滑坡-泥石流转化研究进展.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()郭剑,崔一飞 滑坡 泥石流转化研究进展 工程地质学报,():,():滑坡 泥石流转化研究进展郭剑崔一飞(清华大学,水利系河流泥沙所,北京 ,中国)摘要近年来,随着山区工程建设日益活跃,由滑坡转化为泥石流所导致的巨型远程沟谷灾害,因其超强的运动性和巨大的破坏性而引起广泛关注。与单灾种滑坡相比,转化后的泥石流灾害规模更大、运动距离更远、流动性更强、危害程度更严重。科学的认识滑坡 泥石流转化过程,对从起始环节降低远程沟谷灾害风险,进而采取针对性减灾措施具有重要意义。本文基于现阶段国内外研究成果,系统综述了滑坡 泥石流灾害转化的概念、转化条件和转化机理。首先,对比高速远程滑坡
2、碎屑流,明确了滑坡 泥石流转化的概念。随后,从物源、水源和地形 个角度梳理了滑坡 泥石流转化的宏观条件,进一步梳理了现阶段用于划分滑坡、泥石流的静态、动态指标和方法。基于典型滑坡 泥石流转化野外案例和模型实验,总结了滑坡泥石流转化的两种模式:“静 动”转化和“动 动”转化,分别就不同转化模式所对应的孕灾条件和物理机制进行了探讨。最后,基于对现有成果的分析,提出了滑坡 泥石流转化研究所面临的 个关键科学问题,指出了滑坡 泥石流转化研究可借鉴的相关理论和方法,探讨了未来滑坡 泥石流转化过程及物理机制分析的研究方法。关键词滑坡 泥石流转化;滑坡流态化;转化条件;灾害链;水土耦合中图分类号:文献标识码
3、:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金重点国际合作项目(资助号:),国家自然科学基金重大项目(资助号:),中国博士后科学基金(资助号:)(),()()第一作者简介:郭剑(),男,博士,助理研究员,主要从事滑坡动力学机理研究 :通讯作者简介:崔一飞(),男,博士,副教授,博士生导师,主要从事工程地质,地质灾害科研与教学工作 :(,),:();(),;(),;引言滑坡()和泥石流()是山地区域最常见的灾害类型(中国地质调查局,)。野外观测和实验研究均表明,滑坡可以在特定条件下转化为泥石流(李永益,;钟鸣音,;,;,)。单灾种滑坡一旦转化为泥石流,其危害范围、致灾规模和破坏程度均显著增加
4、,加之其突发性和隐蔽性,给山区基础设施、国防工程和人民的生命财产安全带来严重威胁(崔鹏等,)。滑坡转化为泥石流的现象在世界范围内都有大量记录(如:美国(,)、日本(,)、新爱尔兰(,)、欧洲(,)、中国(康志成,)等)。由滑坡转化而来的泥石流所诱发的堵江及溃决洪水更是造成了重大危害(,)。如 年,日本长野御岳山地震诱发了约 的滑坡,滑坡运动了 ,并阻塞河道,不久便有泥石流从堆积体上流过(,)。又如 年瑞士 约 的岩质滑坡在冰碛物上运动时,大量由摩擦和碰撞作用产生的热能使滑体内部冰体融化,最终转化为泥石流并运动了约 ,造成 名旅行者失踪(,)。在国内,滑坡 泥石流转化现象亦非常常见。年 月,陕西
5、宁强县 的中型滑坡在强降雨的条件下转化为泥石流沿沟谷运动 ,造成 人死亡(胡广韬等,)。年,四川白梅垭滑坡从高剪出口抛出后破碎解体,铲刮沟底和两侧饱和黏土,形成黏性泥石流并运动 ,造成 人丧生(康志成,)。年 月,四川省达县发生 的滑坡,部分滑体转化成为泥石流,造成房屋、农田及公路全部被毁,经济损失达 亿元(胡瑞林等,)。年,四川省三溪村滑坡从 的悬崖坠落解体,在雨水、地形的共同作用下转化为泥石流,最终运动了约 ,造成了百余人死亡(,)。近年来,随着山区基础建设的增加,由山地灾害(链)带来的安全问题逐渐引起了学术界和工程界的广泛关注。崔鹏等()认为这些区域由于构造活跃、岩性复杂、地形陡峻、地貌
6、多样、气候敏感,是山地灾害发育的“温床”。()研究发现,大型灾害链(如色东普)可由滑坡诱发并演化成泥石流堵江,最终形成堰塞湖和危机数十公里的溃决洪水。大量的灾害事件报道表明,由滑坡转化而来的泥石流轻则毁坏农田、损毁路基,导致道路中断数天甚至数月,影响沿线城市物资补给和生活保障(刘传正,);重则摧毁村庄,形成堰塞湖和溃决洪水,威胁下游数十、数百公里城镇居民的生命财产安全(殷跃平等,)。目前,学者们已经针对滑坡 泥石流转化现象和机理进行了大量探讨,增强了对这类灾种转化现象的科学认识。滑坡 泥石流转化研究的核心是转化的物理机制研究(陈晓清等,)。转化研究的目的是回答:()哪些因素会导致滑坡转化为泥石
7、流;()滑坡如何转化成泥石流;()如何判断滑坡已经转化为泥石流。针对转化条件,学者们考虑了 ()郭剑等:滑坡 泥石流转化研究进展底床坡度、土体饱和度、黏粒含量、土体液化、降雨强度和持时、土体内部震动和摩擦等因素,采用野外或室内模型试验探索各因素对转化的影响(,;,;,;,)。针对转化过程,学者们从膨胀收缩、降雨、侵蚀、溃坝、液化和冲击等作用下土体的力学破坏过程入手,研究了土体在运动过程中的结构破坏到流态化过程(,;,;,)。在转化结果方面,主要通过运动浆体物理参数(如容重、固体体积分数)(,;,)等指标来判断滑坡是否转化为泥石流。随着近年来对滑坡 泥石流转化的实验、模拟和案例研究数量不断增多,
8、学者们从不同角度揭示了滑坡 泥石流转化过程的现象或机理,成果不断丰富。但目前尚未形成普遍认可的滑坡 泥石流转化模型,现阶段还难以做到滑坡 泥石流灾种转化的定量分析。基于此,本文期望从基本概念(第 节)、转化条件(第 节)和转化机理(第 节)个方面对滑坡 泥石流的转化研究进行梳理,通过归纳滑坡 泥石流的转化模式,提出现阶段转化研究亟待解决的关键科学问题(第 节),希望能为复杂远程链生灾害的机理研究提供有益参考。图 典型()滑坡()泥石流和()滑坡 泥石流转化关键要素示意图(改自 :)(),(),()(:)基本概念滑坡转化为泥石流通常发育在沟谷灾害链起始阶段的重要环节,该过程既可单独成灾,也可进一
9、步与堰塞堵江、溃决洪水等过程相连,形成巨型灾害链。目前,国内外对滑坡转化为泥石流物理过程的叫法较多,如:滑坡型泥石流(康志成,)、滑坡诱发泥石流(、)(,)、滑坡流态化()(,)、滑坡形成的泥石流()(,)等,尚未得到统一。对滑坡转化泥石流的定义有广义和狭义之分。广义的转化指滑坡在先,并作为泥石流物源启动的过程,其在时间上可能存在几小时、几天、甚至几年的间隔,类似于泥石流的启动(崔鹏等,)。狭义的转化指滑坡在运动中伴随着碎屑化和水土掺混等过程,运动形式由整体固态滑动(滑坡)向碎屑浆体流动(泥石流)的演化过程(图 )(,)。与滑坡 泥石流转化现象最为接近的当属滑坡 碎屑流转化。后者也被称为高速远
10、程滑坡,它通常表示具有体积巨大()、高速运动(最大速度 )、包含基岩失稳和碎屑化过程、具有超强流动性(,为滑坡垂直与水平运动距离的比值)等特征的一类滑坡(,;,;程谦恭等,;刘传正,;王玉峰等,;林棋文等,)。滑坡 泥石流转化表示灾害以滑坡(含滑动、倾倒等形式)启动,最终发展为一种含有大到巨石、小到黏粒的固体物质、水体及少量空气,具有多种流态和运动形式的多相流,其容重通常大于 (陈宁生等,;崔鹏等,)。因此。滑坡 碎屑流和滑坡 泥石流转化的本质区别为灾害体在运动转化过程中的体积含水率的差异,含水率的差异又进一步通过最终沉积地貌差异所反映。工程地质学报 滑坡 泥石流转化条件 宏观形成条件滑坡 泥
11、石流转化的宏观形成条件明确了在什么样的孕灾环境下滑坡可以转化为泥石流。滑坡泥石流转化涉及多个物理过程,例如滑坡的解体、岩块的崩解、水和滑体的混合、沟道中的侵蚀、夹带过程等,这些物理过程从微观上改变了混合物的固、液两相比例,从而在宏观上改变了其流变特性。表 不同固体物源、水源和地形条件下滑坡灾害的转化结果 ,位置时间转化后体积 固体物源流体水源地形参考文献 ,碎屑流 岩石坡面 ()重庆武隆鸡尾山 碎屑流 岩石沟谷 ()四川新磨村 碎屑流 岩石坡面 沟谷 ()贵州纳雍 碎屑流 岩石 土坡面 ()贵州六盘水水城 碎屑流 岩石 土坡面 沟谷 ()贵州都匀马达岭 泥石流 岩石 土降雨沟谷 ()泥石流 岩
12、石冰川沟谷 ()四川三溪村 泥石流 岩石 土降雨沟谷 ()甘肃大沟村 泥石流 土降雨沟谷 ()泥石流 岩石冰川坡面 沟谷 ()西藏色东普 泥石流 岩石 冰碛物冰川坡面 沟谷 ()四川旺苍县 泥石流 岩石 土降雨 地下水沟谷 ()表 总结了近年来国内外典型滑坡的固体物源、水源、地形条件,通过对比滑坡的最终运动形式演化可以发现滑坡 泥石流转化需要同时满足固体物源条件、水源条件和地形 个条件。当水源条件不满足时,固体物源在地形的影响下会演化为碎屑流;当固体物源条件不满足时,水源在地形的影响下会演化为山洪;当地形条件不满足时,即使存在充足的固体物源和水源,也难以形成灾害(图 )。可见,只有在 个条件同
13、时满足时,滑坡才能最终转化为泥石流。固体物源是滑坡转化为泥石流的必要前提。大部分泥石流的主要物源由滑坡的松散堆积体提供,这些失稳土体的物理力学性质在滑坡启动时通常就已经确定,如云南蒋家沟泥石流的物源主要以沟道源区强风化板岩、片岩为主,细颗粒含量较多,因此通常演化为黏性泥石流(,)。与之类似,瑞士的 流域物源由强风化白云岩、石英岩、砾岩和钙质沉积岩组成,其形成的泥石流也表现出显著的黏性特征(,)。而在一些高寒冰川地区,冰碛土会在降雨等条件下图 不同条件下的灾害表现形式 失稳而形成泥石流,由于冰碛土具有显著的宽级配特征,粒径由几毫米至数米不等,内部孔隙十分发育,且黏土级细颗粒含量极少(付宴菊等,)
14、,因此通常形成巨石含量较高的稀性泥石流,与蒋家沟黏性泥石流具有显著差异。在一些案例中,运动中滑体可以通过破碎、解体和侵蚀、夹带过程来改变滑体的固体粒径级配和孔隙分布特征,从而进一步改变孔隙流体的赋存形式,进而影响灾害体的宏观阻力特性和流变特征。如 ()发现随着滑坡的运动解体,滑体的平均粒径会显著下降,与此同时滑体内部结构也发生了变化。()发现当泥石流流经饱和底床上部时,其规模和速度会急剧增长,这与剪切面附近的孔压变化和动能交换有关;()在对旺苍滑坡底部侵蚀特征进行调查时发现,滑坡运动中所夹带的沟道黏土含量几乎是初始失稳体积的 ,这可能是诱发滑坡向泥石流转化的重要原因之一。()郭剑等:滑坡 泥石
15、流转化研究进展水源是滑坡 泥石流灾害形成的关键条件。统计结果表明,滑坡 泥石流转化多发生在常流水沟道中(如山区的降雨径流、地下水出露、灌溉管道泄漏及冰川常年融水径流(,;孔嘉旭等,)。当没有充足的水源补给时,滑坡会转化为碎屑流;而适量的水源补给会增加土体含水率,使滑坡更容易转化为泥石流;超量的径流补给则会进一 步 改 变 流 体 性 质,形 成 稀 性 泥 石 流()甚至含砂水流()。因此,通过水源补给保证水土比例在一定范围,是形成滑坡 泥石流转化的关键。关于不同水源补给形式对滑坡 泥石流转化影响的物理机制将在随后章节进行详细介绍。表 滑坡、泥石流典型的特征差异 特征参数滑坡泥石流参考文献密度
16、 土质()岩质()黏性()、过渡性()、稀性()崔鹏等()体积 ()速度 运动距离 视摩擦系数 间隙流体空气、水水、泥浆 ()作用机制滑动、旋转、跳跃颗粒碰撞、混合层剪切、浮力沉积形式沟谷、坡面整体堆积流域出口扇形堆积灾害周期长期蠕变或突然失稳,一次性沿固定的沟道发生,周期性 ()结构初始结构通常保留完整结构完全破坏 ()对滑坡 泥石流转化的研究以往多从微观上关注水土混合体的物理力学性质变化,对地形的影响的探讨稍显不足。事实上,地形是滑坡 泥石流转化的重要载体,为滑坡 泥石流转化提供了重要的宏观边界条件,严重影响着转化过程和结果。()认为地形几乎控制着滑坡的运动性,他将滑坡与地形的空间关系分为
17、 种类别:()前方受限型(),如大江大河沟道两岸,滑坡运动方向与沟道垂直,失稳后直接在沟道堆积;()侧方受限型(),滑坡运动方向与沟道方向夹角较小,滑坡失稳后在重力作用下沿沟道运动和()无限制型()滑坡发生在宽广的坡面,前方和侧方地形均不对滑坡的运动产生约束,侧方受限型地形更有助于滑坡 泥石流的转化。王杜江等()认为能转化为泥石流的滑坡通常具有初始势能较大的特征。在一些案例中,高位滑坡在失稳后迅速碰撞解体并转化为碎屑流或与沟道中的径流作用形成泥石流(李树德等,;张晓宇等,)。李天池等()通过对云南老熊洞冲滑坡型泥石流和四川白梅垭滑坡进行调查,认为位于斜坡中上部的剪出口提供的位能和较大的斜坡坡度
18、提供的运动空间是滑坡能够转化为泥石流的前提。()指出 年 月发生于四川省的五里坡滑坡在转化为泥石流前经历了从陡崖坠落解体的过程,对最终与水掺混形成泥石流起到了重要作用。相较于整体滑动的滑体,碎屑流与水掺混的概率更加,即使较小的降雨和沟道径流下,也可能快速提高混合体的含水率。()发现 年贵州水城滑坡 碎屑流发生后,少量的降雨便可将沟道的松散堆积物启动并迅速形成泥石流。除了初始位置外,滑坡的运动性与滑坡体积显著相关。()通过对不同类地星体表面滑坡的统计发现,随着滑坡体积的增大,滑坡的运动性显著增强。()通过对中亚地区近 个的滑坡 碎屑流的运动性进行统计分析,进一步发现滑坡的初始高度()和滑坡体积(
19、)的乘积()与影响范围()的相关性高达 以上。他认为 代表滑坡失稳时的初始能量,能量越大,滑坡运动距离越远,影响范围越大。因此,不难想象,处于高位的巨型滑坡在失稳后,运动性增强,增加了其在运动中与降雨、径流、地下水、河道等水源耦合作用的机会,在一定程度上会增加其转化为泥石流的可能性。转化过程表征判断滑坡是否已转化为泥石流需要对滑坡 泥石流转化过程进行科学定量表征。基于不同指标对 工程地质学报 滑坡和泥石流进行区分是探究滑坡 泥石流的转化条件的必要前提,只有在此基础上,才能进一步找到滑坡、泥石流的联系(关键指标的过渡阈值),才会有助于进一步总结定量转化条件(表 )。然而令人遗憾的是,以往研究多从
20、定性角度进行探索,目前还不足以完全定量刻画两种灾害的完整转化过程。()从平均速度、运动形式和堆积形态三方面对滑坡和泥石流的特征进行了阐述。他认为滑坡为一次性运动,滑动前的蠕变速度每天仅几厘米,一旦失稳后速度可达 。()提出泥石流区别于滑坡的两大特点:发生的周期性和流通区的固定性。()认为在运动形式上,滑坡以整体变形为主,沿特定结构面或滑面运动,内部相对位移小;泥石流经过长距离的运动和侵蚀,初始土体结构几乎完全破坏,无明显的滑动。()认为滑坡后缘常产生较大面积的滑坡后壁,高度有时可达数十米;而泥石流主要表现为叶片形、耳垂形、鼻形等堆积形态,运动中常产生小于 的底部侵蚀。除了上述定性描述外,一些静
21、态物理指标也被学者用于区分滑坡和泥石流灾害。()基于不同固体和水分含量的组合对不同的灾害运动形式进行初步划分。他认为,临界固体体积分数和固体材料是决定滑坡和泥石流灾种转化的关键指标,但他同时指出,这种差异是定性的、概念的,临界固体体积分数会随材料的差异而变化。()提出在没有水参与的条件下滑坡失稳后可能流态化发展为碎屑流,而在有水源补给的情况下,可能进一步发展为惯性泥石流或黏性泥石流,结果受滑体内粗颗粒含量变化影响显著。()通过灾害体单元的固体浓度 来确定其类型,当 时,为类低含沙水流;当 时,转化为屈服应力和动态黏度增大的高浓度流体;当 时,流体发展为屈服应力和动黏度显著增加的滑坡或碎屑流。基
22、于此标准,他对 年印度查莫利()滑坡 碎屑流 泥石流 洪水的演化过程定量模拟分析。灾害体密度()也被用来描述滑坡和泥石流的区别,滑坡的密度与初始岩性有关,从土质滑坡()到岩质滑坡()不断增加,泥石流的密度根据含水率的不断升高而表现为黏性()、过渡性()和稀性()泥石流(崔鹏等,)。对滑坡转化为泥石流的过程来说,灾害体的密度通常从随着灾害的运动发展不断降低。由于含水率、固体浓度、灾害体容重等单一静态指标只能反映灾害静态特征,不能反映动态特征,因而存在一定的局限性。学者们开始尝试通过描述灾害体运动状态的动态指标来区分不同灾种。()尝试通过萨维奇数(,)、达西数(,)、拜格诺德数(,)等无量纲参数对
23、不同灾种进行区分,他认为当灾害体内部颗粒碰撞激烈时(拜格诺德数较大)表现为碎屑岩崩;当灾害体内部颗粒碰撞较为激烈(拜格诺德数较大),孔压较大(达西数较大),颗粒碰撞应力远大于静态接触剪切应力时,表现为泥石流。()以东川泥石流观测站的监测数据为基础,通过量纲分析计算了泥石流运动的萨维奇数、颗粒雷诺数(,)、摩擦数(,)和孔压数(,),他发现当 小于 时,灾害体由颗粒接触摩擦而非碰撞控制泥石流运动;当 小于 时,孔隙间流体黏性剪切应力主导泥石流运动。()将动、静指标相结合,提出了一套新的灾种划分方法。该方法认为灾害形式由固体浓度(,)初步决定,分别以 ,个阈值将灾害分为低含沙水流、不成熟的泥石流、
24、成熟的泥石流、准静态运动、较硬的土体 类。其中由准静态到泥石流的转化临界固体浓度为 (图 ),可以作为滑坡 泥石流转化的静态阈值。此外,还根据灾害体内部的主控应力差异,将成熟的泥石流划分为黏性泥石流(湍流混合应力 主导)、泥流(黏性剪切应力主导)和水石流(惯性碰撞应力 主导)。上述分类,很好地回答了滑坡最终可以转化为何种泥石流的难题。尽管无量纲数提供了从宏观上定量描述了灾害转化过程中不同主控应力变化的方法,但遗憾的是目前对不同灾种的临界阈值尚未统一,仍处于探索阶段。其原因一方面是无量纲数的取值受地域、岩土体性质甚至实验尺度的影响变化范围较大(,;,);另一方面,大量的无量纲数基于一些理想条件提
25、出(如固体颗粒为粒径统一球形颗粒、颗粒间完全饱和等)(,)。然而,实际灾害体构成非常复杂,因此,当前这些研究成果主要用于灾后对灾害过程的反演分析和比对,还不足以直接应用于指导滑坡 泥石 ()郭剑等:滑坡 泥石流转化研究进展图 结合动、静指标的滑坡 泥石流分类 (),()流转化的灾前预测、预报和预警等工作。滑坡 泥石流转化机理滑坡 泥石流转化根据时间的连续性可分为:()由滑坡产生的堆积体在沟道再次启动而形成泥石流,对应“静 动”转化模式;()滑坡启动后未停积,其运动形式由滑动逐渐演变为流动的泥石流,即“动 动”转化模式。本节将从上述两方面梳理典型滑坡 泥石流转化模式和机理。“静 动”转化如果滑坡
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