王子寒，張 彪，景曉昆，肖成志，黃 達(dá)

（河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401）

引言

泥石流是非常普遍的一種災(zāi)害形式，會(huì)造成眾多人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)于泥石流的啟動(dòng)機(jī)理及防治措施的研究具有重要工程意義。土工格室作為一種出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代的新型土工合成材料，主要由高強(qiáng)塑料片材、HDPE帶等通過(guò)焊接或扣接形成蜂窩狀立體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于地基處理、道路修筑、邊坡防護(hù)與擋土墻修筑等工程中。土工格室作為一種坡表淺層防護(hù)手段，在邊坡淺層防護(hù)方面取得了較為廣泛的應(yīng)用，而坡面型泥石流的啟動(dòng)與淺層滑坡極為相似，土工格室用于防治坡面型泥石流災(zāi)害方面的研究相對(duì)較少。

目前國(guó)內(nèi)、外學(xué)者針對(duì)坡面型泥石流的啟動(dòng)機(jī)理開(kāi)展了眾多物理模型試驗(yàn)研究［1-3］，高冰等［4］、周健等［5］通過(guò)對(duì)降雨誘發(fā)的坡面型泥石流進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)不同降雨強(qiáng)度下砂土顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及孔隙水壓力，對(duì)泥石流啟動(dòng)時(shí)的臨界降雨強(qiáng)度進(jìn)行了初步探索，發(fā)現(xiàn)水流在土體內(nèi)部的滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)隨著降雨強(qiáng)度的變化而變化。陳宇龍等［6］進(jìn)行了大尺寸降雨觸發(fā)滑坡泥石流的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)模型體破壞過(guò)程中傾斜角、水的體積分?jǐn)?shù)、聲發(fā)射現(xiàn)象等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，模型體的失穩(wěn)與坡面徑流的形成和模型土體內(nèi)部細(xì)顆粒遷移密切相關(guān)。Cui等［7］通過(guò)試驗(yàn)手段對(duì)降雨作用下土體內(nèi)部的細(xì)顆粒遷移規(guī)律進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒會(huì)隨水流在重力作用下向坡趾遷移，并堵塞孔隙，增加土體局部孔隙水壓力，同時(shí)，細(xì)顆粒表面形成的水膜降低了顆粒間的咬合力。左自波等［8］、周健等［9］分別通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)，對(duì)不同顆粒組分的土體模型進(jìn)行了降雨條件下的坡面型泥石流試驗(yàn)，結(jié)果顯示模型土體級(jí)配的變化會(huì)對(duì)模型體的破壞模式產(chǎn)生較大的影響。

在坡面型泥石流防治方面，土工格室作為一種新型土工合成材料，其對(duì)松散堆積土體的淺層加固效果顯著［10-11］。土工格室對(duì)坡體穩(wěn)定性具有加強(qiáng)作用，而降雨誘發(fā)坡面型泥石流啟動(dòng)過(guò)程中，土性隨雨水侵入時(shí)刻發(fā)生變化，其機(jī)理更加復(fù)雜，格室的作用機(jī)制，尤其是對(duì)雨水運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面的影響仍不清晰。同時(shí)土體顆粒級(jí)配對(duì)坡面型泥石流的啟動(dòng)影響顯著，但是將格室與顆粒級(jí)配相結(jié)合的系統(tǒng)性研究成果較少。

文中基于降雨條件下坡面型泥石流啟動(dòng)的室內(nèi)水槽試驗(yàn)，將土工格室與不同級(jí)配坡體結(jié)合，對(duì)土工格室應(yīng)用于坡面型泥石流防治的特征現(xiàn)象，及其對(duì)不同級(jí)配坡體的適用性進(jìn)行了分析，研究了土工格室應(yīng)用于坡面泥石流防治的效果，給出土工格室應(yīng)用于不同級(jí)配土體的建議。考慮到泥石流一旦發(fā)生將很難進(jìn)行防治，同時(shí)土工格室更多是在失穩(wěn)前發(fā)揮作用，因此文中沒(méi)有對(duì)泥石流體及后續(xù)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究，而是著眼于不同細(xì)粒含量下，土工格室用于防治坡面型泥石流的啟動(dòng)機(jī)理。

1 降雨誘發(fā)坡面型泥石流水槽試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)發(fā)生裝置

本試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，包括泥石流發(fā)生裝置，降雨調(diào)控裝置，測(cè)量及記錄裝置。泥石流發(fā)生裝置為底部及四周側(cè)壁厚度均為1 cm的玻璃槽，槽底粘木板，在木板上用玻璃凝膠粘當(dāng)量砂土，模擬坡體基巖部分。玻璃水槽尺寸為150 cm×30 cm×40 cm，出料玻璃面下部分開(kāi)口，開(kāi)口尺寸為30 cm×20 cm。泥石流發(fā)生裝置承臺(tái)采用自制液壓變坡裝置，可調(diào)角度范圍20°～45°。

砂土坡體試樣形狀為直角梯形，坡體上邊長(zhǎng)度50 cm，下邊長(zhǎng)度80 cm，寬度30 cm，坡體厚度15 cm，將坡體中與承臺(tái)平行的部分稱(chēng)為斜坡，與承臺(tái)成角度的部分稱(chēng)為角坡。

1.2 降雨調(diào)控裝置及測(cè)量設(shè)備

降雨設(shè)備由可調(diào)節(jié)強(qiáng)度的霧化噴頭以及若干內(nèi)徑為8 mm塑料軟管組成，將4個(gè)霧化噴頭按合適間距通過(guò)塑料軟管以串聯(lián)的方式連接。入水口處通過(guò)設(shè)置玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB-6WB），調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度，量程范圍為100～1 000 ml/min。

泥石流常發(fā)生在強(qiáng)降雨地區(qū)，而降雨在一定時(shí)期內(nèi)并不均勻，歷時(shí)越短，短期降雨量應(yīng)當(dāng)更大。考慮到坡體試樣尺寸和實(shí)際降雨效果，試驗(yàn)時(shí)擬定降雨強(qiáng)度為600 ml/min［12-13］，對(duì)照氣象監(jiān)測(cè)常用雨強(qiáng)單位（mm/h），按均勻降雨轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備圖Fig.1 The equipment configuration in tests

表1 降雨強(qiáng)度關(guān)系轉(zhuǎn)化表Table 1 Transformation table of rainfall intensity

為了監(jiān)測(cè)泥石流發(fā)生形態(tài)和泥石流發(fā)生時(shí)的含水率，試驗(yàn)中采用尼康D3500數(shù)碼相機(jī)記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，并用于后續(xù)的位移場(chǎng)分析；同時(shí)利用高周波水分儀，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)含水率的變化，測(cè)量范圍為0～100%，具有0.01%的分辨率，掃描深度為50 mm，探針直徑6 mm，對(duì)泥石流坡體試樣整體影響較小。

1.3 試驗(yàn)材料及方案

文中采用的室內(nèi)水槽試驗(yàn)，屬于小型試驗(yàn)，沒(méi)有針對(duì)具體某一工程或某一類(lèi)土體進(jìn)行相似模型設(shè)計(jì)，而是采用不同細(xì)粒含量的常規(guī)砂土進(jìn)行普通的物理試驗(yàn)，研究土工格室的加固機(jī)理。為突出顆粒粒徑的影響，通過(guò)篩分進(jìn)行不同級(jí)配土體的設(shè)計(jì)，繼而進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，控制0.075 mm以下細(xì)顆粒占比分別為5%、10%、15%、20%和25%。試驗(yàn)共分為10組，無(wú)格室試驗(yàn)組分別記為G1～G5，有格室試驗(yàn)組為G1-1～G5-1，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組級(jí)配相同，其顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示。實(shí)際工程中格室尺寸較大（例如：高度200 mm，焊點(diǎn)距離400 mm），試驗(yàn)時(shí)按比例縮尺，采用HDPE板自制高20 mm，焊點(diǎn)距離40 mm的格室模型，焊點(diǎn)采用錯(cuò)位插入替代，用細(xì)鐵絲固定，如圖3所示。

圖2 土體級(jí)配曲線(xiàn)Fig.2 Grading curves of soil

圖3 土工格室模型Fig.3 Geocell model

各組試驗(yàn)土體的初始含水率保持在5%，用降雨設(shè)備進(jìn)行模擬降雨，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)記錄泥石流發(fā)生過(guò)程，含水率測(cè)量?jī)x器埋置深度為距離模擬基巖5 cm處，記錄試驗(yàn)坡體含水率的變化過(guò)程。通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)［14］，適當(dāng)增大雨強(qiáng)，能夠保證泥石流啟動(dòng)時(shí)間的穩(wěn)定性，有效避免偶然因素的干擾。當(dāng)試驗(yàn)采用承臺(tái)角度為30°，降雨強(qiáng)度600 ml/min時(shí)，在該坡度及降雨條件下，泥石流的啟動(dòng)現(xiàn)象有足夠的廣域，結(jié)果更具代表性。各組試驗(yàn)中泥石流啟動(dòng)的時(shí)間較早，都在12 min以?xún)?nèi)，短時(shí)強(qiáng)降雨的累計(jì)降雨量并不大。通過(guò)對(duì)比普通的物理試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)格室防治泥石流啟動(dòng)的效果和機(jī)制進(jìn)行分析，并對(duì)其適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)分析

2.1 無(wú)格室試驗(yàn)組土體破壞過(guò)程分析

無(wú)格室防護(hù)試驗(yàn)組共進(jìn)行5組試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)為G1～G5，分別代表0.075 mm以下細(xì)顆粒含量占比逐漸增多，其目的為針對(duì)不同級(jí)配坡體進(jìn)行降雨試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中以坡體發(fā)生連續(xù)滑動(dòng)為泥石流啟動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，啟動(dòng)時(shí)較為突然，并伴隨前側(cè)土體大部分滑落，中部土體坡表出現(xiàn)貫通裂縫，含水率探頭露出等現(xiàn)象。

由于降雨初期試驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，選取試驗(yàn)中、后期破壞現(xiàn)象明顯時(shí)刻進(jìn)行分析。同時(shí)，利用數(shù)字圖像分析軟件Geodog對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中泥石流坡體側(cè)表面的位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。G1、G3和G5組的試驗(yàn)正視圖和側(cè)面位移場(chǎng)云圖分別如圖4～圖6所示；G2、G4試驗(yàn)組現(xiàn)象規(guī)律分別與G1、G5試驗(yàn)組較為一致，限于篇幅，此處不再贅述。

圖4 G1試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖Fig.4 Phenomenon and displacement field of test G1

圖5 G3試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖Fig.5 Phenomenon and displacement field of test G3

圖6 G5試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖Fig.6 Phenomenon and displacement field of test G5

圖4為細(xì)顆粒占比5%的G1組試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖。隨著降雨進(jìn)行，坡面雨水匯集較少，大部分沿坡體下滲，浸潤(rùn)部分土體的強(qiáng)度逐漸減小，坡面裂縫發(fā)展形成明顯主裂縫，其位移場(chǎng)表現(xiàn)為坡體中部數(shù)值較大，位移帶呈弧形，且有向土體內(nèi)部發(fā)展趨勢(shì)，位移中值13.7 mm。降雨后期，土體抗滑力較低，坡體后側(cè)裂縫發(fā)展，坡體中部土體沿滑動(dòng)面滑動(dòng)，275 s時(shí)形成大規(guī)?；碌钠旅嫘湍嗍鳎晃灰茍?chǎng)沿土體薄弱層呈弧形向坡腳處發(fā)展，位移中值62.1 mm。G2試驗(yàn)組歷時(shí)360 s時(shí)泥石流啟動(dòng)，現(xiàn)象與G1組類(lèi)似。

G3組土體細(xì)顆粒占比為15%，如圖5所示。隨著降雨進(jìn)行，坡腳單側(cè)形成缺口且缺口逐漸擴(kuò)大，坡體表面在雨水沖刷力作用下，沿淺層滑動(dòng)面滑動(dòng)，呈現(xiàn)流動(dòng)特征，位移中值17.7 mm。降雨后期，坡體后部出現(xiàn)明顯張拉裂縫，形成具有侵蝕型和滑坡型特征的過(guò)渡型坡面泥石流，位移集中發(fā)生在坡體中上部，位移中值21.7 mm。415 s時(shí)坡體單側(cè)形態(tài)相對(duì)完整，土體表層有滑落趨勢(shì)，泥石流即將啟動(dòng)。

G5試驗(yàn)組土體細(xì)顆粒較多（圖6），隨著降雨進(jìn)行，坡體表面雨水匯集，雨水沖刷表層細(xì)小顆粒，坡面形成泥石流漿體并發(fā)生明顯的表層侵蝕現(xiàn)象，最大位移發(fā)生在坡面拐點(diǎn)附近，約為45.3 mm。降雨后期，坡面侵蝕程度加深，水土混合漿體匯聚量增大，位移帶由坡表向內(nèi)部擴(kuò)散，位移中值為38.7 mm，約515 s時(shí)形成侵蝕型坡面泥石流。G4試驗(yàn)組現(xiàn)象與G5組基本相同，約493 s時(shí)泥石流啟動(dòng)，不再贅述。

由以上試驗(yàn)現(xiàn)象可知，坡面型泥石流的啟動(dòng)時(shí)間、形態(tài)會(huì)隨著土體中細(xì)顆粒含量的不同呈現(xiàn)規(guī)律性變化，當(dāng)細(xì)顆粒含量從5%增加至25%時(shí)，泥石流啟動(dòng)用時(shí)逐漸增長(zhǎng)，啟動(dòng)形態(tài)由顯著的滑坡型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g型，其中滑坡型坡面泥石流啟動(dòng)時(shí)的最大位移整體上比侵蝕型大，過(guò)渡型啟動(dòng)時(shí)的最大位移值最小。將各試驗(yàn)組泥石流啟動(dòng)形態(tài)、啟動(dòng)時(shí)間和位移模式進(jìn)行總結(jié)，如表2所示。

表2 G1～G5組試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of G1～G5

2.2 格室防護(hù)試驗(yàn)組土體破壞過(guò)程分析

為研究土工格室對(duì)坡面型泥石流啟動(dòng)的影響，進(jìn)行5組對(duì)比試驗(yàn)，編號(hào)分別為G1-1～G5-1，各組試驗(yàn)的土體級(jí)配和試驗(yàn)條件分別與無(wú)格室試驗(yàn)組相同?？紤]到格室應(yīng)在坡體的潛在薄弱面處進(jìn)行加固，實(shí)際工程中也難以做到坡體表面全覆蓋鋪設(shè)；另外，坡面型泥石流啟動(dòng)試驗(yàn)中斜坡和角坡均有可能開(kāi)裂滑動(dòng)，因此格室采用分離式鋪設(shè)，分前、后兩部分進(jìn)行加固［10-11］。格室防護(hù)試驗(yàn)組以角坡區(qū)域的格室及坡體大部分滑落，或者斜坡處格室及坡體發(fā)生連續(xù)滑動(dòng)為泥石流啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。格室的鋪設(shè)（制樣中）如圖7所示。

經(jīng)格室加固后，各試驗(yàn)組的啟動(dòng)模式比較接近，限于篇幅，僅將G1-1和G1-5的試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖示于圖8～圖9，其他組試驗(yàn)結(jié)果列于表3中。

圖7 格室鋪設(shè)效果圖Fig.7 Geocell laying picture

圖8 G1-1試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖Fig.8 Phenomenon and displacement field of test G1-1

圖9 G5-1試驗(yàn)現(xiàn)象及位移場(chǎng)云圖Fig.9 Phenomenon and displacement field of test G5-1

圖8為細(xì)粒占比為5%的G1-1組試驗(yàn)結(jié)果，隨著降雨進(jìn)行，角坡土體逐步呈現(xiàn)滑落趨勢(shì)，但由于格室的加筋作用其整體性保持良好。降雨后期，隨著表層細(xì)顆粒被沖走，格室層逐漸顯露，土體與格室連接處形成積水；位移集中在坡體中部，向斜下方形成推力，造成坡角格室滑落，約360 s時(shí)坡面泥石流啟動(dòng)。

G5-1組試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，由于細(xì)粒含量較多，隨著降雨進(jìn)行，土體與格室連接處積水增多，促使雨水入滲，并造成格室層土體重度增加；角坡土體滑落，斜坡土體也出現(xiàn)滑動(dòng)趨勢(shì)。降雨后期，隨格室層的顯露，坡體表層徑流不斷沖刷坡表和格室，部分格室中土體被掏空。約690 s時(shí)，角坡處格室攜帶大量土體滑落，坡面泥石流正式啟動(dòng)；最終位移擴(kuò)散范圍近似于土工格室的厚度，位移帶邊界輪廓較清晰。

G2-1、G3-1、G4-1試驗(yàn)組泥石流啟動(dòng)時(shí)間分別為410、420、515 s，如表3所示。

表3 G1-1～G5-1組試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of G1-1～G5-1

各組試驗(yàn)破壞現(xiàn)象大致相同，降雨初期角坡遭沖蝕直至大量土體滑落。隨著降雨進(jìn)行，角坡處格室最終滑落，斜坡格室?guī)?dòng)部分土體向斜下方運(yùn)動(dòng)。隨著各試驗(yàn)組細(xì)顆粒含量的增多，泥石流啟動(dòng)時(shí)土體位移由深層擴(kuò)散逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺舆\(yùn)動(dòng)模式。限于篇幅，不再逐一列出。

綜上所述，相較于無(wú)格室試驗(yàn)組，有格室防護(hù)試驗(yàn)組坡體表面侵蝕現(xiàn)象不明顯，雨水以入滲為主，土體整體性較好，各試驗(yàn)組坡體破壞形態(tài)并無(wú)顯著區(qū)別。由于格式的加筋作用，各試驗(yàn)組泥石流啟動(dòng)形態(tài)均為土體大量滑落的整體性破壞，與無(wú)格室防護(hù)試驗(yàn)組相比具有明顯的不同，且加大了破壞方量。對(duì)比位移云圖，有格室防護(hù)試驗(yàn)組位移帶輪廓清晰規(guī)則，沿格室厚度發(fā)展，加固作用十分明顯。

2.3 土體含水率變化規(guī)律分析

以坡體內(nèi)部不同位置的含水率作為參量，進(jìn)一步研究格室加固作用對(duì)坡面泥石流啟動(dòng)過(guò)程的影響。如圖1所示，為減小埋置含水率探頭對(duì)試驗(yàn)的影響，每組試驗(yàn)選取距離坡底5 cm處的A、B兩個(gè)位置進(jìn)行土體含水率監(jiān)測(cè)，其中點(diǎn)A位于斜坡中下部靠近與角坡的交點(diǎn)處；點(diǎn)B位于斜坡的中上部。選擇G1、G3、G5和G1-1、G3-1、G5-1共3對(duì)6組試驗(yàn)在A、B兩個(gè)位置，有、無(wú)格室防護(hù)時(shí)的含水率變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10～圖12所示。

圖10為細(xì)顆粒含量為5%試驗(yàn)組的含水率變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)進(jìn)行格室加固后，含水率開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間延后，同時(shí)泥石流啟動(dòng)時(shí)的含水率更高。與土體相比，格室可以看作是不透水的，雨水不能直接向下滲流，而是必須先繞過(guò)格室再繼續(xù)滲流，相當(dāng)于延長(zhǎng)了雨水的滲流路徑，阻礙了水分在土體中的流動(dòng)，造成含水率增加的時(shí)間延后。格室的加固作用造成泥石流啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而使得格室防護(hù)組的含水率更高。可見(jiàn)，此時(shí)的土工格室主要起到加筋固土、蓄水以及增加雨水滲流路徑的作用。

圖10 G1和G1-1試驗(yàn)組含水率變化曲線(xiàn)Fig.10 Change curves of moisture content of test G1 and G1-1

圖11 G3和G3-1試驗(yàn)組含水率變化曲線(xiàn)Fig.11 Change curves of moisture content of test G3 and G3-1

圖12 G5和G5-1試驗(yàn)組含水率變化曲線(xiàn)Fig.12 Change curves of moisture content of test G5 and G5-1

圖11為細(xì)粒含量15%試驗(yàn)組的含水率變化曲線(xiàn)，兩組坡面泥石流試驗(yàn)的啟動(dòng)時(shí)間比較接近。與圖10相比，每組試驗(yàn)在點(diǎn)A處含水率開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間明顯早于B點(diǎn)，說(shuō)明細(xì)顆粒含量的增加造成土體滲透性降低，在重力和降雨沖刷的作用下，位于同一深度，位置更低的A點(diǎn)會(huì)率先浸潤(rùn)。另外，土工格室與土體的界面處會(huì)形成排水通道，促使雨水向坡體深處滲流，造成格室組泥石流啟動(dòng)時(shí)A、B點(diǎn)處的含水率接近。無(wú)格室組在B點(diǎn)處的含水率增長(zhǎng)太晚，尚未達(dá)到穩(wěn)定泥石流就已經(jīng)啟動(dòng)，與A點(diǎn)處含水率差別較大。

圖12為細(xì)顆粒含量25%試驗(yàn)組的含水率變化曲線(xiàn)，格室防護(hù)組含水率開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間明顯早于無(wú)格式組，說(shuō)明細(xì)顆粒含量較多，雨水在土體中入滲緩慢，格室與土體界面處的排水通道成為關(guān)鍵作用，促使雨水向深處流動(dòng)。另外，雨水入滲較慢，還會(huì)促使徑流增加，細(xì)顆粒被沖刷后，在格室網(wǎng)格內(nèi)會(huì)形成凹陷，形成雨水積聚，進(jìn)一步加快了沿排水通道向土體深處滲流的速度。無(wú)格室組在泥石流啟動(dòng)時(shí)，B點(diǎn)的含水率才開(kāi)始增加，說(shuō)明B點(diǎn)以下的坡體并沒(méi)有完全潤(rùn)濕，坡體即發(fā)生了破壞。

由以上分析可見(jiàn)，格室防護(hù)試驗(yàn)組泥石流啟動(dòng)時(shí)的含水率普遍高于無(wú)格室試驗(yàn)組，啟動(dòng)時(shí)間也普遍晚于無(wú)格室組，體現(xiàn)出土工格室在泥石流防護(hù)中的蓄水和加固作用。同時(shí)，當(dāng)粗顆粒含量較多時(shí)，土體滲透性較強(qiáng)，格室還起到增加滲流路徑，減緩滲流的作用；當(dāng)細(xì)顆粒含量較多時(shí)，土體滲透性變差，格室與土體界面的排水通道，促使雨水向土體內(nèi)部滲流，格室起到排水并減緩沖刷的作用。

3 土工格室防護(hù)效果分析

土工格室的加固能夠延緩泥石流啟動(dòng)，提高土坡蓄水能力，并能在一定程度上調(diào)節(jié)雨水的入滲速度。各組試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)坡體形成泥石流破壞時(shí)的方量也有所不同，而啟動(dòng)時(shí)間和滑坡方量常用來(lái)評(píng)價(jià)泥石流災(zāi)害［15-16］。因此，文中根據(jù)有、無(wú)格室防護(hù)坡體時(shí)泥石流啟動(dòng)時(shí)間的對(duì)比，以及泥石流的坡面啟動(dòng)比等因素對(duì)土工格室防護(hù)效果做出評(píng)價(jià)。

3.1 啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)程度

圖13為細(xì)顆粒占比從5%增加到25%時(shí)，泥石流啟動(dòng)時(shí)間的對(duì)比。通過(guò)格室的加固作用，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)值依次為：85、50、5、22、175 s。盡管觀測(cè)數(shù)據(jù)有限，但為了更加直觀地反映格室的加固作用，以土工格室在不同級(jí)配土體中發(fā)揮作用的程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，以細(xì)顆粒占比為橫坐標(biāo)，相對(duì)于無(wú)格室防護(hù)時(shí)啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)程度（百分比）為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖并擬合相應(yīng)的趨勢(shì)線(xiàn)如圖14所示。

圖13 泥石流啟動(dòng)時(shí)間對(duì)比Fig.13 The comparison on starting time of debris flow

圖14 啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)比與細(xì)顆粒占比關(guān)系Fig.14 Relationship between elongation ratio of startup time and proportion of fine particles

將細(xì)顆粒占比作為自變量，用符號(hào)u表示；啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)比作為因變量，用符號(hào)T表示，可得：

其擬合度達(dá)到0.946 54，擬合結(jié)果較為理想。

由此可見(jiàn)，各組試驗(yàn)土工格室對(duì)泥石流啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)作用并不相同，與細(xì)顆粒占比之間呈二次拋物線(xiàn)的關(guān)系。這表明：隨著土體顆粒級(jí)配的變化，在細(xì)顆粒含量由5%增長(zhǎng)到25%的范圍內(nèi)，土工格室對(duì)泥石流啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)程度先降低再升高。對(duì)于G1組（滑坡型）和G5組（侵蝕型），格室的加固使泥石流啟動(dòng)時(shí)的破壞模式改變，延緩了泥石流的啟動(dòng)時(shí)間，格室加固作用明顯。對(duì)于細(xì)粒含量為15%的G3試驗(yàn)組（過(guò)渡型），格室加固作用并不顯著。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，G3試驗(yàn)組破壞形態(tài)在前期以表層土體沖刷侵蝕為主，后期又轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層土體滑落，與G3-1組結(jié)果（格室裹挾土體滑落）接近。G3試驗(yàn)組的位移場(chǎng)與G3-1組也近似，滑移土層厚度基本都是圍繞格室厚度發(fā)展，并在斜坡中部附近產(chǎn)生最大位移。另外，含水率分析表明，兩組試驗(yàn)在坡體前部（A點(diǎn)）含水率非常接近，在其發(fā)生滑坡的淺層區(qū)域含水率基本一致?？梢?jiàn)，當(dāng)土體細(xì)粒含量在某一中等范圍（15%）變化時(shí)，土工格室不能對(duì)坡體的破壞模式造成明顯改變，使得加固作用減弱。

3.2 坡面啟動(dòng)比的影響

坡面啟動(dòng)比為失穩(wěn)坡體體積占總體積的比值，但由于缺少相關(guān)儀器以及經(jīng)驗(yàn)，未能在試驗(yàn)中掃描土體立體變化來(lái)分析?？紤]到水槽寬度（30 cm）并不大，試樣和降雨在寬度方向上相對(duì)均勻，采用崩滑坡體的側(cè)面積比，來(lái)代表整個(gè)坡體的體積變化，雖具有一定的誤差，但也能反映坡面啟動(dòng)比的變化規(guī)律?？紤]到無(wú)格室組泥石流的啟動(dòng)形態(tài)差異較大，而格室防護(hù)試驗(yàn)組的啟動(dòng)形態(tài)較為一致；將格室防護(hù)組泥石流啟動(dòng)時(shí)的坡體側(cè)表面崩滑區(qū)域與整體面積的比值作為參考依據(jù)，對(duì)土工格室的防護(hù)效果進(jìn)行分析。

坡面啟動(dòng)比的計(jì)算及圖像處理方法如下：

（1）以G3-1試驗(yàn)組坡面泥石流啟動(dòng)時(shí)的側(cè)表面圖像為例，在其上進(jìn)行描點(diǎn)并連線(xiàn)，得到崩滑區(qū)域與穩(wěn)定區(qū)域的分界線(xiàn)，該分界線(xiàn)與原坡體的邊界線(xiàn)形成空差區(qū)域，即為崩滑區(qū)，如圖15所示。崩滑區(qū)內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)從坡體后方滑落進(jìn)來(lái)的砂土，后方滑落土體也應(yīng)計(jì)入到崩滑區(qū)的面積。

（2）以像素坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，使用CAD繪圖軟件再現(xiàn)相應(yīng)的圖形形狀，測(cè)量崩滑區(qū)面積和原坡體的側(cè)表面積，進(jìn)而得到破壞崩滑區(qū)域占總體區(qū)域的比值（圖15），稱(chēng)為坡面啟動(dòng)比，用符號(hào)P表示。

按上述方法依次計(jì)算格室防護(hù)試驗(yàn)組的坡面啟動(dòng)比，結(jié)果如表4所示。為了更直觀地反映不同細(xì)粒含量時(shí)，坡面啟動(dòng)比的變化規(guī)律，以細(xì)粒占比為橫坐標(biāo)，坡面啟動(dòng)比為縱坐標(biāo)，擬合趨勢(shì)線(xiàn)如圖16所示。

坡面啟動(dòng)比P與細(xì)顆粒占比u的擬合關(guān)系為：

其擬合度為0.974 19，線(xiàn)性擬合關(guān)系較為合理。

圖15 崩滑區(qū)域示意圖Fig.15 The schematic diagram of landslide zone

圖16 坡面啟動(dòng)比與細(xì)顆粒占比關(guān)系Fig.16 Relationship between slope starting ratio and proportion of fine particles

表4 坡面啟動(dòng)比Table 4 The slide area proportion of slope

由以上分析可知，隨著土體細(xì)顆粒含量的增加，坡面型泥石流啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的崩滑區(qū)與整體模型的比值隨之變小。細(xì)顆粒占比增加，格室與土體界面處形成主要排水通道，使得格室區(qū)域含水率增加，重力增加的同時(shí)而強(qiáng)度減弱，與下部土體間的摩擦力減小，最終，格室裹挾土體滑落時(shí)對(duì)周?chē)馏w的牽連作用變小，坡面啟動(dòng)比也隨之減小。

4 不同細(xì)粒含量下格室加固機(jī)理分析

文中采用對(duì)比試驗(yàn)討論不同細(xì)粒含量下土工格室的加固機(jī)制，通過(guò)對(duì)啟動(dòng)現(xiàn)象、啟動(dòng)時(shí)間、位移場(chǎng)、含水率等參數(shù)變化規(guī)律的分析，以及利用時(shí)間延長(zhǎng)比和坡面啟動(dòng)比對(duì)格室防護(hù)效果的評(píng)價(jià)，總結(jié)出當(dāng)細(xì)粒含量變化時(shí)，土工格室對(duì)坡面型泥石流啟動(dòng)的防治機(jī)理：

（1）土工格室對(duì)坡體表層加固作用顯著，能夠改變坡面型泥石流啟動(dòng)時(shí)的破壞形態(tài)。當(dāng)細(xì)顆粒含量從5%增加至25%時(shí)，無(wú)格室加固的坡面型泥石流啟動(dòng)形態(tài)由滑坡型→過(guò)渡型→侵蝕型轉(zhuǎn)變；而采用格室加固時(shí)，啟動(dòng)形態(tài)基本一致，都是格室裹挾土體滑落，區(qū)別在于滑坡方量逐漸減小。

（2）采用土工格室加固坡體表層，能夠延長(zhǎng)坡面型泥石流的啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)土體細(xì)顆粒含量增加時(shí)，泥石流啟動(dòng)的時(shí)間總體上會(huì)延長(zhǎng)；但相較于無(wú)格式防治的情況，格室加固對(duì)泥石流啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)比隨細(xì)粒含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)土體細(xì)粒含量在某一中等范圍變化時(shí)，有/無(wú)格室加固的坡體均表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)破壞，格室未能引起破壞模式的明顯改變，對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)作用并不顯著。

（3）格室加固延緩了坡面型泥石流的啟動(dòng)，但也容易造成啟動(dòng)時(shí)破壞方量的增大。無(wú)格室加固情況下，滑坡型破壞時(shí)方量最大，過(guò)渡型破壞時(shí)最?。挥懈袷壹庸虝r(shí)，隨細(xì)粒含量的增加，坡面啟動(dòng)比逐步減小。細(xì)粒含量較多時(shí)，由于格室增強(qiáng)了表層土體的整體性，裹挾土體滑落時(shí)引起坡表的破壞方量反而增大。

（4）土工格室在坡面泥石流防治中起到蓄水和加固作用，并能夠?qū)τ晁霛B進(jìn)行調(diào)配。格室防護(hù)時(shí)的含水率普遍更高，啟動(dòng)時(shí)間也普遍晚于無(wú)格室加固的情況，蓄水及加固作用明顯。當(dāng)粗顆粒含量較多時(shí)，土體滲透性較強(qiáng)，格室還起到增加滲流路徑，減緩滲流的作用；當(dāng)細(xì)顆粒含量較多時(shí)，土體滲透性變差，格室與土體界面的排水通道，促使雨水向土體內(nèi)部滲流，格室起到排水并減緩沖刷的作用。

可見(jiàn)，土工格室對(duì)于防治坡面型泥石流啟動(dòng)具有非常積極的作用，能夠使坡體表層連成整體，并適當(dāng)調(diào)配雨水入滲，延緩泥石流啟動(dòng)時(shí)間；但當(dāng)細(xì)粒含量適中時(shí)，效果并不顯著。另外，盡管在格室防護(hù)下坡面整體性較好，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，但當(dāng)細(xì)粒含量較大時(shí)，一旦發(fā)生泥石流的破壞方量會(huì)更大。鑒于土工格室對(duì)不同細(xì)粒含量坡體的加固特性，需結(jié)合其他防治手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)坡面泥石流的啟動(dòng)進(jìn)行更有效防治。

5 結(jié)論

針對(duì)不同級(jí)配坡體在有/無(wú)格室防護(hù)時(shí)的人工降雨室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)啟動(dòng)現(xiàn)象、啟動(dòng)時(shí)間、位移場(chǎng)、含水率等參數(shù)的分析，總結(jié)了格室對(duì)坡面型泥石流啟動(dòng)規(guī)律的影響；并以時(shí)間延長(zhǎng)比和坡面啟動(dòng)比為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土工格室的防護(hù)效果進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

（1）無(wú)格室防護(hù)時(shí)，泥石流的啟動(dòng)時(shí)間、形態(tài)會(huì)隨土體中細(xì)顆粒含量的不同呈現(xiàn)規(guī)律性變化，當(dāng)細(xì)顆粒含量從5%增加至25%時(shí)，泥石流啟動(dòng)用時(shí)逐漸增長(zhǎng)，啟動(dòng)形態(tài)由滑坡型轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g型；其中滑坡型的坡面泥石流啟動(dòng)時(shí)最大位移整體上比侵蝕型大，而過(guò)渡型的泥石流啟動(dòng)時(shí)最大位移值最小。

（2）有格室防護(hù)時(shí)，坡體表面侵蝕現(xiàn)象不明顯，土體整體性較好，坡面泥石流啟動(dòng)形態(tài)均為格室牽連下土體大量滑落的整體性破壞，但破壞方量有所增加。隨著細(xì)顆粒含量的增多，泥石流啟動(dòng)時(shí)土體位移由深層擴(kuò)散逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺舆\(yùn)動(dòng)模式；隨著降雨的進(jìn)行，位移帶沿格室厚度發(fā)展，加筋作用顯著。

（3）格室防護(hù)組泥石流啟動(dòng)時(shí)的含水率普遍更高，啟動(dòng)時(shí)間也更晚，體現(xiàn)出土工格室的蓄水和加固作用。粗顆粒含量較多時(shí)，格室還起到增加滲流路徑，減緩滲流速度的作用；當(dāng)細(xì)顆粒含量較多時(shí)，格室與土體界面形成排水通道，促使雨水向土體內(nèi)部滲流，格室起到排水并減緩沖刷的作用。

（4）隨細(xì)顆粒含量的增加，土工格室對(duì)泥石流啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)比呈現(xiàn)先降低再升高的二次拋物線(xiàn)關(guān)系；當(dāng)細(xì)粒含量在中等范圍變化時(shí)，格室對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)作用并不顯著。坡面啟動(dòng)比隨細(xì)粒含量增加呈現(xiàn)逐漸減小的線(xiàn)性關(guān)系；細(xì)粒含量較高時(shí)，與無(wú)格室情況相比，格室的牽連作用會(huì)造成破壞方量增大。