屈永平，肖 進(jìn)

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng)618000)

0 引 言

“5·12”汶川強(qiáng)震直接作用于四川地區(qū)，在強(qiáng)震區(qū)內(nèi)誘發(fā)了大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)入活躍期，遭受地震嚴(yán)重破壞地區(qū)的面積超過(guò)10×104km2。已有研究表明，地震作用后20年是地震次生災(zāi)害高發(fā)期[1]，唐川[2]認(rèn)為汶川強(qiáng)震區(qū)在地震后的10～15年內(nèi)為泥石流高發(fā)期。泥石流主要包括水力類(lèi)起動(dòng)泥石流、坡面類(lèi)起動(dòng)泥石流和潰決類(lèi)起動(dòng)泥石流[3]。汶川強(qiáng)震區(qū)泥石流物源種類(lèi)繁多，泥石流物源主要為滑坡、崩塌堆積體[4- 7]，泥石流類(lèi)型主要為暴雨型泥石流[2]、水力類(lèi)泥石流[8]、潰決型泥石流[9]。由于地震后效應(yīng)作用和震后強(qiáng)烈降雨匯流條件，使得汶川強(qiáng)震區(qū)泥石流的暴發(fā)頻率增加，泥石流起動(dòng)的降雨條件降低[2]。針對(duì)汶川強(qiáng)震區(qū)泥石流的特殊性，前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的野外和室內(nèi)試驗(yàn)[10- 12]，主要研究泥石流起動(dòng)過(guò)程中的臨界坡度、孔隙水壓力、降雨強(qiáng)度、流量、流速和侵蝕方量等[11- 13]。

泥石流溝道起動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥石流物源的堆積條件和物源儲(chǔ)量與泥石流的侵蝕、堆積特征密切相關(guān)[10]，在不同坡度條件下泥石流的起動(dòng)機(jī)制也不同，當(dāng)泥石流的溝道坡度為8°～17.5°時(shí)，泥石流物源主要以沖蝕、侵蝕起動(dòng)為主[11]；在降雨匯水過(guò)程中，泥石流的溝道物源的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量呈先增后降的趨勢(shì)，含水量為85%時(shí)，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值最大[13]；泥石流物源固體顆粒d50的起動(dòng)與泥石流的溝道坡度、地表徑流流速、流量相關(guān)[12]。綜上，水力類(lèi)泥石流的起動(dòng)與泥石流固體顆粒粒徑、物源含水量、地表徑流流深等參數(shù)密切相關(guān)。

為了更進(jìn)一步研究汶川強(qiáng)震區(qū)水力類(lèi)泥石流起動(dòng)過(guò)程中孔隙水壓、水位的變化特征，本文根據(jù)汶川強(qiáng)震區(qū)泥石流溝的野外調(diào)查，通過(guò)室內(nèi)水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)，分析泥石流起動(dòng)過(guò)程中的孔隙水壓和水位變化情況，為汶川強(qiáng)震區(qū)水力類(lèi)泥石流研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

“5·12”汶川地震后，汶川強(qiáng)震區(qū)誘發(fā)了1萬(wàn)多處崩塌、滑坡[15]。汶川強(qiáng)震區(qū)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(duì)泥石流物源的補(bǔ)給與泥石流暴發(fā)頻率直接相關(guān)[17- 18]。汶川震區(qū)滑坡堆積體具有結(jié)構(gòu)松散、粘粒含量低、磨圓度低等特點(diǎn)?；露逊e體主要堆積于泥石流溝道內(nèi)，在后期強(qiáng)降雨匯水條件下，短時(shí)間內(nèi)可能誘發(fā)泥石流過(guò)程[19]，即在強(qiáng)降雨匯流時(shí)，泥石流溝道內(nèi)形成一定流深的地表徑流，地表徑流對(duì)溝道堆積物的沖蝕搬運(yùn)，使得溝道堆積物參與至泥石流形成過(guò)程。研究區(qū)泥石流溝道堆積物侵蝕特征見(jiàn)圖1。泥石流溝分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)泥石流溝分布

研究區(qū)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(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，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(zhì)災(zāi)害高發(fā)期[23]。

在汶川地震后，研究區(qū)已暴發(fā)多次群發(fā)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(fā)的必要條件，2010年7月10日凌晨5:00，“7·10”群發(fā)性泥石流暴發(fā)，映秀鎮(zhèn)的前期累積降水為316.2 mm，降雨強(qiáng)度約為18.6 mm/h；水磨鎮(zhèn)的前期累積降水為219.1 mm，降雨強(qiáng)度16.9 mm /h。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用成都理工大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的泥石流動(dòng)力模擬裝置(見(jiàn)圖3)。試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)水槽、儲(chǔ)供水系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等3個(gè)部分組成。水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由尚水信息公司提供的多參考數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3組孔隙水壓力傳感器(9、10、11號(hào))和3組水位傳感器(1、2、3號(hào))組成，采集泥石流起動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙水壓力、水位等數(shù)據(jù)，智能電磁流量計(jì)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(yàn)水槽可調(diào)坡度為0°～22°。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4[8，24]。

圖3 泥石流動(dòng)力模擬裝置

圖4 試驗(yàn)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(shù)CU=22，曲率系數(shù)CC=4.2。溝道物源的試驗(yàn)級(jí)配曲線見(jiàn)圖5。

圖5 泥石流模擬試驗(yàn)顆粒級(jí)配

汶川強(qiáng)震區(qū)典型泥石流溝道堆積物的溝床坡度、堆積厚度等參數(shù)見(jiàn)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(jù)試驗(yàn)相似比，水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)的溝道堆積厚度設(shè)計(jì)為12 cm，試驗(yàn)水槽的設(shè)計(jì)坡度α為9°、12°和15°。水位以及孔隙水壓力通過(guò)傳感器傳輸至電腦[24]。試驗(yàn)槽斷面高35 cm，試驗(yàn)槽底部寬30 cm，試驗(yàn)槽長(zhǎng)6 m，底面糙率系數(shù)為0.3[8]。水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)槽設(shè)計(jì)坡度為15°、12°、9°，溝道物源設(shè)計(jì)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(yàn)水位特征

在12 cm堆積厚度和不同試驗(yàn)槽坡度(9°，12°和15°)條件下，水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)的全過(guò)程約為100 s，起動(dòng)的時(shí)間為80 s。試驗(yàn)過(guò)程中孔隙水壓力和水位變化特征見(jiàn)圖6。

圖6 水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)水位變化

從圖6可知：

(1)不同的試驗(yàn)槽坡度(9°，12°和15°)條件下，水力類(lèi)泥石流1號(hào)水位計(jì)的水位值關(guān)系為：9°<12°<15°。在0～50 s時(shí)段內(nèi)，水位值呈緩慢增加趨勢(shì)，在50～80 s時(shí)段內(nèi)水位值有波動(dòng)，即泥石流試驗(yàn)槽內(nèi)的固體顆粒起動(dòng)、搬運(yùn)導(dǎo)致水位值突增；在80～100 s時(shí)間段內(nèi)的水位值整體呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

(2)在相同試驗(yàn)槽坡度(9°)的水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)過(guò)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(yùn)，使得泥石流水位呈累積增加趨勢(shì)(20～60 s)，在泥石流溝道物質(zhì)起動(dòng)后，因試驗(yàn)槽泥石流堆積物強(qiáng)烈侵蝕，使得試驗(yàn)槽1、2、3號(hào)水位計(jì)的水位整體呈下降趨勢(shì)。

根據(jù)水力類(lèi)泥石流起動(dòng)試驗(yàn)的水位條件，得到各個(gè)時(shí)刻的泥石流水位值。12°試驗(yàn)條件下的2、3號(hào)水位與1號(hào)水位的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖7。從圖7可知，泥石流水位值在整個(gè)過(guò)程中無(wú)明顯線性分布規(guī)律，但其比值有集中現(xiàn)象，分別集中于坐標(biāo)軸的兩側(cè)，在泥石流起動(dòng)前期和運(yùn)動(dòng)后期的水位比值差異明顯，因?yàn)樵谠囼?yàn)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(shì)；在泥石流起動(dòng)后期，因?yàn)樯嫌蔚臏系蓝逊e物參與至泥石流過(guò)程中，即堆積物發(fā)生沿程侵蝕，使得泥石流水位值呈增加趨勢(shì)。

圖7 12°試驗(yàn)條件下水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)過(guò)程中水位變化關(guān)系

在此基礎(chǔ)上，水位比值(2號(hào)與1號(hào)，3號(hào)與1號(hào))相對(duì)集中，即反應(yīng)了水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)過(guò)程中，其對(duì)應(yīng)的各個(gè)時(shí)段的不同水位計(jì)記錄的水位值變化程度相近，且泥石流試驗(yàn)起動(dòng)前期水位呈增加趨勢(shì)，泥石流起動(dòng)過(guò)程中，泥石流試驗(yàn)水位呈降低趨勢(shì)。

2.3 試驗(yàn)孔隙水壓特征

在水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)過(guò)程中，孔隙水壓力的變化與泥石流的運(yùn)動(dòng)特征相關(guān)，不同試驗(yàn)坡度條件下水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)孔隙水壓變化見(jiàn)圖8。從圖8可知：

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

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

圖8 水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)孔隙水壓力變化

根據(jù)水力類(lèi)泥石流起動(dòng)試驗(yàn)的孔隙水壓力條件，得到泥石流各個(gè)時(shí)刻的泥石流孔隙水壓力值。9°條件下10、11、9號(hào)孔隙水壓力的關(guān)系見(jiàn)圖9。

從圖9可知：

(1)泥石流的孔隙水壓力值在整個(gè)過(guò)程中緩慢增加，且泥石流在起動(dòng)前期和整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程趨勢(shì)相近，即水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)起動(dòng)前期孔隙水壓力關(guān)系(10、11號(hào)與9號(hào)孔隙水壓力的關(guān)系)與整個(gè)水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙水壓力關(guān)系(10、11號(hào)與9號(hào)孔隙水壓力的關(guān)系)相近。

(2)各個(gè)孔隙水壓力比值(10號(hào)與9號(hào)、11號(hào)與9號(hào)相對(duì)集中，即泥石流孔隙水壓力在泥石流溝道堆積體侵蝕搬運(yùn)過(guò)程中相對(duì)無(wú)明顯變化，且9、10、11號(hào)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(yàn)條件下水力類(lèi)泥石流試驗(yàn)孔隙水壓力變化

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)汶川強(qiáng)震區(qū)泥石流溝道物源堆積野外調(diào)查，在不同試驗(yàn)槽坡度(9°、12°和15°)和相同堆積厚度(12 cm)的試驗(yàn)條件下，得到了水力類(lèi)泥石流起動(dòng)過(guò)程中的水位和孔隙水壓力變化特征：

(1)泥石流起動(dòng)過(guò)程可概括為3個(gè)階段，即前期地下滲流階段、中期起動(dòng)階段、后期衰減階段。在泥石流起動(dòng)前期，不同試驗(yàn)槽坡度條件下的水位值增加時(shí)刻(14 s)比孔隙水壓力增加時(shí)刻(9 s)滯后約5 s。

(2)水力類(lèi)泥石流暴發(fā)時(shí)刻約為80 s，而試驗(yàn)水位峰值出現(xiàn)時(shí)刻約為50 s，試驗(yàn)峰值孔隙水壓力峰值出現(xiàn)在80 s后，即基于水位峰值的水力類(lèi)泥石流暴發(fā)預(yù)測(cè)更具有前瞻性。而泥石流的孔隙水壓力能更準(zhǔn)確反映泥石流暴發(fā)時(shí)刻的起動(dòng)條件和受力特征。

(3)水力類(lèi)泥石流的水位和孔隙水壓力均呈現(xiàn)連續(xù)性，而在泥石流起動(dòng)后，水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，孔隙水壓力呈現(xiàn)同步增長(zhǎng)型，且在泥石流起動(dòng)時(shí)刻，孔隙水壓力呈現(xiàn)突增狀態(tài)，增加值約為1～2 kPa。