滑坡型泥石流形成機(jī)理

1、北京大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 , 第 34卷 , 第 4期 , 1998年 7月A cta Scientiarum N aturaliumU niversitatis Pek inensis , V o l . 34, N o . 4(Jul , 1998滑坡型泥石流形成機(jī)理 1(, 摘要 。 它是在很短時(shí)間內(nèi) , 由滑坡體的位能 流動(dòng)堆積 。 滑坡型泥石流的活動(dòng)是由塊體在整個(gè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程 (先滑坡 , 后泥石流 組成 。 滑坡型泥石流與一般的滑坡 、 泥石流不同 , 它兼具滑 坡和泥石流的一些特征 。 滑坡型泥石流速度快 , 沖擊力強(qiáng) , 破壞性大 。 在理論上和國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響方 面有獨(dú)特的研究

2、意義 。關(guān)鍵詞 滑坡 ; 泥石流 ; 滑坡型泥石流中圖分類號(hào) P 6420引言滑坡與泥石流 、 地震 、 火山噴發(fā) 、 臺(tái)風(fēng)以及特大洪水一樣 , 是一種突發(fā)性自然災(zāi)害 。 而滑坡 型泥石流兼具滑坡和泥石流的一些特征 , 它是一種超強(qiáng)度高速輸移泥沙石塊的過程 , 它可以在 幾分鐘 、 幾十分鐘或數(shù)小時(shí)內(nèi)將大量的泥沙石塊傾瀉到山口外 , 傾刻之間給人類造成巨大災(zāi) 難 。 不僅造成人員傷亡及工農(nóng)業(yè)極大經(jīng)濟(jì)損失 , 而且大大惡化了周圍生態(tài)環(huán)境 。 對(duì)其形成 、 發(fā)展 和運(yùn)動(dòng)機(jī)理 、 分布規(guī)律 , 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和預(yù)防治理的研究 , 將對(duì)人類生存和經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展具有 重要理論意義和實(shí)際意義 。1滑坡型泥石流

3、概念客觀科學(xué)地認(rèn)識(shí)滑坡型泥石流 , 首先必須對(duì)滑坡及泥石流概念有正確的理解 。 一般認(rèn)為在 重力 、 動(dòng)水壓力 、 地震或其他某些力的作用下 , 斜坡上的巖土沿坡內(nèi)一定的軟弱帶 (或面 作整 體地向前 、 向下移動(dòng)的現(xiàn)象 , 謂之滑坡 。而泥石流這一概念 , 目前國(guó)內(nèi)外的研究者尚無(wú)一致性的意見 。 一般認(rèn)為泥石流是一種特殊 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的自然現(xiàn)象 ; 有的認(rèn)為泥石流是產(chǎn)生于溝谷中或坡地上的一種飽含大量泥少石塊和 巨礫的固液兩相流體 。 它介于山崩 、 滑坡等塊體重力及動(dòng)力運(yùn)動(dòng)與流水等液體水力運(yùn)動(dòng)之間 , 呈粘性層流或稀性紊流狀態(tài) , 是各種自然營(yíng)力 (地質(zhì) 、 地貌 、 水文 、 氣象等 和人為因

4、素綜合作用 的結(jié)果 。 C 1M 1伏列什曼夫認(rèn)為泥石流指的是固體物質(zhì)含量高 , 泥位劇增的暫時(shí)性山地河床型 洪流 1; 日本水土保持學(xué)會(huì)認(rèn)為泥石含量多于水體 。 含水的粥狀泥沙在其自重作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) 1 地震科學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目 (95239 的現(xiàn)象 , 稱為泥石流 2; 英國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程組指出泥石流是介于水流與滑坡之間的一系列過 程 , 因而包括有重力作用下松散物質(zhì) 、 水體和空氣三者構(gòu)成的塊體運(yùn)動(dòng) 。國(guó)內(nèi)外一些研究者把泥石流分為粘性泥石流和稀性泥石流 。 本文理解泥石流為介于崩塌 、 滑坡的塊體運(yùn)動(dòng)與水流之間的一系列連續(xù)復(fù)雜過程 。 是攜帶大量固體碎屑 (塊石 、 碎石 、 漂石 、 卵

5、石 、 沙和泥的洪水流 , 沿著陡峻的溝床向下游快速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象 。 它又可分為土力類泥石流和 水力類泥石流 3。 泥石流形成機(jī)理乃是固 、 成整個(gè)物理地質(zhì)作用過程 。, 迅速轉(zhuǎn)化 , 難以截然區(qū)分 , , 有的研究者視為滑坡 、 而另一 些研究者則將它視為泥石流 。流動(dòng) 堆積 。 (先滑坡滑動(dòng) , 而后轉(zhuǎn)化泥石流流動(dòng) 組 成 4。 因此 , , 它兼具滑坡和泥石流的一些特征 , 為了和 一般的滑坡和泥石流相區(qū)別 , 以便學(xué)術(shù)上深入研究 , 本文將這種現(xiàn)象視為一種特殊條件下巖石 碎塊與泥水混合體的運(yùn)動(dòng)類型 , 稱滑坡型泥石流或滑坡 泥石流 。2滑坡型泥石流分類土 (石 體重量 Q 的增加 , 促

6、使下滑啟動(dòng)力 =Q si m (為坡角 增大 , 土 (石 體內(nèi)孔隙水 增加 , 使得內(nèi)摩擦角 和內(nèi)聚力 C 值減小 , 最后導(dǎo)致臨界起動(dòng)力 0=tg +C 減小 。 式中 為 土 (石 體對(duì)地形坡面由 Q 引起的垂直坡面的正壓力 。當(dāng) =0時(shí) , 土 (石 體處于極限平衡狀態(tài) ; 在 >0時(shí) , 土 (石 體即迅速發(fā)生運(yùn)動(dòng) , 按受力運(yùn) 動(dòng)形式可分為 2類 。(1 滑坡型泥石流 :土 (石 體沿某一坡面或滑動(dòng)面形成的泥石流 , 先發(fā)生滑坡 , 而后直接 迅速發(fā)展成泥石流 , 為同一過程發(fā)展的兩個(gè)階段 。 這類泥石流大體有 2種情況 : 滑動(dòng)土體松 散且含水量充分 , 可在滑動(dòng)中迅速轉(zhuǎn)化

7、為泥石流 ; 滑動(dòng)土體下滑再遇水源拌和而形成泥石 流 , 如滑動(dòng)土體進(jìn)入溝床或河道再遇水而形成泥石流 , 或滑動(dòng)土體堵塞河道形成堰塞湖再潰決 形成泥石流 。 例如 1984年 8月 45日甘肅省天水地區(qū)劉家堡滑坡型泥石流最為典型 4。 在連續(xù) 降雨影響下 , 高處滑坡土體內(nèi)含水量很高 , 幾乎接近飽和 , 當(dāng)滑動(dòng)面 (或帶 上 >0時(shí) , 滑坡土 體迅速下滑至溝床中 , 再加上溝床兩側(cè)坡面流水匯入溝床中形成加速度滑坡型泥石流 。(2 崩塌型泥石流 :隨坡高堆的土體發(fā)生崩塌而形成的泥石流 。 也大體存在與上述滑坡型 相似的 2種情況 : 崩塌土體松散且含水量充分 , 在崩塌中直接演變成泥石

8、流 ; 崩塌土體再 遇水源拌和而形成泥石流 。 例如 1982和 1984年兩次舟曲泄流坡崩塌 滑坡型泥石流 4。 3滑坡型泥石流形成機(jī)理松散碎屑堆積物 (包括殘積物 、 坡積物 、 沖洪積物 、 冰磧物 、 崩塌和滑坡堆積物等 為滑坡型 泥石流提供了豐富的固體碎屑物源 。 在一定的地形地貌條件下 , 特定的水動(dòng)力來源則會(huì)激發(fā)土 體發(fā)生滑坡 , 然后快速轉(zhuǎn)化高速流動(dòng) 。 土體能否發(fā)生位移運(yùn)動(dòng) , 決定斜坡上土體的靜力平衡是 否被破壞 , 一般松散堆積土石體于斜坡上 , 在其自重 (Q 作用下產(chǎn)生垂直坡面的正應(yīng)力 ( 和025 北 京 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (自 然 科 學(xué) 版 第 34卷 沿斜坡向下

9、運(yùn)動(dòng)的分力即下滑起動(dòng)力 =Q si m (為地面斜坡坡角 , 由于土體與斜坡地面 (或 某一軟弱滑動(dòng)面 之間產(chǎn)生抗滑動(dòng)的摩擦力即抗滑動(dòng)的抗剪強(qiáng)度 , 有人稱臨界起動(dòng)力 0=tg +C (式中 為土體內(nèi)摩擦角 , C 為內(nèi)聚力 , 當(dāng) <0時(shí) , 土體處于穩(wěn)定狀態(tài) ; =0時(shí) , 土體 處于極限平衡臨界狀態(tài) ; 當(dāng) >0時(shí) , 極限平衡被打破 , 土體快速向下滑動(dòng) , 在特定水動(dòng)力條件 下形成滑坡型泥石流 ?？辜魪?qiáng)度 值的變化受多種因素影響 : 水 (雨水 、 溝谷坡腳泉水 促使土體逐漸飽水 , 大大降低了土體內(nèi)摩擦角 (和內(nèi)聚力 ( 值 , f 變小 , 引起內(nèi)摩 擦力 tg 降低

10、 。 因水流不斷侵蝕沖刷 , (, =Q si m 增 大 。 高處崩塌 、 邊坡坍塌 、 、 (Q 增大 。 地震等震動(dòng) 激發(fā) 。根據(jù) 0, : 底層滑移蠕動(dòng) 。 當(dāng) 稍大 于 0時(shí) , 5。 這時(shí) , 其上部的土體一般尚未發(fā) 生明顯位移 , 這一機(jī)理一般不被人們所注意 。 滑移蠕動(dòng)擾動(dòng) 。 當(dāng) 稍增大時(shí) , 下部底層土 體蠕動(dòng)稍加速 , 這時(shí)上部土體被牽引帶動(dòng)擾動(dòng)形成蠕動(dòng)擾動(dòng)流 。 蠕動(dòng)擾動(dòng)崩塌 。 土體內(nèi) 孔隙全部被水飽和 , 這時(shí)飽和度 (D w 值接近 1, 臨界土體 0值繼續(xù)減小 , 土體內(nèi) C , 值繼續(xù)減 小 , 這時(shí)土體內(nèi)剪切式的蠕動(dòng)擾動(dòng)流加速 , 土體前緣開始出現(xiàn)崩塌翻落形

11、成擾動(dòng)流 。 崩 塌滑塌擾動(dòng) 。 飽水土體因 不斷增大 , 流速加快 , 土體前緣急速崩塌 、 滑塌和翻落 , 整個(gè)土 體呈現(xiàn)擾動(dòng)狀態(tài) 。 快速流動(dòng) 。 整個(gè)飽水土體急劇滑塌 , 在水動(dòng)力作用下形成滑坡型泥石流 。 4關(guān)于滑坡型泥石流的臨界結(jié)構(gòu)對(duì)于泥石流體結(jié)構(gòu) , 人們從 泥石流漿體特征 、 泥石流流速結(jié)構(gòu) 、 泥石流阻力定律 、 泥石流力學(xué)機(jī)理等多方面進(jìn)行了研究 。 對(duì)于泥石流的臨界結(jié)構(gòu)研究不多 , 然而泥石流的臨 界結(jié)構(gòu)是滑坡型泥石流區(qū)別于一般泥石流 (即水力類泥石流 的重要標(biāo)志 6?；滦湍嗍饔墟湢罨蚓W(wǎng)狀格架結(jié)構(gòu) , 而一般水力類泥石流沒有這種結(jié)構(gòu) 3。 滑坡型泥石流漿體中細(xì)小的粘粒成

12、分 (粒徑小于 01005mm 者 形成一定的骨架 , 水在其中 不是簡(jiǎn)單地機(jī)械結(jié)合 , 而是作為一種溶劑發(fā)生一定的理化作用 , 參與到骨架中去 , 粘附到各粒 級(jí)表面形成泥膜和高粘滯層 , 其表面張力很大 , 這種緊密的粘滯骨架具有搬運(yùn)粗大石塊 、 流體 運(yùn)動(dòng)慣性大和撞擊力強(qiáng)的接近于塊體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì) 。 但由于各粒級(jí)顆粒表面粘附泥膜 , 起到潤(rùn)滑 和粘滯作用 , 致使流體內(nèi)部具流速梯度 , 而區(qū)別于一般塊體運(yùn)動(dòng)性質(zhì) ?；滦湍嗍鳛楣?、 液兩相流體 , 它的骨架結(jié)構(gòu)即各粒級(jí)顆粒排列可以從最疏松到最緊密 之間 , 而最疏松結(jié)構(gòu)是滑坡型泥石流與一般水力類泥石流的分界結(jié)構(gòu) , 即臨界結(jié)構(gòu) 。 這時(shí)

13、流體 內(nèi)充滿以水體為主含細(xì)小顆粒的結(jié)構(gòu) , 可以用流體孔隙度 (n 和孔隙比 (e 來表示 。從我國(guó)泥石流發(fā)育地區(qū)來看 , 滑坡型泥石流孔隙度可達(dá) 45%60%, 并隨顆粒的粒徑遞增而減小 , 相應(yīng)的泥石流容重 ( 卻增大 。 即顆粒粒徑較大的滑坡型泥石流要求有較大的容重下限值 ; 反之 , 粒徑較小者 , 容重下限值則較小 。 因此 , 在確定滑坡型泥石流主要視泥石流臨界結(jié) 構(gòu)而定 , 而容重下限值作為參考 ?；滦湍嗍骱鸵话闼︻惸嗍餮芯勘砻?, 孔隙比為 1的結(jié)構(gòu)代表臨界結(jié)構(gòu) , 即孔隙度 為 50%時(shí) , 顆粒處于松散狀態(tài) , 一般水力類泥石流由于孔隙比均大于 1, 松散顆粒懸浮于

14、水中 ,125第 4期 李樹德 :滑坡型泥石流形成機(jī)理 彼此沒能形成格架結(jié)構(gòu) 。所以 , 泥石流的臨界結(jié)構(gòu)是滑坡型泥石流區(qū)別于一般水力類泥石流的重要標(biāo)志 , 可以用泥 石流顆粒自由孔隙比 e =1的指標(biāo)來判別 , 大于 1者為一般水力類泥石流 , 小于 1者為滑坡型泥 石流 (有的稱土力類泥石流 。參 考 文 獻(xiàn)1 5, . . , 22:2池谷浩 1泥石流的分類 1見 :水工程地質(zhì) (第 3輯 13李樹德 1泥石流的形成機(jī)理 , , 1996, 1581614李樹德 11, 1988, 2(4 :66715李樹德 11巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) , 1990, 9(4 :2802856李樹德 1,

15、1996, 23(3 :4042Forma tion M echan is m of the Lana sl ide -type D ebr is FlowL I S hud e(D ep art m ent of U rban and E nv ironm ent S ciences , P ek ing U niversity , B eij ing , 100871Abstract T he landslide 2type debris flow is a specialmo ti on type of energy conversi on body and rep 2resents a

16、 sudden sliding flow ing depo siti on due to quick conversi on of po tential energy of a landslide body into vi o lent k inetic energy . It consists of tw o stages developed in the p rocess of continuous m ass movem ent , deffevs from the general landslide and debris flow , and hence , has the features of the bo th landslide and debris flow . It is characterized by h igh ve