強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流發(fā)育特征

李東， 紀(jì)杰杰， 羅登澤， 吳鈺， 李洪濤， 姚強*

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室, 成都 610065; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院, 成都 610065; 3.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司, 成都 610021)

泥石流是由水與大量泥沙、石塊等松散固體堆積物組合形成的固液兩相顆粒流體。2008年“5·12”汶川Ms8.0特大地震導(dǎo)致震后該區(qū)域泥石流發(fā)生頻率急劇增加，潛在泥石流風(fēng)險給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來了極大的威脅。強震區(qū)的泥石流主要分為“窄陡”和“寬緩”兩種類型?！罢浮睖系佬屯哂袦系揽v坡陡、溝內(nèi)人類工程少、平均寬度和流域面積小的特點，而“寬緩”溝道型與之相反。受強烈地震活動影響，山坡兩側(cè)和溝道內(nèi)堆積了大量的松散固體崩塌物源，在極端暴雨條件下，都極易在震區(qū)內(nèi)形成大規(guī)模突發(fā)性泥石流災(zāi)害。開展“窄陡”溝道型泥石流發(fā)育特征研究，對揭示該類泥石流致災(zāi)機理及孕災(zāi)模式具有重要理論價值和實踐意義。

地形條件、物源條件、降水條件是泥石流形成的三大必要條件[1]，也是表征泥石流發(fā)育特征的重要內(nèi)容。

在地形方面，研究流域?qū)偕钋懈顦?gòu)造侵蝕低山和中山地形，山高溝深，在發(fā)生地震之后，由于山體地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生改變，成為典型的構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域，給泥石流的形成創(chuàng)造了較好的地形條件。王濤等[2]通過對龍門山斷裂帶3條主要地震斷裂帶的實地考察分析，揭示了汶川地震斷裂變形破裂與次生地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育特征之間的密切聯(lián)系。馬煜等[3]發(fā)現(xiàn)強震區(qū)泥石流流域面積較小、隱蔽性強、溝道平均縱坡大，利于快速匯水且易受到重力侵蝕，泥石流起動動力充足。周縱橫等[4]利用遙感解譯的方法研究了震后綿遠(yuǎn)河流域泥石流發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)較大的溝道縱坡為泥石流發(fā)育提供了有利條件。

在物源方面，王運興等[5]采用統(tǒng)計法分析了泥石流堆積區(qū)平面、垂向粒度分布形態(tài)特征。唐川等[6]認(rèn)為，受強地震作用影響，震區(qū)溝谷、植被完整性遭到破壞,導(dǎo)致溝谷兩岸坡體大面積失穩(wěn),形成較大規(guī)?；?并在溝床堆積了大量松散堆積物,成為泥石流固體物質(zhì)補給源。黃文潔[7]研究了震后安縣境內(nèi)泥石流發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)汶川地震為該地區(qū)泥石流提供了豐富的物源。李寧等[8]用遙感解譯等方法對震后泥石流物源分布與體量進(jìn)行研究，并揭示了震后汶川縣物源儲量的演化趨勢。王高峰等[9]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用以往泥石流活動規(guī)模預(yù)測模型進(jìn)行計算泥石流一次沖出量的結(jié)果與實際值存在較大誤差。任志剛等[10]概括了汶川地震極震區(qū)泥石流物源的分布和發(fā)育特征，基于統(tǒng)計回歸模型建立了多因素條件下強震區(qū)泥石流物源量估算模型。

在降水方面，高會會等[11]發(fā)現(xiàn)泥石流的產(chǎn)生和崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害不同，其形成不僅需要有足夠的物源條件，并且需要有足夠的降雨作為激發(fā)條件。唐川等[12]采用地面調(diào)查和遙感解譯方法分析了地震與暴雨共同作用下的泥石流特征,獲取氣象數(shù)據(jù)查明了泥石流起動的臨界雨量條件。羅小惠等[13]研究了小時降雨強度、歷史累計雨量、前期有效降雨和降雨歷時等參數(shù)與泥石流災(zāi)害爆發(fā)之間的關(guān)系，得到了長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)害暴發(fā)的臨界雨量值。

除此之外，為探討汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動趨勢，唐川[14]在對比日本關(guān)東大地震和中國臺灣集集大地震后誘發(fā)滑坡和泥石流的基礎(chǔ)上，對汶川地震區(qū)未來滑坡、泥石流活動趨勢進(jìn)行了預(yù)測分析。

中外學(xué)者對汶川強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流基本發(fā)育特征、運動特性、致災(zāi)機理和演化效應(yīng)等開展了大量研究，如張家坪溝[15-16]、紅椿溝[17-18]、磨子溝[19-21]、瓦窯溝[22]、安夾溝[23-24]等，但對典型窄陡溝道型泥石流物源級配分布、黏土礦物組成等特征認(rèn)識還有待完善。因此，以窄陡溝道型泥石流物源為研究對象，在實地勘察的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)顆分試驗、激光衍射粒度分析試驗、X射線衍射試驗，分析了汶川強震區(qū)5條典型窄陡溝道型泥石流的基本發(fā)育特征、堆積物顆粒級配和黏土礦物定量組成，試驗結(jié)果為汶川強震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害泥石流風(fēng)險評估、監(jiān)測預(yù)警和防控提供了相應(yīng)參考。

1 基本發(fā)育特征

選取2010年“8·13”和2013年“7·10”在汶川強震區(qū)映秀鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)爆發(fā)的兩場群發(fā)性特大泥石流中的5條典型窄陡溝道型泥石流進(jìn)行實地勘察。5條泥石流溝流域形態(tài)如圖1所示。

經(jīng)過實地勘察，發(fā)現(xiàn)典型窄陡溝道型溝道兩側(cè)溝谷縱坡降較大，溝內(nèi)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，有利于泥石流的形成；受強地震的影響，溝道兩側(cè)山坡及溝道內(nèi)堆積了大量的崩塌物，為泥石流災(zāi)害提供了豐富的物源條件；研究區(qū)地處亞熱帶濕潤氣候帶，氣候潮濕，降水主要集中在每年的7—9月，降水條件良好。

楊東旭等[25]將流域面積F<5 km2,溝道平均縱坡坡度I>300‰作為主要判別指標(biāo)，把流域完整性系數(shù)、流域相對高差作為輔助判別指標(biāo)。經(jīng)綜合評定可知選取的5條泥石流溝均為窄陡型。各條溝的地形地貌、物源條件等參數(shù)如表1所示。

2 堆積物顆粒級配

泥石流固體顆粒組成對泥石流性質(zhì)具有重要影響，為進(jìn)一步查明強震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積區(qū)固體物源組成特征，開展泥石流堆積物顆粒篩分試驗。

圖1 典型窄陡溝道型泥石流Fig.1 Typical narrow-steep gully debris flow

表1 5條窄陡溝道的基本參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of debris flow in gullies

2.1 實驗方法

在泥石流攔擋壩堆積區(qū)上游側(cè)約5 m處，量取0.8 m×0.8 m×0.5 m的取樣坑，挖出所有的砂、石、土，剔除粒徑d>200 mm的漂石，然后進(jìn)行稱量。此方法測量結(jié)果較準(zhǔn)確，但勞動強度較大。試驗現(xiàn)場如圖2所示。

由于泥石流堆積物固體顆粒粒徑范圍較大，無法采用單一方法完成所有顆粒的測量工作，因此針對不同粒徑范圍的固體顆粒采用不同測量方法，具體操作如下：

(1)200 mm≥d≥60 mm。使用鋼尺逐個測量粒徑200 mm≥d≥60 mm的卵石的三軸長，取平均軸長作為該顆粒的代表粒徑，按代表粒徑分為60～100 mm、100～150 mm、150～200 mm三組，然后采用精度為1 g的電子秤稱量。粒徑200 mm≥d≥60 mm的代表顆粒如圖3所示。

(2)60 mm≥d≥0.075 mm。采用直徑為30 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩，按粒徑依次篩分60～40 mm、40～20 mm、20～10 mm、10～5 mm、5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、0.25～0.1 mm、0.1～0.075 mm 10組，每組分別稱重，并計算每組質(zhì)量與總質(zhì)量之百分比。其中，粒徑d>10 mm在現(xiàn)場篩分，并用精度為1 g的電子秤稱量；粒徑d<10 mm的顆粒取回室內(nèi)試驗室進(jìn)行篩分，用精度為0.1 g的電子秤稱量。粒徑60 mm≥d≥0.075 mm的代表顆粒如圖4所示。

圖2 堆積物顆分試驗現(xiàn)場Fig.2 Test site of sediment particle size distribution

圖3 粒徑200 mm≥d>60 mm代表顆粒Fig.3 Representative particles with particle size of 200 mm≥d>60 mm

圖4 粒徑60 mm≥d>0.075 mm代表顆粒Fig.4 Representative particles with particle size of 60 mm≥d>0.075 mm

(3)d<0.075 mm。《水電水利工程土工試驗規(guī)程》中推薦顆分試驗中粒徑d<0.075 mm的細(xì)粒土采用密度計法或移液管法，由于以上兩種方法操作復(fù)雜，試驗精度受人為影響較大。研究選擇馬爾文Mastersizer 3 000激光衍射粒度分析儀進(jìn)行測量，具有操作簡便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。研究選擇Aero S干法分散系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程(standard operating procedure，SOP)進(jìn)行測量，測量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 馬爾文Mastersizer 3000 Aero S干法分散測量系統(tǒng)Fig.5 Marvin Mastersizer 3000 Aero S dry dispersion measurement system

2.2 實驗結(jié)果

綜合野外、室內(nèi)篩分試驗、以及Mastersizer 3000激光粒度分析儀測量結(jié)果，5條典型溝道堆積物級配曲線如圖6所示，不同粒級顆粒粒徑組含量如表2所示。

根據(jù)圖6可以計算出反映固體顆粒分布特征的特征粒徑和特征參數(shù)，計算結(jié)果如表3所示。

試驗結(jié)果表明，強震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒級配分布較廣，且無缺失粒組，不均勻系數(shù)Cu均大于5；曲率系數(shù)分布在0.95～3，級配曲線連續(xù)性較好。粒徑的粉粒含量均在0.5%以下，粒徑d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下，不同溝道間差別較小，分析原因，可能是該地區(qū)降水較為豐富，部分細(xì)小顆粒在后期降雨中被洪水帶走所致。

圖6 強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物級配曲線Fig.6 Grading curve of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area

表2 強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒粒徑組含量Table 2 Particle size group content of solid particles in typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area

表3 典型窄陡溝道型泥石流堆積物級配曲線特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of grading curve of typical narrow-steep gully debris flow

3 黏土礦物組成

常見的黏土礦物類型有高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石、蛭石等，不同黏土礦物組成決定著黏土的性能，進(jìn)而影響泥石流體的流變性質(zhì)。

3.1 試驗方法

采用X射線衍射分析法，試驗儀器為日本理學(xué)D/max2500型X射線衍射儀，試驗流程如圖7所示。黏土成分定量計算方法參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[26]，該標(biāo)準(zhǔn)一共給出了3種黏土礦物組合計算方式。當(dāng)?shù)V物組合為蒙皂石(S)、高嶺石(K)、伊利石(It)、綠泥石(C)、伊蒙混層(I/S)時，各自百分含量計算方法為

(1)

(2)

C=(K+C)-K

(3)

(4)

(5)

I/S=100%-(S+It+K+C)

(6)

式中：IN0.7為N譜圖上的0.70 nm衍射峰強度；IT1.0為T譜圖上的1.00 nm衍射峰強度；hE0.358為E譜圖上的0.358 nm衍射峰高度；hE0.353為E譜圖上的0.353 nm衍射峰高度；IE1.7為E譜圖上的1.70 nm衍射峰強度；IE1.0為E譜圖上的1.00 nm衍射峰強度；hN0.7為N譜圖上的0.70 nm衍射峰高度；hE0.7為E譜圖上的0.70 nm衍射峰高度。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 衍射圖譜

X射線衍射圖譜如圖8所示。

圖7 黏土礦物分析試驗流程Fig.7 Test process of clay mineral analysis

3.2.2 定量分析

強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物組成定量分析結(jié)果如圖9所示。

圖9表明，汶川強震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物黏土主要由伊利石、綠泥石和伊蒙混層3種黏土礦物組成，各自含量平均值分別為45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和綠泥石總含量均超過75%。伊蒙混層屬于不規(guī)則混層礦物，是由伊利石和蒙脫石晶層隨機無規(guī)律地交替排列形成，含量均在25%以下。

4 結(jié)論

根據(jù)所選取強震區(qū)5條窄陡溝道型典型泥石流溝，通過野外勘察、現(xiàn)場及室內(nèi)顆分試驗、激光衍射粒度分析試驗、X射線衍射試驗，分析了強震區(qū)窄陡溝道型泥石流基本發(fā)育特征、堆積物顆粒集級配和黏土礦物定量組成，得到如下結(jié)論。

(1)強震區(qū)窄陡溝道型泥石流典型發(fā)育特征除了地形地貌上的“窄”和“陡”外，震后松散物源量中崩滑物源和溝道堆積物源顯著增多，動儲量比例增大，造成強震區(qū)窄陡溝道型泥石流危險性顯著提高。

圖8 堆積物黏土礦物X射線衍射圖譜Fig.8 X-ray diffraction patterns of sedimental clay minerals

圖9 強震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物組成Fig.9 Clay mineral composition of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismal area

(2)強震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒級配分布范圍較廣，連續(xù)性較好。級配曲線不均勻系數(shù)Cu均大于5，曲率系數(shù)Cc為0.95～3，無缺失粒組；粒徑d<0.075 mm的粉粒含量均在0.5%以下，粒徑d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下，不同溝道間差別較小。

(3)強震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物主要由伊利石、綠泥石和伊蒙混層3種黏土礦物組成，各自含量平均值分別為45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和綠泥石總含量均超過75%，伊蒙混層含量均在25%以下。