樊圓圓，宋 玲，魏學(xué)利

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

0 引言

本次研究選取中巴公路奧依塔克鎮(zhèn)布倫口段K1598 處典型冰川泥石流溝道內(nèi)的冰磧土。奧布段公路地形起伏大，緊鄰蓋孜河，又加上高山區(qū)冰川覆蓋，局部暴雨頻發(fā)，為泥石流發(fā)育提供良好的地形條件和水動(dòng)力條件[1?2]。中巴公路沿線發(fā)生過(guò)多次地質(zhì)災(zāi)害，常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害有泥石流、滑坡等。其中，冰川泥石流最為常見(jiàn)，危害性也較大。泥石流的形成主要原因是降水和融雪，故其與土體的顆粒組構(gòu)、含水率和細(xì)粒含量都緊密相關(guān)[3?4]。

冰磧土是冰川泥石流的主要固體物質(zhì)來(lái)源，其和冰川泥石流堆積類似但又有所不同[5]。冰磧土是經(jīng)過(guò)冰川搬運(yùn)和改造作用形成的，其顆粒粗細(xì)變化較大，在降雨和融雪的作用下，冰磧土內(nèi)部易發(fā)生遷移，進(jìn)而形成滑坡泥石流[6?7]。例如郭朝旭等[8]研究了寬級(jí)配弱固結(jié)土體內(nèi)細(xì)顆粒遷移規(guī)律；王保亮等[9]探討了降雨作用下土體細(xì)顆粒遷移特征及其對(duì)崩塌的影響；矯濱田等人[10]研究了土體降雨滑坡中細(xì)顆粒運(yùn)移及效應(yīng)。

冰磧土對(duì)冰川泥石流的形成起到重要影響作用。蔡祥興等[11]很早就對(duì)帕爾提巴爾溝冰川泥石流的成因和發(fā)展趨勢(shì)做了研究；陳曉清等[12?14]以寬級(jí)配礫石土為研究對(duì)象,通過(guò)人工降雨試驗(yàn)和室內(nèi)特體特征參數(shù)試驗(yàn),初步探究在暴雨作用下，寬級(jí)配礫石土滑坡轉(zhuǎn)化泥石流啟動(dòng)的機(jī)理；鐵永波等[15]主要探索了冰磧補(bǔ)給—暴雨型泥石流的形成條件及形成過(guò)程機(jī)制,提出了這類泥石流形成過(guò)程有清水匯流、單顆粒固體物質(zhì)啟動(dòng)、掏蝕和側(cè)蝕、泥石流形成4 個(gè)階段。此外鐵永波還考慮了凍融作用的影響，對(duì)凍融條件下冰磧補(bǔ)給型泥石流物源匯集過(guò)程進(jìn)行了初探。

近年來(lái)，前人學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)冰川泥石流的成因、分布特征及形成機(jī)制等已有了較深入的研究[16?20]，例如有中國(guó)西藏地區(qū)冰湖潰決型泥石流災(zāi)害的研究、西藏林芝地區(qū)冰川降雨型泥石流的研究等。此外，土的強(qiáng)度特性受水流的作用，與滑坡和泥石流的形成具有緊密聯(lián)系，有學(xué)者[21?22]將土體的特性和斜坡穩(wěn)定相聯(lián)系，并從微觀的角度研究其失穩(wěn)機(jī)理。土體結(jié)構(gòu)的變化和泥石流形成的聯(lián)系，也已有了大量的研究[23?24]。然而大多數(shù)都集中在砂土類的黏性泥石流和水力類泥石流的研究，對(duì)冰磧土的特性及其對(duì)冰川泥石流的形成研究較少。因此，本文基于水槽試驗(yàn)和前文對(duì)冰磧土特性的研究成果，對(duì)冰磧土啟動(dòng)形成泥石流的機(jī)理進(jìn)行分析。此次的研究探討了公路沿線冰磧土泥石流的啟動(dòng)，可以為日后此類泥石流的災(zāi)害防治和預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

艾爾庫(kù)然溝位于中巴公路奧布段K1601 處。經(jīng)前人調(diào)查發(fā)現(xiàn)，公路兩側(cè)冰磧物（冰水堆積物）共計(jì)37 處，總面積達(dá)到101.95 km2。冰磧物在降雨和融雪條件下，易被沖刷形成泥石流。該流域呈簸箕形，流域面積為1.88 km2，物源區(qū)溝道長(zhǎng)度為4.83 km，坡面長(zhǎng)度較短，溝道縱坡降平均值為290‰，該流域儲(chǔ)存大量的冰雪，匯水地形良好，冰川覆蓋層高且厚，形成泥石流的水源多為冰帽冰川受日照融化所得。根據(jù)公格爾山地區(qū)水文氣象資料顯示，夏季氣溫驟升，日照時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)致大量冰雪快速融化，在一年和一天內(nèi)冰川融水流量與氣溫隨時(shí)間變化均具有一致性[25]。該流域的冰川融水量受夏季氣溫影響較大，每年在6月末至9月初的流量急劇升高，為冰磧土啟動(dòng)形成泥石流提供了良好的水源動(dòng)力，且泥石流多發(fā)生在下午的3～6 點(diǎn)之間。眾所周知，流量增大對(duì)溝道內(nèi)土體的內(nèi)部組構(gòu)、水動(dòng)力條件和水土耦合機(jī)制有重要影響。流量和歷時(shí)長(zhǎng)度的不同，泥石流形成過(guò)程和啟動(dòng)機(jī)制也存在較為明顯的差異。因此，研究不同融水流量沖刷冰磧土體啟動(dòng)形成泥石流的過(guò)程和機(jī)制具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。又由于泥石流實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程總是處于流量連續(xù)增大情況下，故本次的研究是在了解冰磧土工程特征的基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討持續(xù)增大流量沖刷冰磧土啟動(dòng)形成泥石流的過(guò)程與機(jī)理。

公路沿線冰磧土分布廣泛，2015—2016年公路沿線泥石流現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間，對(duì)不同位置的冰磧土進(jìn)行大量顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域冰磧土類型多樣，粒度分布廣，且多為礫石和砂粒占比大，礫石含量最高（33.4%～88.9%），砂粒含量次之（9.17%～68.77%），而細(xì)顆粒含量最低，粉砂含量約占1.69%～11.61%，黏土含量約占0.12%～12.17%。對(duì)公路兩側(cè)不同冰川泥石流堆積體隨機(jī)取樣進(jìn)行顆分實(shí)驗(yàn)，共取樣41 組，冰磧土的巖土成分占比和級(jí)配狀況如圖1所示，其中各巖土成分取值為41 組樣品的算術(shù)平均值。由冰磧土粒度組成可反映其形成過(guò)程和沉積環(huán)境，在寒冷環(huán)境下，大量巖塊經(jīng)受寒凍物理風(fēng)化作用形成粗顆粒巖屑，并在搬運(yùn)過(guò)程中發(fā)生物理和化學(xué)風(fēng)化作用形成少量粉沙和黏土。

圖1 冰磧土中巖土成分占比圖和冰磧土的級(jí)配狀況圖Fig.1 Proportion diagram of rock and soil composition in moraine soil and gradation diagram of moraine soil

2 冰磧土泥石流啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.1 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄔ囼?yàn)水槽、土體鋪設(shè)及傳感器布置（圖2）。建立尺寸為350 cm×60 cm×50 cm 的水槽模型，模型水槽的底端和一側(cè)用鋼板焊接，另一側(cè)采用5 mm厚的有機(jī)玻璃板，底部每隔50 cm 設(shè)置一處5 cm 高的隔板以此增強(qiáng)土體與水槽之間的摩擦力。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)溝谷平均坡度為26.8°，為近似模擬實(shí)際設(shè)定試驗(yàn)坡度θ 為25°。調(diào)節(jié)供水箱出口處的閥門(mén)來(lái)改變水流流量大小，進(jìn)而研究冰磧土體在增大流量作用下沖刷啟動(dòng)形成泥石流的過(guò)程。

圖2 試驗(yàn)水槽模型、土體鋪設(shè)及傳感器布置圖Fig.2 Flume model and layout of experiment soil and sensors

2.2 啟動(dòng)試驗(yàn)方法

將原樣土中粒徑大于10 cm 的塊石剔除后曬干，原樣土平均天然含水量為5.3%，為近似模擬實(shí)際土體情況，配置含水量為6%的土樣作為試驗(yàn)土；將試驗(yàn)土均勻攤鋪在底部已鋪設(shè)卵石的試驗(yàn)槽中，以增加土體底部摩阻力。矩形斷面最佳泥石流排導(dǎo)尺寸為土體厚度與斷面寬度比為1∶2，槽寬60 cm,土樣厚30 cm（圖2）。土樣長(zhǎng)度為250 cm,試驗(yàn)槽前、后緣各50 cm 不鋪設(shè)土樣，分別作為水流和泥石流的過(guò)渡段；將配置好的試驗(yàn)土體分三次填筑至試驗(yàn)槽中，每次填土厚度為10 cm，壓實(shí)、平整后再完成下一次的填筑。將含水量傳感器探頭埋設(shè)在試驗(yàn)土中，每個(gè)剖面的探頭各布置3 個(gè)，深度均為25 cm，18 cm，10 cm，探頭布置完成后，對(duì)擾動(dòng)土樣進(jìn)行壓實(shí)，靜置12 h；冰磧土自然固結(jié)12 h 后，一切準(zhǔn)備就緒后，打開(kāi)供水箱出口處閥門(mén)，調(diào)節(jié)流量，試驗(yàn)開(kāi)始。

2.3 啟動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)象

本次實(shí)驗(yàn)為人工持續(xù)放水沖刷實(shí)驗(yàn)，控制流量分別為8 L/min、12 L/min、16 L/min 和56 L/min。融水量為8 L/min 時(shí)（圖3a），融水量較小，土體孔隙大、滲透性能好，冰磧土自然狀態(tài)的細(xì)顆粒含量較少，水流沿著坡頂快速下滲，土體內(nèi)部的細(xì)體顆粒沿粗顆粒縫隙隨水流向坡腳處遷移，2 min 時(shí)坡腳出現(xiàn)渾濁泥流,3 min 時(shí)坡腳匯流變清，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，22 min 之后傳感器1 的底部含水量逐漸增加，實(shí)驗(yàn)歷時(shí)30 min。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程圖Fig.3 Test process diagram

融水量為12 L/min（圖3b），水流入滲速率加快，土體內(nèi)部含水量快速增加，土體中的細(xì)顆粒持續(xù)不斷的向坡腳遷移，3.5 min 時(shí)表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。10 min 時(shí)坡腳細(xì)顆粒含量持續(xù)增加并堆積，水流被部分阻礙，傳感器2 的含水量快速上升。從側(cè)面觀察到土體內(nèi)細(xì)顆粒的流失，在水槽底部形成了通道，并隨著時(shí)間不斷加長(zhǎng)，最終貫通坡體形成水流穩(wěn)定的滲流通道。水流持續(xù)沖刷22 min 時(shí)，坡腳產(chǎn)流變清，在坡腳上方產(chǎn)生橫向裂縫，坡腳處土體骨架出現(xiàn)部分坍塌，但整體未發(fā)生嚴(yán)重破壞，實(shí)驗(yàn)歷時(shí)22 min，此時(shí)的水位和浸潤(rùn)線不斷上升。

融水流量為16 L/min（圖3c），流量加大，流速變快，土體含水量迅速增加且滲流加快，出現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流且徑流快速?zèng)_刷土體表面，出現(xiàn)粗化。5 min 時(shí)坡腳處土體堆積出現(xiàn)渾濁泥流，土體表面被沖刷形成一條溝道，細(xì)顆粒侵蝕下移，細(xì)顆粒的含量增加堵塞滲流通道。中下游橫向裂縫的寬度不斷發(fā)展，隨后沿裂縫處發(fā)生坍塌。10 min 時(shí)土體坍塌使土體顆粒發(fā)生重組孔隙率變小，滲透變?nèi)酰鱾?cè)蝕沖溝兩側(cè)土體，使土體底部被掏空失穩(wěn)坍塌堵塞沖溝，12 min 時(shí)水流大量匯集在沖溝底部，隨后潰決形成小規(guī)模泥石流，泥石流持續(xù)10 s 后坡腳處出現(xiàn)高含沙水流，3 號(hào)傳感器探頭被水流沖出。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)18 min。

融水量為56 L/min（圖3d），此時(shí)在土體表面出現(xiàn)超滲產(chǎn)流，粗細(xì)顆粒都被水流迅速帶走，堆積體坡腳不斷后退，25 s 時(shí)土體骨架坍塌，2 min 時(shí)的水流和骨架從坡頂下泄沖刷坡底和溝道，使溝道內(nèi)的下蝕和側(cè)蝕加劇，造成坡腳處坍塌體堵塞，細(xì)顆粒在下游的大量堆積和前期在坡腳的坍塌物發(fā)生潰決形成更大規(guī)模的泥石流。實(shí)驗(yàn)歷時(shí)5 min。

2.4 細(xì)顆粒含量變化

在試驗(yàn)中觀察水槽出口的細(xì)顆粒含量，得到細(xì)粒含量隨時(shí)間的變化圖（圖4），在不同融水流量作用下，細(xì)顆粒含量都隨時(shí)間都呈現(xiàn)波動(dòng)式變化，且隨時(shí)間的持續(xù)有先升后降的整體趨勢(shì)。

圖4 細(xì)粒含量隨時(shí)間變化圖Fig.4 Variation diagram of fine grain content with time

當(dāng)融水流量為8 L/min 時(shí)，細(xì)粒含量的峰值有兩個(gè)，分別在10 min 和25 min 時(shí)刻，原因是當(dāng)水流流出接觸坡體，土體中部分細(xì)顆粒在冰磧土的粗顆粒大骨架中被水流帶走，在坡腳處有渾濁水流，此時(shí)流速較小，不足以破壞冰磧土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在土體內(nèi)部形成水流通道，當(dāng)水流持續(xù)作用，水流通道加大，又有部分細(xì)粒含量被水流帶走，即形成了第二次峰值，30 min 后匯流變清并保持。

當(dāng)融水流量為12 L/min 時(shí)，發(fā)現(xiàn)曲線有一個(gè)較明顯的峰值，水流剛開(kāi)始作用，由于流量較小，流出的細(xì)粒含量也較少，10 min 時(shí)細(xì)粒含量在坡腳處堆積堵塞了水流通道，導(dǎo)致超滲產(chǎn)流，水流主要變?yōu)榈乇韽搅?，攜沙量達(dá)到峰值。隨后攜沙量不斷減少，坡腳處出現(xiàn)裂縫和部分坍塌，22 min 后狀態(tài)不變。

當(dāng)融水流量增至到16 L/min 時(shí)，曲線波動(dòng)較明顯，且峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前至5 min，此時(shí)因?yàn)樗骷哟?，流速加大坡腳堆積土體坍塌，使得水流通道順暢，不斷有細(xì)顆粒持續(xù)隨水流加速流出。10 min 時(shí)水流側(cè)蝕使得坡腳堆積，坡腳含沙量減少，12 min 時(shí)土體逐漸失穩(wěn)坍塌堵塞，隨后潰決形成小規(guī)模泥石流，泥石流持續(xù)10 s后坡腳處出現(xiàn)高含沙水流，隨后含沙量減少并趨于穩(wěn)定，歷時(shí)18 min。

當(dāng)融水流量為56 L/min 時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖中只有一個(gè)峰值，總歷時(shí)5 min，大水流泄出使得土體逐漸飽和，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也急劇減弱，在流量和流速都變大的情況下，坡腳處土骨架瞬間崩塌，在坡腳處發(fā)生潰決后大量的細(xì)顆粒隨水流瀉出，最終形成泥石流。

泥沙含量隨融水流量和時(shí)間的不同而發(fā)生波動(dòng)變化，波動(dòng)原因如下，一是流量較小時(shí)，水流在土體內(nèi)部形成滲流通道，細(xì)顆粒從通道中被攜帶至坡腳，形成高含沙水流，后期由于無(wú)足夠泥沙補(bǔ)給，在穩(wěn)定滲流通道內(nèi)形成水流，進(jìn)而泥沙含量減少；二是水流沖刷使土體失穩(wěn)坍塌，匯集在坡腳處抑制了水流的流通，滲流通道被堵塞，坡腳產(chǎn)沙量短暫減少，后出現(xiàn)超滲產(chǎn)流，坡腳表面細(xì)顆粒被帶走；三是土骨架大量坍塌，隨水流堵塞在坡腳，土體發(fā)生潰決后大量泥沙隨水流順流而下，產(chǎn)流量增大。因此，泥石流沖刷啟動(dòng)和土體坍塌淤堵在反復(fù)循環(huán)。

融水流量對(duì)細(xì)粒含量的遷出有很大的影響，在融水量較小時(shí)，水流一部分進(jìn)入土體內(nèi)部被吸收，大部分順著坡度向坡腳瀉出，此時(shí)流速小，流量穩(wěn)定，總細(xì)粒含量的排出較少；融水量較大時(shí)，細(xì)粒含量的產(chǎn)出隨流量的增加而突增，具有歷時(shí)短峰值高的特征。

3 冰磧土泥石流形成機(jī)理

3.1 泥石流的啟動(dòng)機(jī)理分析

通過(guò)調(diào)查研究可知冰磧土呈現(xiàn)骨架結(jié)構(gòu)，粗顆粒的砂礫含量高，細(xì)顆粒的粉砂含量較低，孔隙度大，透水性強(qiáng)。冰磧土堆積體受降雨和融雪的影響，其含水率和細(xì)粒含量對(duì)土體強(qiáng)度的變化有決定性作用，從而引發(fā)泥石流的啟動(dòng)。

3.1.1 滲透飽和

通過(guò)對(duì)天然重度(2.0 g/cm3）下冰磧土的不固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)，設(shè)置了4 種含水量（5%、10%、15%、20%）得到冰磧土不同含水率下抗剪強(qiáng)度的變化曲線（圖5），可知冰磧土體內(nèi)含水率的不同是引起土體強(qiáng)度變化的重要因素，當(dāng)土體處于天然含水率ω=2.1%～8.68%之內(nèi)時(shí)，冰磧土體的內(nèi)摩擦角φb大于坡體坡度θ，其處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)打開(kāi)水流，水流逐漸滲透到冰磧土體內(nèi)部，使其含水率逐漸增大，但此時(shí)并未達(dá)到飽和狀態(tài)，即土體含水率達(dá)到含水量區(qū)間（10%～15%），土體內(nèi)摩擦角φb值和凝聚力C值隨含水率增加而下降，從而引起抗剪強(qiáng)度變小，同時(shí)由于水流的滲入導(dǎo)致土體的下滑力增大，土體間的剪切力加大，但部分細(xì)顆粒被水流帶走堆積于坡底，坡底細(xì)粒含量增加（不超過(guò)30%），使得坡底的抗剪強(qiáng)度略微加大，再有此時(shí)土體的滲透性也較弱，冰磧土的抗滑力大于坡體的下滑力，因此土體仍能保持穩(wěn)定性，水流量較小時(shí)并不能使坡體大面積變形和發(fā)生破壞。

圖5 不同含水率下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化曲線Fig.5 Variation curve of shear strength under different moisture content

隨著水流量的增大，水流入滲，滲流沿大孔隙快速進(jìn)入土體，水流出現(xiàn)蓄滿產(chǎn)流，表面徑流沖刷土體，造成細(xì)顆粒侵蝕下移，土體表面出現(xiàn)粗化，孔隙率增大，滲透能力增強(qiáng)，加速土體滲流進(jìn)入飽和狀態(tài)，土體內(nèi)部含水率的飽和促使冰磧土體強(qiáng)度大幅度降低，在外力的干擾和作用下逐漸失穩(wěn)，從而啟動(dòng)并加速向下滑動(dòng)。

3.1.2 侵蝕坍塌

水流持續(xù)沖刷作用在冰磧土體上，使得土體的含水率急劇增大（大于15%），滲透系數(shù)變大，入滲較快，水流入滲使包裹土顆粒的水膜厚度變大減小了土顆粒之間的摩擦力，在滲透力的作用下水體楔入粒間孔隙帶走大量的細(xì)顆粒。當(dāng)水流入滲量穩(wěn)定，由于大量細(xì)體顆粒遷出土體內(nèi)部形成了完整的滲流通道（圖6），且通道尺寸隨細(xì)顆粒的流失逐漸加寬，水流沿滲流通道流動(dòng)。隨時(shí)間的持續(xù)，土體內(nèi)部大量細(xì)顆粒被沖蝕使土體骨架被架空甚至結(jié)構(gòu)性喪失，隨后土顆粒重新排列，在坡腳的細(xì)粒含量急增，滲透系數(shù)變小，堵塞滲流通道，堆積土體的厚度和坡度增加使得坡體向下的運(yùn)動(dòng)摩擦力和重力向下的分量增大，坡體的整體抗滑力減小，穩(wěn)定性變?nèi)?，最終促使土體崩塌向下滑動(dòng)破壞。土體粗顆粒骨架之間的摩擦力不足，顆粒之間的黏聚力變小，即顆粒間的接觸應(yīng)力驟降，在持續(xù)的滲流侵蝕作用下，坡底的土顆粒逐漸流失，使土體抗剪強(qiáng)度降低，土體加速蠕動(dòng)，進(jìn)而土體局部失穩(wěn)，出現(xiàn)裂紋、蠕動(dòng)、坍塌等現(xiàn)象。

圖6 冰磧土層內(nèi)的滲流通道Fig.6 Seepage channel inside the moraine soil

3.1.3 沖刷啟動(dòng)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，水流的持續(xù)沖刷侵蝕和土體坍塌使得堆積土體坡腳不斷后退，冰磧土的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水流量不變時(shí)，土體發(fā)生小型泥石流后歸于穩(wěn)定，不會(huì)再進(jìn)一步發(fā)生破壞。加大流量時(shí)，在土體表層沿著抗沖刷能力弱的土體中形成多條細(xì)溝，此時(shí)的細(xì)粒含量較實(shí)驗(yàn)前減少較多，土體也處于飽和，故其滲透能力變小，水流會(huì)沿著細(xì)溝不斷沖刷，多條細(xì)溝在水流沖刷下逐漸匯集，規(guī)模不斷加大，故坡腳處的土顆粒發(fā)生下切侵蝕和側(cè)向侵蝕，最終形成大規(guī)模的泥石流。

3.2 運(yùn)動(dòng)的受力穩(wěn)定分析

水流在持續(xù)增大流量沖刷過(guò)程中，試驗(yàn)前期流量較小時(shí)，表現(xiàn)為滲流侵蝕階段，水在靜止和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了孔隙水壓力和滲透力；試驗(yàn)后期流量較大時(shí)，表現(xiàn)為徑流侵蝕階段，快速流動(dòng)的水流在土體表面產(chǎn)生了徑流剪切力。

在融水量變化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在流量較小的前期表現(xiàn)為滲透飽和階段，在逐漸增加水流量的后期表現(xiàn)為侵蝕坍塌和沖刷啟動(dòng)，此過(guò)程中，冰磧土體會(huì)沿運(yùn)動(dòng)方向?qū)?xì)溝的底面產(chǎn)生剪切作用，即下滑力[26]FD和抗滑力FR（圖7）。

圖7 泥石流底部剪切力示意圖Fig.7 Schematic diagram of shear force at the bottom of debris flow

單元體沿坡面滑動(dòng)受力：

式中：Fm?地面以上泥石流體重力朝X方向的分量/KN；

Hc?土樣的深度/m；

ρc?土樣密度/（g·cm?3）；

g?重力加速度，取9.8 m·s?2；

θ?坡體角度，取值25°；

Ff?底面的摩擦阻力/kN；

φb?底面摩擦角（°）；

Fu?底面的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力/kN；

α2?泥石流運(yùn)動(dòng)碰撞摩擦阻力系數(shù)，為無(wú)量綱參數(shù)，取摩擦阻力系數(shù)α2為0.06[27]；

Vx?泥石流向下滑移的速度/（m·s?1）。

下滑力FD由Fm、Ff和Fu共同構(gòu)成[28]：

在坡面上的摩擦力不僅僅是由重力分量所提供，泥石流在水流的作用下會(huì)產(chǎn)生向上的孔隙水壓力，根據(jù)吳永等[29]所推導(dǎo)出堆積體受到的滲透靜水壓力Pw：

式中：γw?水的重度/（g·cm?3）；

hi?土體中平均潛水位/m；

l?土體的長(zhǎng)度/m。

故泥石流的抗滑力FR和冰磧土的穩(wěn)定系數(shù)Ks：

式中：FR?作用在坡面上產(chǎn)生的摩擦力和土體顆粒之間的黏聚力之和/kN；

C?土顆粒之間的黏聚力/kPa。

通過(guò)式（1）～（6）的計(jì)算，得到泥石流的下滑力和抗滑力在不同流量下的關(guān)系曲線圖（圖8），可明顯發(fā)現(xiàn)抗滑力和下滑力的交點(diǎn)發(fā)生在16 L/min。

從圖8可發(fā)現(xiàn)，在未放水（Q=0 L/min）的初始狀態(tài)，土體的下滑力主要有土體重力在X方向的分量提供，抗滑力中的坡面摩擦力和顆粒之間的黏聚力明顯大于下滑力，此時(shí)整體穩(wěn)定。當(dāng)融水量為8 L/min 和12 L/min時(shí)，水流持續(xù)滲透，徑流不明顯，此時(shí)隨著流量的加大，土體間黏聚力隨之減小，內(nèi)摩擦角減小使得摩擦阻力Ff逐漸減小，此時(shí)的下滑力仍小于抗滑力，土體繼續(xù)處于穩(wěn)定狀態(tài)；融水量為16 L/min 和56 L/min 時(shí)，土體漸漸飽和，坡體出現(xiàn)徑流侵蝕現(xiàn)象，土體細(xì)顆粒含量大量流失，黏聚力減少，土體的抗剪強(qiáng)度下降迅速，骨架失穩(wěn)，坡前細(xì)顆粒被輸移至坡腳而發(fā)生孔隙淤堵，致使孔隙水壓力瞬間增大，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)均隨之發(fā)生改變，此時(shí)冰磧土?xí)l(fā)泥石流，即其產(chǎn)生的下滑力大于土體的抗滑力。

圖8 不同流量下下滑力FD 和抗滑力FR 的變化Fig.8 Variation of towing force and slanding force under different flow rates

冰磧土體的穩(wěn)定系數(shù)Ks隨不同流量的變化如圖9所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同流量下冰磧土體穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行擬合，其呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)流量增加，穩(wěn)定系數(shù)下降明顯，穩(wěn)定系數(shù)大于1 發(fā)生在流量小于16 L/min，此階段主要以滲流飽和侵蝕為主，加大流量后發(fā)生坍塌啟動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)小于1 且下降快速。

圖9 不同流量Q 與穩(wěn)定系數(shù)Ks 的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of different flow rate and stability coefficient

3.3 泥石流啟動(dòng)機(jī)制

土體在穩(wěn)定期間受到降雨和融雪作用，土體經(jīng)過(guò)滲透飽和、上部顆粒向下部遷移，受含水率和細(xì)粒含量的影響，土體內(nèi)部的平衡被打破，在多力作用下致使坡體抗剪強(qiáng)度急劇減小，由于土體上部粗化，坡腳堆積明顯，細(xì)溝數(shù)量變多，水流持續(xù)沖刷使得坡體中細(xì)溝逐漸集中并加深，土體發(fā)生侵蝕坍塌和沖刷啟動(dòng)，并形成深而大的溝道，含砂水流或泥石流在運(yùn)動(dòng)中逐漸獲得較大的加速度，從而加快流體進(jìn)入高速運(yùn)動(dòng)，不斷進(jìn)行向下侵蝕和側(cè)向侵蝕，最終促使泥石流的形成。其演化機(jī)制見(jiàn)圖10。

圖10 泥石流形成過(guò)程示意圖Fig.10 Schematic diagram of debris flow formation process

4 結(jié)論

（1）不同融水流量下，冰磧土的侵蝕破壞形式和泥石流啟動(dòng)過(guò)程具有一定的差異性。在融水流量較小(8 L/min)時(shí)，主要以水流持續(xù)滲透為主，部分細(xì)顆粒被水流帶走堆積于坡底，此時(shí)冰磧土體的整體抗滑力大于下滑力，不會(huì)發(fā)生破壞。流量增大(12 L/min)時(shí)，此階段以滲流侵蝕為主，坡面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，坡腳土體小部分坍塌，但整體依舊穩(wěn)定。流量加大(16 L/min)，主要以侵蝕坍塌為主。冰磧土逐漸達(dá)到飽且上部粗化明顯，坡腳處的細(xì)顆粒的含量增加堵塞滲流通道，坡腳處堆積的自重和剪切力相應(yīng)增加，冰磧土發(fā)生侵蝕坍塌，并誘發(fā)小規(guī)模泥石流；融水流量較大(56 L/min)時(shí)發(fā)生沖刷啟動(dòng)，土體在沖刷的作用下徑流溝道加深加寬，并整體向下滑移。土體的強(qiáng)度不足以抵抗土體自重產(chǎn)生的下滑力，進(jìn)而發(fā)生下切侵蝕和側(cè)向侵蝕，最終啟動(dòng)形成泥石流。

（2）不同流量作用下泥石流啟動(dòng)模式有所區(qū)別。流量小時(shí)，主要以滲透飽和侵蝕為主，流量大時(shí)，主要以坍塌沖刷啟動(dòng)為主。原因是流量較小，其水流動(dòng)力不足，土體細(xì)顆粒遷移但不會(huì)流失，泥石流啟動(dòng)較難，后期水流量加大，流速加大，土體飽和且強(qiáng)度降低，泥石流隨之暴發(fā)啟動(dòng)。

（3）泥沙含量隨融水流量和時(shí)間的不同而發(fā)生波動(dòng)變化。流量小時(shí)，細(xì)粒含量主要從滲流通道流出；流量大時(shí)，泥石流沖刷啟動(dòng)和土體坍塌淤堵在反復(fù)循環(huán)，進(jìn)而含沙量處于波動(dòng)狀態(tài)。

（4）冰磧土在水流滲透作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。綜合土體強(qiáng)度和滲透性的變化特征及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，將冰磧土泥石流形成機(jī)理為滲透飽和、侵蝕坍塌、沖刷啟動(dòng)三部分。

（5）冰磧土的穩(wěn)定系數(shù)與水流流量呈冪函數(shù)關(guān)系。融水量的不斷增加，冰磧土逐漸趨于飽和，內(nèi)部含水率的增加和細(xì)粒含量的減少，使得土體的抗剪強(qiáng)度急劇減小，冰磧土泥石流隨流量流速的加大快速向下滑動(dòng)，土體中的剪切力增大，抗剪強(qiáng)度極速降低，使之下滑力逐漸超過(guò)冰磧土的抗滑力，穩(wěn)定系數(shù)Ks快速降低。