Model test of debris flow source initiation mechanism in Suyu valley of Helan Mountain
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摘要: 文中通过模型试验，对试验现象中泥石流启动模式和堆积特征进行观测，研究了贺兰山苏峪口泥石流的形成受沟床坡度、土体含水率、粗颗粒含量三个因素影响的状况，初步探讨了贺兰山东麓泥石流在三个因素影响下的变化情况，试验结果表明：三个因素对泥石流影响由大到小分别是粗颗粒含量，沟床坡度、土体含水率；且粗颗粒含量越低、沟床坡度越大、含水率越高越容易发育泥石流。细颗粒含量较高时，泥石流的类型为沟道侵蚀型，粗颗粒含量较高时，泥石流类型为堵溃型。Abstract: In this paper, through model test, the test of the debris flow phenomenon incipient and run-out mode and accumulation characteristics were observed and studied the helan mountain Suyu valley debris flow affected by the gully bed slope, soil water content, and coarse particle content, preliminary discussed the helan mountain debris flow changes under the influence of the three factors, the experimental results showed that: coarse particle content is the strongest, gully slope is the second, and soil water content is the weakest. The lower the coarse particle content, the higher the gully slope and the higher the water content, the easier the debris flow development. The development mode of debris flow is affected by the content of coarse and fine particles. When the content of fine particles is higher, the type of debris flow is channel erosion, while when the content of coarse particles is higher, the type of debris flow is blocking.
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Keywords:
- debris flow /
- Suyu valley /
- prophase rainfall /
- gully slope /
- coarse particle content /
- hose test
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0. 引言
我国黄土高原及周缘地区构造背景复杂，历史强震发育。黄土高原位于青藏地震区、华北地震区和华南地震区的交会部位，以鄂尔多斯地台为中心，在地台的周缘，分布有大量活跃的地震构造带，如六盘山—祁连山地震带、汾渭地震带、华北平原地震带、银川—河套地震带等，其地震构造非常复杂，是一个历史强震和现代地震频发的区域。根据现代地震台网监测资料，黄土高原及周缘地区1970—2019年间区内共发生2.0～4.0级现代地震7670余次。根据对历史地震目录的统计，区内共记录到M≥4¾级地震420次，其中8.0～8.9级地震7次，7.0～7.9级地震18次，6.0～6.9级地震61次，5.0～5.9级地震249次，4.7～4.9级地震86次，最大地震为1920年宁夏海原8.5级地震。区内发生的许多破坏性地震，如1556年华县8¼级地震、1654年天水8级地震、1920年海原8.5级地震、1927年古浪8级地震等，均造成了灾难性的后果。尤其是1920海原地震触发大量地质灾害，其数量之多、规模之大、类型之复杂、造成损失之惨重，举世罕见[1]。当前黄土高原及周缘地区7级地震复发周期已经接近，强震风险日益增高，地震地质灾害风险和威胁日趋严峻。
典型黄土是一种结构性土，具有大孔隙、弱胶结的架空结构特征，在我国黄土高原地区分布广泛。黄土在强震作用下具有强烈的地震易损性，其中震陷性是黄土最典型的灾害特性之一。黄土震陷除使自身宏观强度及变形特征发生改变、极易引发土体整体失稳与破坏之外[2]，还会产生降低桩摩阻力等工程问题[3]，因此受到国内外科研和工程技术人员的广泛关注。针对黄土震陷机理、评价和防治等方面，不同学者开展了大量的研究工作。在黄土震害调查方面，陈永明等[4]、张振中等[5]对1995年永登5.8级地震诱发的黄土震陷灾害开展了全面的调查研究。对于震陷影响因素方面，Prakash深入研究了美国中部黄土的液化特性，研究了该地区的抗液化能力受物性指标和粒径分布的影响[6]。主要考虑黄土不同的物理性质、加载条件等，确定了各物性指标及荷载参数对黄土震陷特性的影响效应[7-9]，以及黄土震陷性的区域变化规律[10-13]。部分学者研究了黄土震陷的微观机制[14-15]，提出了黄土震陷的评价模型和方法[16-18]，同时对黄土震陷引发的次生灾害的灾变机理与破坏模式进行了研究[19]，这些研究成果在典型工程及重要城镇的震害预测和抗震设防中得到应用[20]。在黄土震陷的防治方面，从土性改良[21]和地基处理[22-23]等方面开展了大量研究，为重大工程的抗震设防提供了依据。上述大量研究成果，为黄土震陷灾害的评价和预测提供了重要的理论依据。
富平县地处渭河盆地和鄂尔多斯地台的连接带，区内地震构造背景复杂，黄土分布广泛，黄土场地的震陷危险性较高。本文以富平县城市总体规划建设用地和富阎新区规划范围为研究区，通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，确定研究区的地震工程地质条件，采用地震危险性概率分析方法确定研究区不同超越概率水平的地震动参数，基于大量黄土动三轴试验确定区内不同地貌单元及不同地层黄土的震陷特性。在此基础上，研究确定区内黄土场地的震陷小区划，研究结果可为富平县的防震减灾工作提供科学依据。
1. 富平县地震工程地质条件
研究区位于陕西省中部，关中平原和陕北高原的过渡地带，属渭北黄土高原沟壑区，其具体位置如图1所示。区内地形总体西北高东南低，地势比较平坦，相对高差小于200 m。为查明研究区的地层结构及岩土体类型，共布设了199个钻孔，其中断层控制孔79个，场地控制孔117个，已有钻孔3个，钻孔深度主要为80～100 m。
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图 1 渭北黄土高原地质地貌图及研究区位置Figure 1. Location and geological and geomorphological map of the study area根据资料收集、野外调查、现场勘察和资料分析，确定了研究区的地震工程地质条件。研究区内发育有3条断裂，断裂名称及活动时代分别为：淡村—龙阳断裂（Qp）、三井—乔家断裂（Qh）和口镇—关山断裂（Qp）。区内主要分布有黄土塬和河流阶地两大地貌类型，具体包括荆山塬、华阳塬、浮塬，温泉河漫滩和一级阶地，石川河漫滩和一、二、三至四级阶地，渭河二级阶地，研究区地质地貌图如图2所示。
场地内的岩土体类型主要为黄土类土、粉质黏土、粉土、砂土、卵石及人工填土等。各地貌单元的地层结构如图3所示。由图可见：在钻孔揭露深度范围内，黄土塬为黄土—古土壤的互层结构；石川河三—四级阶地为含3～5层古土壤的黄土地层（厚30～40 m）覆盖在河流相地层之上；石川河二级阶地上覆黄土层厚20多米，见1层古土壤；渭河二级阶地上覆黄土层30～40 m，见1层古土壤。在研究区分别布设有南北向（Ⅰ—Ⅰ’）及近东西向（Ⅱ—Ⅱ’）地质剖面，剖面详情具体见图4所示。
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图 3 不同地貌单元典型地层结构图Figure 3. Typical stratigraphic structure of different geomorphic units图5给出了研究区的等效剪切波速及地脉动卓越周期的平面分布图。由图可见，场地等效剪切波速均小于500 m/s，且基本大于250 m/s。其中温泉河河床及漫滩及渭河二级阶地的等效剪切波速较低，分别为256.4 m/s及275.4 m/s，石川河河床及漫滩的平均等效剪切波速最高，最大等效剪切波速为422.6 m/s，最小为271.6 m/s，均值为347 m/s。石川河一级阶地和二级阶地的平均剪切波速相差不多，三个黄土塬区的平均等效剪切波速基本一致。整个场地的平均卓越周期较稳定，各地貌单元场地平均卓越周期主要集中在0.30～0.38 s。
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图 5 研究区等效剪切波速及卓越周期分布图Figure 5. Distribution of equivalent shear wave velocity and predominant period in the study area在地震危险性概率分析的基础上，确定了研究区50年超越概率10%和2%的地震动参数区划图，具体见图6所示，各分区的地震动参数如表1所示。
表 1 不同超越概率地震动参数表Table 1. Table of ground motion parameters with different exceedance probabilities分区 50年超越概率10% 50年超越概率2% $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ A A2 0.195 0.50 2.5 0.9 0.360 0.70 2.5 0.9 B B1 0.220 0.45 2.5 0.9 B2 0.220 0.50 2.5 0.9 B3 0.220 0.55 2.5 0.9 0.380 0.80 2.5 0.9 B4 0.380 0.85 2.5 0.9 C C1 0.410 0.60 2.5 0.9 C2 0.410 0.70 2.5 0.9 注：${\alpha _{\max }} $为峰值加速度，Tg为特征周期，${\;\beta _{\max }} $为结构物加速度的放大倍数，$\gamma $为衰减系数 。 2. 黄土的震陷特性研究
本研究在不同地貌单元不同深度处采取黄土试样，开展黄土的震陷试验，据此研究黄土的震陷性。研究区黄土主要分布在黄土塬、石川河二级和三—四级阶地，以及渭河二级阶地，取样深度分别控制为5 m、10 m和15 m。室内动三轴试验采用K0固结，其固结压力根据上覆土体自重设置。激振动荷载采用正弦波，加载频率为1 Hz，加载循环周次为5次。
本次研究采用指数函数作为黄土的震陷模型，据此对黄土的震陷性进行拟合。模型表达式如式（1）所示。其中，A和B为试验参数，
$ {\varepsilon _{\rm{p}}} $ 为残余应变，$ {\sigma _{\rm{d}}} $ 为动应力。$ {\sigma _{{\rm{d}}0}} $ 为震陷起始动应力，$ {\sigma _{{\rm{du}}}} $ 为极限动应力。试验结果及其拟合曲线、拟合参数见图7。![]()
图 7 黄土震陷试验拟合曲线及参数Figure 7. Fitting curve and parameters of loess seismic subsidence test$$ {\varepsilon _{\text{p}}} = \left\{\begin{split} & 0\quad\quad\quad\quad\quad\;{(0\leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{d}}0}})} \\ & {A\exp (B{\sigma _{\rm{d}}})}\quad {({\sigma _{{\rm{d}}0}} \leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{du}}}})} \end{split}\right. $$ (1) 为了分析不同地貌单元黄土的震陷性差异，将不同地貌单元相同深度的黄土试样震陷曲线进行均值化处理，并进行对比分析，结果见图8所示。
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图 8 不同地貌单元黄土震陷曲线对比分析Figure 8. Comparison and analysis of seismic subsidence curve of loess in different geomorphic units由图可见：各个地貌单元的震陷曲线特征较为相似，随着黄土层深度增大，产生相同震陷所需的动应力越大。在相同动应力条件下，黄土台塬的震陷系数最小，其次为石川河三—四级阶地，石川河二级阶地最大。可见研究区低阶地黄土震陷性强，其次为高阶地，黄土塬震陷性最小。
图9给出了不同地貌单元黄土震陷拟合参数的对比，由图可见：同一地貌单元同一深度A、B值随着土层深度增大而减小，且同一地貌单元不同深度处的A、B值变化率基本在50%～65%。不同地貌单元在同一深度处的A、B值有所不同，黄土台塬最大，其次是石川河三—四级阶地，然后是渭河二级阶地，石川河二级阶地最小。
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图 9 不同地貌单元及不同深度黄土震陷拟合参数对比分析Figure 9. Comparative analysis of fitting parameters of loess seismic subsidence in different geomorphic units and depths3. 黄土场地震陷评价
研究区黄土场地主要为黄土-古土壤的层状结构，根据地形地貌条件按照水平层状模型将场地考虑为一维计算模型，用分层总和思想计算黄土场地的震陷量。根据各钻孔地层结构及各层土体物理力学参数，结合不同超越概率条件下地震动参数和相应土体震陷曲线，确定不同地层土体的震陷系数及钻孔震陷量。以此为基础开展研究区50年超越概率10%和2%的黄土震陷小区划，结果如图10所示。
由图可见：在50年超越概率10%条件下，场地轻微黄土震陷区主要分布于浮塬和渭河二级阶地，震陷面积约3.5 km2。中等黄土震陷区分布于浮塬及渭河二级阶地，震陷面积约3.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
50年超越概率2%条件下，场地轻微及中等震陷区主要分布于石川河二级阶地和浮塬上，轻微震陷区面积约5.3 km2。中等震陷区面积约15.7 km2。严重震陷区主要分布在浮塬、渭河二级阶地以及石川河三—四级阶地，石川河河床及漫滩也有较小范围分布，震陷面积约9.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
4. 结论
黄土震陷是黄土高原地区最典型的灾害之一，严重威胁着当地的经济建设和居民的生命财产安全。本文通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，对富平县黄土震陷特性及其区划特征进行了研究，主要结论如下：
（1）典型震陷曲线表现为初始变形、曲线变形及剪切变形三个阶段。不同深度黄土震陷曲线具有相似的变化规律。随着深度的增加，产生明显震陷所需的动应力越来越大，20m以下土样不具明显的震陷性。
（2）研究区内低阶地黄土震陷性较强，其次为高阶地，黄土台塬区黄土震陷性相对较小。通过综合分析研究区不同地貌单元黄土的震陷特性，建立的震陷曲线的分段函数数学模型精度较高，可为研究区其他区域的震陷预测提供参考。
（3）50年超越概率10%条件下，研究区内轻微、中等震陷区分布于浮塬和渭河二级阶地，其余黄土区属于不震陷区。50年超越概率2%条件，研究区内轻微及中等黄土震陷区主要分布在石川河三—四级阶地、浮塬和渭河二级阶地。严重震陷区主要分布在渭河二级阶地、石川河三—四级阶地和浮塬，其余黄土区属于不震陷区。根据震陷等级给出了研究区50年超越概率10%和2%水平下的黄土震陷小区划。可为富平县及富阎新区的城市规划及防灾减灾工作提供一定的依据。
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图 1 苏峪口流域周边泥石流沟谷分布
Figure 1. The distribution of debris flow gullies around Suyukou Basin
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图 4 粗颗粒含量60%泥石流发育特征
Figure 4. The crude particles of the source are higher than 60% of the mudslide grown characteristics
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图 5 物源粗颗粒高于60%泥石流启动特征
Figure 5. The crude particles of the source are higher than 60% of the mudslide start-up characteristics
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图 7 粗颗粒含量高于60 %的物源各地形条件下堆积特征
Figure 7. The accumulation characteristics of the crude particle content is higher than 60% under the condition of the origin
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图 8 粗颗粒含量60 %的物源各地形条件下堆积特征
Figure 8. The accumulation characteristics of the source under the condition of all shapes and conditions with 60% coarse particle content
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图 9 同一因素不同水平对物源冲出量的影响
Figure 9. The effect of different levels of the same factor on the amount of source out of the source
表 1 模型试验工况设计
Table 1 Model test condition design
工况 沟床坡度/（°） 土体含水率/% 粗颗粒含量/% 一 10 天然含水率 60 二 10 半饱和含水率 80 三 10 饱和含水率 70 四 15 天然含水率 80 五 15 半饱和含水率 70 六 15 饱和含水率 60 七 5 天然含水率 70 八 5 半饱和含水率 60 九 5 饱和含水率 80 
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表 2 试验数据正交分析表
Table 2 The test data orthogonal analysis table
数据 沟床坡度
/(°)土体含水率
/%粗颗粒含量
/%误差项 物源冲出总量/
（10−3 m3）Ⅰi 18.80 37.38 94.37 50.88 161.67 Ⅱi 49.48 46.20 53.40 52.09 Ⅲi 93.39 78.09 13.90 58.70 $\bar{{\textit{I}}}_{ {i} }$ 6.27 12.46 31.46 16.96 $\bar{\textit{I I}}_{i}$ 16.49 15.40 17.80 17.36 $\bar{\textit{I I I}} _{i}$ 31.13 26.03 4.63 19.57 Ri 24.86 13.57 26.82 2.61 注：Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi表示某因素三个水平下的物源冲出量；$\bar{{\textit{I}}}$、$\bar{{\textit{I I}}}$、$\bar{{\textit{I I I}}}$表示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平均值，Ri表示极差。
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表 3 泥石流影响因素方差分析表
Table 3 The anovary table of the factors affected by mudslides
来源 自由度 Adj SS Adj MS F 值 P 值 沟床坡度 2 0.000888 0.000444 110.00 0.009 土体含水率 2 0.000306 0.000153 37.88 0.026 粗颗粒含量 2 0.001026 0.000513 127.15 0.008 误差 2 0.000008 0.000004 合计 8 0.002228
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