楊濤，李明俐，孫東，常鳴，楊宗佶

(1.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081；2.四川省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081；3.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；4.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

2008年5·12汶川發(fā)生8.0級(jí)特大地震，在強(qiáng)震區(qū)溝道及岸坡兩側(cè)產(chǎn)生了大量松散堆積物，導(dǎo)致西南山區(qū)在震后強(qiáng)降雨的激發(fā)作用下泥石流災(zāi)害頻發(fā)[1]。2010年8月13日都江堰龍池地區(qū)特大暴雨導(dǎo)致48條泥石流溝同時(shí)爆發(fā)，2019年8月20日位于汶川災(zāi)區(qū)的都江堰受強(qiáng)降雨影響，暴發(fā)群發(fā)性山洪泥石流災(zāi)害[2-5]?？梢?jiàn)，震后次生災(zāi)害持續(xù)效應(yīng)明顯，震后5～15 a間，泥石流活動(dòng)性演化為低頻、大中型、群發(fā)、黏—過(guò)渡性泥石流并伴有山洪。由于位于流域上游泥石流形成區(qū)溝岸兩側(cè)的松散物源具有地處高位且儲(chǔ)量較小的特點(diǎn)，在以往研究中常常被忽視，但其對(duì)溝道泥石流的形成具有強(qiáng)烈的放大效應(yīng)[6]。一方面，由于形成區(qū)地處流域高位，具有豐富的松散物源量和較大的溝道縱比降，使得坡面物源失穩(wěn)后成為補(bǔ)給物源，同時(shí)裹挾鏟刮溝道物源進(jìn)一步誘發(fā)流速較高的溝道泥石流，具有暴發(fā)前隱蔽性強(qiáng)、連鎖破壞性大的特點(diǎn)[7]；另一方面，西南山區(qū)汛期強(qiáng)降雨爆發(fā)，位于形成區(qū)上方的集雨區(qū)形成匯流進(jìn)入溝道需要時(shí)間，形成區(qū)坡面物源的失穩(wěn)會(huì)早于溝道泥石流啟動(dòng)10～15 min[8]，這短短十幾分鐘足以讓危險(xiǎn)范圍內(nèi)的百姓提前撤離[9]。因此，認(rèn)識(shí)溝源岸坡失穩(wěn)啟動(dòng)的水動(dòng)力條件及力學(xué)機(jī)理對(duì)實(shí)現(xiàn)溝道泥石流的超前預(yù)警預(yù)報(bào)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

前人對(duì)土力類泥石流和水力類泥石流已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究[10-22]，對(duì)具有松散結(jié)構(gòu)特性巖土體泥石流化的機(jī)制也有了初步研究，然而這些研究并未涉及震后特殊條件下的坡面物源泥石流啟動(dòng)問(wèn)題，相關(guān)成果無(wú)法滿足災(zāi)后重建對(duì)防災(zāi)技術(shù)的要求。

本文以都江堰銀洞子溝為例，借助水力學(xué)理論，分析泥石流形成區(qū)坡面松散堆積體內(nèi)潛水位隨降雨強(qiáng)度的變化規(guī)律和特征，解析震后強(qiáng)降雨條件下坡面物源松散堆積體失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制，并反演降雨閾值及啟動(dòng)的臨界條件，最后與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證。通過(guò)人工降雨物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)潛水位及坡體介質(zhì)力學(xué)參數(shù)隨雨強(qiáng)變化的響應(yīng)關(guān)系、失穩(wěn)臨界條件及失穩(wěn)模式。將理論分析、實(shí)例驗(yàn)證和物理模擬結(jié)果結(jié)合，對(duì)坡面松散物源啟動(dòng)力學(xué)機(jī)理、啟動(dòng)臨界條件及啟動(dòng)模式進(jìn)行深入剖析，為溝道泥石流啟動(dòng)的超前預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 震后坡面松散堆積體啟動(dòng)力學(xué)機(jī)制

持續(xù)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)降雨的激發(fā)作用降低了震后坡面松散堆積體的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致斜坡表層堆積體轉(zhuǎn)化為固、液、氣三相混合的坡面泥石流，坡面泥石流的啟動(dòng)是復(fù)雜水土耦合作用的結(jié)果[23-24]，需要綜合應(yīng)用土力學(xué)、水力學(xué)以及滲流力學(xué)的理論方能揭示震后坡面松散堆積體轉(zhuǎn)化為泥石流的力學(xué)機(jī)制。

1.1 強(qiáng)降雨在坡面松散堆積體中形成的潛水層厚度

設(shè)穩(wěn)態(tài)暴雨的雨強(qiáng)(單位時(shí)間、單位面積降雨量)為I，坡體表面積(即集雨面積)為S，則入滲至整個(gè)坡體的降雨流量為

Q=IS。

(1)

式中：Q為降雨滲流量,m3/h;I為單位時(shí)間、單位面積降雨量,mm·h-1·m-2;S為集雨面積,m2。

震后西南山區(qū)泥石流形成區(qū)的坡面松散堆積體為碎石土，結(jié)構(gòu)松散且滲透系數(shù)大，汛期暴雨來(lái)臨，隨強(qiáng)降雨的不斷入滲，基巖面以上飽和土體中產(chǎn)生飽水層厚度為H的自由水頭(即一定高度的潛水位)，堆積體受水力作用而失穩(wěn)，最終可能轉(zhuǎn)化為泥石流。由可以適用于地下水層流的達(dá)西定律可知，降雨入滲至坡體的滲流流量與上下游的水位差(距離大地水準(zhǔn)面的高程之差)和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e成正比，與滲流路徑的長(zhǎng)度呈反比，公式為

Q=KA(H2-H1)/L=KAsinθ。

(2)

式中：Q為降雨滲流量,m3/h;K為滲透系數(shù),m/d;A為垂直于水流方向的截面積(過(guò)水?dāng)嗝婷娣e),m2;H2-H1為上下游的水位差,m；L為滲流路徑的長(zhǎng)度,m;θ為潛水位傾角，(°)。

圖1為坡面松散堆積體的水文模型。

Z.坡面松散堆積體鉛垂厚度，m；L.滲流路徑的長(zhǎng)度，m；θ.潛水位傾角，(°)；W.坡體寬度，m；(H2-H1).上下游的水位差，m。

由該水文模型可得

A=WHcosθ。

(3)

式中：W為坡體寬度，m；H為潛水層厚度,m。

將式(3)帶入式(2)可得

Q=KWHcosθ·sinθ。

(4)

綜合式(1)和式(4)，可得

(5)

理論上，隨降雨的持續(xù)，地下水位高度可不斷抬升，直至坡體完全飽和，即：H=Z(其中Z為坡面松散堆積物的鉛垂厚度)，最終潛水溢出坡面松散堆積體表面，在坡體表面形成地表徑流或超滲表面流。根據(jù)水力學(xué)飽和土體中的徑流流量表達(dá)式可得

QZ=TDWsinθ。

(6)

式中：TD為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d。

綜合式(4)與式(6)，可得

K=T/Zcosθ。

(7)

將式(7)代入式(5)，可將公式簡(jiǎn)化得到式(8)所示的降雨入滲后坡體內(nèi)產(chǎn)生的潛水層鉛垂厚度

(8)

由式(8)可建立潛水層垂直厚度與降雨雨強(qiáng)、潛水面傾角、坡體面積等幾何參數(shù)的多元函數(shù)關(guān)系和模型(圖1)，可見(jiàn)潛水層垂直厚度受以上多方面因素的共同作用：潛水層垂直厚度H與降雨雨強(qiáng)I、坡面松散堆積體鉛垂厚度Z呈正比，與導(dǎo)水系數(shù)、坡體寬度和潛水位傾角呈反比，并且地下水位的深度主要受降雨強(qiáng)度的控制。

1.2 坡面松散堆積體水力作用機(jī)制

1.2.1 靜水壓力作用

如圖2所示，設(shè)堆積體條塊上端入口處的潛水深度為h2，下端出口處的潛水深度為h1，建立沿溝床方向?yàn)閄方向、垂直于溝床為Y方向的坐標(biāo)系。由堆積體內(nèi)一點(diǎn)靜水壓力Ph=γw·h(其中γw為堆積體內(nèi)水的重度,N/m3；h為這一點(diǎn)之上的自由水深度，即潛水面到此點(diǎn)的深度，簡(jiǎn)稱潛水深度,m)，可得沿X方向某一點(diǎn)的滲透靜水壓力為

(9)

Z.坡面松散堆積體鉛垂厚度,m；L.滲流路徑的長(zhǎng)度,m；θ.潛水位傾角，(°)；h1.坡體上部潛水深度,m；h2.坡體下部潛水深度,m。圖2 坡面松散堆積體潛水水力作用分析Fig.2 The hydraulic function analysis of slope loose deposits groundwater level

將m條塊的Pm沿X軸積分，可得該條塊堆積體所受靜水壓力

(10)

Pm=γwHmL。

(11)

該靜水壓力是一種全方位的力，并均勻地施加在坡面松散堆積體底面的各個(gè)部位。堆積體基巖面上潛水流的平均垂直壓應(yīng)力為

σwm=γwHm。

(12)

式中：σwm為平均垂直壓應(yīng)力，Pa。

1.2.2 動(dòng)水壓力作用

震后坡面松散堆積體結(jié)構(gòu)松散，孔隙大，顆粒組成以碎石土為主。當(dāng)汛期雨強(qiáng)足夠大，持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，堆積體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定高度的潛水位，底部發(fā)生層流，并產(chǎn)生滲流動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力對(duì)土骨架的作用以“拖拽”的形式表現(xiàn)出來(lái)。

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)原理，滲流區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)所受的滲流動(dòng)水壓力為

(13)

則堆積體底部層流對(duì)單位寬度坡面堆積體的滲流動(dòng)水壓力為

(14)

式中：Gdm為滲流動(dòng)水壓力，N；e為松散堆積物的孔隙比,無(wú)量綱；Im為單位寬度坡面松散堆積體中潛水的水力坡度，無(wú)量綱。

綜合考慮得出

(15)

堆積體內(nèi)的潛水在滲流作用下對(duì)坡面堆積體的拖拽力為

(16)

當(dāng)坡面潛水流經(jīng)松散堆積體時(shí)，雨水本身的黏滯作用和土顆粒介質(zhì)對(duì)慢速水流的摩擦阻力分別是產(chǎn)生水頭損失的主要內(nèi)因和外因。此時(shí)，如果坡面堆積體的物理性質(zhì)和滲透性質(zhì)確定，則處于低速流動(dòng)狀態(tài)的底部層流在單位流動(dòng)距離上的水頭損失η是確定的，并可由響應(yīng)模型試驗(yàn)得出。

式(14)可簡(jiǎn)化為

Gdm=λLHmγwη。

(17)

當(dāng)然，對(duì)于整個(gè)坡面松散堆積體而言，若潛水水頭在流出堆積體前就消失殆盡，則上述水力作用中滲流動(dòng)水壓力的拖拽作用無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)。假定松散堆積體頂部的自由水頭為hm1，整個(gè)堆積體被劃分為m個(gè)條塊，則基覆面(基巖與覆蓋層的交界面)產(chǎn)生底部層流的條件為

(18)

1.3 強(qiáng)降雨條件下坡面松散堆積體的受力及穩(wěn)定性

考慮到震后坡面松散堆積體的坡度并非均一，在進(jìn)行受力分析時(shí)，可根據(jù)底部基巖面的坡度變化，對(duì)坡面松散堆積體進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)劃分，從而形成多段單元條塊(m=1,2,…,n)，如圖3所示。在不考慮各單元條塊之間的剪切錯(cuò)動(dòng)的條件下，控制第m段坡面松散堆積體穩(wěn)定性的外力有重力、條塊間的剩余下滑力、靜水壓力、動(dòng)水壓力、基巖面的支持力、基底抗滑力，若條塊下滑力大于抗滑力，則力系平衡，堆積體條塊穩(wěn)定。

對(duì)條塊m進(jìn)行受力分析可得，該條塊沿基巖面AB滑動(dòng)的下滑力為

Sm=Gmsinθm+Tm-1cos(θm-1-θm)+Gdm。

(19)

式中：Sm為該條塊的下滑力，N；Gm為條塊m的重力,N；Tm-1為上一條塊m-1的剩余下滑力,N。需要特別說(shuō)明的是，當(dāng)m=1時(shí)，條塊為最上方單元條塊(初始條塊)，不存在上一條塊的剩余下滑力Tm-1；同樣，當(dāng)m=n時(shí)，條塊為堆積體最下方的單元條塊，不存在下一條塊m+1的反作用力Tm，即

(20)

Tm.下一條塊反作用力,N；Tm-1.m-1條塊的剩余下滑力,N；Gm.條塊m的重力,N；τw、σw分別為滑移面上的切應(yīng)力與正應(yīng)力，Pa;Nm.條塊m的基底反力,N;fm.條塊m的基底抗滑力,N。

作用在條塊m的抗滑力為

Fm=Tm+fm。

(21)

式中：Tm為下一條塊的反作用力,N；fm為條塊m的基底抗滑力,N。

1773年，庫(kù)倫提出了摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則

τw=c+σwtanφ。

(22)

式中：c為松散堆積土體的黏聚力，Pa；φ為松散堆積土體的內(nèi)摩擦角,(°)；τw、σw分別為滑移面上的切應(yīng)力與正應(yīng)力,Pa。

結(jié)合式(9)靜水壓力公式可得

(23)

簡(jiǎn)化后，可得

fm=cL+[Gmcosθm+Tm-1sin(θm-1-θm)-γwHmL]tanφf(shuō)m=
cL+[Gmcosθm+Tm-1sin(θm-1-θm)-γwHmL]tanφ。

(24)

根據(jù)堆積體的受力分析可得，松散堆積體單元條塊m穩(wěn)定條件是Fm≥Sm，在理論上此時(shí)條塊1至條塊m都是穩(wěn)定的。特別是當(dāng)松散堆積體第n個(gè)條塊抗滑力Fn仍大于下滑力Sn(Fn≥Sn)時(shí)，整個(gè)堆積體處于整體穩(wěn)定的狀態(tài)。反之，當(dāng)?shù)趍單元條塊堆積體穩(wěn)定，而第n個(gè)條塊不穩(wěn)定，則坡面松散堆積體發(fā)生部分啟動(dòng)現(xiàn)象，此時(shí)，第n單元條塊堆積體也必滿足Fn

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)例

2.1 研究區(qū)概況

為驗(yàn)證本文對(duì)坡面松散堆積體失穩(wěn)的水力學(xué)機(jī)制分析，以都江堰市銀洞子溝[25-26]作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)例分析。銀洞子泥石流溝位于汶川地震重災(zāi)區(qū)都江堰市龍池鎮(zhèn)，海拔1 070～2 050 m，屬中山峽谷構(gòu)造侵蝕地貌，山體走向多為NE—SW向，山脊狹窄，一般地形坡度為30°～55°，溝谷切割較深，上陡下緩，多為“V”型谷。

銀洞子泥石流溝清水區(qū)為三面環(huán)山一面出口的漏斗狀地形。海拔1 560～1 330 m為形成區(qū)，溝長(zhǎng)813 m，集雨面積0.35 km2，溝谷深切，地勢(shì)陡峻，谷坡45°～75°，平均縱坡比降283‰，這種地形條件使泥石流得以迅猛直瀉，形成區(qū)物源啟動(dòng)早于溝道泥石流暴發(fā)，因此，將形成區(qū)的4個(gè)物源松散堆積體作為本研究的重點(diǎn)研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)溝道泥石流啟動(dòng)的超前預(yù)警。流通區(qū)為汶川大地震的同震滑坡，堆積區(qū)地形坡度7°，位于銀洞子溝溝口，松散堆積體總量2.8×104m3(圖5,圖6)。泥石流溝口堆積扇右側(cè)已修建虹口鄉(xiāng)聯(lián)合村災(zāi)后重建安置點(diǎn)(圖5)，該安置點(diǎn)計(jì)劃安置56戶，人口228人，下游緊鄰白沙河。

圖5 溝口堆積扇與災(zāi)后重建安置點(diǎn)Fig.5 The accumulation fan in gully mouth and post-disaster reconstruction site

圖6 研究區(qū)坡腳松散堆積體Fig.6 Loose deposits at the foot of slope in the study area

研究區(qū)降雨充沛但時(shí)空分布不均，多年平均降雨量約為1 100 mm，單日最大降雨量為183.2 mm(2010-08-13)，汛期暴雨頻繁，雨量集中，這為坡面松散堆積體啟動(dòng)提供了水動(dòng)力條件。泥石流潛在危險(xiǎn)性為中等，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大威脅。

2.2 震后坡面松散堆積體啟動(dòng)水力學(xué)機(jī)制

在有關(guān)震后坡面松散堆積體啟動(dòng)機(jī)制研究開(kāi)展前，已對(duì)都江堰銀洞子泥石流溝進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查和地質(zhì)勘查工作，對(duì)全流域進(jìn)行了精準(zhǔn)的測(cè)圖和探槽開(kāi)挖，并在1∶1 000的地形圖上(圖4)對(duì)形成區(qū)坡面物源的地質(zhì)地貌要素進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，探明了松散物源堆積體的分布、儲(chǔ)量、形態(tài)等特征要素。為研究震后松散堆積體在降雨激發(fā)作用下啟動(dòng)的模式和條件，現(xiàn)對(duì)位于形成區(qū)上方剖面3-3’所在坡面(圖7，圖8)進(jìn)行受力分析。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查表明，坡體寬為23.07～115.96 m，斜長(zhǎng)326.7 m，面積約5 000 m2，坡度為8.16°～45.34°，坡體多為松散的滑坡堆積體，呈上薄下厚分布，目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)該堆積體的剖面圖(圖7)，可按平均寬度、坡度、堆積厚度從上至下劃分為5段：AB、BC、CD、DE和EF，如圖7、圖8所示。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

圖7 剖面3-3’松散堆積體剖面Fig.7 The loose deposits cross section diagram of section plane 3-3’

AB區(qū)對(duì)應(yīng)剖面AB段;BC區(qū)對(duì)應(yīng)剖面BC段;CD區(qū)對(duì)應(yīng)剖面CD段;DE區(qū)對(duì)應(yīng)剖面DE段;EF區(qū)對(duì)應(yīng)剖面EF段。圖8 坡面松散堆積體的條塊劃分Fig.8 Strip division of slope loose deposits

表1 H滑坡坡面松散堆積體的幾何參數(shù)Tab.1 The slope loose deposits Geometric parameters of H landslide

表2 震后坡面松散堆積體的力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of post-earthquake slope loose deposits

2.2.1 降雨導(dǎo)致的坡面松散堆積體內(nèi)潛水位高度與水力條件變化規(guī)律

將研究區(qū)坡面松散堆積體的幾何與力學(xué)參數(shù)(表1，表2)代入式(8)，可計(jì)算出不同穩(wěn)態(tài)降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的坡面各段堆積體的潛水層鉛垂厚度。需要說(shuō)明的是，根據(jù)坡體平均坡度,3-3’坡面被劃分為5段，第1段堆積體位于坡面頂部，集雨面積為該段接受降雨面積，第2段堆積體的集雨面積為上一堆積體集雨面積與本段坡面堆積體面積之和，以此類推。根據(jù)降雨強(qiáng)度，等級(jí)可劃分為：小雨(<10 mm/d)、中雨(10～25 mm/d)、大雨(25～50 mm/d)、暴雨(50～100 mm/d)、大暴雨(100～250 mm/d)、特大暴雨(>250 mm/d)，圖9所示為不同穩(wěn)態(tài)降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的各坡段堆積體的潛水層鉛垂厚度。

理論上，隨降雨強(qiáng)度增大，堆積體內(nèi)潛水層鉛垂厚度H也就越大，直到超出堆積體厚度溢出坡體表面形成地表徑流。但實(shí)際上由于研究區(qū)坡面堆積體厚度較大，即使發(fā)生特大暴雨(雨強(qiáng)為600 mm/d)，也不會(huì)出現(xiàn)潛水溢出的情況。堆積體坡度越小，坡面越窄，堆積體越厚，則潛水位高度越高，其中，集雨面積的影響最大。由于第2坡段堆積體坡面斜長(zhǎng)BC最大，從而集雨面積很大，因此，第2坡段堆積體中產(chǎn)生了最高的潛水位；而具有最小集雨面積的第1坡段堆積體AB產(chǎn)生了最低的潛水位。其次，潛水位高度對(duì)坡度的敏感性也很強(qiáng)，這就導(dǎo)致了具有最大坡度的第3坡段和第5坡段堆積體CD和EF均產(chǎn)生了較大的潛水層鉛垂厚度。

圖9 不同雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)的各坡段坡面堆積體中的潛水層鉛垂厚度Fig.9 The plumb thickness of groundwater aquifer of slope accumulation body at different positions relative to different rain intensity

不同降雨強(qiáng)度導(dǎo)致的坡面松散堆積體內(nèi)潛水層鉛垂厚度不同，從而所受到的水力作用也是變化的。由式(16)可知，堆積體內(nèi)產(chǎn)生的潛水會(huì)發(fā)生“層流”，滲流的動(dòng)水壓力以“拖拽”的形式表現(xiàn)出來(lái)，整個(gè)堆積體動(dòng)水壓力遠(yuǎn)小于靜水壓力(圖10)。這說(shuō)明震后坡面松散堆積體在降雨中失穩(wěn)主要是潛水位抬升、靜水壓力變化的結(jié)果。隨雨強(qiáng)持續(xù)增大，理論上直到潛水溢出坡面后，坡面松散堆積體中動(dòng)靜水壓力等水力條件才會(huì)保持恒定不變。

2.2.2 震后坡面松散堆積體啟動(dòng)受力分析

根據(jù)1.3中的坡面松散堆積體受力穩(wěn)定性分析，現(xiàn)對(duì)都江堰銀洞子溝坡面松散堆積體啟動(dòng)的臨界條件、啟動(dòng)模式和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。若剩余下滑力為負(fù)值，表明該段堆積體可以自穩(wěn)，并余有抗滑儲(chǔ)備，此時(shí)堆積體穩(wěn)定，對(duì)下一段堆積體的作用力記為0。

圖10 不同降雨導(dǎo)致的坡面堆積體水力條件變化規(guī)律Fig.10 Hydraulic variation rual of slope accumulation body under different rainfall conditions

計(jì)算結(jié)果(表3，表4)表明：第1坡段坡面松散堆積體在特大暴雨的降雨條件下，剩余下滑力仍為負(fù)值，說(shuō)明這段堆積體可自穩(wěn)，不會(huì)啟動(dòng)，也不能作為補(bǔ)給溝道物源的動(dòng)儲(chǔ)量。降雨強(qiáng)度與坡度對(duì)坡面松散堆積體穩(wěn)定性的影響最大，對(duì)同一坡段松散堆積體而言，雨強(qiáng)越大，下滑力越大，抗滑力由于自重增加而持續(xù)增大，但增速小于下滑力，導(dǎo)致剩余下滑力逐漸增大。坡度對(duì)坡面松散堆積體穩(wěn)定性的影響最敏感，參照表1所列各坡段的坡度，第3坡段堆積體與第5坡段堆積體坡度均大于40°，即使受到的的雨強(qiáng)很小也很難實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)。第4坡段堆積體的坡度又放緩(22.49°)，導(dǎo)致剩余下滑力處于第3坡段和第4坡段之間，說(shuō)明第4坡段抵抗了一部分來(lái)自于上一坡段堆積體的推移力。

表3 不同雨強(qiáng)下堆積體各段剩余下滑力Tab.3 Stress values of accumulation bodies in different rainfall conditions

表4 不同雨強(qiáng)條件下各塊體下滑力及基地抗滑力Tab.4 Residual sliding force under different rainfall conditions

當(dāng)剩余下滑力T為負(fù)值時(shí)，表明堆積體自身可穩(wěn)定，對(duì)下一堆積體無(wú)力的作用。

由于剩余下滑力差值較小，為直觀體現(xiàn)其變化規(guī)律，采用剩余下滑力差值Δ(即剩余下滑力與本組剩余下滑力最小值之差)表現(xiàn)剩余下滑力的變化，圖11所示除T1為第1坡段堆積體的剩余下滑力外，其剩余坡段均為剩余下滑力差值。

圖11 不同降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的坡面松散堆積體剩余下滑力變化規(guī)律Fig.11 Variation law of residual sliding force of slope accumulation body relative to rainfall intensity

圖11、表3、表4揭示了不同降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的不同坡段松散堆積體下滑力、抗滑力與剩余下滑力的變化規(guī)律。第1坡段堆積體在任何降雨條件下都能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)，第2～5坡段堆積體極不穩(wěn)定，遭受很小的雨強(qiáng)即可喪失抗滑儲(chǔ)備，導(dǎo)致第2～5段堆積體接連整體失穩(wěn)，這種啟動(dòng)方式為典型的推移式失穩(wěn)。理論上，若第m坡段堆積體穩(wěn)定，而第(m+1)坡段堆積體啟動(dòng)，則坡面松散堆積體就會(huì)以解體的方式分段啟動(dòng)并泥石流化，這是典型的牽引式失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)震后坡面松散堆積體組成主要為碎石土，具有寬級(jí)配和滲透系數(shù)大等特點(diǎn)，坡面松散堆積體啟動(dòng)失穩(wěn)是在強(qiáng)降雨激發(fā)作用下，坡體內(nèi)潛水位不斷升高，水力條件不斷惡化的結(jié)果。

(2)根據(jù)水力學(xué)、土力學(xué)等理論分析，堆積體內(nèi)潛水層鉛垂厚度H與坡面面積S、穩(wěn)態(tài)降雨強(qiáng)度I、坡面堆積體幾何形態(tài)、導(dǎo)水系數(shù)TD等因素密切相關(guān)。對(duì)于具有一定物理力學(xué)性質(zhì)和幾何狀態(tài)的坡面堆積體而言，坡面面積(聚水面積)S、降雨強(qiáng)度I越大，則潛水層鉛垂厚度H越大；對(duì)于一定的坡面集雨面積和穩(wěn)態(tài)激發(fā)降雨強(qiáng)度，TD、W、θ越大，Z越小，則坡面堆積體體內(nèi)產(chǎn)生潛水層鉛垂厚度越小?？偠灾?，坡面越窄，堆積體厚度越大，坡面面積越大，坡面松散堆積體越容易失穩(wěn)并進(jìn)一步泥石流化。

(3)潛水位抬升會(huì)產(chǎn)生2種水力作用：一方面，坡體內(nèi)靜水壓力Pm增高，降低了堆積體基底抗滑力；另一方面，動(dòng)水壓力Gd的增高，增加了坡體啟動(dòng)的下滑力，然而動(dòng)水壓力在松散堆積體雨后失穩(wěn)的作用相對(duì)較小。

(4)根據(jù)剩余下滑力的存在形式，震后坡面松散堆積體的啟動(dòng)模式可分為2種：坡體整體啟動(dòng)的推移式失穩(wěn)；分段解體啟動(dòng)的牽引式失穩(wěn)。對(duì)研究區(qū)銀洞子泥石流溝3—3’剖面坡面松散堆積體的分析表明，除處于最高位置的第1坡段堆積體可自穩(wěn)外，第2～5坡段堆積體剩余下滑力不斷向下累積，呈現(xiàn)整體推移式失穩(wěn)的啟動(dòng)模式。