0 引言

在极端气候和地震活动的影响下，泥石流灾害频繁发生。目前暴雨泥石流的形成机制的研究较多，包括泥石流形成的土力类机理和水力类机理等^[1~3]。特别地，针对土力类泥石流，人们进一步揭示了其剪切破坏和液化过程与机理^[4~5]，而对于冰碛土体起动形成冰川泥石流的研究却相对较少。目前有关冰川泥石流的形成，针对以西藏林芝县念青唐古拉山脉东南缘培龙沟为代表的冰川泥石流，人们提出了融水溃决机制^[6]；针对西藏波密县岗日嘎布山北坡的贡扎冰川末端米堆沟为代表的冰湖溃决类泥石流人们提出了水枕机制^[7~10]；针对西藏波密县帕隆藏布流域古乡沟地震引发的特大规模泥石流，人们提出了冰滑坡转化为泥石流的机制^[11~14]。然而无论何种冰川类泥石流，其起动过程都是冰碛土体在降水或冰雪融水作用下失稳转化为泥石流的过程^[15~17]。由于冰川类泥石流发生区域的高寒、高海拔，其可到达性较差，观测研究十分困难，所以有关冰碛土体起动泥石流的力学机制方面的研究目前还十分缺乏。而随着川藏铁路、川藏高速公路和雅鲁藏布江水能等重大工程的上马，冰川泥石流灾害防治的需要，使得对冰川泥石流形成的机理研究十分的需求和紧迫^[18~21]。冰碛土体最为显著的特征是其粘土颗粒含量普遍较少，仅在气候湿润区的后期风化作用较为强烈的地区，粘土颗粒含量可能超过3 % (样品为小于60 mm的颗粒)^[22~24]。研究表明在云南省北部金沙江流域蒋家沟等地区不同类型砾石土体其强度特征和起动泥石流的难易程度大相径庭^[25~26]。鉴于冰碛土体的组成和结构不同差异，所以笔者企图通过实验研究不同组分结构的土体起动泥石流的不同模式，并探究其孔隙水压力和含水量的变化过程^[27~28]。本文选择波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟的冰碛物为代表，选择现代冰碛土体(粘粒含量低)、风化改造的老冰碛土体(粘粒含量中)、混合冰碛土体(粘粒含量中低)，在降水和冰雪融水作用下进行现场起动泥石流的实验，研究流域内不同类型冰碛土体起动泥石流的力学特征。

1 研究方法

选择帕隆藏布流域的嘎弄沟不同类型冰碛土体作为实验对象，进行冰碛土体起动泥石流实验，实验对象分别为风化改造的老冰碛土体、现代冰碛土体和混合冰碛土体。实验分为2组，即降水起动和径流起动泥石流，测量土体含水量变化和孔隙水压力变化特征，分析不同土体起动泥石流的难易特征和起动过程的孔隙水压力和含水量变化特征。

1.1 研究区域和样品选择

帕隆藏布的支流嘎弄沟(29°57′57″N，95°43′27″E)流域面积5.8 km²，由于嘎龙冰川发育，地质历史上冰碛物分布广^[29~31]。在1万年以来的全新世间冰期帕隆藏布大规模径流量的侵蚀下，残留的冰碛物较少，而由于流域的径流量相对小，而且随着冰川的退缩，嘎弄沟的冰碛物还源源不断地被侵蚀形成滑坡泥石流并危害扎墨公路^[32]；导致形成了顶部为低粘粒冰碛土体、中部为中粘粒风化冰碛土体、底部为滑坡泥石流改造形成的中低粘粒冰碛土体的空间分布规律。冰碛物的颗粒组分为燕山期花岗岩和片麻岩^[33~34]，野外采集18组土样颗粒分析显示(最大粒径约60 mm)，粘粒含量为0.32 % ~3.57 %，粘土矿物主要为石英、斜长石、钠长石、拉长石等。实验选择3类土体：1~4号样取于风化改造的冰碛土体，这类土体粘土颗粒含量较高，属中等粘土颗粒含量的土体，粘土普遍高于2.5 %；9号样取于现代冰川碛物，其特点为粘土颗粒含量低，为0.32 %；5~8号样、10~18号样为混杂冰碛土，粘土颗粒含量为中低，为0.5 % ~2.5 %。参照1号、10号、12号、5号、8号和9号样进行泥石流起动实验，1号样代表中等粘粒含量的风化改造的冰碛土体，9号样代表现代冰碛土体，其他样品为混合冰碛土体(图 1)。

1.2 冰碛土体起动泥石流实验

根据试验条件及土体结构综合进行考虑，本次试验坡面的坡度取35°。试验区(图 2)位于墨脱公路K6+400处嘎弄沟左岸，其坡面组成具有大粒径、无分选、快速堆积等特点，且在坡面有少量残坡积物覆盖。在坡面分别选取风化改造的冰碛土(中粘土颗粒含量)、混合冰碛土(中低粘土颗粒含量)、现代冰碛物(低粘土颗粒含量)，进行模拟降水及融水作用下泥石流起动对比试验，实验土体均为松裸砾石土体，土体的密度控制在1.68 g/cm³左右，其颗粒组成见表 1。

在冰碛土松散堆积坡面，根据试验参数对坡面进行修整，划分一块尺寸约为1.5 m×2.3 m，厚度约为35 cm，坡度约为35°的试验坡面，分两层在试验土体内埋设含水量及孔隙水压力传感器。1号、2号和3号孔压及含水量传感器埋置在上层，埋设深度约为0.06 m；4号、5号和6号孔压及含水量传感器埋在下层，埋设深度约为0.18 m。1号与2号、4号与5号的水平距离为0.75 m(传感器的埋设方式及距离见图 3)。模拟降水实验采用人工降水进行，试验前对降水系统的雨量进行了标定，试验的降水强度为35.3 mm/h。与降水试验不同的是，模拟融水试验采用喷头水慢慢下渗进入坡体内部来模拟冰雪融水作用。试验的潜水泵型号为QDX3-16-0.55，扬程为16 m，实验的径流量为2.0 m³/h。

2 冰碛土体力学特性研究

泥石流的起动有三大必要条件即：水源、物源和坡降条件。根据统计野外泥石流起动特征发现，在水源和坡面条件相同的情况下，有的土体能起动泥石流，而有的无法起动，可以推断是物源的结构组成对泥石流的起动产生了影响。为探究土体的结构特征和力学特性，我们还进行了土体粒度分维计算、室内直剪试验和大型三轴试验^[35]。

刘松玉和方磊^[36]通过研究我国粘性土的粒度特征，发现在双对数坐标下粒径小于r的颗粒累计质量百分比含量(M (r)/M)与粒径r存在直线段，即表明土颗粒的粒度分布具有分形特征，并根据该直线段的斜率b，由公式D=3-b求出相应的粒度分维值D。颗粒的分维值D反映颗粒在平面上的分布情况，一般来说，D越大，相应地级配越好，颗粒在平面上的密集程度越高，分选性越差；反之亦然。由小于0.01 mm的颗粒质量百分比含量得到拟合公式：

D_p=-0.013x² + 0.152x + 2.244

计算结果分析发现，本文试验土样的分维值范围为2.044~2.683(图 4)，与一般粘性泥石流沟源区土体平均分维值2.45~2.78^[37]比较起来，数值相对较小，这是由于帕隆藏布流域发育的多为稀性泥石流，与粘性泥石流沟的土样相比，其细颗粒含量相对较低。分维值的大小用来反映宽级配砾石土的颗粒组成，粗颗粒含量越高，表示其粒度分维值越小；而细颗粒含量越高，其分维值就越大^[38]。

直剪试验中的土样取自野外模拟降水和融水试验中采集的土样，其中采用2 mm的颗粒按粗颗粒土的土样制备(SL237-053-1999)方法，对土样中>2 mm的颗粒进行等量替代。试验设备采用四联直剪仪2J(DSJ-2)进行不固结快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min，每组试样分别在垂直荷载为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa作用下进行水平剪切，剪切位移达至6 mm时停止试验。试验得出，在粒度分维值为2.396~2.658的区间内，冰碛土的粘聚力c随着粒度分维值的增大而增加，这是由于细颗粒占比越大，粗颗粒间骨架孔隙被填充的越多，从而增大了颗粒间的相互接触面积，故土体的粘聚力与粒度分维值是呈现正相关关系的。而在这个区间，冰碛土的内摩擦角ϕ是随着粒度分维值的增大而减小的，这是由于细颗粒占比越大，粗颗粒逐渐被细颗粒包裹，粗颗粒间的摩擦力和咬合力减小，在剪切力作用下，颗粒间比细颗粒含量低时更容易发生剪切错动，使得土体的内摩擦角呈现出现降低的趋势。

本文采用四川大学水利水电学院华西岩土设备研究所研制的大型三轴仪(SZ30-2c)对不同干密度和不同级配的冰碛土进行固结不排水(CU)剪切试验，试验土样取自上述泥石流起动试验。CU剪切速率为1.2 mm/min。试样直径为300 mm，高600 mm，最大粒径为60 mm。试样制样干密度分别为1.68 g/cm³、1.73 g/cm³、1.78 g/cm³和1.83 g/cm³。以表 1中12号试样(细粒含量为11.71 %)为例，如图 5a所示应力-应变关系曲线，取轴向应变ε_a为0.15时的应力为破坏应力，显示应力-应变为非线性关系，应力随着应变的增大而不断提高，曲线无明显峰值，表现为应变硬化型。由图 5a可知，围压作用越低，其轴向应变增长越明显；土的孔隙水压力-应变关系曲线(图 5b)则表示为，在剪切初期，孔压随轴向应变增加而增加，当轴向应变达到某一值后，不同围压下的土样孔压均出现下降趋势，说明土体发生严重的剪胀现象。这是由于在细颗粒含量较高的情况下，土颗粒在低围压下更容易发生错动和旋转从而产生体积膨胀，而在高围压下颗粒被压力所束缚，反而不易发生错动变形。

3 不同土体的起动过程特征

模拟降水(A)与融水试验(B)显示不同类型的冰碛土体起动的过程和难易程度有很大的不同(表 2)。对于风化改造的冰碛土体(中等粘土颗粒旱后)，这类土体粘土颗粒含量较高，大于2.5 %。以下采用模拟降水试验第一组(A-1#)为例，可将其起动过程的特征分为7个阶段(表 3)：1)在强降雨作用初期，雨水大量入渗导致土体含水量大幅增加，随即土体表面出现部分裂缝，产生蠕滑趋势，并附带形成少量细小冲沟；2)随着降雨的持续作用，土体入渗速率渐渐小于降雨速率，土体饱和度大幅增加，这时产生超渗透产流现象，形成地表径流层，进一步导致表层土的含水量、下滑力增加，粘滞力、抗滑力降低，稳定性下降；3)此时土体趋于饱和，且密度增大，超渗产流开始侵蚀表层细颗粒物质，在地表形成高含沙水流(图 6)；4)由于土体的剪胀作用，使得孔压从降低变为增加，而含水量则仅有微小变化，表面裂缝继续扩张，土体的内摩擦角、摩擦阻力、抗剪强度及稳定性都降低；5)这一阶段初期土体有较小破坏，随着动水压力的作用，土体下滑力增加，之后开始整体滑动；6)当下滑力超过抗滑力时，土体从蠕滑转变为坍滑；7)土体滑动后粘滞力急剧下降，并在动水压力作用下带动更多土体滑动，从而形成大规模泥石流。且从坍滑发生到泥石流起动，其体积相比初始状态增大了数倍。这类土体的起动特征与目前研究的干旱河谷区多粘粒的土体起动泥石流的特征类似，为铲蚀+面蚀型起动，第一次蠕滑在本试验工况下为从降水开始300~400 s^[39~45]。

对于中低粘土颗粒含量的土体，其起动过程多表现为类水力类泥石流的起动过程，以掏蚀+坍塌型泥石流为主。以模拟融水试验第三组(B-3#)为例，可分为6个阶段来阐述起动试验特征：1)在融水试验初期，细颗粒发生侵蚀运动，土体有小幅度蠕滑变形，且变形主要集中于破体的中上部；2)在地表径流的作用下，坡面会首先形成部分细小冲沟(图 7)，随着径流的持续冲刷，通常会导致形成凹凸不平的纹沟；3)随着纹沟深度和宽度的不断增加，粗大颗粒逐渐开始侵蚀纹沟；4)径流汇集于此导致流量不断增加，并且径流下切侵蚀形成后缘陡坡；5)随着坡体稳定性越来越低，导致陡坡垮塌形成大量松散体并堆积于沟道内；6)径流的冲刷、携带及揭底作用导致冲沟内的固体物质参与径流运动，从而起动泥石流，在其运动过程中，坡体下部的松散物质不断参与其中，导致泥石流规模愈加庞大(图 8)^[45~47]。

对于现代冰碛土体，其粘土颗粒含量低，通常小于0.5 % (小于60 mm的样品)，本文粘粒含量为0.32 %，这类土体在实验所取的降水强度和径流强度下，不起动泥石流。

4 不同冰碛土体起动泥石流的成因分析

不同类型的冰碛土体起动泥石流有两类成因，对于风化改造的冰碛土体，粘土颗粒含量中等，其成因为土力类；对于混合堆积土体，粘土颗粒含量中低，其形成成因为水力类。

粘粒含量较高的冰碛土体，例如A-1#试验土体的粘粒含量大于3 %而小于5 %，但实际仍属较低粘粒含量土体，该类土体抗剪强度高，渗透性好，但土中粘粒含量低，不能形成相对不透水面，导致雨水直接渗入坡底，无法在土中形成高孔隙水压力。图 9是其模拟降水过程中含水量与孔隙水压力随时间变化曲线，其显示在降水初期，土体的含水量与孔隙水压力均迅速增长；在随后的过程中，土中大量细颗粒被水流带走，孔隙水压力整体上升幅度并不大，却依然导致土体发生失稳滑动。说明冰碛土体起动泥石流所需的临界粘粒含量并不高，孔隙水压力在泥石流起动过程中仍有一定作用。

为巩固以上推测，我们进行了土体综合强度与受力的计算^[48~50](表 4)，根据边坡稳定的极限平衡理论对土体稳定性分析，引起土体坍滑的动力有土体表面超渗产流形成的拖曳力F₁和雨水入渗过程产生的渗流压力F₂，以及由土体重力产生的下滑力F₃；而阻力则包括土体的抗剪强度即粘滞力c和摩擦阻力f。当土体处于极限平衡状态时，有：

(1)

根据表 4计算可得公式(1)左侧=0.61 kPa，为使等式平衡，可知土体若要达到失稳起动泥石流，则土体粘聚力c需要降至0.28 kPa。根据极限平衡理论反演结果可知，在相对较高的粘粒含量条件下，冰碛土体失稳起动泥石流仍是孔隙水压力升高，粘滞阻力降低，拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果，其中粘滞阻力的降低占比45 %，是最主要的影响因素。

对于更广泛分布于帕隆藏布流域的粘粒含量更低的冰碛土体，其坡面起动泥石流破坏也更具有代表性。在低粘粒条件下，土体渗透性更强，地下水渗透速度更快。如图 10是B-5#试验模拟融水过程中含水量与孔隙水压力随时间变化曲线(只分析选取上层1号、2号、3号传感器数据)，在模拟融水试验初期，土中含水量快速增长而孔压变化不明显，随着水流下渗并出现地表径流，由此产生冲沟并导致上部土体蠕滑。在地表径流和下渗水流的持续作用下，坡面发生坍塌，并呈片状向下推移起动泥石流。针对土体内颗粒体在渗流力、重力、摩擦阻力及支撑反力作用下保持平衡^[51~52](图 11)，我们列出如下：

(2)

公式(2)中，P为单位土体沿渗流方向所受到的渗透力(P=r_wJ，其中r_w为水的容重，J为水力坡降)，G为颗粒重力，f为摩擦阻力，h_i为各力力臂长度。在降水或融水初期，水流不断下渗，土体的含水量不断增加，土中细颗粒在自重、渗流力和摩擦阻力的作用下沿某一轨迹发生运移，并可能在粗颗粒构成的骨架中形成一条颗粒移动的通道。随着细颗粒不断掏蚀移动，土体抗剪强度逐渐降低，一旦土体强度低于渗流下滑力时，土体发生坍塌下滑。引起土体发生液态流动的临界水力坡降为：

(3)

公式(3)中，G_s为土颗粒的相对密度，e为孔隙比^[53~54]。以模拟降水试验A-3#组为例，起动土体的下切深度为8.0 cm，宽度5 cm，长度为20 cm，土体起动时需要的临界坡降为0.89。

5 结论

本文针对不同粘粒含量下的冰碛土体进行了力学实验以及模拟降水和模拟融水试验，分析了不同冰碛土体泥石流的起动特征和成因，主要得出以下结论：

(1) 本文试验土样的粒度分维值范围为2.044~2.683，与一般粘性泥石流相比较小，表明冰碛土体的粗颗粒含量较一般粘性泥石流土体更大，土体结构更为松散，孔隙率较大。直剪试验表明，粒度分维值在2.396~2.658区间时，冰碛土的粘聚力随粒度分维值的增大而增大，内摩擦角则与粒度分维值成负相关。三轴试验则表明，细颗粒含量较高时，围压越低冰碛土体越容易发生剪胀现象。

(2) 冰碛土体起动泥石流的过程是一个复杂的过程，针对不同粘土颗粒组成，泥石流起动的类型不同。当粘粒含量较高时(>3 %)，土体发生铲蚀+面蚀型泥石流起动，主要过程特征可分为7个阶段：包括雨水入渗、超渗产流、表面侵蚀、孔压升高、蠕滑、坍塌和起动放大阶段；当粘粒含量中低时(不高于3 %)，大部分坡面泥石流起动以掏蚀+坍塌型为主，其特征可分为6个阶段：即细颗粒侵蚀、纹沟形成、粗颗粒侵蚀纹沟、形成后缘陡坡、垮塌和起动阶段；当粘粒含量过低时(< 0.32 %)，冰碛土体无法起动泥石流。

(3) 对于土力类泥石流起动，在强降水条件下，冰碛土体孔隙水压力迅速增加，易造成土体破坏，从而起动泥石流，其失稳主要是受土体粘滞力降低的影响，本试验中由粘滞阻力降低造成的影响占45 %；而对于水力类泥石流起动，在降水或融水条件下，当土体内孔隙水压力变化不明显时，土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流，其主要受水力坡降的影响。当水力坡降超过临界值后，会引发土体发生液态化流动，本试验中临界坡降为0.89时土体起动泥石流。

致谢: 感谢审稿专家建设性的修改意见。