，泥石流的侵蝕能力(單位溝長(zhǎng)被搬運(yùn)的物源量)會(huì)逐漸降低，以致泥石流頻率和規(guī)模均隨之減低[10]。一些研究表明，在影響泥石流侵蝕率的因子中，物源是主要因子，降雨次之[11]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在泥石流侵蝕機(jī)理方面開(kāi)展了諸多研究，這些研究表明：泥石流的侵蝕能力與溝道水流的流速和流體動(dòng)能密切相關(guān)[12-14]；尤其是溝床中飽和的松散固體物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生超高孔隙水壓力時(shí)，會(huì)使顆粒間的摩擦力逐漸降低，侵蝕能力也加強(qiáng)[15-17]。BRIEN和RICKENMAN通過(guò)潰決洪水形成的泥石流侵蝕能力和研究表明：泥石流的流速和流量越大，其侵蝕能力越強(qiáng)[18-19]。當(dāng)泥石流侵蝕干燥的沉積物時(shí)，會(huì)使?jié){體的濃度增加，進(jìn)而使黏度和摩擦作用增強(qiáng)，使運(yùn)動(dòng)阻力增加，降低泥石流的流動(dòng)性[19]。然而，大部分關(guān)于泥石流侵蝕的研究多是從模型試驗(yàn)出發(fā)，定量研究天然泥石流的侵蝕過(guò)程涉及較少，尤其是從能量和侵蝕率角度來(lái)研究該動(dòng)力學(xué)過(guò)程較少。

本文以北京市密云區(qū)龍?zhí)稖洗宀芮f子溝為例，通過(guò)激發(fā)雨量過(guò)程、實(shí)地調(diào)查和地形掃描，通過(guò)不同斷面的侵蝕深度、流速變化、侵蝕率和能量比，分析該場(chǎng)泥石流的基本物理特征和動(dòng)力學(xué)侵蝕過(guò)程，為深入認(rèn)識(shí)泥石流的侵蝕作用以及野外泥石流勘察設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 泥石流形成過(guò)程

1.1 流域背景和激發(fā)降雨

曹莊子流域位于北京市密云區(qū)龍?zhí)稖暇皡^(qū)，溝口地理坐標(biāo)為：N 40°28′40.07″，E 117°4′24.51″。流域面積0.21 km2，主溝長(zhǎng)0.9 km，流域最高處海拔760 m，溝口海拔450 m，相對(duì)高差310 m，平均溝床比降為190 ‰(圖1)。巖性主要為花崗巖，土層較薄。由于該區(qū)降雨多集中在7月底和8月初，其他時(shí)間段降雨較少。雨季短歷時(shí)、高強(qiáng)度的暴雨很快轉(zhuǎn)化為地表徑流匯集到溝道中，對(duì)溝床沉積物產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷，并形成泥石流。

據(jù)實(shí)地調(diào)查表明，流域內(nèi)植被覆蓋度高，坡面上只有零星的花崗巖風(fēng)化產(chǎn)生的崩積物，泥石流物源主要來(lái)自于溝床堆積物。因此，該溝泥石流屬于典型的水力型泥石流。即高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨產(chǎn)生的強(qiáng)勁溝床徑流劇烈侵蝕、掀揭溝床沉積物形成。

圖1 曹莊子流域位置Fig.1 Location of Caozhuangzi watershed

整個(gè)龍?zhí)稖暇皡^(qū)自2000～2010年之間沒(méi)有發(fā)生過(guò)山洪泥石流災(zāi)害。2011年7月24日的降雨最大1小時(shí)降雨達(dá)到39.4 mm，最大3小時(shí)降雨量達(dá)到86.1 mm，達(dá)到當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨標(biāo)準(zhǔn)。該場(chǎng)降雨引發(fā)的山洪泥石流導(dǎo)致整個(gè)龍?zhí)稖暇皡^(qū)大面積公路、橋梁、民房被沖毀。在重建的過(guò)程中，又將該溝中的塊石作為公路路基建設(shè)用，使溝床大面積裸露。此外，還對(duì)兩側(cè)山體進(jìn)行開(kāi)挖，產(chǎn)生了豐富的物源體，增加了再次發(fā)生泥石流的可能性。2016年8月12日，整個(gè)龍?zhí)稖巷L(fēng)景區(qū)以及毗鄰查子溝村遭受暴雨襲(圖2)。據(jù)曹莊子最近的查子溝雨量站數(shù)據(jù)表明：最大1小時(shí)降雨達(dá)到79.5 mm，最大3小時(shí)降雨量達(dá)到136.5 mm，達(dá)到當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，使該溝再次發(fā)生了泥石流。

圖2 2016年曹莊子泥石流的10分鐘雨量激發(fā)過(guò)程Fig.2 The 10 minutes’ rainfall triggering process of Caozhuangzi debris flow in 2016

1.2 泥石流流體性質(zhì)

筆者分別于2016年7月8日和2017年3月5日對(duì)該溝進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，通過(guò)室內(nèi)篩分(剔除大于60 mm的顆粒)和激光粒度儀分別獲取了2011年和2016年兩場(chǎng)泥石流堆積物和坡面土體的級(jí)配特征(圖3)?？梢钥闯觯浩旅嫱馏w的粒徑要小于泥石流體。兩次泥石流體的顆粒級(jí)配曲線平滑趨勢(shì)較為接近，但2011年泥石流體顆粒較細(xì)，其特征粒徑值d10、d30、d50分別為0.26 mm、0.8 mm和1.5 mm，小于2016年泥石流體的特征粒徑值。由于2016年8月12日降雨的雨強(qiáng)和雨量均大于2011年的降雨過(guò)程，引發(fā)的溝道徑流的水動(dòng)力學(xué)條件要大于2011年暴雨泥石流。因此，泥石流侵蝕過(guò)程中能夠搬運(yùn)的顆粒粒徑也增大。

雖然野外調(diào)查表明坡面土體并不是這兩次泥石流活動(dòng)的主要物質(zhì)來(lái)源，但是它們的級(jí)配都有一個(gè)共同特征：黏粒含量不到5%，砂粒成分占絕大部分。由于黏粒含量是影響泥石流漿體性質(zhì)的重要特征之一，黏粒含量越低，漿體黏度越低，屈服應(yīng)力越接近于零，即無(wú)時(shí)間效應(yīng)。此外，根據(jù)樣品體積和重量計(jì)算容重表明，容重高達(dá)1.9 kN/m3。根據(jù)容重對(duì)泥石流流體性質(zhì)的分類(lèi)，屬于高容重低黏度泥石流。

圖3 兩次泥石流體以及坡面土體級(jí)配Fig. 3 The particle curve of two debris flow deposits and the slope soils

圖4 泥石流侵蝕前后溝床對(duì)比Fig.4 Comparison the channel morphology after debris flows

2 泥石流侵蝕過(guò)程及其特征

2.1 侵蝕深度

由于筆者在2016年曾對(duì)該溝進(jìn)行過(guò)一次考察(圖4a)，溝道內(nèi)整體地形非常平坦，植被茂盛，未見(jiàn)兩側(cè)岸坡有崩塌和滑坡等物源體。2016年8月12日的強(qiáng)降雨引起的溝道徑流侵蝕溝床沉積物形成泥石流，導(dǎo)致溝道嚴(yán)重下切。經(jīng)過(guò)前后兩次考察的圖片對(duì)比分析后表明泥石流只將溝道中間部分下切，并未造成兩側(cè)山地坡腳沖刷。因此，在2017年4月5日用三維激光掃描儀對(duì)溝道侵蝕區(qū)進(jìn)行了地形掃描。掃描精度為1.0 m，將掃描后的柵格數(shù)據(jù)點(diǎn)在GIS里面集成以獲取侵蝕前、侵蝕后和侵蝕深度云圖。侵蝕前的地形高程通過(guò)溝岸兩側(cè)的未受到泥石流侵蝕的溝岸平臺(tái)創(chuàng)建。將侵蝕前的數(shù)字高程圖(DEM)減去侵蝕后的DEM得到侵蝕深度云圖(圖5)。

圖5 侵蝕區(qū)溝道侵蝕深度分布Fig. 5 The distribution of eroded depth in erosion area

從圖4為泥石流侵蝕前后的溝床高程起伏對(duì)照可以看出，在2016年8月12日暴雨后，溝床中的大量沉積物被泥石流侵蝕搬運(yùn)。由于該溝形成區(qū)沒(méi)有大面積崩塌和滑坡存在，形成區(qū)并沒(méi)有像侵蝕區(qū)那樣較大的溝床起伏變化。

圖5清楚地展示了泥石流溝侵蝕段溝床的起伏變化。整體而言，溝床凹岸侵蝕劇烈程度要高于凸岸。由于侵蝕前的溝床高程起伏不平，2016年的泥石流使溝道起伏度降低(圖6)，溝床線較為平緩。由于整個(gè)侵蝕區(qū)為一彎曲溝段，通過(guò)對(duì)凸岸、中間線和凹岸的侵蝕深度變化分析表明：

H凸岸

式中：H——侵蝕深度，m。

在整個(gè)侵蝕區(qū)中，溝床下切最為嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在三個(gè)地段：B段溝道中部，B段至C段的溝道凹岸處，以及C段的溝道中部。在B段和C段，最大侵蝕深度達(dá)到5.5 m，而B(niǎo)點(diǎn)至C點(diǎn)的溝道彎道處最大侵蝕深度達(dá)到6.5 m，是整個(gè)侵蝕區(qū)侵蝕最為強(qiáng)烈的溝段。由于從上游形成的泥石流經(jīng)過(guò)B點(diǎn)所在溝床段加速運(yùn)動(dòng)后，剛好正對(duì)BC所在的溝床段切向侵蝕溝床，加上泥石流體流經(jīng)溝道的離心力的疊加作用，導(dǎo)致該溝床段侵蝕最為劇烈；而B(niǎo)C彎道凸岸受到泥石流侵蝕作用較小，侵蝕深度也較小。在野外調(diào)查過(guò)程發(fā)現(xiàn)，彎道處在泥石流侵蝕作用下形成了較深的侵蝕坑；而凸岸雖然經(jīng)過(guò)一定的沖刷，由于泥石流流經(jīng)彎道處最外側(cè)速度較快，內(nèi)側(cè)速度要小于外側(cè)。因此，凸岸一側(cè)堆積有大量石塊，但整體地勢(shì)要比侵蝕前要低。

圖6 侵蝕前、后溝床高程變化Fig.6 The topographical change of channel

2.2 侵蝕過(guò)程中的能量和侵蝕率

前文分析了泥石流侵蝕過(guò)程的侵蝕深度變化，為定量分析該過(guò)程，對(duì)不同斷面的平均流速、能量變化和泥石流對(duì)溝床沉積物的侵蝕力進(jìn)行了分析。

每個(gè)斷面的平均流速計(jì)算方法為：

V=mH1/2J1/4(2)

式中：V——斷面平均流速/(m·s-1)；

m——外阻力系數(shù)；

H——流深/m(此處為侵蝕深度)；

J——溝床比降/‰。

整個(gè)侵蝕區(qū)長(zhǎng)約330 m，將其劃分為11個(gè)溝段，共計(jì)10個(gè)橫斷面，對(duì)每個(gè)橫斷面的平均流速和侵蝕段的侵蝕量進(jìn)行計(jì)算得到圖7。

由于泥石流沿程的速度變化與地勢(shì)變化密切相關(guān)，為了定量表征能量變化與侵蝕量之間的關(guān)系，將泥石流流經(jīng)某一溝段的能量比定義為：

式中：v1和v2——溝段上游和下游某斷面的速度；

E——表征了泥石流經(jīng)過(guò)一溝床段的能量變化。

若E<1，即v1

泥石流體對(duì)溝床沉積物的剪切力表示為：

τ=γHJ(4)

式中：τ——剪切力/Pa；

γ——容重/(g·cm-3)(為1.9)；

H和J同前。

圖7 流速和侵蝕量變化Fig. 7 Variation in flowing velocity and eroded volume

由圖7可見(jiàn)，侵蝕量與流速的變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。在前150 m的溝段(AB段)，由于侵蝕深度漸進(jìn)式地增加(溝坡=7.4°)，泥石流流速也逐漸增加。當(dāng)泥石流流經(jīng)C點(diǎn)所處的跌坎時(shí)，由于原始地形本來(lái)為一比降較大的陡坎，導(dǎo)致泥石流流經(jīng)該處時(shí)流深減小，速度降低。實(shí)際調(diào)查和計(jì)算結(jié)果表明：該段的侵蝕深度從5 m降低到1 m，流速?gòu)?.8 m/s降低到4.32 m/s，能量比達(dá)到55.5%。表明由于泥石流因跌落后與溝床的近垂直撞擊，導(dǎo)致用于與溝床沉積物相互作用的那部分能量被消耗，進(jìn)而導(dǎo)致在這一段泥石流的侵蝕能量下降。雖然流速有所降低，但泥石流仍然侵蝕溝床，平均單位溝長(zhǎng)的侵蝕率達(dá)到6.9 m3/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AB段末泥石流的侵蝕率(24 m3/m)。

當(dāng)泥石流流經(jīng)C點(diǎn)所處的跌坎后，由于泥石流體的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但沒(méi)有跌落、撞擊等消耗泥石流與溝床沉積物相互作用的能量，導(dǎo)致流速進(jìn)一步增加，泥石流也劇烈侵蝕溝床沉積物，侵蝕率也增加。計(jì)算結(jié)果表明：流速?gòu)?.32 m/s增加至5.95 m/s，單位溝長(zhǎng)的侵蝕率也從6.9 m3/m增加至26.7 m3/m，超過(guò)了AB段的侵蝕率。

在公式(4)中，假定泥石流體的容重不變，那么泥石流體對(duì)溝床沉積物的侵蝕能力主要與深度和比降相關(guān)，通過(guò)對(duì)圖6中已標(biāo)出溝床坡度以及侵蝕前后的溝床深度，計(jì)算得到剪切力見(jiàn)表1。

從表1可以看出，剪切力大小與溝床比降和深度并不呈正相關(guān)關(guān)系。但是，剪切力卻與平均侵蝕率正相關(guān)關(guān)系明顯。這表明：此類(lèi)泥石流對(duì)溝床物質(zhì)的侵蝕作用是與侵蝕力密切相關(guān)的。而且對(duì)于侵蝕率的沿程變化可以看出，侵蝕力和侵蝕率都在逐漸增加(圖8)。這表明：這類(lèi)泥石流形成初期的規(guī)模并不大，通過(guò)對(duì)溝床沉積物的劇烈侵蝕作用，造成溝床下切越來(lái)越嚴(yán)重，侵蝕能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致越來(lái)越多的溝床沉積物參與到泥石流形成過(guò)程中。

表1 圖6中所示溝段的坡度，侵蝕深度，剪切力和侵蝕率

圖8 泥石流體剪切力侵蝕率的關(guān)系Fig. 8 The relationship between shear stress and yield rate

2.3 林木的消能作用

國(guó)內(nèi)外已有研究表明林木在泥石流防治中能發(fā)揮提高激發(fā)雨量閾值、消能的作用[20-22]。但一些作者研究發(fā)現(xiàn)林木倒伏進(jìn)入溝道后會(huì)起到臨時(shí)“堰塞體”的作用。當(dāng)上游泥石流來(lái)臨，林木結(jié)構(gòu)緊縮，當(dāng)不能夠承受泥石流體的推力時(shí)，結(jié)構(gòu)破損，堰塞體潰決，進(jìn)一步增大泥石流的規(guī)模和流量。多數(shù)研究表明：這些倒伏后的林木在堰塞體中的排列方式多以橫擋為主[23-24]。

在野外調(diào)查表明：泥石流流經(jīng)林木區(qū)時(shí)(圖9)，溝道中間并沒(méi)有產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕作用，甚至在林木迎水面形成大量的疊瓦式堆積，而溝道兩側(cè)產(chǎn)生了沖刷。在林木區(qū)下游，雖然溝床侵蝕深度較深，但剪切力和平均侵蝕率都不大。而在此段前后泥石流的運(yùn)動(dòng)速度分別為：4.0 m/s 和1.8 m/s。速度有明顯的減小。可見(jiàn)，泥石流流經(jīng)林木區(qū)時(shí)，能量被大幅度削減，能耗率達(dá)到80%(即1-E)。因而，泥石流對(duì)溝床沉積物侵蝕作用也被大大削減。

圖9 泥石流沖擊溝口附近的林區(qū)Fig. 9 The plants damaged by debris flows in downstream

根據(jù)對(duì)溝道中林木的倒伏方式來(lái)看，有以下三種類(lèi)型：全跨溝岸、半跨溝岸和順溝倒伏(圖10)。全跨溝岸是由于位于溝岸坡上的林木在泥石流側(cè)向侵蝕作用下導(dǎo)致根系底部的土體被沖刷帶走導(dǎo)致；半跨溝岸的林木以?xún)A斜方式倒伏在溝道中，冠幅部分位于溝岸上，根系部分在溝道中；而順溝倒伏方式是林木的倒伏方向沿著泥石流運(yùn)動(dòng)方向。位于倒伏區(qū)以外(下游方向)，泥石流的洪痕高度大致為0.5 m。在該段，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)倒伏林木，有大量林木的樹(shù)皮被剝蝕掉了。這說(shuō)明，在倒伏區(qū)以外，泥石流的能量主要被撞擊消耗掉。根據(jù)公式(2)計(jì)算撞擊區(qū)的流速(坡度8.1°)為1.2 m/s。較流經(jīng)林木前和倒伏區(qū)的泥石流的動(dòng)能相比，能耗率達(dá)到：90%和60%?？梢?jiàn)，由于大部分的林木都是順溝方式倒伏，加上倒伏區(qū)以外的林木與泥石流之間的撞擊作用，導(dǎo)致泥石流的能量被大幅度消耗，起到了有效的消能作用。

圖10 泥石流流經(jīng)林木區(qū)深度變化和林木倒伏方式Fig .10 The simplified map showing the erosion depth and the lodging pattern of plants

3 討論

泥石流的侵蝕作用是導(dǎo)致其流量、規(guī)模增大和破壞性增強(qiáng)的主要原因。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)大量模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了研究。由于泥石流多發(fā)生在偏遠(yuǎn)山區(qū)，且暴發(fā)突然、速度快、危害大，對(duì)天然條件下的泥石流侵蝕過(guò)程研究較少。筆者以北京市密云區(qū)縣曹莊子流域泥石流為例，通過(guò)發(fā)生前和發(fā)生后的場(chǎng)景，降雨、級(jí)配分析以及地形掃描分析了該場(chǎng)泥石流的侵蝕過(guò)程。

通過(guò)地形掃描分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：泥石流侵蝕初期對(duì)溝床的侵蝕作用要小，侵蝕深度也比較淺，而隨著泥石流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，侵蝕深度逐漸加深，導(dǎo)致對(duì)溝床的侵蝕作用加??；當(dāng)泥石流流經(jīng)溝道中的地形突變段，往往會(huì)加大泥石流對(duì)溝床的侵蝕作用，在地形突變段下游形成一嚴(yán)重侵蝕區(qū)。這種因地形突變(如跌坎、壩體破損)導(dǎo)致的侵蝕效應(yīng)在甘肅舟曲泥石流、汶川災(zāi)區(qū)文家溝也有發(fā)現(xiàn)[25-26]。

從泥石流體性質(zhì)來(lái)看，該場(chǎng)泥石流屬于高容重、低黏度泥石流。從泥石流形成的動(dòng)力學(xué)條件而言，屬于典型的水力型泥石流。研究中發(fā)現(xiàn)剪切力和侵蝕率的正相關(guān)關(guān)系說(shuō)明溝床沉積物在水流作用下起動(dòng)過(guò)程與剪切力密切相關(guān)。在建立該類(lèi)泥石流起動(dòng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型時(shí)，需考慮水流對(duì)溝床沉積物的剪切作用。

泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其泥石流體內(nèi)部的流體剪切力，顆粒碰撞力等都與泥石流的侵蝕作用密切相關(guān)[27]。本文雖然對(duì)該泥石流的沿程侵蝕作用進(jìn)行了分析，但是由于激發(fā)該場(chǎng)泥石流的雨量過(guò)程短暫，溝道比較順直，溝岸兩側(cè)較少留下泥石流堆積物，無(wú)法為基于無(wú)量綱參數(shù)分析侵蝕過(guò)程中主控作用力提供數(shù)據(jù)支撐。

此外，本文還對(duì)林木在泥石流的效能作用了提供了案例分析。雖然通過(guò)林木的倒伏方式和速度兩個(gè)方面分析了消能作用，但尚未能夠起到最大能耗的林木空間配置進(jìn)行分析，在今后的研究中將深入分析該科學(xué)問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文以北京市密云區(qū)龍?zhí)稖暇皡^(qū)曹莊子2016年8月12日泥石流為例，通過(guò)野外調(diào)查、地形掃描分析了該場(chǎng)泥石流的特征和侵蝕過(guò)程，結(jié)果表明：

(1)該場(chǎng)泥石流為典型水力型泥石流，泥石流體中黏粒含量不到5%，砂粒成分占絕大部分。

(2)溝床物質(zhì)被泥石流侵蝕攜帶的侵蝕率與流速變化趨勢(shì)一致，侵蝕率與泥石流體提供的剪切力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

(3)初步總結(jié)了三種林木受泥石流沖擊時(shí)的三種倒伏方式，速度計(jì)算結(jié)果表明：林木能夠降低泥石流流速，消耗泥石流動(dòng)能，進(jìn)而起到減小泥石流破壞性的作用。