舒安平，朱福楊，王 澍，沈真全

（1. 北京師范大學環(huán)境學院水沙科學教育部重點實驗室，北京 100875；2. 北京大學工學院，北京 100871）

1 研究背景

中國是世界上泥石流分布最廣、致災影響最為嚴重的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在2005—2015年間，全國有23個省市共發(fā)生泥石流災害10 927起，直接經(jīng)濟損失142億元［1-3］。泥石流作為我國一種常見的山地災害，按照形成條件以及起動方式可分為常遇型、潰壩型和滑坡型三種［4］，潰壩泥石流是由于滑坡、地震或者火山熔巖等因素產(chǎn)生大量固體物質(zhì)淤堵溝道形成堵塞體，或淤堵河道后形成堰塞湖，在降雨或匯流沖刷下潰決形成［5-6］。然而，堰塞湖的形成會對上游造成淹沒災害，天然形成的巨大水庫還將對下游河道的水利設施以及沿岸的人民生命財產(chǎn)安全構成巨大威脅，一旦壩體發(fā)生潰決，形成潰壩泥石流或洪水，將對下游造成不可估量的巨大損失［7］。因此，對潰壩泥石流起動過程的動力學特征進行研究，從而為我國潰壩泥石流災害的防治提供技術支持，具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。

前人對潰壩問題的研究主要集中在潰壩后洪峰流量、水位過程線和下游演進過程的預測［8］。從1871年圣維南方程組的提出，到1892年Ritter首次得到矩形斷面潰壩流量計算公式，之后Stoker在前人研究的基礎上，將Ritter公式擴展到下游有水的情況，隨后很多外國學者繼續(xù)深入研究，考慮非矩形斷面和摩阻作用獲得了豐碩成果［9-12］。在理論研究的基礎上，外國學者也進行了大量的潰壩沖刷室內(nèi)模擬實驗，來模擬土石壩體潰口沖刷和洪水的演變過程［13-15］，有的研究者甚至進行了野外潰口沖刷實驗［16］，美國也曾在現(xiàn)場做過1∶2的大型模擬實驗［12］。1950年代后，隨著我國水利事業(yè)的興起，我國研究者也逐漸開始關注潰壩及其所產(chǎn)生的洪水泥石流災害問題，并針對長江和黃河流域進行了大量潰壩模型實驗，從而得到潰壩流量過程線經(jīng)驗公式、下游淹沒范圍、災害損失以及防護措施等寶貴成果［1，17-18］。然而，潰壩泥石流相比于潰壩洪水，具有更加復雜的形成機制和流動特性，它由固、液兩相物質(zhì)在流動過程中相互作用形成，并受地形地質(zhì)條件的影響，具有顆粒級配廣、流速分布不均和容重大等特點，因此它的沖擊力更強，成災毀滅性更大，值得深入研究。

目前，專門針對潰壩泥石流的研究相對較少，很多學者在研究泥石流形成過程中會發(fā)現(xiàn)和注意到潰壩泥石流的現(xiàn)象，并取得了一些初步成果，如莊建琦等［19］在實驗中發(fā)現(xiàn)的堵潰式泥石流，容重達到1.7～1.9 g/cm3；舒安平等［4］在實驗中發(fā)現(xiàn)，潰壩型泥石流在相同條件下的水流強度最大；還有學者曾對尾礦庫潰壩泥石流的淹沒范圍、沖擊力、速度、堆積深度以及防護措施等特征進行過研究［20-21］。盡管如此，迄今尚缺乏對潰壩泥石流形成條件和過程的系統(tǒng)研究，其形成動力學機制也不清楚。

特別值得說明的是，無論是由于地震及其崩塌、滑坡等二次災害形成堰塞湖，在匯流滲透和水流沖刷動力作用下引發(fā)自然潰壩災害，還是由于洪水滲流和沖刷動力作用下會形成人工堤壩潰決災害，二者盡管在土壤顆粒組成、壩體結構和初始上下游水力條件等方面不同，但其共同的特點都是在上游來水匯流沖刷下發(fā)生天然或人工壩體的潰決，因此很有必要對因天然堰塞湖潰壩和人工堤壩潰決誘發(fā)泥石流形成過程進行概化和系統(tǒng)研究。

鑒于此，本文專門以非均質(zhì)潰壩泥石流為研究對象，根據(jù)泥石流形成的物源、水源和地形條件這三大要素，設計了24組潰壩泥石流模擬實驗。非均質(zhì)泥石流的形成過程可分為三個階段，即固體泥沙顆粒起動、加速混摻和兩相流形成，本次研究重點關注泥石流在形成區(qū)的起動過程。首先根據(jù)潰壩泥石流的起動方式和實驗現(xiàn)象對其起動模式進行概括，闡明其形成特點，并分析不同實驗條件對起動模式的影響，再根據(jù)孔隙水壓和相對剪切力等動力學指標的變化特征，對比分析不同起動模式下潰壩泥石流的動力學特征。研究成果對泥石流災害治理工程的規(guī)劃設計以及提高潰壩泥石流監(jiān)測預警水平具有重要指導意義。

2 實驗概述

本次實驗是在中國科學院東川泥石流觀測研究站的自制泥石流模擬變坡水槽中進行，實驗中采用不同方式鋪設的土砂礫層作為物源條件，以控制水箱的出水流量作為水源條件，以改變水槽坡度作為地形條件，用來模擬不同形成條件下的潰壩泥石流運動過程，并運用MEAS-KPSI-735（USA）孔隙水壓力計和SONY-ILCE-5100（JPN）高速攝像機進行輔助測量，并拍攝泥石流運動過程。

2.1 實驗裝置泥石流模擬變坡水槽及其結構示意圖見圖1所示。該實驗裝置由水箱、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)4個部分構成。水槽側(cè)壁鋼化玻璃上繪制有10 cm×5 cm的網(wǎng)格線。水箱底面為1m×1m的正方形，高1.1 m，總?cè)莘e1.1 m3，進水口裝有自動抽水泵，出水口裝有可調(diào)節(jié)流量大小的閥門；形成區(qū)由兩段組成，上段連接水箱出水口，水槽長2 m×寬1 m×深0.5 m，下段與流通區(qū)相連接，水槽底面為斜長1 m，上底寬0.3 m，下底寬1 m的等邊梯形，水槽深度從0.5 m逐漸過渡至0.4 m，形成區(qū)的變坡范圍為0～10°；流通區(qū)水槽長6 m×寬0.3 m×深0.4 m，變坡范圍為15°～35°；堆積區(qū)水槽長3 m×寬1.5 m×深0.2 m。

圖1 泥石流模擬變坡水槽結構

2.2 實驗條件實驗用沙采用東川蔣家溝泥石流溝道堆積物料，以原狀沙為基料，再通過配制形成粗顆粒和細顆粒兩種物料，共計3種實驗用沙，它們中值粒徑分別為3.96、4.88 和2.24 mm，顆粒級配曲線如圖2所示。

為了模擬不同影響因子組合條件下潰壩泥石流的形成動力過程，基于泥石流形成的三大要素物源、水源和地形，結合潰壩泥石流的特點，綜合確定模擬實驗的主要因子為流量Q、壩體堆積高度H、粗細顆粒的鋪設方式（非均質(zhì)系數(shù)Ψ）和流通區(qū)水槽坡度S 4種，各因子設計的實驗條件如下：（1）水箱出水流量（2種）：2.4 m3/h和13.1 m3/h；（2）壩體堆積高度（2種）：25 cm和35 cm；（3）底沙鋪設方式（3種）：均勻混合（Ψ=1.0）、上粗下細（Ψ=2.18）和上細下粗（Ψ=0.46）；（4）流通區(qū)水槽坡度（2種）：25°和35°。

將上述4種實驗因子進行組合，共得出24組實驗條件，并可分為局部型和整體型兩種泥石流潰決方式（詳見3.1節(jié)）。在24組實驗中前者共有11組，后者共有13組，實驗所依據(jù)的水沙條件見表1。

圖2 實驗土體顆粒粒徑累積曲線

表1 實驗所依據(jù)的水沙條件

2.3 實驗方法及流程在實驗前期準備工作中，首先需將準備好的實驗原材料按照不同的壩體堆積高度和鋪設方式，在固定位置進行土體鋪設，并將孔隙水壓力計埋設在壩高10 cm（探頭3）、20 cm（探頭2）和30 cm（探頭1）處（針對35 cm的高壩才設置探頭1），并進行相應調(diào)試。壩體堆積工作結束后，將兩臺高速攝像機分別架設于水槽側(cè)面和正面，確保畫面清晰，視野范圍覆蓋泥石流運動全過程。每組實驗前，打開水箱進水泵，將水箱注滿。

實驗正式開始，打開水箱閥門至恒定流量2.4 m3/h或13.1 m3/h，與此同時開啟孔隙水壓力計和兩臺高速攝像機進行觀測。在水位逐漸上漲的過程中，于壩前放置塑料球以及泡沫浮標作為示蹤標志物，便于泥石流流速的測量。在潰壩泥石流大規(guī)模形成的瞬間，分別在流通區(qū)A、B、C三點處進行采樣。待壩體局部或整體沖毀后，剩余壩體達到穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨水流的沖刷而形成泥石流，此時停止實驗，關閉水箱出水閥、孔隙水壓力計和高速攝像機。當形成區(qū)滯留水量全部流下后，在泥石流堆積區(qū)中線上D、E處進行采樣，并對潰壩泥石流發(fā)生后的壩體形態(tài)以及堆積區(qū)形態(tài)進行拍攝和記錄。實驗結束后，對實驗樣品進行稱重、烘干處理，并完成顆粒分析試驗，最終對全部實驗資料進行整理分析，此次潰壩泥石流容重范圍在1.45～1.85 t/m3之間。實驗流程如圖3所示。

圖3 潰壩泥石流實驗流程圖

3 潰壩泥石流起動特點及其動力學特征

3.1 潰壩泥石流概化模式及起動特點

3.1.1 概化模式 根據(jù)潰壩泥石流實驗觀測到兩種實驗現(xiàn)象，一種為水流切溝侵蝕→岸坡崩塌→堵塞水流→局部潰決→泥石流；另一種為水流全面漫頂→溯源侵蝕→壩體坦化→整體潰決→泥石流。據(jù)此按照泥石流的潰決模式，可將潰壩泥石流分為局部潰壩型和整體潰壩型兩類泥石流，圖4顯示了這兩種模式潰壩泥石流的實驗特征。

圖5 潰壩泥石流兩種概化模式

3.1.2 起動特點

（1）局部潰壩型泥石流。由于水流切溝侵蝕造成局部潰壩型泥石流發(fā)生的過程可以概括為水流切溝侵蝕-岸坡崩塌-堵塞水流-局部潰決形成泥石流。切溝侵蝕形成局部潰壩型泥石流，主要是依靠水流的剪切作用，對壩體頂端局部形成下切侵蝕，切溝逐漸加深、加寬，土體含水率和孔隙水壓力持續(xù)上升，最終導致壩體切口兩側(cè)或單側(cè)的邊壁土體失穩(wěn)，崩塌后土體滑落堵塞水流，隨著水量增加，凈水壓力逐漸升高，超出壩體局部所能承受的閾值時，瞬時潰決，形成潰壩泥石流［22］。

（2）整體潰壩型泥石流。水流全面漫頂后對壩體背部造成溯源侵蝕并發(fā)生整體潰壩型泥石流的現(xiàn)象可以概括為水流全面漫頂-溯源侵蝕-壩體坦化-整體潰決形成泥石流。壩體背部整體發(fā)生溯源侵蝕形成潰壩泥石流，主要是依靠水流漫頂后對壩體背部的沖刷作用，水流攜帶大量泥沙，使壩體厚度急劇減小，壩體高度也有所下降，逐漸坦化，土體含水率和孔隙水壓力持續(xù)上升，壩體所能承受住的水力壓強減小，最終整體失穩(wěn)，瞬間潰決，形成潰壩泥石流。

綜上所述，壩體堆積物質(zhì)在水流作用下形成潰壩泥石流，主要是由于土體含水量和孔隙水壓力快速升高，再加上水流的剪切作用和自身重力作用，導致土體顆粒起動，壩體潰決并最終形成泥石流［19］。因此，在潰壩泥石流實驗研究中，需要通過分析孔隙水壓力、流速等水動力因子，重點闡述潰壩泥石流在起動過程中的動力學機理，并通過改變潰壩泥石流發(fā)生的物源（壩體高度H和鋪設方式Ψ）、水源（流量Q）和地形條件（坡度S），揭示潰壩泥石流的動力學變化特征。

圖5 局部潰壩型泥石流工況統(tǒng)計

3.2 局部潰壩型泥石流動力學特征

3.2.1 成因分析 11 組局部潰壩型泥石流實驗工況統(tǒng)計結果，如圖5 和表2 所示。圖5 中圖例小、中、大分別代表各實驗參數(shù)的數(shù)值大小。統(tǒng)計結果表明，11組局部潰壩型泥石流在實驗參數(shù)壩高下分布情況并無明顯差異性，十分均衡。然而，在11 組實驗中，只有2 組實驗是在大流量條件下形成，其余9組全部為小流量，所占比例高達82%，這充分說明壩體上游來水流量小是形成局部潰壩型泥石流的重要條件。因為，當壩體上游來水流量較小時，水流在逐漸漫頂?shù)倪^程中，不會瞬間形成全面漫頂，因此水流對壩體頂端局部有較為充分的時間產(chǎn)生下切侵蝕，當切溝逐漸形成，過水流量逐漸增大，直至來水流量與過水流量相等，此時壩前水位不再繼續(xù)上升，因此無法形成全面漫頂，最終隨著切溝的逐漸加深、加寬，水位會開始下降，切溝兩側(cè)或單側(cè)的邊壁土體由于長時間與水流相接觸，土體含水量急劇升高，且邊壁陡峭，最終失穩(wěn)崩塌堵塞溝道。當水槽坡度較小時，減小了土體自重沿水槽坡面的下滑力，壩體不易于發(fā)生整體失穩(wěn)。所以，小流量、小坡度下更容易形成局部潰壩型泥石流。

表2 局部潰壩型泥石流工況統(tǒng)計

在11組實驗中，非均質(zhì)系數(shù)Ψ=2.18的有6組，而Ψ=0.46只有1組，兩者比例相差6倍。這說明在上粗下細鋪設方式下容易形成局部潰壩型泥石流。因為當粗顆粒在上時，土體孔隙率較大，水位上漲的過程中土體含水率和孔隙水壓快速升高，滲流作用的存在加劇了土體顆粒的運動，當水流漫頂后，上層土體已充分浸潤，部分粗顆粒便隨之起動，進而引發(fā)大量固體顆粒聯(lián)動，水流迅速下切，切溝逐漸加深、加寬，邊壁上部濕潤的粗顆粒土體易于失穩(wěn)崩塌堵塞水流；下部細顆粒土體不易于水流滲透，當坡度較小時，不容易發(fā)生整體失穩(wěn)。

3.2.2 動力學特征 突發(fā)性強是泥石流災害往往造成重大損失的主要原因之一［23］，因此泥石流的起動力學機制和起動時間一直是泥石流研究的重點和熱點。舒安平等［24］從土體顆粒的受力出發(fā)，以水流剪切力與顆粒起動臨界剪切力的比值，作為起動判別式，當比值大于l時判定泥石流顆粒處于起動狀態(tài)。

水流剪切力計算公式：

式中：τ為水流剪切力；γ為水體容重；h為平均水深；J為水力坡降。

顆粒起動臨界剪切力擬合公式：

式中：τc為顆粒起動臨界剪切力；d為土體中值粒徑d50；Re*表示沙粒雷諾數(shù)，即

因此，起動判別式：

在泥石流起動判別式中，水流剪切力τ的計算用的是平均水深，計算結果為水流對床面的剪切力，并不是對表層泥沙顆粒的剪切力。因此，在局部潰壩泥石流起動過程中，它是對潰口處底部土體整體的剪切力，這正好能夠充分反映潰壩泥石流的起動特征。對11組局部潰壩型泥石流進行起動判別計算分析，如表3所示。結果表明，局部潰壩型泥石流相對剪切力（水流剪切力與起動臨界剪切力比值）τ/τc的范圍在12.525～17.237之間，平均值為14.70，比值結果遠遠大于1。

表3 局部潰壩型泥石流起動判別計算結果

3.3 整體潰壩型泥石流動力學特征

3.3.1 成因分析 13 組整體潰壩型泥石流實驗工況統(tǒng)計結果，如圖6 和表4 所示，圖6 中圖例小、中、大分別代表各實驗參數(shù)的數(shù)值大小。統(tǒng)計結果表明，13 組整體潰壩型泥石流在實驗參數(shù)壩高下分布情況并無明顯差異性，十分均衡。13 組實驗中，大流量有10 組，所占比例高達77%。因為，當壩體上游來水流量較大時，水流會在很短的時間內(nèi)形成全面漫頂，并不只是在壩體頂端局部形成切溝侵蝕，因此短時間的全面漫頂，保證了水流對壩體背部的全面侵蝕和沖刷，而坡度較大時，增加了土體自重沿水槽坡面的下滑力，壩體更容易整體失穩(wěn)。所以，在大流量、大坡度下更容易形成整體潰壩型泥石流。

圖6 整體潰壩型泥石流工況統(tǒng)計

表4 整體潰壩型泥石流工況統(tǒng)計

在13組實驗中，非均質(zhì)系數(shù)Ψ=0.46的有7組，而Ψ=2.18只有2組，兩者比例相差3.5倍。這說明在上細下粗鋪設方式下容易形成整體潰壩型泥石流。原因在于當細顆粒在上時，孔隙率較小，土體不易于滲透，水流全面漫頂后，土體顆粒才開始起動，此時背部大量土體迅速被水流沖刷帶走，壩體厚度迅速減小，并逐漸坦化；又由于底部粗顆粒易于水流滲透，底部土體被充分浸潤，摩擦力減小，在大坡度下易于發(fā)生整體失穩(wěn)，并最終形成泥石流。

3.3.2 動力學特征 對13組整體潰壩型泥石流進行起動判別計算分析，如表5所示。結果表明，整體潰壩型泥石流相對剪切力τ/τc的比值范圍在16.635～46.378之間，平均值為26.59，比值結果遠遠大于1。

表5 整體潰壩型泥石流起動判別計算結果

4 不同類型潰壩泥石流的對比分析

上述24 組潰壩泥石流實驗相對剪切力τ/τc的比值范圍在12.525～46.378 之間，平均值為21.14，比值結果遠遠大于1。泥石流相對剪切力越大，表明泥沙顆粒越易于起動。田露［25］在研究中發(fā)現(xiàn)常遇型泥石流的相對剪切力一般介于4.1～13.8之間。通過對比分析，潰壩泥石流的相對剪切力遠遠大于常遇型泥石流，兩種不同類型泥石流相對剪切力大小的分界也較為明顯，大體介于12.5～13.8之間，小于12.5基本可以判定為常遇型泥石流，這說明潰壩泥石流在起動的瞬間往往需要更大的相對剪切力。兩類泥石流在起動的過程中，都受到水流的沖刷作用，主要差別在于滲流作用的影響，滲流的存在會加劇泥沙顆粒的運動，而常遇型泥石流受滲流作用更為明顯。

局部與整體潰壩型泥石流相對剪切力的對比分析表明，整體潰決形成泥石流往往需要更大的相對剪切力，其平均值是局部潰決的1.8倍，兩者相對剪切力大小的分界也較為明顯，大體介于16.6～17.2之間，大于17.2基本可以判定為整體潰壩型泥石流，這是由于整體潰決所需要的侵蝕驅(qū)動力更大，相較于局部潰決更難于起動形成潰壩泥石流。

從上游來水，到潰壩泥石流的形成，整個過程的歷時是泥石流災害防治和預警研究的重點。前人研究成果表明，埋設在土體中的孔隙水壓力計，其讀數(shù)變化可以很好的反映土體顆粒的起動情況［4，26］。如圖7 所示，為兩種不同類型潰壩泥石流孔隙水壓力變化曲線圖，分別以No.14 組實驗和No.17組實驗為例進行說明。圖7（a）中，由于Ψ=2.18，下部細顆粒不易于水流滲透，初始階段探頭3并未有明顯升高，當最上處探頭1急速下降時，此時探頭2還處于上升階段，隨著切溝逐漸加深，探頭2急速降落，伴隨有邊壁土體崩塌，此時探頭3迅速上升，伴隨有一小段時間的穩(wěn)定波動后，迅速下降，最終形成局部潰壩型泥石流，這與切溝逐漸加深、加寬，邊壁土體失穩(wěn)，堵塞水流的物理過程相符合。圖7（b）中，實驗開始后，上游來水量增加，水位上漲，水流不斷滲入土體，孔隙水壓力升高，探頭3讀數(shù)最先開始增加，隨著水位的進一步升高，探頭2和探頭1讀數(shù)開始逐漸升高，各探頭在到達峰值后，幾乎同一時間瞬間斷崖式下降。這與整體潰壩型泥石流的實際情況相符合，瞬間的整體潰決，孔隙水壓迅速減小，3個探頭的監(jiān)測變化具有很強的一致性。

因此，綜合上述對兩種不同類型潰壩泥石流孔隙水壓測量曲線的分析表明，局部潰壩型泥石流起動的時間是圖中最后一個孔隙水壓急速下降的時刻，而整體潰壩型泥石流起動的時間則較為統(tǒng)一，為各探頭同時下降的時刻，這對確定潰壩泥石流的起動時間具有重大的意義。

圖7 孔隙水壓隨時間變化過程曲線

5 結論

（1）通過實施潰壩泥石流模擬實驗和成果分析，提出了潰壩泥石流的發(fā)生存在兩種模式，即局部型和整體型，其中局部潰壩型泥石流的發(fā)生模式可概括為切溝侵蝕→岸坡崩塌→堵塞水流→局部潰決→泥石流；整體潰壩型泥石流的發(fā)生模式可概括為全面漫頂→溯源侵蝕→壩體坦化→整體潰決→泥石流，兩者潰壩方式存在明顯差異性。

（2）實驗結果表明，小流量、小坡度下更容易形成局部潰壩型泥石流，大流量、大坡度下更容易形成整體潰壩型泥石流，而且后者突發(fā)性更強，形成規(guī)模與沖擊破壞力也更大，從水動學角度揭示了兩類潰壩泥石流的特性。

（3）通過對兩類潰壩泥石流相對剪切力τ/τc進行比較，得出整體潰壩型泥石流往往需要更大的相對剪切力，當τ/τc大于17.2時，容易發(fā)生整體潰壩型泥石流，否則容易發(fā)生局部潰壩型泥石流。由此表明整體潰決往往需要更大的侵蝕驅(qū)動力，相較于局部潰壩而言，整體潰壩更難起動形成潰壩泥石流。

需要說明的是，由于潰壩泥石流問題本身的復雜性，加之實驗存在一定局限性，下一步有必要深入開展?jié)文嗍靼l(fā)生時間和規(guī)模的研究，便于成果的實踐應用。