安 笑, 潘華利, 鄧其娟, 歐國(guó)強(qiáng), 李炳志, 孔 玲

(1.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041; 3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610081; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

山洪泥石流災(zāi)害嚴(yán)重制約山區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是當(dāng)前山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)面臨的最為突出問題[1]。泥石流固體物質(zhì)的沖刷速率決定著暴發(fā)泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度及活動(dòng)規(guī)模[2]，是泥石流工程防治設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[3]。目前，針對(duì)泥石流固體物質(zhì)沖刷輸移速率的研究相對(duì)較少，尤其對(duì)于影響因素的探討。目前主要集中在對(duì)野外泥石流案例沖刷特征的分析，例如，蔣家溝[4]、小江流域[5]、金沙江支流的海支溝[3]以及震中牛圈溝等[6]典型泥石流流域；也有學(xué)者通過理論分析結(jié)合水槽試驗(yàn)，對(duì)稀性泥石流的沖刷規(guī)律[7]以及棄渣型泥石流輸沙速率進(jìn)行了探討[2]。目前，與泥石流固體物質(zhì)侵蝕特征相似的研究主要集中在兩方面，其一為水土流失的土壤侵蝕率研究[8-16]。試驗(yàn)對(duì)象及條件不同，土壤分離的動(dòng)力學(xué)機(jī)理不同[9]，例如，有學(xué)者[8-9]得出土壤侵蝕率與流量間呈指數(shù)關(guān)系，有學(xué)者[10-11]認(rèn)為呈線性關(guān)系；有學(xué)者[12-13]得出土壤侵蝕率與水流剪切力呈線性關(guān)系，也有學(xué)者[14-16]認(rèn)為呈冪函數(shù)關(guān)系；其二為清水或高含沙水流對(duì)河床質(zhì)的沖刷研究[17-18]。泥石流固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配寬、性質(zhì)復(fù)雜，不同于粒徑相對(duì)較小結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻的河床質(zhì)，并且泥石流溝道特征及水動(dòng)力條件不同于河床及河道水流。直接借鑒二者的侵蝕速率規(guī)律顯然不盡合理。綜合以上分析，本文開展模型試驗(yàn)，借助精度較高的激光歷時(shí)測(cè)距儀，探討泥石流固體物質(zhì)的沖刷深度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及對(duì)應(yīng)的沖刷速率與不同影響因素之間存在的關(guān)系，以期為泥石流規(guī)模預(yù)測(cè)及防治工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)槽的尺寸為長(zhǎng)200 cm，寬20 cm，高45 cm，試驗(yàn)槽上游是尺寸為長(zhǎng)200 cm，寬20 cm，高25 cm的供水水槽，二者均由5 mm厚的光滑透明玻璃制成，便于從側(cè)面對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行觀測(cè)。土體堆放水槽底床低于供水水槽底床20 cm，且土體的堆積高度為20 cm，即供水水流由試驗(yàn)土體表層開始作用于堆積體，用以模擬野外泥石流源區(qū)匯水水流作用于溝道固體物質(zhì)的情況。整個(gè)裝置可調(diào)整坡度范圍為0°～21°；供水流量由水泵及集水裝置出水高度二者組合控制，可調(diào)整的范圍為500～1 400 ml/s，滿足試驗(yàn)需求。

1.2 試驗(yàn)土體及模型

根據(jù)前人[19]研究成果可知，影響固體物質(zhì)起動(dòng)的影響因素很多，主要包括來流流量、溝床縱坡以及固體物質(zhì)性質(zhì)等。其中，影響固體物質(zhì)性質(zhì)的指標(biāo)主要包括細(xì)粒物質(zhì)含量、密實(shí)度、重度、初始含水率等。本次試驗(yàn)初步考慮了來流流量、溝床縱坡以及細(xì)粒物質(zhì)含量等三項(xiàng)因素。參考《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237-1999)》，細(xì)粒物質(zhì)的分界粒徑為0.25 mm。因溝道物質(zhì)在歷次水流作用下，細(xì)粒物質(zhì)(≤0.25 mm)多被水流帶走，導(dǎo)致其細(xì)粒物質(zhì)含量較低。故而，在控制來流流量及溝床縱坡條件時(shí)，暫不考慮細(xì)粒物質(zhì)的影響。試驗(yàn)土體級(jí)配特征見表1中的物料①，是根據(jù)原型級(jí)配采用不同粒徑的石英碎屑顆粒配制而成。為充分模擬泥石流固體物質(zhì)的松散狀態(tài)，采用逐層自然堆積方式，即不對(duì)每層土體進(jìn)行壓實(shí)，保證不同條件下固體物質(zhì)初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)一致。

注：1為支架；2為水箱；3為閘門；4為供水水槽；5為物料堆放水槽；6為活動(dòng)支架；7為尾料回收裝置；8為動(dòng)力泵；9為集水裝置；Ⅰ為供水裝置；Ⅱ?yàn)闇系滥M裝置。

不同細(xì)粒物質(zhì)含量的配制過程為：在不含細(xì)粒物質(zhì)的試驗(yàn)土體基礎(chǔ)上，等梯度添加不同細(xì)粒含量的固體物質(zhì)，細(xì)粒物質(zhì)的取樣地點(diǎn)為泥石流沉積物，風(fēng)干搗碎后進(jìn)行配制，該物質(zhì)具有一定黏性物質(zhì)的特性。配制后的級(jí)配特征見表1中物料②—⑤。該項(xiàng)影響因素的探討對(duì)于新形成的泥石流溝道的水流沖刷特征具有積極參考意義。試驗(yàn)土體初始含水狀態(tài)保持相同，采用型號(hào)為VM-220F便攜式含水率測(cè)定儀即時(shí)測(cè)定。同時(shí)，試驗(yàn)槽的寬度為20 cm與試驗(yàn)土體的最大粒徑10 mm的比值為20，滿足模型試驗(yàn)寬徑比的要求[20]。試驗(yàn)土體堆放如圖2所示。試驗(yàn)土體堆放至圖1中的裝置Ⅱ處，堆積尺寸為長(zhǎng)120 cm，寬20 cm，高20 cm。由于試驗(yàn)槽底部較為光滑，故在堆積體下游設(shè)置了高為10 cm的可透水的侵蝕基準(zhǔn)板，以此消除試驗(yàn)土體與試驗(yàn)槽底部明顯分界面的影響，同時(shí)，延長(zhǎng)侵蝕時(shí)間便于觀察試驗(yàn)土體侵蝕過程和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)等。通過預(yù)試驗(yàn)，不斷調(diào)整侵蝕基準(zhǔn)高度以此滿足試驗(yàn)需求，最終將侵蝕基準(zhǔn)高度設(shè)定為10 cm。

為探究固體物質(zhì)的侵蝕深度隨時(shí)間的變化規(guī)律，在堆積體上方近中心線處等間距放置兩個(gè)型號(hào)為RLM-S30C的激光歷時(shí)測(cè)距儀，距離測(cè)量精度為0.1 cm，見圖2中1#和2#位置處。根據(jù)測(cè)距儀的歷時(shí)測(cè)距原理，實(shí)時(shí)測(cè)量固體物質(zhì)的侵蝕深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。試驗(yàn)開展于2019年8月20日至9月20日。

注：?jiǎn)挝唬篶m； θ為坡度； α為天然休止角。

表1 不同粒徑區(qū)間百分含量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 徑流沖刷作用力

泥石流溝道固體物質(zhì)起動(dòng)沖刷過程與河道或河岸沖刷特征類似，區(qū)別在于固體物質(zhì)的性質(zhì)存在差別。目前河道或河岸土體沖刷相關(guān)研究相對(duì)成熟，可借鑒其相關(guān)理論對(duì)固體物質(zhì)沖刷速率進(jìn)行分析。河岸或河道土體沖刷，從力學(xué)角度分析，主要與兩種作用力相關(guān)[21]，其一為促使河岸沖刷的作用力，即水流沖刷力，一般用水流剪切力表示；與此對(duì)應(yīng)的是阻止河岸沖刷的作用力，即河岸土體抗沖力，一般用土體的起動(dòng)拖曳力表示。當(dāng)水流剪切力克服土體的起動(dòng)拖曳力后，土體便在剩余切應(yīng)力(水流剪切力與起動(dòng)拖曳力之差)作用下起動(dòng)破壞?；谝陨戏治霭l(fā)現(xiàn)，徑流水體沖刷固體物質(zhì)的速率與剩余切應(yīng)力密切相關(guān)。

2.1.1 水流剪切力 水流剪切力相關(guān)計(jì)算公式為：

(1)

式中:τ為水流剪切力(N/m2);γw為水的重度(kN/m3);R為水力半徑(m),在河道或溝道較寬時(shí),一般采用徑流深度近似;B為沖刷寬度(m);h為徑流深度(m);J為能坡梯度;θ為溝床縱坡(°)。

(2)

(3)

τcn=θcr(ρs-ρw)gD

(4)

式中：τcn為無(wú)黏性物質(zhì)的起動(dòng)拖曳力(N/m2);D為土體的代表粒徑(m);D*為固體物質(zhì)粒徑參數(shù)(m);ρs，ρw分別為固體物質(zhì)和水流的密度(kg/m3);ν為水流運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)(m/s2);g為重力加速度(m/s2);θcr為Shields數(shù)。

2.1.3 剩余切應(yīng)力 若水流剪切力超過固體物質(zhì)起動(dòng)拖曳力，則存在剩余切應(yīng)力，即水流剪切力與固體物質(zhì)起動(dòng)拖曳力的差值，計(jì)算公式為：

τs=τ-τcn=γwRJ-τcn

(5)

式中：τs為剩余切應(yīng)力(N/m2); 其他符號(hào)含義同前。

針對(duì)同種固體物質(zhì)(即ρs相同)，假定其為各向同性，且為均勻沖刷(即代表粒徑D保持不變)，則起動(dòng)拖曳力保持不變，即τcn為常數(shù)，此時(shí)剩余切應(yīng)力主要與水流剪切力有關(guān)，見公式(5)。進(jìn)而可知，剩余切應(yīng)力與水力半徑、能坡梯度密切相關(guān)。實(shí)際情況中，來流流量是控制泥石流起動(dòng)的重要水源條件參數(shù)之一。一般采用來流流量作為控制徑流深度的參數(shù)，故而探究來流流量及溝床縱坡對(duì)固體物質(zhì)沖刷速率的影響。

2.2 沖刷深度歷時(shí)變化規(guī)律

試驗(yàn)分析表明，不同點(diǎn)位處固體物質(zhì)沖刷深度隨時(shí)間的推移均呈增大趨勢(shì)，根據(jù)變化特征，將不同點(diǎn)位處的變化規(guī)律采用不同函數(shù)進(jìn)行擬合。2#觀測(cè)點(diǎn)距離固體物質(zhì)沖出口較近，在徑流作用下，固體物質(zhì)迅速被沖出，隨后沖刷深度的增加幅度逐漸降低，采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合；1#觀測(cè)點(diǎn)位于堆積體中部，相對(duì)于2#觀測(cè)點(diǎn)，其沖刷深度隨時(shí)間的推移變化趨勢(shì)相對(duì)均勻，采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，不同點(diǎn)位處的擬合相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，將沖刷深度隨時(shí)間的變化規(guī)律表示為：

綜上所述，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民的日常生活，電力系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)重要的角色，起到了非常關(guān)鍵的作用。因此，在進(jìn)行智能電網(wǎng)的建設(shè)工作時(shí)，對(duì)于繼電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究一定要進(jìn)一步的加強(qiáng)，對(duì)于現(xiàn)代化的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也必須要充分的利用，讓繼電保護(hù)裝置的升級(jí)工作能夠做得更好，讓繼電保護(hù)技術(shù)想自動(dòng)化、智能化以及數(shù)字化方向的發(fā)展大大促進(jìn)。對(duì)相關(guān)的繼電保護(hù)故障維修人員嗎，也應(yīng)該進(jìn)一步的對(duì)其進(jìn)行提高，對(duì)其進(jìn)行定期的培訓(xùn)，讓自身的專業(yè)技能得到提高。只有做好上面這些工作，才能夠讓智能電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行更加的安全可靠以及更加的高效。

(6)

式中：H(t)2#，H(t)1#分別為沖刷時(shí)間t時(shí)不同觀測(cè)點(diǎn)與堆積體表面的距離(cm);H0為堆積體初始高度(cm);a,b為系數(shù)且為常數(shù);t為沖刷時(shí)間(s)。根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系,H(t)表達(dá)式的導(dǎo)數(shù)對(duì)應(yīng)的物理含義為固體物質(zhì)沖刷一定深度與對(duì)應(yīng)時(shí)間的比值,將其定義為沖刷速率k,則有k(2#)=a/(t+1)、k(1#)=b,單位為cm/s。其中,2#觀測(cè)點(diǎn)沖刷速率與時(shí)間有關(guān),取t=1 s時(shí),即k(2#)=a/2,對(duì)比不同條件下的固體物質(zhì)由初始狀態(tài)沖刷時(shí)間至1 s時(shí)的沖刷速率,即瞬時(shí)沖刷速率;k(1#)用來表征堆積體的平均沖刷速率。

2.3 來流流量對(duì)沖刷速率的影響

圖3為同一溝床縱坡9°不同流量條件固體物質(zhì)沖刷過程正視圖，其中0 s表示固體物質(zhì)開始起動(dòng)時(shí)刻。由圖3可知，當(dāng)流量較小時(shí)，沖刷水流不會(huì)平均分配至整個(gè)溝道，而是集中水動(dòng)力沖刷出一條寬度較小的水流通道，隨后在水流的持續(xù)沖刷下，固體物質(zhì)的堆積高度逐漸降低，即固體物質(zhì)的侵蝕模式為下蝕。隨著來流流量的增大，沖刷通道的寬度逐漸增大，直至整個(gè)溝道的固體物質(zhì)同時(shí)被水流沖刷帶走，則水流沖刷的橫向分異現(xiàn)象結(jié)束，即固體物質(zhì)的橫向沖刷寬度因來流流量的不同存在較大差異。此外，沖刷徑流深度也因來流流量的不同存在差別，將不同流量對(duì)應(yīng)的沖刷特征參數(shù)進(jìn)行整理(表2)。通過擬合，沖刷水力半徑與來流流量之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，且二者表達(dá)式為：

R=0.911lnQ-4.896 (r2=0.954)

(7)

式中：Q為來流流量(ml/s);r為擬合相關(guān)系數(shù)。其中,相關(guān)系數(shù)為0.954,可信度較高。

圖3 不同流量條件固體物質(zhì)沖刷過程正視圖

水力半徑是刻畫沖刷寬度及徑流深度的重要指標(biāo)，選取水力半徑這一指標(biāo)，探究其與沖刷速率間的關(guān)系。由表2可知，2#觀測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)沖刷速率隨水力半徑的增大變化幅度相對(duì)較小，主要是由于該點(diǎn)接近沖出口，固體物質(zhì)在水流的作用下極易快速?zèng)_出溝道，該過程發(fā)生的時(shí)間極短，不能明顯表征水力半徑對(duì)沖刷速率的影響，對(duì)應(yīng)于野外泥石流溝道沖出口或是坡腳臨空處的固體物質(zhì)最容易被沖出的特征；1#觀測(cè)點(diǎn)位于坡體的中前部，幾乎不受來流水體進(jìn)入坡體初始位置以及固體物質(zhì)沖出口的影響，受流量的影響相對(duì)明顯，因此采用1#觀測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)規(guī)律表征水力半徑對(duì)沖刷速率的影響(圖4)。通過擬合，平均沖刷速率(1#測(cè)點(diǎn))與水力半徑間呈指數(shù)關(guān)系，見公式(8)。這與蔣芳市等[9]對(duì)崩崗崩積體的研究以及張光輝等[11]對(duì)黃土的研究結(jié)果一致；此外，分析平均沖刷速率與來流流量間的關(guān)系(圖5)，發(fā)現(xiàn)二者呈正相關(guān)關(guān)系，見公式(8)，這與何小武等[10]研究成果相一致。

(8)

同一溝床縱坡條件，隨著來流流量的增大，固體物質(zhì)橫向沖刷寬度及垂向沖刷速率均呈逐漸增大趨勢(shì)(表2)。對(duì)應(yīng)于泥石流發(fā)生過程中，起動(dòng)水量越大，相同溝床縱坡條件，固體物質(zhì)的沖刷寬度及深度(相同時(shí)間的沖刷深度，即k·Δt均增大，故而泥石流的活動(dòng)規(guī)模越大。

表2 不同流量對(duì)應(yīng)的沖刷特征參數(shù)

圖4 沖刷速率與水力半徑間關(guān)系

圖5 沖刷速率與來流流量間關(guān)系

2.4 溝床縱坡對(duì)沖刷速率的影響

試驗(yàn)分析表明，能坡梯度越大，沖刷速率越大(圖6)。在相同流量條件下，沖刷速率與能坡梯度之間呈指數(shù)關(guān)系〔公式(9)〕。這與唐科明等[8]、蔣芳市等[9]學(xué)者得出的正相關(guān)關(guān)系不同，這與試驗(yàn)條件有關(guān)，兩位學(xué)者探討的坡度范圍分別10°～23°，20°～40°，沒有綜合低坡度對(duì)土壤剝離速率的影響；張光輝等[11]學(xué)者探討的坡度范圍為2°～25°，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量取值為0.5～1.5 L/s時(shí)，土體分離速率與能坡梯度之間呈指數(shù)增大趨勢(shì)，與本文趨勢(shì)相同。

(9)

對(duì)比以上來流流量、能坡梯度對(duì)沖刷速率的影響(詳見表2—3)。隨著來流流量及能坡梯度的增大，沖刷速率均呈增大的趨勢(shì)，但增加幅度相差較大。從剩余切應(yīng)力角度進(jìn)行分析，當(dāng)其他參數(shù)保持恒定時(shí)，水力半徑的變化范圍是(0.008 1～0.074 0)m，而能坡梯度的變化范圍是(0.052～0.344)，顯然，薄層徑流條件，能坡梯度對(duì)剩余切應(yīng)力的影響更大，即沖刷固體物質(zhì)的作用力越大。對(duì)應(yīng)于野外條件，溝床縱坡越大，沖刷速率越大，暴發(fā)泥石流的時(shí)間可能越短，且動(dòng)能越大，泥石流的沖擊破壞能力也越強(qiáng)，即泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度也越大，結(jié)合來流流量對(duì)固體物質(zhì)沖刷的影響可知，較大的水量及陡峻的坡度是誘發(fā)特大泥石流的必要條件。

表3 不同坡度條件對(duì)應(yīng)的沖刷速率

圖6 沖刷速率與能坡梯度間關(guān)系

2.5 沖刷速率與剩余切應(yīng)力間關(guān)系

本次試驗(yàn)所采用的土體是根據(jù)原型級(jí)配人工配制而成，物質(zhì)相對(duì)均勻，假定試驗(yàn)土體在沖刷過程中為均勻沖刷，則試驗(yàn)土體的代表粒徑D保持不變，取中值粒徑(見表4)；試驗(yàn)土體無(wú)黏，采用水中置換法測(cè)量其顆粒密度，多次測(cè)量求取平均值(表4)；此外，計(jì)算起動(dòng)拖曳力所需其他參數(shù)同見表4?；诖朔治霾煌兞織l件下(來流流量及溝床縱坡)沖刷速率與剩余切應(yīng)力間的關(guān)系(見圖7)。沖刷速率與剩余切應(yīng)力間呈正相關(guān)關(guān)系，這與許多學(xué)者(蔣芳市等[9]；牛耀彬等[12]；蔣芳市等[13]；Huang等[23])探討的土壤剝蝕率與水流剪切力呈線性關(guān)系相一致。

(10)

其中，2#和1#觀測(cè)點(diǎn)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.848，0.949，可信度較高；此外，由1#觀測(cè)點(diǎn)沖刷速率的表達(dá)式可看出，該表達(dá)式的適用條件為τcn≥8.04，對(duì)應(yīng)的物理含義為只有當(dāng)剩余切應(yīng)力達(dá)到一定程度后，方能起動(dòng)固體物質(zhì)進(jìn)而產(chǎn)生沖刷，這與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)。

圖7 沖刷速率與剩余切應(yīng)力間關(guān)系

在固體物質(zhì)起動(dòng)拖曳力保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，固體物質(zhì)沖刷主要取決于水流剪切力。若忽略水流對(duì)坡體內(nèi)部的作用，單從徑流水層對(duì)固體物質(zhì)表層的作用得出，水流剪切力決定著固體物質(zhì)起動(dòng)沖刷的數(shù)量，進(jìn)而決定著發(fā)生泥石流的規(guī)模。這一特征與水石流暴發(fā)特征類似，即當(dāng)水流與固體物質(zhì)充分作用后，主要表現(xiàn)為水流沖刷特征。

表4 起動(dòng)拖曳力模型計(jì)算所需參數(shù)

2.6 細(xì)粒物質(zhì)含量對(duì)沖刷速率的影響

表5為平均沖刷速率與細(xì)粒物質(zhì)含量間關(guān)系。試驗(yàn)土體的初始質(zhì)量含水率為10.3%，含水量較為適中，結(jié)構(gòu)較為松散，便于人工攪拌均勻，同時(shí)也為避免當(dāng)含水率較高時(shí)，因人為擾動(dòng)使得黏聚力充分發(fā)揮，使得固體物質(zhì)間的黏聚力較強(qiáng)，而與野外固體物質(zhì)狀態(tài)不相符合。由表5可知，隨著細(xì)粒物質(zhì)含量的增多，固體物質(zhì)的沖刷速率呈增大趨勢(shì)，但增大的幅度較小。在無(wú)細(xì)粒物質(zhì)添加時(shí)，固體物質(zhì)均為具有一定棱角的碎屑顆粒，結(jié)構(gòu)性質(zhì)較為均勻。顆粒間相互支撐，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)的可壓縮性較低，孔隙度較大，結(jié)構(gòu)狀態(tài)比較穩(wěn)定，坡體物質(zhì)在水流作用下，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)幾乎未發(fā)生改變，僅有極少的細(xì)小顆粒在大孔隙內(nèi)發(fā)生有限移動(dòng)。同時(shí)，顆粒之間的摩擦角相對(duì)較大，被水流移動(dòng)的固體物質(zhì)，顆粒間相互碰撞、摩擦作用較強(qiáng)，其沖刷速率相對(duì)較慢。當(dāng)增加了一定量的細(xì)粒物質(zhì)時(shí)，如6%。此時(shí)，細(xì)粒物質(zhì)充填在大孔隙內(nèi)，當(dāng)水流作用坡體時(shí)，細(xì)粒物質(zhì)快速溶于水，從坡體的孔隙通道流出，攜帶細(xì)粒物質(zhì)的水體相對(duì)于清水，對(duì)坡體物質(zhì)的壓力更大，對(duì)沖刷口處固體物質(zhì)沖擊力更強(qiáng)，當(dāng)水流初次越過坡體后，便把坡體內(nèi)大部分細(xì)粒物質(zhì)攜帶出坡體，坡體物質(zhì)整體下沉。隨后，固體物質(zhì)的沖刷過程與無(wú)細(xì)粒物質(zhì)時(shí)的狀態(tài)一致。相對(duì)于未添加細(xì)粒物質(zhì)的堆積體，其前期沖刷速率增大，而后沖刷過程相同，故而，平均沖刷速率僅是微小增加。當(dāng)細(xì)粒物質(zhì)含量逐漸增大至一定程度時(shí)，如12%。此時(shí)，大顆粒物質(zhì)逐漸被細(xì)粒物質(zhì)包裹，固體物質(zhì)間的摩擦阻力及孔隙度逐漸降低，水流由開始進(jìn)入坡體到流出坡體的速度降低，整個(gè)坡體物質(zhì)完全接觸水流后，一定含量的細(xì)粒物質(zhì)的黏聚力并未發(fā)揮作用，黏聚力較低，對(duì)固體物質(zhì)起動(dòng)反而起到潤(rùn)滑作用，這是因?yàn)楫?dāng)含有黏性的物質(zhì)剛開始被水浸濕后，自由水能破壞顆粒間的黏結(jié)力[24]，在相同水動(dòng)力條件下，更容易起動(dòng)。此外，坡體內(nèi)的水流也因攜帶黏性物質(zhì)而變渾濁，對(duì)固體物質(zhì)起動(dòng)也起到一定潤(rùn)滑作用。故而，其沖刷速率相對(duì)較高。當(dāng)細(xì)粒物質(zhì)含量增加至將大顆粒物質(zhì)充分包裹時(shí)，如17%，20%。此時(shí)，固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)相對(duì)緊密，孔隙度極具降低，當(dāng)水流作用坡體物質(zhì)時(shí)，來流流速大于坡體物質(zhì)滲透速率，故而快速形成地表徑流，水流從坡體表面迅速到達(dá)沖出口，位于沖出口的固體物質(zhì)在徑流作用下，被帶出坡體，而后固體物質(zhì)在有限滲流的作用下力學(xué)性質(zhì)降低，進(jìn)而被徑流水層沖刷，坡體物質(zhì)便在二者的綜合作用下逐層向下侵蝕。而細(xì)粒物質(zhì)含量增多，其潤(rùn)滑作用更強(qiáng)，水流的渾濁度更高，沖擊能量也相應(yīng)越大。故而，沖刷速率相對(duì)更大。

表5 不同細(xì)粒物質(zhì)含量對(duì)應(yīng)的沖刷速率

3 結(jié) 論

利用水槽試驗(yàn)初步探究了泥石流固體物質(zhì)的沖刷速率與來流流量、水力半徑、溝床縱坡以及細(xì)粒物質(zhì)含量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，沖刷速率與水力半徑間呈指數(shù)關(guān)系；與來流流量間呈正相關(guān)關(guān)系；與能坡梯度間呈指數(shù)關(guān)系；而與剩余切應(yīng)力間呈線性正相關(guān)關(guān)系；對(duì)于初始含水率較低的固體物質(zhì)，沖刷速率隨著細(xì)粒物質(zhì)含量的增大呈微小增大趨勢(shì)。限于試驗(yàn)條件，來流流量及細(xì)粒物質(zhì)含量的控制變量相對(duì)較少，后續(xù)可展開進(jìn)一步探討；從定性角度分析了細(xì)粒物質(zhì)含量對(duì)泥石流固體物質(zhì)沖刷速率的影響，在后續(xù)研究中需進(jìn)一步開展模型試驗(yàn)或結(jié)合已有研究理論對(duì)微結(jié)構(gòu)展開分析；沖刷速率與單因素間的關(guān)系進(jìn)行了初步探討，后續(xù)可開展沖刷速率與多因素間的耦合關(guān)系，為泥石流活動(dòng)規(guī)模預(yù)測(cè)及防治工程設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供參考。