泥石流堆積區粒度分布特征

王運興, 周自強, 白曉華, 張國信, 賈雪梅

(甘肅省科學院地質自然災害防治研究所,蘭州 730000)

近年來,隨著生態環境趨好,降雨量增加,泥石流災害日益突出,對公共設施、人民的生命財產安全形成嚴重的破壞和威脅。泥石流從地貌分區上分為形成區、流通區和堆積區,堆積區是山區人民生活聚集的場所,又是泥石流成災的主要區域,也是學者研究的重點區域,對泥石流堆積區的研究對泥石流形成機理研究和泥石流防治規劃具有重要的意義。

徐新川等[1]利用核主成分分析法對泥石流影響因素進行降維,然后利用神經網絡,預測了泥石流固體堆積物的分形維數。李泳等[2]研究表明泥石流堆積物顆粒組成和顆粒孔隙具有很好的分形特征,決定泥石流的發生。文獻[3-7]分析了泥石流堆積物粒度分形結構特征,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行分析,并分析了與土體強度的關系。舒安平等[9-10]通過模擬試驗對泥石流堆積過程、特征、粒度結構等進行分析,楊重存[11]根據不同堆積厚度的假設,導出泥石流的堆積方程式,認為在任何坡度下都會產生堆積,僅僅是其堆積形態和數量不同而已。文獻[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]對流源區寬級配礫石土的滲透性進行研究,其滲透性與粒度特征有密切的聯系。王小軍等[15]對泥石流攔砂壩排泄孔優化進行研究,排泄孔的大小設計既與坡降流速有關,也與泥石流粒徑大小有關。泥石流溝口的堆積層是經過無數的“元堆積”疊加,低頻泥石流堆積物具有粗層化特征,根據粗層化判斷泥石流的次數和頻率[16-17]。而泥石流堆積區的粒度特征是泥石流相關研究的基礎,也能為堆積區生活建設選址提供一定的參考。眾多學者對泥石流堆積區進行研究,但大多是分析宏觀形態,通過室內模擬堆積過程和利用分形理論分析堆積特征；也有學者對堆積有關的啟動、侵蝕量和危害程度分區進行研究,但對泥石流堆積區單期次分區域粒度特征和多期次粒度分布特征及堆積區集中粒徑相關研究較少。

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

1 研究區概況

研究區泥石流溝位于宕昌縣官亭鎮廟下村,該泥石流位于G212線隴南段。研究區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[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育,主要以礫石為主。

流域屬北亞熱帶季風氣候,降水集中在夏季。流域主要為志留系中下統千枚巖、白云質灰巖。褶皺主要為白龍江復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。

根據實地調查(圖2),泥石流堆積區保存較好,未受人類工程活動破壞,能夠較好地反映泥石流堆積區的堆積特征。

圖2 泥石流研究區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作為研究對象,采用野外調查和室內實驗結合的方法對泥石流的堆積體形態和粒度特征進行研究,具體如下。

(1)形態特征。采用野外調查量測的方式,對泥石流堆積區的形態、長寬、坡度等特征進行調查,并進行期次劃分。

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

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

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

3 泥石流堆積特征

泥石流堆積區單期次和多期次堆積特征有其復雜性,平面形態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。而泥石流堆積區往往是多期形成,每次泥石流爆發又對整個堆積區造成影響,研究表明堆積物中細顆粒(<0.1 mm)粒徑達20%以上,滲透性趨于穩定,細顆粒(<0.1 mm)含量越小,滲透性越高[19]。

3.1 堆積區平面特征

泥石流堆積的形態和范圍直接影響災害防治工程的設計,而泥石流堆積區形態與堆積區物質粒度成分和坡降也有一定的關系。泥石流堆積區平面上呈“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‰,從中軸線向兩側坡降約50‰。從形態上看,泥石流堆積區橫軸與縱軸長度基本一致,從坡降上看堆積區兩側和中軸坡降基本一致。

3.2 堆積區平面分布特征

3.2.1 泥石流縱向粒度分布特征

從現場調查和室內試驗得出,泥石流堆積物為碎石土,重點對粒徑大于2 mm的進行分析。為了深入研究泥石流堆積區的粒度特征,從平面縱向分布上分別對堆積區右側(上游側)、中軸和左側(下游側)進行取樣,對堆積區縱向不同粒度特征進行分析，如圖4所示。

圖4 泥石流堆積區平面縱向粒度分布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,堆積區右側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84.2%～98%。堆積區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,從而說明堆積區中軸線曲線范圍峰值較大,粒徑2～40 mm占總數77.2%～90.7%。堆積區左側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,堆積區左側縱剖面粒徑主要分布在2～40 mm,該粒徑范圍占總數82.6%～85.7%。

堆積區縱向上3條剖面均表現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,向兩側逐漸減小,中軸線粒徑集中性更強,向兩側集中性相對分散,出現異常樣品,右側異常樣粒徑范圍峰值較小,左側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溝口處、中部和堆積扇前緣樣品粒度特征進行分析，如圖5所示。

從圖5可見,堆積區溝口處橫向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84.2%～88.7%。堆積區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82.6%～89.8%。

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

堆積區橫向上3條剖面表現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,堆積區中部粒徑曲線峰集中性強,而溝口和堆積扇前緣則集中性相對較差。

3.3 堆積區垂向分布特征

堆積區垂向分布特征能揭露泥石流各期次堆積粒度特征。從堆積區的垂向上看,泥石流堆積區是分期次堆積,從垂向表層看,每期次間可見較為明顯的界線,垂向上呈現粗細相間的現象,如圖6所示。根據圖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。對堆積區垂向上各期次試樣進行分析,試驗分析顯示,堆積區垂向上顆粒無明顯的差別性,堆積區各期次粒徑大于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 結論

通過對泥石流原始堆積區進行調查和取樣分析,得出以下幾點結論。

(1)該泥石流堆積區平面上呈“簸箕”形,堆積區為中間高兩側低,泥石流堆積區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,向兩側逐漸減小,中軸線粒徑集中性更強,向兩側集中性相對分散。

(3)堆積區平面特征,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,堆積區中部粒徑集中性強,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特征,自上而下厚度逐漸增大,粒徑與表層試驗差別較大,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表觀和實際取樣試驗結果差別較大,平面單期次上需繼續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行進一步研究。如何建立泥石流形成區堆積區粒徑與堆積區粒徑之間的關系，在保持原始狀態下對堆積區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系值得研究者思考。