DOI：10.13209/j.0479-8023.1998.035北京大学学报(自然科学版),第34卷,第4期,1998年7月Act a Scientiar um Nat ur aliumUniversit atis Pekinensis,Vol.34,No.4(Jul,1998)滑坡型泥石流形成机理1)李 树 德(北京大学城市与环境学系,北京,100871)摘 要 滑坡型泥石流是一种特殊的能量转换体运动类型。
它是在很短时间内,由滑坡体的位能快速转化为动能的一次性滑动——流动堆积。
滑坡型泥石流的活动是由块体在整个连续运动过程中发展的两个阶段(先滑坡,后泥石流)组成。
滑坡型泥石流与一般的滑坡、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,冲击力强,破坏性大。
在理论上和国民经济影响方面有独特的研究意义。
关键词 滑坡;泥石流;滑坡型泥石流中图分类号 P6420 引 言滑坡与泥石流、地震、火山喷发、台风以及特大洪水一样,是一种突发性自然灾害。
而滑坡型泥石流兼具滑坡和泥石流的一些特征,它是一种超强度高速输移泥沙石块的过程,它可以在几分钟、几十分钟或数小时内将大量的泥沙石块倾泻到山口外,倾刻之间给人类造成巨大灾难。
不仅造成人员伤亡及工农业极大经济损失,而且大大恶化了周围生态环境。
对其形成、发展和运动机理、分布规律,预测预报和预防治理的研究,将对人类生存和经济建设持续发展具有重要理论意义和实际意义。
1 滑坡型泥石流概念客观科学地认识滑坡型泥石流,首先必须对滑坡及泥石流概念有正确的理解。
一般认为在重力、动水压力、地震或其他某些力的作用下,斜坡上的岩土沿坡内一定的软弱带(或面)作整体地向前、向下移动的现象,谓之滑坡。
而泥石流这一概念,目前国内外的研究者尚无一致性的意见。
一般认为泥石流是一种特殊物质运动的自然现象;有的认为泥石流是产生于沟谷中或坡地上的一种饱含大量泥少石块和巨砾的固液两相流体。
它介于山崩、滑坡等块体重力及动力运动与流水等液体水力运动之间,呈粘性层流或稀性紊流状态,是各种自然营力(地质、地貌、水文、气象等)和人为因素综合作用的结果。
C.M.伏列什曼夫认为泥石流指的是固体物质含量高,泥位剧增的暂时性山地河床型洪流[1];日本水土保持学会认为泥石含量多于水体。
含水的粥状泥沙在其自重作用下产生运动 1)地震科学联合基金资助项目(95239)收稿日期:1997-01-24;修改稿收到日期:1997-04-04.的现象,称为泥石流[2];英国地质学会工程组指出泥石流是介于水流与滑坡之间的一系列过程,因而包括有重力作用下松散物质、水体和空气三者构成的块体运动。
国内外一些研究者把泥石流分为粘性泥石流和稀性泥石流。
本文理解泥石流为介于崩塌、滑坡的块体运动与水流之间的一系列连续复杂过程。
是携带大量固体碎屑(块石、碎石、漂石、卵石、沙和泥的洪水流,沿着陡峻的沟床向下游快速运动的现象。
它又可分为土力类泥石流和水力类泥石流[3]。
泥石流形成机理乃是固、液两相物质在山区坡地或沟谷内相互作用而发展形成整个物理地质作用过程。
滑坡和泥石流虽然是两种不同的块体运动类型,在许多情况下,滑坡和泥石流相伴而生,迅速转化,难以截然区分,以致在同一地区的同一自然灾害现象,有的研究者视为滑坡、而另一些研究者则将它视为泥石流。
滑坡型泥石流是在很短时间内,由滑坡体的位能快速转化为动能的一次性滑动——流动堆积。
是整个块体连续运动过程中发展的两个阶段(先滑坡滑动,而后转化泥石流流动)组成[4]。
因此,滑坡型泥石流与一般滑坡和泥石流不同,它兼具滑坡和泥石流的一些特征,为了和一般的滑坡和泥石流相区别,以便学术上深入研究,本文将这种现象视为一种特殊条件下岩石碎块与泥水混合体的运动类型,称滑坡型泥石流或滑坡——泥石流。
2 滑坡型泥石流分类土(石)体重量Q 的增加,促使下滑启动力S =Q sim A (A 为坡角)增大,土(石)体内孔隙水增加,使得内摩擦角U 和内聚力C 值减小,最后导致临界起动力S 0=R tg U +C 减小。
式中R 为土(石)体对地形坡面由Q 引起的垂直坡面的正压力。
当S =S 0时,土(石)体处于极限平衡状态;在S >S 0时,土(石)体即迅速发生运动,按受力运动形式可分为2类。
(1)滑坡型泥石流:土(石)体沿某一坡面或滑动面形成的泥石流,先发生滑坡,而后直接迅速发展成泥石流,为同一过程发展的两个阶段。
这类泥石流大体有2种情况:¹滑动土体松散且含水量充分,可在滑动中迅速转化为泥石流;º滑动土体下滑再遇水源拌和而形成泥石流,如滑动土体进入沟床或河道再遇水而形成泥石流,或滑动土体堵塞河道形成堰塞湖再溃决形成泥石流。
例如1984年8月4～5日甘肃省天水地区刘家堡滑坡型泥石流最为典型[4]。
在连续降雨影响下,高处滑坡土体内含水量很高,几乎接近饱和,当滑动面(或带)上S >S 0时,滑坡土体迅速下滑至沟床中,再加上沟床两侧坡面流水汇入沟床中形成加速度滑坡型泥石流。
(2)崩塌型泥石流:随坡高堆的土体发生崩塌而形成的泥石流。
也大体存在与上述滑坡型相似的2种情况:¹崩塌土体松散且含水量充分,在崩塌中直接演变成泥石流;º崩塌土体再遇水源拌和而形成泥石流。
例如1982和1984年两次舟曲泄流坡崩塌——滑坡型泥石流[4]。
3 滑坡型泥石流形成机理松散碎屑堆积物(包括残积物、坡积物、冲洪积物、冰碛物、崩塌和滑坡堆积物等)为滑坡型泥石流提供了丰富的固体碎屑物源。
在一定的地形地貌条件下,特定的水动力来源则会激发土体发生滑坡,然后快速转化高速流动。
土体能否发生位移运动,决定斜坡上土体的静力平衡是否被破坏,一般松散堆积土石体于斜坡上,在其自重()作用下产生垂直坡面的正应力()和520 北京大学学报(自然科学版) 第34卷 沿斜坡向下运动的分力即下滑起动力S =Q sim A (A 为地面斜坡坡角),由于土体与斜坡地面(或某一软弱滑动面)之间产生抗滑动的摩擦力即抗滑动的抗剪强度,有人称临界起动力S 0=R tg U +C (式中U 为土体内摩擦角,C 为内聚力),当S <S 0时,土体处于稳定状态;S =S 0时,土体处于极限平衡临界状态;当S >S 0时,极限平衡被打破,土体快速向下滑动,在特定水动力条件下形成滑坡型泥石流。
抗剪强度S 值的变化受多种因素影响:¹水(雨水、沟谷坡脚泉水、冰雪融水等)促使土体逐渐饱水,大大降低了土体内摩擦角(U )和内聚力(C )值,使内摩擦系数f =tg U 变小,引起内摩擦力R tg U 降低。
º因水流不断侵蚀冲刷,使沟床纵坡角(A )增大,使下滑起动力S =Q sim A 增大。
»高处崩塌、边坡坍塌、坡面流坍、落石、剥落、碎落等使土体重量(Q )增大。
¼地震等震动激发。
根据S 和S 0的相互关系,滑坡型泥石流形成机理程序可能是:¹底层滑移蠕动。
当S 稍大于S 0时,下部饱水的临界土体首先发生极其缓慢滑移蠕动[5]。
这时,其上部的土体一般尚未发生明显位移,这一机理一般不被人们所注意。
º滑移蠕动—扰动。
当S 稍增大时,下部底层土体蠕动稍加速,这时上部土体被牵引带动扰动形成蠕动扰动流。
»蠕动—扰动—崩塌。
土体内孔隙全部被水饱和,这时饱和度(D w )值接近1,临界土体S 0值继续减小,土体内C ,U 值继续减小,这时土体内剪切式的蠕动—扰动流加速,土体前缘开始出现崩塌翻落形成扰动流。
¼崩塌—滑塌—扰动。
饱水土体因S 不断增大,流速加快,土体前缘急速崩塌、滑塌和翻落,整个土体呈现扰动状态。
½快速流动。
整个饱水土体急剧滑塌,在水动力作用下形成滑坡型泥石流。
4 关于滑坡型泥石流的临界结构对于泥石流体结构,人们从¹泥石流浆体特征、º泥石流流速结构、»泥石流阻力定律、¼泥石流力学机理等多方面进行了研究。
对于泥石流的临界结构研究不多,然而泥石流的临界结构是滑坡型泥石流区别于一般泥石流(即水力类泥石流)的重要标志[6]。
滑坡型泥石流有链状或网状格架结构,而一般水力类泥石流没有这种结构[3]。
滑坡型泥石流浆体中细小的粘粒成分(粒径小于0.005mm 者)形成一定的骨架,水在其中不是简单地机械结合,而是作为一种溶剂发生一定的理化作用,参与到骨架中去,粘附到各粒级表面形成泥膜和高粘滞层,其表面张力很大,这种紧密的粘滞骨架具有搬运粗大石块、流体运动惯性大和撞击力强的接近于块体运动的性质。
但由于各粒级颗粒表面粘附泥膜,起到润滑和粘滞作用,致使流体内部具流速梯度,而区别于一般块体运动性质。
滑坡型泥石流为固、液两相流体,它的骨架结构即各粒级颗粒排列可以从最疏松到最紧密之间,而最疏松结构是滑坡型泥石流与一般水力类泥石流的分界结构,即临界结构。
这时流体内充满以水体为主含细小颗粒的结构,可以用流体孔隙度(n )和孔隙比(e )来表示。
从我国泥石流发育地区来看,滑坡型泥石流孔隙度可达45%～60%,并随颗粒的粒径递增而减小,相应的泥石流容重(C )却增大。
即颗粒粒径较大的滑坡型泥石流要求有较大的容重下限值;反之,粒径较小者,容重下限值则较小。
因此,在确定滑坡型泥石流主要视泥石流临界结构而定,而容重下限值作为参考。
滑坡型泥石流和一般水力类泥石流研究表明,孔隙比为1的结构代表临界结构,即孔隙度为50%时,颗粒处于松散状态,一般水力类泥石流由于孔隙比均大于1,松散颗粒悬浮于水中,521第4期 李树德:滑坡型泥石流形成机理 彼此没能形成格架结构。
所以,泥石流的临界结构是滑坡型泥石流区别于一般水力类泥石流的重要标志,可以用泥石流颗粒自由孔隙比e =1的指标来判别,大于1者为一般水力类泥石流,小于1者为滑坡型泥石流(有的称土力类泥石流)。
参考文献1 5½¶»Ë¾±¿ , ¶½º . ºÂÀ¾¶Ä¶Àº¹±Ä. ¶Â¶Â±² µÀÁ,2-¶ºÏµ:19782 池谷浩.泥石流的分类.见:水工程地质(第3辑).科学技术文献出版社重庆分社.19783 李树德.泥石流的形成机理,地貌与第四纪环境研究文集.北京:海洋出版社,1996,158～1614 李树德.论泥石流的另一种类型——滑坡型泥石流.水土保持学报,1988,2(4):66～715 李树德.关于抚顺石油一厂地表变形原因的初步认识.岩石力学与工程学报,1990,9(4):280～2856 李树德.泥石流灾害与环境.水文工程地质,1996,23(3):40～42For mation Mechanism of the Lanaslide -type Debris FlowLI Shude(Depa rtment o f Ur b a n a nd Envir onment S ciences ,P eking Univer sity ,Beijing ,100871)Abstr act T he landslide -type debr is flow is a special m otion type of energy conver sion body and rep-resents a sudden sliding flowing deposition due to quick conver sion of potential ener gy of a landslide body into violent kinetic energy.It consists of two stages developed in the pr ocess of continuous mass movement,deffevs fr om the genera l landslide and debris flow,and hence,has the features of the bot h landslide and debris flow .It is char acterized by high velocity ,str ong striking force and se-ver e destr uct ion.It is of significance to study this kind of debr is flow in theor etical and practical as-pect.Key wor ds landslide;debr is flow;landslide-type debris flow 522 北京大学学报(自然科学版) 第34卷 。