泥石流堆積區(qū)粒度分布特征

王運(yùn)興, 周自強(qiáng), 白曉華, 張國信, 賈雪梅

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所,蘭州 730000)

近年來,隨著生態(tài)環(huán)境趨好,降雨量增加,泥石流災(zāi)害日益突出,對公共設(shè)施、人民的生命財產(chǎn)安全形成嚴(yán)重的破壞和威脅。泥石流從地貌分區(qū)上分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū),堆積區(qū)是山區(qū)人民生活聚集的場所,又是泥石流成災(zāi)的主要區(qū)域,也是學(xué)者研究的重點(diǎn)區(qū)域,對泥石流堆積區(qū)的研究對泥石流形成機(jī)理研究和泥石流防治規(guī)劃具有重要的意義。

徐新川等[1]利用核主成分分析法對泥石流影響因素進(jìn)行降維,然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),預(yù)測了泥石流固體堆積物的分形維數(shù)。李泳等[2]研究表明泥石流堆積物顆粒組成和顆?？紫毒哂泻芎玫姆中翁卣?決定泥石流的發(fā)生。文獻(xiàn)[3-7]分析了泥石流堆積物粒度分形結(jié)構(gòu)特征,并將泥石流堆積物的分形特征與堆積物的粒度特征相聯(lián)系,分維值能很好地反映泥石流堆積物顆粒組成、粒度分布特征及泥石流活動的形成演化特征。茍萬春等[8]用泥石流顆粒標(biāo)度分析法對佳禾溝泥石流距溝口不同位置的堆積物基本粒度特征進(jìn)行分析,并分析了與土體強(qiáng)度的關(guān)系。舒安平等[9-10]通過模擬試驗(yàn)對泥石流堆積過程、特征、粒度結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析,楊重存[11]根據(jù)不同堆積厚度的假設(shè),導(dǎo)出泥石流的堆積方程式,認(rèn)為在任何坡度下都會產(chǎn)生堆積,僅僅是其堆積形態(tài)和數(shù)量不同而已。文獻(xiàn)[12-13]研究了三眼峪早期和“8.8”泥石流在不同部位的堆積特征及沿程沖淤變化。陳星宇等[14]對流源區(qū)寬級配礫石土的滲透性進(jìn)行研究,其滲透性與粒度特征有密切的聯(lián)系。王小軍等[15]對泥石流攔砂壩排泄孔優(yōu)化進(jìn)行研究,排泄孔的大小設(shè)計既與坡降流速有關(guān),也與泥石流粒徑大小有關(guān)。泥石流溝口的堆積層是經(jīng)過無數(shù)的“元堆積”疊加,低頻泥石流堆積物具有粗層化特征,根據(jù)粗層化判斷泥石流的次數(shù)和頻率[16-17]。而泥石流堆積區(qū)的粒度特征是泥石流相關(guān)研究的基礎(chǔ),也能為堆積區(qū)生活建設(shè)選址提供一定的參考。眾多學(xué)者對泥石流堆積區(qū)進(jìn)行研究,但大多是分析宏觀形態(tài),通過室內(nèi)模擬堆積過程和利用分形理論分析堆積特征；也有學(xué)者對堆積有關(guān)的啟動、侵蝕量和危害程度分區(qū)進(jìn)行研究,但對泥石流堆積區(qū)單期次分區(qū)域粒度特征和多期次粒度分布特征及堆積區(qū)集中粒徑相關(guān)研究較少。

鑒于此,現(xiàn)選取危害程度嚴(yán)重區(qū)段且堆積區(qū)較完整、未受人類活動破壞、由多期堆積而成的泥石流,通過野外調(diào)查量測堆積形態(tài),并對堆積區(qū)平面各部位及垂向分別取樣進(jìn)行顆分試驗(yàn),采用統(tǒng)計方法對泥石流堆積區(qū)粒度特征進(jìn)行分析,探討泥石流單期和多期堆積及其關(guān)系,分析集中粒徑及其分布,并對下一步研究進(jìn)行了討論,為泥石流形成機(jī)理研究和泥石流防治規(guī)劃等提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)泥石流溝位于宕昌縣官亭鎮(zhèn)廟下村,該泥石流位于G212線隴南段。研究區(qū)所在的泥石流為暴雨河谷、溝谷、山坡型黏性泥石流,危害程度嚴(yán)重,如石閼子、化馬和謝家莊等泥石流溝，如圖1所示[18]。

圖1 G212隴南段泥石流類型與分區(qū)[18]Fig.1 Regionalization and type of debris flow along G212 in Longnan section[18]

該泥石流溝流域面積為0.95 km2,形態(tài)呈“柳葉”狀,溝谷呈“V”字型,主溝長1.6 km,比降592‰,溝谷陡峭,植被稀疏,坡面松散物及溝道崩塌較發(fā)育,主要以礫石為主。

流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,降水集中在夏季。流域主要為志留系中下統(tǒng)千枚巖、白云質(zhì)灰?guī)r。褶皺主要為白龍江復(fù)背斜和白龍江斷裂帶,白龍江斷裂帶總體走向呈反“S”,斷層面多向北東傾,傾角為60°左右。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查(圖2),泥石流堆積區(qū)保存較好,未受人類工程活動破壞,能夠較好地反映泥石流堆積區(qū)的堆積特征。

圖2 泥石流研究區(qū)Fig.2 Image of the debris flow research area

2 研究方法

選取保存完好未受人類活動擾動的泥石流堆積區(qū)作為研究對象,采用野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對泥石流的堆積體形態(tài)和粒度特征進(jìn)行研究,具體如下。

(1)形態(tài)特征。采用野外調(diào)查量測的方式,對泥石流堆積區(qū)的形態(tài)、長寬、坡度等特征進(jìn)行調(diào)查,并進(jìn)行期次劃分。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)。通過對泥石流堆積扇不同位置選取具有代表性試樣,進(jìn)行粒度特征試驗(yàn)分析。取樣分為平面上取樣和垂向取樣。

平面上現(xiàn)場選取能反映泥石流堆積特征的部位進(jìn)行取樣,并選擇具有指導(dǎo)防治規(guī)劃意義部位,從堆積扇兩側(cè)邊緣、前緣和中軸分別取樣,完全遵從取樣面積內(nèi)的顆粒粒度分配,取樣間距為25 m,取樣深度為10 cm,取樣點(diǎn)為20 cm×20 cm,根據(jù)堆積區(qū)前端垂向期次分層厚度平面上取樣,進(jìn)行單期次堆積特征分析；垂向上主要在堆積區(qū)前端按照明顯分層進(jìn)行期次劃分,并對各期次進(jìn)行取樣,取樣深度為10 cm,寬度為20 cm,進(jìn)行多期次堆積特征分析(圖3)。

圖3 泥石流堆積區(qū)垂向取樣Fig.3 The vertical sampling in the debris flow accumulation area

3 泥石流堆積特征

泥石流堆積區(qū)單期次和多期次堆積特征有其復(fù)雜性,平面形態(tài)和平面分布特征反映單期次堆積特征,垂向上反映多期次堆積特征。而泥石流堆積區(qū)往往是多期形成,每次泥石流爆發(fā)又對整個堆積區(qū)造成影響,研究表明堆積物中細(xì)顆粒(<0.1 mm)粒徑達(dá)20%以上,滲透性趨于穩(wěn)定,細(xì)顆粒(<0.1 mm)含量越小,滲透性越高[19]。

3.1 堆積區(qū)平面特征

泥石流堆積的形態(tài)和范圍直接影響災(zāi)害防治工程的設(shè)計,而泥石流堆積區(qū)形態(tài)與堆積區(qū)物質(zhì)粒度成分和坡降也有一定的關(guān)系。泥石流堆積區(qū)平面上呈“簸箕”狀,出山口寬約24 m,扇前緣寬約90 m,中間高兩側(cè)低,高差約2.0 m。中軸線長75 m,高差18 m,坡降約240‰,從中軸線向兩側(cè)坡降約50‰。從形態(tài)上看,泥石流堆積區(qū)橫軸與縱軸長度基本一致,從坡降上看堆積區(qū)兩側(cè)和中軸坡降基本一致。

3.2 堆積區(qū)平面分布特征

3.2.1 泥石流縱向粒度分布特征

從現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)得出,泥石流堆積物為碎石土,重點(diǎn)對粒徑大于2 mm的進(jìn)行分析。為了深入研究泥石流堆積區(qū)的粒度特征,從平面縱向分布上分別對堆積區(qū)右側(cè)(上游側(cè))、中軸和左側(cè)(下游側(cè))進(jìn)行取樣,對堆積區(qū)縱向不同粒度特征進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 泥石流堆積區(qū)平面縱向粒度分布Fig.4 Distribution of the grain size in the longitudinal direction of the debris flow accumulation area

從3條縱向剖面看出,泥石流堆積縱向上具有粒徑相對集中性,從圖4可見,堆積區(qū)右側(cè)40 mm以下粒徑基本都有分布,曲線峰值主要集中在10～20 mm,僅靠近溝口處曲線峰值出現(xiàn)在2～5 mm,堆積物粒徑曲線峰值基本一致,但是比重各不相同,堆積物中其他粒徑所占比重也不同,粒徑2～40 mm占總數(shù)84.2%～98%。堆積區(qū)中軸各粒徑基本都有分布,曲線峰值主要集中在10～20 mm,僅樣品7的曲線峰值出現(xiàn)在20～40 mm。雖然曲線峰值主要在10～20 mm,但粒徑10～20 mm曲線峰值和20～40 mm曲線峰值百分比非常接近,僅樣品8相對差別較大,從而說明堆積區(qū)中軸線曲線范圍峰值較大,粒徑2～40 mm占總數(shù)77.2%～90.7%。堆積區(qū)左側(cè)各粒徑基本都有分布,粒徑曲線范圍峰值較為分散,從溝口至扇前緣粒徑分別為5～10、10～20、20～40 mm,曲線峰值向大粒徑變化,堆積區(qū)左側(cè)縱剖面粒徑主要分布在2～40 mm,該粒徑范圍占總數(shù)82.6%～85.7%。

堆積區(qū)縱向上3條剖面均表現(xiàn)出從溝口到堆積扇前緣粒徑增大的趨勢,曲線范圍峰值粒徑百分含量中軸線最大,向兩側(cè)逐漸減小,中軸線粒徑集中性更強(qiáng),向兩側(cè)集中性相對分散,出現(xiàn)異常樣品,右側(cè)異常樣粒徑范圍峰值較小,左側(cè)異常樣粒徑范圍峰值較大。

3.2.2 泥石流橫向粒度分布特征

從平面橫向分布上分別對堆積區(qū)溝口處、中部和堆積扇前緣樣品粒度特征進(jìn)行分析，如圖5所示。

從圖5可見,堆積區(qū)溝口處橫向40 mm以下粒徑基本都有分布,曲線峰值粒徑為2～5、5～10、10～20 mm,曲線峰值不集中,粒徑2～40 mm占總數(shù)84.2%～88.7%。堆積區(qū)中部橫向曲線峰值粒徑基本為10～20 mm,僅樣7為粒徑20～40 mm,曲線峰值集中,粒徑2～40 mm占總數(shù)77.2%～98.0%。堆積扇前緣橫向曲線峰值粒徑基本為20～40 mm,樣4為曲線峰值粒徑10～20 mm,但曲線范圍峰值與粒徑20～40 mm的占比非常接近,粒徑2～40 mm占總數(shù)82.6%～89.8%。

圖5 泥石流堆積區(qū)平面橫向粒度分布Fig.3 Distribution of the grain size in the transverse direction of the debris flow accumulation area

堆積區(qū)橫向上3條剖面表現(xiàn)出從溝口到堆積扇前緣粒徑增大的趨勢,曲線范圍峰值粒徑百分含量逐漸增加,堆積區(qū)中部粒徑曲線峰集中性強(qiáng),而溝口和堆積扇前緣則集中性相對較差。

3.3 堆積區(qū)垂向分布特征

堆積區(qū)垂向分布特征能揭露泥石流各期次堆積粒度特征。從堆積區(qū)的垂向上看,泥石流堆積區(qū)是分期次堆積,從垂向表層看,每期次間可見較為明顯的界線,垂向上呈現(xiàn)粗細(xì)相間的現(xiàn)象,如圖6所示。根據(jù)圖6,分層厚度從上至下分別為10、10、15、17、21 cm,厚度不一,說明每期次泥石流的沖出量不同。對堆積區(qū)垂向上各期次試樣進(jìn)行分析,試驗(yàn)分析顯示,堆積區(qū)垂向上顆粒無明顯的差別性,堆積區(qū)各期次粒徑大于2 mm的占比基本均大于30%,堆積物均屬于碎石土。垂向上,各期次堆積物粒徑曲線峰值基本為10～20 mm,僅Y4為20～40 mm,各期次泥石流堆積粒徑2～40 mm占總數(shù)63.5%～88%。5個期次泥石流堆積物粒徑曲線峰值基本一致,與表層單期次泥石流堆積物也基本一致,說明后期泥石流對前期次泥石流的影響不大,影響不足以改變前一期次粒徑曲線峰值。

圖6 泥石流堆積區(qū)垂向粒度分布Fig.6 Distribution of the grain size in the vertical direction of the debris flow accumulation area

4 結(jié)論

通過對泥石流原始堆積區(qū)進(jìn)行調(diào)查和取樣分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)該泥石流堆積區(qū)平面上呈“簸箕”形,堆積區(qū)為中間高兩側(cè)低,泥石流堆積區(qū)橫軸與縱軸長度基本一致,縱橫向坡降基本一致,約為240‰,橫向坡降約為50‰。

(2)堆積區(qū)平面特征,縱向上曲線峰值主要為10～20 mm,有異常偏移情況,基本表現(xiàn)為從溝口到堆積扇前緣粒徑增大的趨勢,曲線范圍峰值粒徑百分含量中軸線最大,向兩側(cè)逐漸減小,中軸線粒徑集中性更強(qiáng),向兩側(cè)集中性相對分散。

(3)堆積區(qū)平面特征,橫向上從溝口到堆積扇前緣粒徑增大的趨勢,曲線范圍峰值逐漸變大,曲線范圍峰值粒徑百分含量逐漸增加,堆積區(qū)中部粒徑集中性強(qiáng),而溝口和堆積扇前緣則集中性相對較差。

(4)泥石流顯示多期次堆積區(qū)特征,自上而下厚度逐漸增大,粒徑與表層試驗(yàn)差別較大,垂向上粒徑曲線范圍峰值主要為10～20 mm,具有較好的集中性。

平面上和垂向上泥石流堆積區(qū)表觀和實(shí)際取樣試驗(yàn)結(jié)果差別較大,平面單期次上需繼續(xù)對不同降雨量下和不同坡降下平面堆積特征和不同位置上垂向多期次進(jìn)行進(jìn)一步研究。如何建立泥石流形成區(qū)堆積區(qū)粒徑與堆積區(qū)粒徑之間的關(guān)系，在保持原始狀態(tài)下對堆積區(qū)多期次垂向粒度特征、各期次間相互影響及每期次與降雨量之間的關(guān)系值得研究者思考。