泥石流固体物质颗粒全级配确定方法

2020-06-05王小军刘世明张文璞

安阳工学院学报 2020年2期

王小军，刘世明，李贺，张文璞

（安阳工学院，河南安阳455000）

0 引言

泥石流固体物质组成具有宽级配特征，大到数米、小到黏土颗粒均存在。研究表明，泥石流中携带的巨石及粗大颗粒往往能增大泥石流的侵蚀能力和冲击破坏能力，对泥石流流速、流量以及冲击力具有明显的放大效应[1-23]；其次，在泥石流运动到坡度较缓的流域下游时，粗大颗粒往往先停积下来，堵塞沟道或排导槽，导致泥石流改道，使沟道或排导槽失去导流作用，造成泥石流泛滥，扩大其危害范围。因此，在泥石流运动动力学研究中考虑粗大颗粒的影响具有重要意义。其次，在泥石流防治工程中，越来越多的透水型水石分离结构用于泥石流的防灾减灾中，水石分离结构开口的设计和防治效果的确定均与固体物质特别是粗大颗粒的颗粒级配和尺寸有直接的关系[4～56]。因此，考虑粗颗粒的固体物质颗粒级配资料对泥石流防治工程的设计具有更加实际的指导意义。

然而，目前无论是在科学研究还是在防治工程设计的实践中，在获取泥石流固体物质颗粒级配时，通常是去除了大于60mm的粗颗粒，取一定的室内样通过土工实验的筛分方法或进一步借助化学手段进行颗粒级配的测定。对于大于60mm的粗颗粒则不关注，组成则不得而知，更没有一套获取完整的泥石流固体物质颗粒组成全级配的方法。

因此，笔者尝试通过文献总结和野外实验验证的方法，借助相关领域的经验，初步总结出一套具备可行性和实操性的包括粗颗粒在内的泥石流固体物质组成全级配的测试方法，为泥石流的运动及动力学机理研究以及防灾减灾工程设计提供依据。

1 测试方法理论概述

一般而言，颗粒级配的确定包含取样及测量方法、数据分析方法、数据融合方法三个步骤。

1.1 取样及测量方法

颗粒级配的确定涉及固体物质的取样以及对所取样本的分析，包含取样方法和分析方法两部分内容。通过查阅相关文献发现，在对河床质沉积物的颗粒组成研究领域，通常分表面取样法和体积取样法，其中表面取样法又分为网格取样法和面积取样法[7]。其中，网格取样法是在一定范围内获取粗颗粒的方法，而面积取样法则获取一定取样面积范围内表面所有颗粒，一般适用于砂及以下土样的表面取样[4]。

1.1.1 网格法

网格取样法是指在一定范围的取样区利用测线标记、脚步丈量或方形格网等方式划分等间距格网，量取一定数量网格点下方的颗粒尺寸。一般而言利用测线或脚步丈量的方式比较灵活，适用于大面积的取样区，其中又以测线标记的精度要高于脚步丈量取样法[8]，而方形格网则用于小面积（1～10 m2)的取样区。为了避免重复取样，网格间距一般需为现场最大颗粒粒径B轴的1～2倍。测量颗粒尺寸可用带孔的模板以加快工作效率[9]，当颗粒尺寸太大时可用尺子量取颗粒B轴。一般而言，网格法取样适用于砾石及以上的颗粒组成，不适用于砂及以下的颗粒取样。而取样的数量则需要根据取样地所测量的颗粒，一般100颗左右。

1.1.2 体积法

体积取样法是指挖取一定深度一定方量的土样，以现场筛分方式获取不同粒径数据，可分为分层开挖和不分层开挖，当表层有粗化现象时，则需要分层开挖。确定开挖的深度是保证体积取样法精确性的前提，泥沙研究表明当颗粒粒径较大属于卵石范围时，不分层取样的最小深度（hSmin）应该为现场最大粒径的两倍，即hSmin=2dmax；为了避免大颗粒控制整体粒径分布曲线的情况，可以最大两个筛分尺寸的最小公倍数来决定[10]。

根据上述各种取样方法的优缺点、适用范围可知，像泥石流这样具有宽级配特征的固体物质，可采用以上方法的组合进行取样。具体而言，可初步确定对于粒径较大的颗粒，采用表面网格取样法，在网格法样地范围内选择体积法样地，对较细颗粒部分采用体积取样法。此外，考虑到现场筛分的工作量巨大，且现场试样具有一定的含水量，在操作上又可以采取现场筛分和室内试验相结合的方式，在现场仅对体积法所取样的相对粗颗粒进行筛分，将其余相对细颗粒部分按照要求取样进行室内筛分试验，并进行含水量修正。

1.2 分界粒径的确定

对于不同取样方法所适用的范围需要进行界定，考虑网格法的操作特点，网格法取样一般采用具有一定规格尺寸的孔模板进行颗粒尺寸的快速搜集，颗粒太细，网格法搜集颗粒尺寸时工作量大且不易识别；其次，根据现有泥石流固体物质取样的一般做法是去除了60mm以上的颗粒进行取样筛分，可初步确定将网格取样法与体积取样法的分界理解定为60mm；同时又考虑到不同的方法所得的颗粒级配数据进行融合时需要有一定的重合粒径段，故需将网格法取样的下限粒径下调或者体积法取样上限粒径上调。具体可参照《土工试验方法标准》规定的标准筛孔粒径确定。如将网格法取样下限粒径取为10mm，而体积法取样的上限粒径为60mm，则可保证至少有60～40mm、40～20mm和20～10mm三个重合的粒径段用以后续数据的融合。

根据泥石流固液两相流理论，泥石流液相（水及部分细颗粒）作为泥石流固相的输送介质主要影响泥石流的流变性质，若关注的重点在于泥石流固相颗粒，则可将取样的下限定于固液两相的分界。根据蒋家沟泥石流的观察研究，固相和液相的分界粒径随着泥石流浓度的增加而提高，在黏性泥石流中可以观察到粒径为几毫米甚至十几毫米的较粗颗粒在运动中保持悬移状态[11]。从含沙量的角度分析，对不同容重的泥石流观测资料发现，d＜0.05 mm的固体颗粒的含沙量基本保持不变，其中对于容重大于1.8 t/m3的黏性泥石流，d＜2mm的颗粒含沙量基本不变[12]；而根据最小能量原理分析，泥石流固液相的分界粒径在5～6mm左右[13]。

综上所述，对于容重较小的稀性泥石流或过渡性泥石流，可将固液相分界粒径定为0.05mm（0.075mm），而对于黏性泥石流，其固液相分界粒径可定为2mm，当主要考虑固相物质作用时，泥石流固体物质全级配测试范围即可以此为下限。

1.3 数据分析方法

对不同的取样方法所获得的取样数据进行分析时，一般有两种计量分析方法，即个数频率计量法和质量频率计量法[4]。

将上述确定的两种取样方法网格法和质量法与两种计量分析方法组合，共得到4种可能的取样-分析方法，即网格-个数法，网格-质量法，体积-个数法，体积-质量法。一般而言，网格-质量法与体积-个数法仅理论上可行，实际上很难操作或操作复杂。

其次，对于同一样地，采用不同的取样分析方法得出的颗粒级配结果截然不同，不要进行数据转换。已有研究表明，体积-质量法和网格-个数法的结果具有高度一致性，转换系数可取为1.0[14]；也即两种方法得到的数据可以直接进行数据融合。体积质量法与网格-个数法之间的吻合性对模拟随机生成的河流沉积物样本以及实际河流沉积物样本都具有较好的适用性[15]。因此采用网格-个数法和体积-质量法分别进行粗颗粒部分和细颗粒部分的取样分析方法，科学合理并且为后续的数据处理带来方便。

1.4 数据融合方法

从上述分析可知，要得到颗粒组成全级配资料，需要对不同取样分析方法所得数据进行融合。根据已有研究成果，目前常用的数据融合方法有刚性融合法Fehr(1987)、弹性融合法和调整频率分布法Fripp and Diplas(1993)[16]。其中，又以弹性融合法和调整频率融合法产生的结果较一致，而后者的计算步骤稍微简单一些，因此，在本文采用调整频率法作为两者数据的融合方法。

调整频率法的具体步骤为：

①利用两组已经转换成同样表达方式的颗粒级配数据，选择具有最接近百分比的一组或几组粒径段作为融合参照组（下简称参照组），计算调整系数F以使参照组的百分率相等。具体做法如下：假设两种颗粒级配粒径段百分率数据分别为I和II，并已经经过转换换算，以两者中的粒径段k作为参照组，数据I中k粒径段的百分率nIk作为参照方，则数据II为需要调整的一方，数据II中的k粒径段百分率调整系数F可表示为

②数据II中所有其他粒径段的百分率均作相应的调整，调整后的数据II各粒径段百分率由公式（2）计算，表示为nII(adj)。

③数据I中的粒径段百分率保持不变，将两者合并得调整后完整的初步融合后的各粒径段百分率，再据此计算各粒径段的累积百分比。将各粒径段百分率相加，若得到总和不为100，则依次对每粒径段的百分比除以该和，得到新的调整后的各粒径段百分比，即为所求的融合后的各粒径段百分比，根据调整后的粒径段百分率计算累计百分比，进而计算相关特征参数。

综上所述，可以初步确定泥石流固体物质颗粒组成全级配确定方法如图1所示：

图1 泥石流固体物质颗粒全级配确定流程图

2 测试方法运用实例

为了验证泥石流固体物质颗粒全级配确定方法的可操作性，选取了汶川震区6泥石流沟堆积扇上的沉积物进行实例验证。

根据现场的初步踏勘，确定对60mm以上颗粒采用测绳网格法取样（图2），取样数量为100，采用个数频率法分析，得到网格法-个数法（G-N)级配数据（表1）；在网格法取样区域选取典型样地实施体积法，分层开挖，开挖深度0.5m，对200～60mm部分采用现场筛分并称重计量，并对每层60mm以下部分取一定量的量，进行室内筛分试验，筛分至0.075mm，并对现场筛分的数据进行了含水量修正，最终得到体积-质量法(V-W)级配数据（表2）。对所得的G-N数据和V-W数据利用调整频率法进行了数据融合，如图3所示。