兰州市是一个典型的山间河谷型城市，地处黄土高原西部，南北两侧均为绵延起伏的山地和沟壑纵横的黄土梁峁。随着“一带一路”“西部大开发”等国家战略的大力推进，兰州市作为丝绸之路的重要节点城市，已成为国家向西开放的前沿阵地和重要门户，城市建设不断深入，可开发利用空间不足的问题凸显，城市发展和基础设施建设不得不逐渐向2侧山间和沟道内拓展，即通过平山造地等方式获取土地，大量的人工堆填体压占沟谷或者顺沟而堆，若处理不当，极易引发泥石流灾害。据皋兰县六合站记录，2018年4月19日兰州市累积最大降水量达58.9 mm，青白石街道积水长>300 m，碱水沟大量的人工堆填体引发了较大泥石流灾害，约120户居民和工厂受到泥石流不同程度破坏，转移受灾群众600余人。

人工堆填场地引发的泥石流是典型的人为灾害，属于人工弃渣泥石流的一种。李建明等^[1]和倪化勇等^[2]阐述了人工堆填体与原生地面径流产沙规律的差异性，并提出了较科学的分类方法；刘兴荣等^[3]、蔺明华等^[4]、张乐涛等^[5]和Wischmeier等^[6]通过开展模拟试验，研究不同粒径级配条件下人工弃渣泥石流启动机理和水动力学特性，提出相应的水土流失评价方法；Atiq^[7]和Yu^[8]提出人工弃渣再利用的观点，实现生态环境的良性循环。由此可知，有关人工弃渣型泥石流已有较多的研究。但以上研究主要针对人工堆填体与原生地面差异、启动机理、分析评价方法和弃渣利用等，并未提及因人工堆积黄土特性引发泥石流灾害的相关研究和报道。

依据兰州市城关区青白石街道碱水沟(地理坐标为E 103°54′36″，N 36°04′26″)“4·19”泥石流灾害调查，结合粒径分析试验、SEM细观结构测试及入渗试验(图 1)，对黄土地区人工堆填场地引发泥石流灾害的水土特征进行科学认识。

1 研究区概况

兰州市地处黄土高原西部边缘和青藏高原的交接地带，自新近纪以来，新构造运动强烈，主要表现为地壳的隆升。碱水沟流域主要为黄土丘陵和侵蚀堆积沟谷地貌，沟道上游黄土丘陵走向受地质构造控制，长期遭水流侵蚀切割较强烈，冲沟呈“V”型，海拔1 650~1 900 m，相对高差较大，一般为50~100 m，黄土堆积厚度约15~40 m；碱水沟下游地带主要分布侵蚀堆积沟谷地貌，发育有Ⅰ和Ⅱ级沟台地，台面高出沟床2~10 m。因后期人为取土、采砂、整地，对台面破坏较严重，部分地段呈断续平台，堆积物以人工填土为主。

碱水沟为稀性泥流沟道，流域面积约为1.18 km²，主沟道长度约为2.41 km，沟床比降约为52.06‰，流域呈“树枝状”，流域高差约为250 m，谷坡坡度一般为30°左右，沟道断面呈“V”字型。流域物质补给区较大，约1.16 km²，占流域总面积的98%，流通区和淤积区分割不明显(图 2)，泥石流重度约为15.3 kN/m³。碱水沟的流域地貌易于坡面侵蚀切割，人为形成的挖填土加速了泥石流的物质补给，在较大流域高差提供的动能作用下，降低泥石流启动临界阈值，增加碱水沟泥石流爆发频率，一般为1~2次/年。

2 材料与方法

笔者通过野外调查，查明因黄土特性促使平山造地引发泥石流灾害的主要特征，室内采用JSM-6510型电子扫描显微镜对土样进行SEM细观结构测试，室外采用单环双水头入渗仪测定堆填场地入渗规律(图 3)，同时取土样在室内测定其粒径级配。试验土样颗粒代表值统计见表 1。

由表 1可知，试样土重度为18.1~19.1 kN/m³，不均匀系数(C_u)为4.15~20.96，曲率系数(C_c)为1.01~2.63，说明土体性质单一，除土样2外，其余样品级配良好，且属于连续级配。从图 4土体级配曲线可知：土体粒径区间比较窄，粒径均＜10.000 mm，主要集中在0.250~10.000 mm，累计达83.4%~98.5%；粒径＜1.000 mm的物质约占11.4%~55.2%；＜0.075 mm的土粒仅为1.0%~8.7%。其土试样分类为圆砾和砾砂，以细颗粒为主。

2.1 粒径级配试验

试验土体选自碱水沟挖山平地形成的人工堆填体场地，随机选择7处样本，其颗粒粒径级配曲线如图 4所示。试样土重度为18.1~19.1 kN/m³。根据式(1)^[9]计算渗透系数k为0.206~21.388 mm/s，渗透系数极为不均匀。

$ k=6.3 C_{\mathrm{u}}^{-\frac{3}{8}} d_{20}^2 \text { 。} $

(1)

式中：C_u为不均匀系数，量纲为1；d₂₀为占总土质量20%时土粒粒径，mm。

采用密度计法对粒径＜0.075 mm的土样进行试验，结果见表 2。土样以粉粒为主，主要集中在0.01~0.05 mm区间内，累计比例达78.0%~82.2%；黏粒含量很低，几乎可以忽略不计。

2.2 堆填土微观结构

如图 5所示，采用JSM-6 510型电子显微镜对黄土堆填场地的土样内部结构进行扫描，选取放大100倍和500倍的有代表性的SEM图像，对扰动重组的堆填场地黄土微观结构的变化特性进行分析。重组夯填后的黄土发生了较大的物理反应，其内部的骨架颗粒重新排列，连接土体骨架颗粒间强度的胶结物也被削弱，压缩了孔隙结构，在孔隙间填充了大量细粒，且孔隙整体连通性降低，颗粒间的接触也由点扩大为面接触，土体较原状土密实，颗粒轮廓变的模糊不清，充分印证了黄土通常表现出的湿陷下沉现象。Dijkstra等^[10]也研究了黄土颗粒之间的接触方式对其湿陷性的影响，认为黄土湿陷宏观变形是由于土颗粒在压力条件下松散连接变为封闭填充的连接方式。这说明黄土堆填重组后颗粒间的接触方式变了，但其湿陷性并未消失。

2.3 入渗特征分析

土体内水分储量与土体的入渗性能息息相关，是造成土体失稳的最主要的因素^[11]。入渗性能指大气压条件下水分自由进入土体时的入渗率，与土体的初始含水率、团粒结构、水力梯度等因素有关^[12]。本研究涉及的挖山平地形成的建设场地为重组黄土堆填体，其疏松多孔，透水性强且具有湿陷性，入渗率成为影响其能否被侵蚀起动形成泥石流的关键指标。因此，确定黄土堆填场地入渗性能是准确量化其转化为泥石流物质难易程度的关键。

采用单环双水头入渗法测量黄土堆填场地的饱和导水率K_s(cm/min)，故需在2个积水深度H₁和H₂条件下分别获取其对应的稳态通量Q_s1和Q_s2，通过求解二元一次方程组得到K_s和Φ_m。为了计算方便，采用Nimmo等^[13]提出的简化公式(2)进行计算：

$ K_{\mathrm{s}}=\frac{I}{F} \text { 。} $

(2)

式中：I为稳定入渗率，cm/min；F为吸水性与几何影像的函数关系，用式(3)计算。

$ F=1+\frac{\lambda+D}{C_1 d+C_2 b}。$

(3)

式中：λ为与土壤毛管长度有关的参数，cm；D为积水深度，cm；d为入渗环嵌入地表的深度，cm，取6；b为入渗环的半径，cm，取7.5；Δ为简化替代符号，cm，替代C₁d+C₂b，C₁和C₂为参数，其中C₁=0.993，C₂=0.578。则式(3)可表达为

$ F=1+\frac{\lambda+D}{\varDelta} \text { 。} $

(4)

将式(4)代入式(2)得

$ K_{\mathrm{s}}=\frac{I \varDelta}{\varDelta+\lambda+D}。$

(5)

对于双水头法，D₁为低水头，D₂为高水头，I分别对应高低水头的稳定入渗率I₁和I₂，则式(5)可表示为：

$ K_{\mathrm{s}}=\frac{I_1 \varDelta}{\varDelta+\lambda+D_1}=\frac{I_2 \varDelta}{\varDelta+\lambda+D_2} 。$

(6)

消去λ，则式(6)可简化为

$ K_{\mathrm{s}}=\frac{\varDelta\left(I_2-I_1\right)}{D_2-D_1} 。$

(7)

故采用式(7)计算黄土堆填场地的饱和导水率K_s，如表 3所示，其入渗率随时间变化曲线见图 6。

由表 3可知，试验区黄土堆填场地的饱和导水率K_s为0.003 cm/min，稳定入渗率I维持在0.154 cm/min左右。由图 6可知，在高水头条件下，黄土堆填场地的初始入渗速度远大于低水头条件，约为低水头条件下初始入渗的2倍，待入渗稳定后，其入渗趋势基本一致；高低水头条件下入渗率均随时间呈快速减小趋势，直至达到稳定入渗率，低水头条件下8 min左右基本能达到稳定入渗状态，高水头条件下12 min左右基本能达到稳定入渗状态。这说明黄土堆填场地渗透性强，易在降雨条件下快速达到稳定入渗率，直至完全饱和。即能在较短的时间内致使土壤软化，影响人工堆填场边坡稳定。

3 结果与分析 3.1 黄土堆填场地颗粒级配促使泥石流启动

徐友宁等^[14]研究表明，当细粒物质(＜1.000 mm)占土体总质量的28%时，其起动时所需水量最小。依据试验可知，场地内粒径＜1.000 mm的物质约占11.4%~55.2%，细粒物质(＜1.000 mm)适宜于物质起动时所需水量最小的标准，即降雨对其影响较大，很容易转化为泥石流物质，有利于泥石流启动；同时粒径＜0.075 mm的土样质量分数不均匀(1.0%~8.7%)，且黏粒质量分数很低。高冬光等^[15]研究发现，砂性土边坡的稳定性是由作用于颗粒上使它运动的力和阻力之比决定的，其抗冲性能是由单个颗粒的特性决定的。挖山、切坡形成的黄土堆填土由黄土、砂泥岩(已风化成粉末状)、砂等混合组成，通过粒径级配试验可知，其土样颗粒主要由圆砾和砾砂构成，黏粒含量低，说明人工堆积体具有松散特性，不利于堆积夯实，导致场地夯实度偏低、抗冲性低，是有利于泥石流启动的又一原因。

3.2 强渗透性提高泥石流物质转化率

在碱水沟内选择3处泥石流泥位调查断面(图 7)。自下游至上游300 m长度内分布3条断面，依次为断面1、断面2和断面3(对应3条泥位，即泥位1、2和3)，断面1、2相距170 m，断面2、3相距130 m。按照残留泥痕处的泥位和实测的过流断面、沟床纵比降，应用下式^[16]形态调查法计算公式对泥石流流量进行计算(表 4)。

$ Q_{\mathrm{c}}=W_{\mathrm{b}} V_c \text { 。} $

(8)

式中：Q_c为泥石流断面峰值流量，m³/s；W_b为泥石流过流断面面积，m²；V_c为泥石流断面平均流速，m/s。

泥石流流速采用曼宁公式(9)^[15]计算：

$ V_{\mathrm{c}}=M_{\mathrm{c}} H_{\mathrm{c}}^{\frac{1}{3}} i_{\mathrm{c}}^{\frac{1}{2}} \text { 。} $

(9)

式中：M_c为沟床糙率系数，取12；H_c为断面平均泥深，m，按现场调查取值；i_c为泥石流水力坡度，‰，采用泥石流断面处沟床纵坡。

由表 4可知，断面1处流量较断面2突然增加约2.5倍，而断面2和断面3流量增幅不大。在相距170 m内，泥石流流量突然增大2.5倍，说明泥石流物质转化率高。究其原因，主要是黄土堆填场地渗透性强且具有湿陷性，不断地将细颗粒的土体和盐分等带走，在场地内部形成湿陷洞穴，导致边坡体变形失稳或者悬空的表面土层不断坍塌，容易被水体快速启动，迅速转化为泥石流物质，成为相对集中且松散的泥石流补给物质。

3.3 黄土堆填场地引发复杂的泥石流动态模式

黄土堆填场地颗粒组成以细颗粒为主且渗透能力强，导致其引发泥石流过程复杂，运动模式兼具波状流和间歇流特点。

3.3.1 波状流特点

依据试验，场地土粒粒径主要集中在0.25~10.00 mm，累计达83.4%~98.5%，以圆砾和砾砂为主，黏聚力低，渗透系数不均匀，容易造成局部冲蚀。降雨径流过程中场地内细颗粒先行启动，随着水体流动，沿沟道底部及2侧形成致密层，致密层光滑，厚2~3 cm(图 8a)，能有效减小沟道糙率，加大泥石流流速，致使泥石流的流速突然增大，形成后期龙头覆盖前期龙头的现象，造成黄土地区泥石流的波状流特点。

3.3.2 间歇流特点

崔鹏等^[17]认为，准泥石流体的强度主要由细粒部分的连接作用确定。堆填场地是经过人为改造形成的，粒径区间较窄(≤10 mm)，细颗粒较集中。较大的场地有利于雨水迅速汇聚，启动表层细颗粒形成具有较强冲刷、下切作用的高含沙水流，集中向较低处流动，在黄土堆填体边缘形成无数个陷穴(图 8b)，陷穴不断扩大变形，导致边坡失稳(图 8c)。失稳后的边坡就像坐船，下部土体与水体直接接触，迅速转化为泥石流，在短时间内就能增强泥石流强度；上部土体在水体流动过程中不断的分解成若干个小的“堆体”，在下游遇到较宽沟床时停留下来堵塞沟道(图 8d)，导致沟内泥石流流量突然减小，甚至造成断流，在后续的雨水和泥石流冲刷下溃塌，继续转化为泥石流物质，再次沿沟道冲刷、侵蚀，泥石流规模不断扩大。在“4·19”调查中就发现沟道里停留很多小土堆，下部为泥状，上部却比较干燥(图 8d)。停下来的“堆体”是造成泥石流流量突然增大或减小(甚至短时间内断流)的主要原因，具有间歇性。

4 防治对策

由于黄土堆填场地面积一般都比较大，单纯地用某一种方法治理，不现实，也不科学，更不经济；全部采用一劳永逸的刚性治理费用太高、对环境破坏大，只能将几种投资小、施工方便的措施进行结合，即过程管理和重点防护结合。总结如下。

1) 加强场地夯实措施。夯填过程中拌和一些黏土或者分层加土工格栅，尽量增大其夯实系数，减小水体下渗量；夯实工程一定要从最底层开始，夯实系数尽量要均匀，避免水体冲蚀、破坏软弱处；必要时对坡体布设卸荷平台、分级治理，局部可增设挡土墙或格构护坡等工程，保证坡体稳定。

2) 加强截排水措施。在场地平整过程中按水体流动和控制的方向预留坡度，并沿人工堆积体四周修建截排水沟，将降雨集中收集排入下游沟道，避免造成局部冲刷或边坡失稳。

3) 加强施工过程管理。黄土堆填场地施工工艺比较成熟，施工过程简单，往往容易忽视过程监管，一旦出现质量问题，在后期的使用过程中很难补救。因此，一定要加强工程施工过程的严格管理。

5 结论

1) 黄土地区人工堆积体由人为改造形成，其颗粒级配有利于泥石流启动。

2) 黄土堆填场地渗透性强，能在较短时间内致使土壤软化，影响人工堆填场边坡稳定，提高了泥石流物质转化率。

3) 黄土堆填场地引发的泥石流具有波状流和间歇流的特点。

4) 工程治理要求过程管理和重点防护结合。