張智偉，郭婷婷，熊 弢，潘軍宇，樊詳瓏

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,云南 昆明 650093)

0 引言

泥石流是由大量泥沙以及石塊與水形成的混合物，是介于洪水與巖石碎屑流之間的一種特殊洪流，在重力作用驅(qū)動下沿著山谷向下運(yùn)動[1]。在冰川融水、暴雨、水壩潰決等條件下容易形成泥石流災(zāi)害，其具有速度快、流量大、能量大、容重大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，對下游的居民生命財(cái)產(chǎn)安全、工程設(shè)施和道路交通等危害巨大[2-6]。

對于含水土體，顆粒間孔隙水壓力的發(fā)展及消散直接影響顆粒間的作用?？紫端畨毫κ侵率惯吰率Х€(wěn)、土體滑動以及泥石流流動性增大的重要因素，且滑坡、泥石流的啟動和運(yùn)動均受到顆粒間孔隙水壓力的影響。

目前泥石流研究主要以室內(nèi)水槽試驗(yàn)、野外試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)及環(huán)剪試驗(yàn)等為切入點(diǎn)，分析孔隙水壓力在泥石流啟動過程中的影響機(jī)理[7-12]，而針對超孔隙水壓力在泥石流啟動、運(yùn)移和沉積過程中的理論研究較少。國外學(xué)者從公式推導(dǎo)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面研究了超孔隙水壓力對泥石流運(yùn)動的影響，但尚未明確泥石流形成全過程的超孔隙水壓力機(jī)理[1,13-18]。

本文通過收集和分析超孔隙水壓力的相關(guān)研究成果，發(fā)現(xiàn)泥石流固體物質(zhì)中的顆粒大小、礦物成分及級配對超孔隙水壓力的形成與消散影響較大，故以這3個(gè)因素分析泥石流超孔隙水壓力的形成與消散機(jī)理，以期為泥石流的深入研究提供理論指導(dǎo)。

1 超孔隙水壓力定義

孔隙水壓力最早在太沙基提出的有效應(yīng)力原理中就有所體現(xiàn)。假設(shè)土中的水是不可壓縮的，土壤中任意一點(diǎn)的力由土壤團(tuán)聚體中的水及土顆粒骨架共同承擔(dān)，顆粒之間的孔隙水承擔(dān)的壓力就是孔隙水壓力。PIERSON[13]在泥石流漿體中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固體顆?；烊肓黧w中時(shí)會形成一個(gè)兩相系統(tǒng)，系統(tǒng)中的一部分質(zhì)量由液相通過浮力承擔(dān)，孔隙水壓力隨間隙流體壓力的增大成比例增大，增加的量即為超孔隙水壓力?？紫端畨毫的計(jì)算式為

P=Pe+Ps，

(1)

式中，Pe為超孔隙水壓力，Ps為靜水壓力。

周公旦[19]通過達(dá)西滲透試驗(yàn)解釋了超孔隙水壓力的定義：在恒定流動系統(tǒng)中，任意兩點(diǎn)之間的孔隙水壓力之間的差值包括位置水頭之間的差值和水體流動導(dǎo)致的偏離位置水頭的超孔隙水壓力。李廣信等[20]認(rèn)為：超孔隙水壓力是由土體變形引起的，在排水情況受到限制的情況下，土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力使得有效應(yīng)力減小以限制土體變形；超孔隙水壓力是由飽和不排水土中的壓縮應(yīng)力、飽和不排水土中的剪應(yīng)力(剪縮產(chǎn)生的正超孔隙水壓力及剪漲產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力)、飽和細(xì)松砂振動液化產(chǎn)生的超孔隙水壓力及各種循環(huán)荷載引起的土體收縮等引起的。綜上所述，可將超孔隙水壓力理解為由外部作用或者邊界條件變化引起的不同于靜水壓力的孔隙水壓力，是隨時(shí)間變化的函數(shù)，在消散過程中伴隨著土體體積的變化[21]。

2 超孔隙水壓力對泥石流啟動和運(yùn)動的影響

超孔隙水壓力會促進(jìn)泥石流的運(yùn)移。PIERSON[13]在對Thomas山脈泥石流流體孔隙水壓力的測量試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，泥石流中固體物質(zhì)三分之二的質(zhì)量由粉砂、黏土和水組成的液相承擔(dān)，漿體中的超孔隙水壓力的形成及長時(shí)間維持推動了泥石流的運(yùn)移。在美國地質(zhì)調(diào)查局的泥石流水槽試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，足以引起液化的孔隙水壓力在流體移動和加速中形成并維持，在流體減速和沉積過程中繼續(xù)存在于泥石流內(nèi)部，只有在固結(jié)沉積過程中才會顯著消散[22]。超孔隙水壓力不僅可以促進(jìn)泥石流運(yùn)動，還能促使顆粒發(fā)生懸浮。YANG等[23]根據(jù)蔣家溝泥石流顆粒懸浮能力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在非黏性泥石流和亞黏性泥石流中，湍流對顆粒懸浮起主導(dǎo)作用，在黏性泥石流中基質(zhì)強(qiáng)度和超孔隙水壓力共同作用導(dǎo)致顆粒發(fā)生懸浮；使用葉片式流變儀進(jìn)行了流變試驗(yàn)，測量了不同體積濃度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩時(shí)間響應(yīng)，結(jié)果表明，泥石流漿液維持了超孔隙水壓力，減小了漿液的流動阻力[24]。大量試驗(yàn)表明，泥石流中超孔隙水壓力在泥石流運(yùn)動整個(gè)過程中持續(xù)存在，并支撐著流體中顆粒的懸浮，促進(jìn)了泥石流的運(yùn)移，在泥石流沉積后逐漸消散。

超孔隙水壓力具有促使泥石流液化及減小土體抗剪強(qiáng)度的能力。HU等[25]通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)和三維激光掃描儀研究了汶川文家溝松散堆積物泥石流的啟動過程，并采用水槽基底孔壓傳感器及三軸不排水試驗(yàn)對堆積物的液化能力進(jìn)行了研究，認(rèn)為堆積物中的超孔隙水壓力導(dǎo)致了土體液化，進(jìn)而引發(fā)了泥石流。HUANG等[26]采用不連續(xù)變形方法分析了四川茂縣新磨村滑坡的運(yùn)動過程，認(rèn)為堆積體中的超孔隙水壓力會降低有效應(yīng)力，減小摩擦阻力，增大滑坡的放大效應(yīng)。

超孔隙水壓力的液化及降低抗剪強(qiáng)度的能力可以通過有效應(yīng)力原理及土體的抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)。

σ=σe+μ，

(2)

τ=σetanφ+c，

(3)

式中，σ為總應(yīng)力，σe為有效應(yīng)力，μ為孔隙水壓力，τ為土體的抗剪強(qiáng)度，φ為土體的內(nèi)摩擦角，c為土體的黏聚力。隨著孔隙水壓力的增大，土體中的有效應(yīng)力逐漸減小，抗剪強(qiáng)度逐漸降低，泥石流物源堆積體的穩(wěn)定性也不斷降低，最終形成泥石流。當(dāng)孔隙水壓力增大至總應(yīng)力時(shí)，有效應(yīng)力減小至0，土體顆粒間失去支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體發(fā)生液化。土體液化也可以用液化率RL(Liquefaction Ratio)來表示，可用式(4)算得。當(dāng)RL=1時(shí)，土體發(fā)生液化。

(4)

由此可見，在泥石流啟動過程中，超孔隙水壓力的影響主要是降低泥石流物源堆積體的穩(wěn)定性；在泥石流運(yùn)動過程中，超孔隙水壓力導(dǎo)致流體物質(zhì)液化，促進(jìn)了顆粒物質(zhì)的運(yùn)移，促使流體中的顆粒發(fā)生懸浮，并在整個(gè)泥石流運(yùn)動過程中持續(xù)存在，只有在顆粒沉積后才逐漸消散。

3 超孔隙水壓力成因研究

3.1 雷諾應(yīng)力產(chǎn)生超孔隙水壓力

HOTTA等[27]通過旋轉(zhuǎn)機(jī)試驗(yàn)測量了固-水相流體之中的孔隙水壓力分布，認(rèn)為孔隙水壓力是由孔隙水的剪切而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力的結(jié)果。KAITNA等[18]將雷諾應(yīng)力產(chǎn)生孔隙水壓力模型引入粗顆粒分布和水的試驗(yàn)中，該模型的預(yù)測值比測量的孔隙水壓力小1～2個(gè)數(shù)量級，由于細(xì)顆粒的存在會抑制剪切產(chǎn)生的速度波動，故認(rèn)為雷諾應(yīng)力不是超孔隙水壓力產(chǎn)生的主要原因，而應(yīng)歸結(jié)于孔隙空間的收縮。得到兩種截然不同的結(jié)論的原因可能是泥石流中細(xì)顆粒的含量不同，泥石流中顆粒大小和濃度會對泥石流的流型產(chǎn)生影響[28]，進(jìn)而影響超孔隙水壓力的形成。

3.2 土體體積變化產(chǎn)生超孔隙水壓力

土體剪切產(chǎn)生孔隙體積變化從而引起孔隙水壓力的變化。IVERSON[29]認(rèn)為滑坡運(yùn)動中，剪切帶土顆粒層發(fā)生剪切運(yùn)動，剪切帶收縮導(dǎo)致孔隙水壓力升高和正反饋，而剪切帶擴(kuò)張會導(dǎo)致孔隙壓力減小和負(fù)反饋，孔隙水壓力的變化還與其擴(kuò)散的相對時(shí)間尺度有關(guān)。IVERSON等[30]還設(shè)計(jì)了與滑坡試驗(yàn)相同土體的環(huán)剪試驗(yàn)，證明了土體團(tuán)聚體的膨脹收縮行為可能會導(dǎo)致土體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，降低摩擦強(qiáng)度，從而促進(jìn)泥石流的運(yùn)動[31]，并據(jù)此推導(dǎo)了考慮泥石流擴(kuò)張率、孔隙水壓力演化的深度平均泥石流模型，將孔隙水壓力的變化與孔隙變化和剪切膨脹聯(lián)系了起來[15]。吳知秋等[32-33]通過環(huán)剪試驗(yàn)分析了滑坡轉(zhuǎn)泥石流的機(jī)理，得出超孔隙水壓力的產(chǎn)生是滑體的剪縮效應(yīng)及顆粒破碎所致，進(jìn)而使土體發(fā)生液化。

土體中的剪切不排水運(yùn)動會產(chǎn)生超孔隙水壓力。OKADA等[34]通過大型室內(nèi)水槽模型試驗(yàn)研究了浮石和火山灰混合物產(chǎn)生的泥石流運(yùn)動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力僅出現(xiàn)于浮石和火山灰的混合物流體中，未出現(xiàn)于浮石流體中，認(rèn)為超孔隙水壓力產(chǎn)生的原因是細(xì)顆粒在流體中的懸浮增加了其有效密度以及混合物在顆粒流中的低滲透性和運(yùn)動過程中的準(zhǔn)剪切不排水。MCARDELL等[35]通過野外試驗(yàn)監(jiān)測了泥石流運(yùn)動過程中的前沿運(yùn)動速度、基底正應(yīng)力、剪切應(yīng)力和流體壓力，研究了泥石流運(yùn)動過程中的變化規(guī)律，顆粒碰撞引起的動態(tài)孔隙水壓力效應(yīng)解釋了在快速剪切的水流中存在較大的孔隙水壓力。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，超孔隙水壓力的形成主要是由雷諾應(yīng)力及土體的體積變化造成的?？紫端羟挟a(chǎn)生了雷諾應(yīng)力，導(dǎo)致泥石流流體中產(chǎn)生了超孔隙水壓力，但目前尚無具體的理論支持。剪切運(yùn)動導(dǎo)致土體孔隙體積發(fā)生變化而產(chǎn)生超孔隙水壓力，土體的剪切不排水運(yùn)動通過減小有效應(yīng)力限制土體變形而產(chǎn)生超孔隙水壓力。

4 超孔隙水壓力消散研究

超孔隙水壓力促進(jìn)了泥石流的運(yùn)移，當(dāng)泥石流停止運(yùn)動時(shí)，超孔隙水壓力逐漸消散。對于孔隙水壓力的消散，MAJOR[36]根據(jù)美國3個(gè)不同地方的泥石流樣品進(jìn)行了泥石流固結(jié)試驗(yàn)，利用與經(jīng)典固結(jié)理論關(guān)聯(lián)的一維固結(jié)方程近似表達(dá)了無黏性泥石流的固結(jié)時(shí)間及固結(jié)程度，發(fā)現(xiàn)泥石流流體壓力及有效應(yīng)力的變化是從沉積物底部開始變化的，揭露了顆粒大小分布和超孔隙水壓力之間的聯(lián)系，采用的孔隙水壓力擴(kuò)散方程為

(5)

式中：D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；z為深度，m。

泥石流中含泥量小于2%的沉積物的擴(kuò)散速率為10-2～10-4m2/s，含泥量2%～4%的沉積物的擴(kuò)散速率為10-6～10-7m2/s，說明泥石流中的顆粒分布對泥石流中超孔隙水壓力的形成與消散具有重要影響[36]。CHEN等[37]根據(jù)泥石流兩相理論，在太沙基一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，研究了超孔隙水壓力與固結(jié)度、沉降和堆積體固結(jié)尺寸變化之間的聯(lián)系。HE等[38]根據(jù)水槽固結(jié)試驗(yàn)研究了黏性泥石流超孔隙水壓力、體積含水率在滲透條件和非滲透條件下的變化過程，結(jié)果表明，超孔隙水壓力的分布與深度呈正相關(guān)，滲透條件下超孔隙水壓力的消散速度更快，固結(jié)程度更高。張莉等[[39]通過室內(nèi)模型裝置模擬了不同密度泥石流漿體壩前的沉積特征，發(fā)現(xiàn)泥石流沉積過程、孔隙水壓力的消散與漿體內(nèi)細(xì)顆粒的沉降速率有關(guān)，細(xì)顆粒濃度越高，孔隙水壓力消散越慢。

綜上可知，泥石流中超孔隙水壓力的消散過程伴隨著漿液中顆粒的沉降。隨著顆粒的完全沉降，超孔隙水壓力完全消散，在充分排水狀態(tài)下，顆粒會伴隨泥石流的泥石固結(jié)。泥石流沉積物固結(jié)是指充滿流體的多孔介質(zhì)在荷載作用下隨時(shí)間壓實(shí)的變化過程。在堆積物外部施加荷載時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，固結(jié)開始發(fā)生；在沒有施加外部荷載時(shí)，堆積物可以在自重作用下發(fā)生固結(jié)。超孔隙水壓力的消散與顆粒分布、流體中顆粒沉降和泥石流堆積物固結(jié)有關(guān)，目前關(guān)于泥石流沉積與超孔隙水壓力消散的研究較少，尚未明確超孔隙水壓力消散與各因素之間的聯(lián)系，需要進(jìn)一步完善超孔隙水壓力消散理論。

5 超孔隙水壓力影響因素

在泥石流的啟動、運(yùn)移及堆積過程中，孔隙水壓力起到了重要作用。ZHOU等[40]根據(jù)東川東月各溝泥石流堆積體重構(gòu)了泥石流漿體，進(jìn)行了漿體中的超孔隙水壓力的測量及消散試驗(yàn)，結(jié)果表明，漿體中的超孔隙水壓力的發(fā)展、峰值及消散與黏土顆粒的最大粒徑、級配和礦物有關(guān)，超孔隙水壓力的維持造成了東月各低坡度泥石流的運(yùn)移。以下將從顆粒大小、礦物成分、級配3個(gè)方面對超孔隙水壓力的影響進(jìn)行闡述。

5.1 顆粒大小對超孔隙水壓力的影響

泥石流的流變特征和運(yùn)動特征受泥石流漿體中固體物質(zhì)含量的影響。泥石流的固體沉積物粒度范圍廣泛，從顆粒細(xì)小的黏土到直徑幾米的礫石均有分布。泥石流與其他傳統(tǒng)的固體顆粒的輸沙方式不同，泥石流中的固體體積分?jǐn)?shù)很高，可以超過50%[41]。在泥石流運(yùn)移過程中，會對沿途路徑和兩側(cè)的物質(zhì)進(jìn)行侵蝕夾帶，并不斷加入到泥石流流體之中，泥石流的物料組成會不斷變化，固體顆粒的大小影響了泥石流運(yùn)動過程中超孔隙水壓力的演變。LI等[42]發(fā)現(xiàn)無論是泥石流流體還是物源都遵循粒度分布規(guī)則，即

P(D)=CD-μexp(-D/Dc)，

(6)

式中：D為顆粒粒徑，mm；P(D)是大于D的顆粒累積百分比；C、μ、Dc是根據(jù)顆粒粒徑分布進(jìn)行擬合的參數(shù)，泥石流的流動性及密度狀態(tài)可以由參數(shù)C和μ來描述，參數(shù)μ較小時(shí)表示孔隙度較小，泥石流中可能存在較高的超孔隙水壓力。通過粒度分布公式可將泥石流中顆粒濃度和孔隙水壓力聯(lián)系起來。

ZHOU等[43]研究了顆粒尺寸對沖積扇形態(tài)和粒度偏析的影響，通過壓力傳感器發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試驗(yàn)的泥石流前鋒缺乏持續(xù)的孔隙流體壓力，前緣通常以粗顆粒為主，在前鋒后測量到了較高的超孔隙水壓力，隨著細(xì)顆粒含量的增加，滑動距離逐漸增大。該試驗(yàn)現(xiàn)象與IVERSON[44]在大型泥石流水槽中觀察到的現(xiàn)象相符，泥石流流體在運(yùn)動過程中底部流體壓力基本等于法向應(yīng)力，泥石流內(nèi)部基本液化。HAAS等[45]在水槽試驗(yàn)中也觀察到了同樣的現(xiàn)象，泥石流中粗顆粒含量越多，泥石流跳動越大，超孔隙水壓力越容易消散，在泥石流前鋒容易堆積大量粗顆粒碎石；黏土含量越高，流體黏性越強(qiáng)，超孔隙水壓力越難以消散。

泥石流中粗顆粒含量越高，超孔隙水壓力越容易消散。周振華[46]根據(jù)東川東月各溝泥石流堆積體重構(gòu)了泥石流漿體，對3種不同上限粒徑漿體中的超孔隙水壓力進(jìn)行了測量，并開展了消散試驗(yàn)，結(jié)果表明，漿體中的超孔隙水壓力的發(fā)展、峰值及消散與黏土顆粒的最大粒徑有關(guān)，體積分?jǐn)?shù)相同的漿液中上限粒徑越大，超孔隙水壓力峰值也越大，消散速率越大。KAITNA等[18]通過不同粒徑的旋轉(zhuǎn)桶試驗(yàn)研究了不同粗顆粒土粒度分布和不同細(xì)顆粒含量土體中超孔隙水壓力的分布情況，發(fā)現(xiàn)只有具有豐富細(xì)顆?；蛘叽诸w粒分布的土體中才會產(chǎn)生超孔隙水壓力，對于具有窄粒度分布和較低含量的土體表現(xiàn)出接近流體靜壓的流體壓力，且隨著細(xì)顆粒含量的增加，剪切集中在流體壓力最高的流動下層，這便解釋了從摩擦流動過渡到液化比接近1時(shí)，流動阻力與有效法向應(yīng)力無關(guān)。YANG等[47]通過重構(gòu)東川蔣家溝和東月各溝堆積物漿體研究了粗碎屑對黏性泥石流的影響，發(fā)現(xiàn)粗碎屑的形狀和表面結(jié)構(gòu)控制了漿體的流動性和持久性，含粗碎屑的泥漿孔隙水壓力消散更快，較高的超孔隙水壓力持續(xù)時(shí)間相對于泥石流的運(yùn)移是足夠的。

泥石流中小顆粒物料限制了超孔隙水壓力的消散。HU等[48]通過室內(nèi)水槽模型試驗(yàn)研究了不同顆粒級配下流型滑坡的啟動和運(yùn)動過程，發(fā)現(xiàn)小顆粒對徑流入滲引發(fā)的流型滑坡具有重要影響，結(jié)合三軸排水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在較低的水力傳導(dǎo)下，在滲透過程中易產(chǎn)生超孔隙水壓力，進(jìn)而誘發(fā)土體破壞。CHEN等[49]通過降雨水槽試驗(yàn)研究了不同黏粒含量下的土體破壞特征和泥石流發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)在黏粒含量較低的土體中，礫石土中的粗顆粒形成了較大的孔隙，飽和黏粒較少，未堵塞孔隙，孔隙水壓力消散較快。YANG等[50]通過孔隙水壓力傳感器測量了貢嘎山斜坡淺層土中孔隙水壓力隨季節(jié)的變化特征，發(fā)現(xiàn)在雨季土體中測得的孔隙水壓力具有隨深度滯后的特性，這與土體中黏土含量較高有關(guān)。TANG等[51]認(rèn)為泥石流中的細(xì)小木質(zhì)碎屑對泥石流的運(yùn)移有重要影響，根據(jù)東川東月各溝泥石流重構(gòu)含細(xì)木質(zhì)碎屑漿體，進(jìn)行了孔隙水壓力及逃逸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含有細(xì)小木質(zhì)碎屑的漿體孔隙水壓力具有更強(qiáng)的維持能力。

綜合以上研究成果可知，隨著泥石流中細(xì)顆粒含量的增加，泥石流中的超孔隙水壓力愈難消散，泥石流運(yùn)動距離增大。泥石流中的粗顆粒物質(zhì)形成了較大孔隙，超孔隙水壓力難以維持。顆粒大小影響超孔隙水壓力的主要原因是細(xì)顆粒含量的增加導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)更加致密，有利于將孔隙流體限制于孔隙之中，土體孔隙的減小可使超孔隙水壓力維持更長時(shí)間。

5.2 礦物成分對超孔隙水壓力的影響

泥石流細(xì)顆粒中不同礦物成分對超孔隙水壓力的形成有顯著影響。CHEN等[52-53]通過野外人工降雨試驗(yàn)和模型試驗(yàn)研究了泥石流的啟動機(jī)制，發(fā)現(xiàn)泥石流中黏土礦物的吸水膨脹阻塞了土體內(nèi)部的孔隙，阻礙了孔隙水壓力的消散，總孔隙水壓力增大造成了土體破壞，降低了土體的黏聚力和土體強(qiáng)度，促進(jìn)了泥石流的形成。周振華[46]根據(jù)東月各溝泥石流堆積體重構(gòu)泥石流漿液發(fā)現(xiàn)，泥石流中蒙脫石、伊利石、高嶺石含量低，造成泥石流長距離運(yùn)移的原因主要是云母的成漿作用。田永霖[54]使用不同粒徑的石英粉改變泥石流原樣中黏粒部分礦物成分，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)泥石流漿體中的超孔隙水壓力維持和消散發(fā)生了改變，架狀結(jié)構(gòu)的石英親水性弱，與泥石流漿液中的水分子吸附力差，難以促進(jìn)泥石流的運(yùn)動。

對上述泥石流中的礦物成分進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。綜合分析發(fā)現(xiàn)，泥石流中層狀硅酸鹽的存在如蒙脫石、伊利石、高嶺石、云母、綠泥石等有助于維持超孔隙水壓力，而架狀硅酸鹽如石英與水的吸附性差，難以維持超孔隙水壓力。因此黏土礦物如層狀硅酸鹽在吸水膨脹后阻塞了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，容易形成超孔隙水壓力，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡破壞或者泥石流啟動。

表1 泥石流中的礦物成分

5.3 級配對超孔隙水壓力的影響

泥石流固體物質(zhì)的級配對超孔隙水壓力有重要影響。周振華[46]根據(jù)東月各溝泥石流和蔣家溝泥石流的重構(gòu)漿體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，差分選是超孔隙水壓力的形成條件。KAITNA等[18]對比了粗顆粒分布加水和用d50代替粗顆粒加細(xì)粒土的旋轉(zhuǎn)桶試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗顆粒分布是影響超孔隙水壓力的原因，粒度分布影響超孔隙水壓力的主要方式是限制超孔隙水壓力的消散，而不是產(chǎn)生超孔隙水壓力。

綜上可知，只有粒度分布廣的堆積體中才會形成超孔隙水壓力，粒度分布影響超孔隙水壓力的方式為限制超孔隙水壓力消散。

6 研究展望

6.1 加強(qiáng)泥石流超孔隙水壓力形成與消散研究

泥石流超孔隙水壓力會造成泥石流流體液化，超孔隙水壓力在泥石流運(yùn)動過程中逐漸形成，在減速和堆積過程中逐漸消散?，F(xiàn)有解釋超孔隙水壓力產(chǎn)生的理論主要有雷諾應(yīng)力剪切及土體變形。目前關(guān)于泥石流中超孔隙水壓力的形成研究主要是通過室內(nèi)模型試驗(yàn)探討泥石流啟動及運(yùn)動過程中孔隙水壓力變化產(chǎn)生的影響，尚未明確泥石流中超孔隙水壓力在啟動時(shí)、運(yùn)動中、堆積后的形成與消散機(jī)理。室內(nèi)模型試驗(yàn)由于在試驗(yàn)前篩選了一部分大顆粒土體而不能完全反映野外真實(shí)情況，缺乏野外巨大礫石對泥石流中超孔隙水壓力的形成影響研究。泥石流超孔隙水壓力消散時(shí)，隨著超孔隙水壓力的逐漸減小，有效應(yīng)力逐漸增大，顆粒骨架開始承擔(dān)應(yīng)力。固結(jié)過程中伴隨著固體顆粒的沉降，研究泥石流超孔隙水壓力的消散與顆粒沉降、固結(jié)排水之間的聯(lián)系有助于加深對泥石流堆積的認(rèn)識。

6.2 構(gòu)建各因素與超孔隙水壓力之間的聯(lián)系

泥石流漿體中的黏土礦物成分、固體物質(zhì)的顆粒大小及級配對超孔隙水壓力均有影響。只有具有豐富細(xì)顆?；蛘叽诸w粒分布的土體中才會產(chǎn)生超孔隙水壓力，隨著泥石流中細(xì)顆粒含量的增加，超孔隙水壓力難以消散。泥石流固體物料中的黏土礦物吸水膨脹，造成孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，阻礙了孔隙水壓力的消散。除了顆粒大小、級配、黏土礦物成分會對泥石流超孔隙水壓力造成影響以外，固體物料的干密度(孔隙率)、含水率、泥石流溝道坡度、降雨強(qiáng)度等因素也會對其產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有理論并未構(gòu)建泥石流中超孔隙水壓力與通過試驗(yàn)測得的土體基本物理參數(shù)、坡度、降雨強(qiáng)度等因素之間的關(guān)系，需要加強(qiáng)超孔隙水壓力與各因素之間的關(guān)系研究。

6.3 構(gòu)建包含泥石流超孔隙水壓力的數(shù)值模型

泥石流野外原位試驗(yàn)比較困難，室內(nèi)模型試驗(yàn)又不能完全達(dá)到野外的試驗(yàn)條件，因此考慮泥石流超孔隙水壓力的模型分析顯得尤為重要。BOUCHUT 等[14]提出了考慮擴(kuò)容效應(yīng)的兩相兩薄層的流態(tài)化泥石流模型，當(dāng)固體物料的體積分?jǐn)?shù)高于或低于某一臨界值時(shí)，會發(fā)生膨脹或收縮；當(dāng)膨脹發(fā)生時(shí)，流體被吸入顆粒材料中，孔隙水壓力減小，顆粒向上的摩擦力增大；相反，在收縮的情況下，流體從混合物中排出，孔隙水壓力增大，摩擦力減小。GEORGE等[15]推導(dǎo)了考慮泥石流擴(kuò)張率、孔隙水壓力演化的深度平均泥石流模型。PASTOR等[16]對現(xiàn)有的兩相泥石流模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了深度積分兩相模型。MUSSO等[17]通過柱狀桿研究了飽和塊體之間的超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散模型，并給出了在不同條件下的求解結(jié)果。LUNA等[55]考慮了泥石流運(yùn)動過程中的夾帶作用及不排水加載的超孔隙水壓力，基于淺水假設(shè)，應(yīng)用一維連續(xù)介質(zhì)方法提出了泥石流一維評價(jià)模型。雖然現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多考慮孔隙水壓力演化的泥石流模型，但是泥石流理論還不足以解釋泥石流的整個(gè)演化過程，尚需進(jìn)一步深入研究。

7 結(jié)論

a.從泥石流超孔隙水壓力的定義出發(fā)，研究了超孔隙水壓力對泥石流啟動和運(yùn)動的影響。在泥石流啟動過程中，超孔隙水壓力的影響主要表現(xiàn)為降低泥石流物源堆積體的穩(wěn)定性；在泥石流運(yùn)動過程中，超孔隙水壓力導(dǎo)致流體物料液化，促進(jìn)了顆粒的運(yùn)移，促使流體中的顆粒發(fā)生懸浮，并在整個(gè)泥石流運(yùn)動過程中持續(xù)存在，只有在沉積后才逐漸消散。

b.學(xué)者們通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)、野外原位試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)及環(huán)剪試驗(yàn)等研究了超孔隙水壓力在泥石流中形成的主要原因，發(fā)現(xiàn)超孔隙水壓力與雷諾應(yīng)力和土體變形有關(guān)，但對超孔隙水壓力在泥石流啟動、運(yùn)動、堆積過程中的形成機(jī)理研究不足，需要完善超孔隙水壓力形成的相關(guān)理論。泥石流中孔隙水壓力的消散伴隨著漿液中顆粒的沉降，在充分排水條件下，泥石流逐漸固結(jié)，需要進(jìn)一步構(gòu)建泥石流超孔隙水消散速率、顆粒沉降速率、固結(jié)速率之間的關(guān)系。

c.泥石流中超孔隙水壓力的形成和消散與泥石流漿體中的黏土礦物成分、固體物質(zhì)的顆粒大小及級配有關(guān)。構(gòu)建泥石流中超孔隙水壓力與通過試驗(yàn)測得的土體基本物理參數(shù)之間的關(guān)系有助于超孔隙水壓力理論研究。

d.目前考慮超孔隙水壓力的動力學(xué)模型較少，考慮超孔隙水壓力的數(shù)值模擬有助于泥石流形成機(jī)理的進(jìn)一步研究。