泥石流固體物質顆粒全級配確定方法

王小軍，劉世明，李 賀，張文璞

（安陽工學院，河南安陽455000）

0 引言

泥石流固體物質組成具有寬級配特征，大到數米、小到黏土顆粒均存在。研究表明，泥石流中攜帶的巨石及粗大顆粒往往能增大泥石流的侵蝕能力和沖擊破壞能力，對泥石流流速、流量以及沖擊力具有明顯的放大效應[1-23]；其次，在泥石流運動到坡度較緩的流域下游時，粗大顆粒往往先停積下來，堵塞溝道或排導槽，導致泥石流改道，使溝道或排導槽失去導流作用，造成泥石流泛濫，擴大其危害范圍。因此，在泥石流運動動力學研究中考慮粗大顆粒的影響具有重要意義。其次，在泥石流防治工程中，越來越多的透水型水石分離結構用于泥石流的防災減災中，水石分離結構開口的設計和防治效果的確定均與固體物質特別是粗大顆粒的顆粒級配和尺寸有直接的關系[4～56]。因此，考慮粗顆粒的固體物質顆粒級配資料對泥石流防治工程的設計具有更加實際的指導意義。

然而，目前無論是在科學研究還是在防治工程設計的實踐中，在獲取泥石流固體物質顆粒級配時，通常是去除了大于60mm的粗顆粒，取一定的室內樣通過土工實驗的篩分方法或進一步借助化學手段進行顆粒級配的測定。對于大于60mm的粗顆粒則不關注，組成則不得而知，更沒有一套獲取完整的泥石流固體物質顆粒組成全級配的方法。

因此，筆者嘗試通過文獻總結和野外實驗驗證的方法，借助相關領域的經驗，初步總結出一套具備可行性和實操性的包括粗顆粒在內的泥石流固體物質組成全級配的測試方法，為泥石流的運動及動力學機理研究以及防災減災工程設計提供依據。

1 測試方法理論概述

一般而言，顆粒級配的確定包含取樣及測量方法、數據分析方法、數據融合方法三個步驟。

1.1 取樣及測量方法

顆粒級配的確定涉及固體物質的取樣以及對所取樣本的分析，包含取樣方法和分析方法兩部分內容。通過查閱相關文獻發現，在對河床質沉積物的顆粒組成研究領域，通常分表面取樣法和體積取樣法，其中表面取樣法又分為網格取樣法和面積取樣法[7]。其中，網格取樣法是在一定范圍內獲取粗顆粒的方法，而面積取樣法則獲取一定取樣面積范圍內表面所有顆粒，一般適用于砂及以下土樣的表面取樣[4]。

1.1.1 網格法

網格取樣法是指在一定范圍的取樣區利用測線標記、腳步丈量或方形格網等方式劃分等間距格網，量取一定數量網格點下方的顆粒尺寸。一般而言利用測線或腳步丈量的方式比較靈活，適用于大面積的取樣區，其中又以測線標記的精度要高于腳步丈量取樣法[8]，而方形格網則用于小面積（1～10 m2)的取樣區。為了避免重復取樣，網格間距一般需為現場最大顆粒粒徑B軸的1～2倍。測量顆粒尺寸可用帶孔的模板以加快工作效率[9]，當顆粒尺寸太大時可用尺子量取顆粒B軸。一般而言，網格法取樣適用于礫石及以上的顆粒組成，不適用于砂及以下的顆粒取樣。而取樣的數量則需要根據取樣地所測量的顆粒，一般100顆左右。

1.1.2 體積法

體積取樣法是指挖取一定深度一定方量的土樣，以現場篩分方式獲取不同粒徑數據，可分為分層開挖和不分層開挖，當表層有粗化現象時，則需要分層開挖。確定開挖的深度是保證體積取樣法精確性的前提，泥沙研究表明當顆粒粒徑較大屬于卵石范圍時，不分層取樣的最小深度（hSmin）應該為現場最大粒徑的兩倍，即hSmin=2dmax；為了避免大顆粒控制整體粒徑分布曲線的情況，可以最大兩個篩分尺寸的最小公倍數來決定[10]。

根據上述各種取樣方法的優缺點、適用范圍可知，像泥石流這樣具有寬級配特征的固體物質，可采用以上方法的組合進行取樣。具體而言，可初步確定對于粒徑較大的顆粒，采用表面網格取樣法，在網格法樣地范圍內選擇體積法樣地，對較細顆粒部分采用體積取樣法。此外，考慮到現場篩分的工作量巨大，且現場試樣具有一定的含水量，在操作上又可以采取現場篩分和室內試驗相結合的方式，在現場僅對體積法所取樣的相對粗顆粒進行篩分，將其余相對細顆粒部分按照要求取樣進行室內篩分試驗，并進行含水量修正。

1.2 分界粒徑的確定

對于不同取樣方法所適用的范圍需要進行界定，考慮網格法的操作特點，網格法取樣一般采用具有一定規格尺寸的孔模板進行顆粒尺寸的快速搜集，顆粒太細，網格法搜集顆粒尺寸時工作量大且不易識別；其次，根據現有泥石流固體物質取樣的一般做法是去除了60mm以上的顆粒進行取樣篩分，可初步確定將網格取樣法與體積取樣法的分界理解定為60mm；同時又考慮到不同的方法所得的顆粒級配數據進行融合時需要有一定的重合粒徑段，故需將網格法取樣的下限粒徑下調或者體積法取樣上限粒徑上調。具體可參照《土工試驗方法標準》規定的標準篩孔粒徑確定。如將網格法取樣下限粒徑取為10mm，而體積法取樣的上限粒徑為60mm，則可保證至少有60～40mm、40～20mm和20～10mm三個重合的粒徑段用以后續數據的融合。

根據泥石流固液兩相流理論，泥石流液相（水及部分細顆粒）作為泥石流固相的輸送介質主要影響泥石流的流變性質，若關注的重點在于泥石流固相顆粒，則可將取樣的下限定于固液兩相的分界。根據蔣家溝泥石流的觀察研究，固相和液相的分界粒徑隨著泥石流濃度的增加而提高，在黏性泥石流中可以觀察到粒徑為幾毫米甚至十幾毫米的較粗顆粒在運動中保持懸移狀態[11]。從含沙量的角度分析，對不同容重的泥石流觀測資料發現，d＜0.05 mm的固體顆粒的含沙量基本保持不變，其中對于容重大于1.8 t/m3的黏性泥石流，d＜2mm的顆粒含沙量基本不變[12]；而根據最小能量原理分析，泥石流固液相的分界粒徑在5～6mm左右[13]。

綜上所述，對于容重較小的稀性泥石流或過渡性泥石流，可將固液相分界粒徑定為0.05mm（0.075mm），而對于黏性泥石流，其固液相分界粒徑可定為2mm，當主要考慮固相物質作用時，泥石流固體物質全級配測試范圍即可以此為下限。

1.3 數據分析方法

對不同的取樣方法所獲得的取樣數據進行分析時，一般有兩種計量分析方法，即個數頻率計量法和質量頻率計量法[4]。

將上述確定的兩種取樣方法網格法和質量法與兩種計量分析方法組合，共得到4種可能的取樣-分析方法，即網格-個數法，網格-質量法，體積-個數法，體積-質量法。一般而言，網格-質量法與體積-個數法僅理論上可行，實際上很難操作或操作復雜。

其次，對于同一樣地，采用不同的取樣分析方法得出的顆粒級配結果截然不同，不要進行數據轉換。已有研究表明，體積-質量法和網格-個數法的結果具有高度一致性，轉換系數可取為1.0[14]；也即兩種方法得到的數據可以直接進行數據融合。體積質量法與網格-個數法之間的吻合性對模擬隨機生成的河流沉積物樣本以及實際河流沉積物樣本都具有較好的適用性[15]。因此采用網格-個數法和體積-質量法分別進行粗顆粒部分和細顆粒部分的取樣分析方法，科學合理并且為后續的數據處理帶來方便。

1.4 數據融合方法

從上述分析可知，要得到顆粒組成全級配資料，需要對不同取樣分析方法所得數據進行融合。根據已有研究成果，目前常用的數據融合方法有剛性融合法Fehr(1987)、彈性融合法和調整頻率分布法Fripp and Diplas(1993)[16]。其中，又以彈性融合法和調整頻率融合法產生的結果較一致，而后者的計算步驟稍微簡單一些，因此，在本文采用調整頻率法作為兩者數據的融合方法。

調整頻率法的具體步驟為：

①利用兩組已經轉換成同樣表達方式的顆粒級配數據，選擇具有最接近百分比的一組或幾組粒徑段作為融合參照組（下簡稱參照組），計算調整系數F以使參照組的百分率相等。具體做法如下：假設兩種顆粒級配粒徑段百分率數據分別為I和II，并已經經過轉換換算，以兩者中的粒徑段k作為參照組，數據I中k粒徑段的百分率nIk作為參照方，則數據II為需要調整的一方，數據II中的k粒徑段百分率調整系數F可表示為

②數據II中所有其他粒徑段的百分率均作相應的調整，調整后的數據II各粒徑段百分率由公式（2）計算，表示為nII(adj)。

③數據I中的粒徑段百分率保持不變，將兩者合并得調整后完整的初步融合后的各粒徑段百分率，再據此計算各粒徑段的累積百分比。將各粒徑段百分率相加，若得到總和不為100，則依次對每粒徑段的百分比除以該和，得到新的調整后的各粒徑段百分比，即為所求的融合后的各粒徑段百分比，根據調整后的粒徑段百分率計算累計百分比，進而計算相關特征參數。

綜上所述，可以初步確定泥石流固體物質顆粒組成全級配確定方法如圖1所示：

圖1 泥石流固體物質顆粒全級配確定流程圖

2 測試方法運用實例

為了驗證泥石流固體物質顆粒全級配確定方法的可操作性，選取了汶川震區6泥石流溝堆積扇上的沉積物進行實例驗證。

根據現場的初步踏勘，確定對60mm以上顆粒采用測繩網格法取樣（圖2），取樣數量為100，采用個數頻率法分析，得到網格法-個數法（G-N)級配數據（表1）；在網格法取樣區域選取典型樣地實施體積法，分層開挖，開挖深度0.5m，對200～60mm部分采用現場篩分并稱重計量，并對每層60mm以下部分取一定量的量，進行室內篩分試驗，篩分至0.075mm，并對現場篩分的數據進行了含水量修正，最終得到體積-質量法(V-W)級配數據（表2）。對所得的G-N數據和V-W數據利用調整頻率法進行了數據融合，如圖3所示。

圖2 測線繩及尺寸模板

表1 網格-個數頻率法所測各粒徑組百分率數據(%)

表2 體積-質量法所測各粒徑組百分率數據

圖3 經調整頻率法融合后的顆粒全級配曲線

3 結論

本文通過文獻綜述和理論分析，提出了確定泥石流固體物質顆粒級配全級配的方法，得出以下結論：

①根據泥沙沉積學相關研究結合泥石流固體物質顆粒特征，推薦以網格法進行粗顆粒的顆粒級配確定，以體積篩分法進行細顆粒顆粒級配測定。

②根據理論分析并結合實際工程經驗，確定了網格法和體積法取樣的上下限粒徑，推薦以60mm作為網格法取樣的下限粒徑或體積法取樣的上限粒徑，并考慮到數據融合的需要，下移網格法取樣下限或上移體積法取樣上限以保證至少有一個重合的粒徑段。

③采用網格法進行取樣時，以個數頻率法計量，用體積法取樣時，以質量頻率率計量，兩種方法所得的數據轉換系數為1，即可以直接進行數據融合。

④數據融合采用柔性融合法或調整頻率法進行，最終得到完整的固相顆粒級配分布曲線。