第3章 泥石流基本特性

3.1 泥石流流体物理特性

泥石流作为一种典型的土水混合流体，与滑坡堆积物或挟沙水体有较为明显的区别。在泥石流流体中，由于土体和水体的含量及组成不同，其结构、剪切强度和流变等物理力学性质有明显的差异。

3.1.1 泥石流流体的组成特征

泥石流流体的物理力学特性主要取决于泥石流流体的组成，并通过泥石流流体的结构来实现。泥石流流体由土体、水体和气体所组成。与土体、水体相比，气体的含量很少，对泥石流流体的物理力学的影响很微弱，故本节只讨论其土体和水体组成。

3.1.1.1 土体组成

土体组成可分为颗粒特征、矿化特征两类。在矿物成分中对泥石流流体的物理力学性质有明显影响的是黏土矿物。

1.颗粒特征

泥石流流体中各种大小不同的固体颗粒具有以下特有的性质：

（1）粒径范围大。固体颗粒是由巨粒、粗粒、细粒构成，最大的石块可超过数十米，最小的细粒不足0.001mm，这是一般的挟沙水流所没有的。

（2）颗粒磨圆度差。除了由河床相沙砾石层提供的泥石流形成物外,大部分泥石流流体由崩坡残积、洪积和滑坡堆积所提供，因此大部分颗粒磨圆度差。

（3）多呈棱角状或次棱角状。由于泥石流沟流域主沟道一般为数千米至数十千米，有些沟道长度不足1km，泥石流固体物源主要为两岸沟谷的（块）碎石土，（块）碎石被挟带距离较短，因此泥石流中的粗颗粒多呈棱角状或次棱角状。

（4）颗粒级配宽，分迭性差。泥石流流体中土体的颗粒级配范围大，多呈宽级配，未经充分分选。

2.矿化特征

土体颗粒是由许多化学元素或化合物所构成，但由于其结构稳定，土粒本身的化学成分对泥石流的物理力学性一般不产生影响。

3.1.1.2 水的赋存形式

泥石流流体中水的赋存形式除结晶水外,还有吸着水、薄膜水和自由水。不同性质的泥石流流体中,水的赋存形式有所差别。稀性泥石流流体中，各种形式的水都有，并以重力自由水为主。黏性泥石流流体中，重力自由水很少，以禁闭自由水为主，当然还有薄膜水和吸着水；塑性泥石流流体中重力自由水基本消失，以禁闭自由水和薄膜水为主。

3.1.2 泥石流流体的结构特征

泥石流流体的结构是指泥石流流体中巨粒、粗粒、细粒与含电解质水之间的各种联结和排列的形式。泥石流流体的结构类型和结构强度主要取决于巨粒、粗粒、细粒的性质和它们在泥石流流体中各自的含量，也就是取决于泥石流流体组成物的性质。泥石流流体的结构不仅决定着泥石流流体的物理力学性质，还影响到泥石流的运动、输移和冲淤等一系列的特性。因此泥石流流体的结构早已引起泥石流学者的广泛重视，苏联学者在20世纪70年代就做了比较深入的研究，他们都认为只有黏性泥石流才有结构。C.M.弗莱斯曼认为泥石流有两种结构：水化膜结构和构架结构。

3.1.3 泥石流流体剪切强度

泥石流流体在剪切力作用下发生剪切变形时，其内部沿剪切面会产生阻止剪切变形的剪切应力，剪切应力的最大值即为泥石流流体的剪切强度。若剪切力超过剪切强度，泥石流流体就会产生剪切破裂，便会沿剪切面发生相对运动。泥石流流体剪切强度比土的剪切强度小得多。

3.1.4 泥石流及浆体的流变特性

一般把流体的切应力和速度梯度之间的变化规律称为该流体的流变特征。当液体的切应力τ与这点的流速梯度du/dy成正比，即

式中：u为液体的黏度系数，具有这种线性关系的液体称为牛顿体。

据试验结果表明：泥石流流体近似宾汉体。随着流体浓度的增加宾汉切应力在增加；粒径越大泥浆极限剪应力越大。