泥石流堆积区粒度分布特征

王运兴, 周自强, 白晓华, 张国信, 贾雪梅

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所,兰州 730000)

近年来,随着生态环境趋好,降雨量增加,泥石流灾害日益突出,对公共设施、人民的生命财产安全形成严重的破坏和威胁。泥石流从地貌分区上分为形成区、流通区和堆积区,堆积区是山区人民生活聚集的场所,又是泥石流成灾的主要区域,也是学者研究的重点区域,对泥石流堆积区的研究对泥石流形成机理研究和泥石流防治规划具有重要的意义。

徐新川等[1]利用核主成分分析法对泥石流影响因素进行降维,然后利用神经网络,预测了泥石流固体堆积物的分形维数。李泳等[2]研究表明泥石流堆积物颗粒组成和颗粒孔隙具有很好的分形特征,决定泥石流的发生。文献[3-7]分析了泥石流堆积物粒度分形结构特征,并将泥石流堆积物的分形特征与堆积物的粒度特征相联系,分维值能很好地反映泥石流堆积物颗粒组成、粒度分布特征及泥石流活动的形成演化特征。苟万春等[8]用泥石流颗粒标度分析法对佳禾沟泥石流距沟口不同位置的堆积物基本粒度特征进行分析,并分析了与土体强度的关系。舒安平等[9-10]通过模拟试验对泥石流堆积过程、特征、粒度结构等进行分析,杨重存[11]根据不同堆积厚度的假设,导出泥石流的堆积方程式,认为在任何坡度下都会产生堆积,仅仅是其堆积形态和数量不同而已。文献[12-13]研究了三眼峪早期和“8.8”泥石流在不同部位的堆积特征及沿程冲淤变化。陈星宇等[14]对流源区宽级配砾石土的渗透性进行研究,其渗透性与粒度特征有密切的联系。王小军等[15]对泥石流拦砂坝排泄孔优化进行研究,排泄孔的大小设计既与坡降流速有关,也与泥石流粒径大小有关。泥石流沟口的堆积层是经过无数的“元堆积”叠加,低频泥石流堆积物具有粗层化特征,根据粗层化判断泥石流的次数和频率[16-17]。而泥石流堆积区的粒度特征是泥石流相关研究的基础,也能为堆积区生活建设选址提供一定的参考。众多学者对泥石流堆积区进行研究,但大多是分析宏观形态,通过室内模拟堆积过程和利用分形理论分析堆积特征；也有学者对堆积有关的启动、侵蚀量和危害程度分区进行研究,但对泥石流堆积区单期次分区域粒度特征和多期次粒度分布特征及堆积区集中粒径相关研究较少。

鉴于此,现选取危害程度严重区段且堆积区较完整、未受人类活动破坏、由多期堆积而成的泥石流,通过野外调查量测堆积形态,并对堆积区平面各部位及垂向分别取样进行颗分试验,采用统计方法对泥石流堆积区粒度特征进行分析,探讨泥石流单期和多期堆积及其关系,分析集中粒径及其分布,并对下一步研究进行了讨论,为泥石流形成机理研究和泥石流防治规划等提供参考。

1 研究区概况

研究区泥石流沟位于宕昌县官亭镇庙下村,该泥石流位于G212线陇南段。研究区所在的泥石流为暴雨河谷、沟谷、山坡型黏性泥石流,危害程度严重,如石阏子、化马和谢家庄等泥石流沟，如图1所示[18]。

图1 G212陇南段泥石流类型与分区[18]Fig.1 Regionalization and type of debris flow along G212 in Longnan section[18]

该泥石流沟流域面积为0.95 km2,形态呈“柳叶”状,沟谷呈“V”字型,主沟长1.6 km,比降592‰,沟谷陡峭,植被稀疏,坡面松散物及沟道崩塌较发育,主要以砾石为主。

流域属北亚热带季风气候,降水集中在夏季。流域主要为志留系中下统千枚岩、白云质灰岩。褶皱主要为白龙江复背斜和白龙江断裂带,白龙江断裂带总体走向呈反“S”,断层面多向北东倾,倾角为60°左右。

根据实地调查(图2),泥石流堆积区保存较好,未受人类工程活动破坏,能够较好地反映泥石流堆积区的堆积特征。

图2 泥石流研究区Fig.2 Image of the debris flow research area

2 研究方法

选取保存完好未受人类活动扰动的泥石流堆积区作为研究对象,采用野外调查和室内实验结合的方法对泥石流的堆积体形态和粒度特征进行研究,具体如下。

(1)形态特征。采用野外调查量测的方式,对泥石流堆积区的形态、长宽、坡度等特征进行调查,并进行期次划分。

(2)室内试验。通过对泥石流堆积扇不同位置选取具有代表性试样,进行粒度特征试验分析。取样分为平面上取样和垂向取样。

平面上现场选取能反映泥石流堆积特征的部位进行取样,并选择具有指导防治规划意义部位,从堆积扇两侧边缘、前缘和中轴分别取样,完全遵从取样面积内的颗粒粒度分配,取样间距为25 m,取样深度为10 cm,取样点为20 cm×20 cm,根据堆积区前端垂向期次分层厚度平面上取样,进行单期次堆积特征分析；垂向上主要在堆积区前端按照明显分层进行期次划分,并对各期次进行取样,取样深度为10 cm,宽度为20 cm,进行多期次堆积特征分析(图3)。

图3 泥石流堆积区垂向取样Fig.3 The vertical sampling in the debris flow accumulation area

3 泥石流堆积特征

泥石流堆积区单期次和多期次堆积特征有其复杂性,平面形态和平面分布特征反映单期次堆积特征,垂向上反映多期次堆积特征。而泥石流堆积区往往是多期形成,每次泥石流爆发又对整个堆积区造成影响,研究表明堆积物中细颗粒(<0.1 mm)粒径达20%以上,渗透性趋于稳定,细颗粒(<0.1 mm)含量越小,渗透性越高[19]。

3.1 堆积区平面特征

泥石流堆积的形态和范围直接影响灾害防治工程的设计,而泥石流堆积区形态与堆积区物质粒度成分和坡降也有一定的关系。泥石流堆积区平面上呈“簸箕”状,出山口宽约24 m,扇前缘宽约90 m,中间高两侧低,高差约2.0 m。中轴线长75 m,高差18 m,坡降约240‰,从中轴线向两侧坡降约50‰。从形态上看,泥石流堆积区横轴与纵轴长度基本一致,从坡降上看堆积区两侧和中轴坡降基本一致。

3.2 堆积区平面分布特征

3.2.1 泥石流纵向粒度分布特征

从现场调查和室内试验得出,泥石流堆积物为碎石土,重点对粒径大于2 mm的进行分析。为了深入研究泥石流堆积区的粒度特征,从平面纵向分布上分别对堆积区右侧(上游侧)、中轴和左侧(下游侧)进行取样,对堆积区纵向不同粒度特征进行分析，如图4所示。

图4 泥石流堆积区平面纵向粒度分布Fig.4 Distribution of the grain size in the longitudinal direction of the debris flow accumulation area

从3条纵向剖面看出,泥石流堆积纵向上具有粒径相对集中性,从图4可见,堆积区右侧40 mm以下粒径基本都有分布,曲线峰值主要集中在10～20 mm,仅靠近沟口处曲线峰值出现在2～5 mm,堆积物粒径曲线峰值基本一致,但是比重各不相同,堆积物中其他粒径所占比重也不同,粒径2～40 mm占总数84.2%～98%。堆积区中轴各粒径基本都有分布,曲线峰值主要集中在10～20 mm,仅样品7的曲线峰值出现在20～40 mm。虽然曲线峰值主要在10～20 mm,但粒径10～20 mm曲线峰值和20～40 mm曲线峰值百分比非常接近,仅样品8相对差别较大,从而说明堆积区中轴线曲线范围峰值较大,粒径2～40 mm占总数77.2%～90.7%。堆积区左侧各粒径基本都有分布,粒径曲线范围峰值较为分散,从沟口至扇前缘粒径分别为5～10、10～20、20～40 mm,曲线峰值向大粒径变化,堆积区左侧纵剖面粒径主要分布在2～40 mm,该粒径范围占总数82.6%～85.7%。

堆积区纵向上3条剖面均表现出从沟口到堆积扇前缘粒径增大的趋势,曲线范围峰值粒径百分含量中轴线最大,向两侧逐渐减小,中轴线粒径集中性更强,向两侧集中性相对分散,出现异常样品,右侧异常样粒径范围峰值较小,左侧异常样粒径范围峰值较大。

3.2.2 泥石流横向粒度分布特征

从平面横向分布上分别对堆积区沟口处、中部和堆积扇前缘样品粒度特征进行分析，如图5所示。

从图5可见,堆积区沟口处横向40 mm以下粒径基本都有分布,曲线峰值粒径为2～5、5～10、10～20 mm,曲线峰值不集中,粒径2～40 mm占总数84.2%～88.7%。堆积区中部横向曲线峰值粒径基本为10～20 mm,仅样7为粒径20～40 mm,曲线峰值集中,粒径2～40 mm占总数77.2%～98.0%。堆积扇前缘横向曲线峰值粒径基本为20～40 mm,样4为曲线峰值粒径10～20 mm,但曲线范围峰值与粒径20～40 mm的占比非常接近,粒径2～40 mm占总数82.6%～89.8%。

图5 泥石流堆积区平面横向粒度分布Fig.3 Distribution of the grain size in the transverse direction of the debris flow accumulation area

堆积区横向上3条剖面表现出从沟口到堆积扇前缘粒径增大的趋势,曲线范围峰值粒径百分含量逐渐增加,堆积区中部粒径曲线峰集中性强,而沟口和堆积扇前缘则集中性相对较差。

3.3 堆积区垂向分布特征

堆积区垂向分布特征能揭露泥石流各期次堆积粒度特征。从堆积区的垂向上看,泥石流堆积区是分期次堆积,从垂向表层看,每期次间可见较为明显的界线,垂向上呈现粗细相间的现象,如图6所示。根据图6,分层厚度从上至下分别为10、10、15、17、21 cm,厚度不一,说明每期次泥石流的冲出量不同。对堆积区垂向上各期次试样进行分析,试验分析显示,堆积区垂向上颗粒无明显的差别性,堆积区各期次粒径大于2 mm的占比基本均大于30%,堆积物均属于碎石土。垂向上,各期次堆积物粒径曲线峰值基本为10～20 mm,仅Y4为20～40 mm,各期次泥石流堆积粒径2～40 mm占总数63.5%～88%。5个期次泥石流堆积物粒径曲线峰值基本一致,与表层单期次泥石流堆积物也基本一致,说明后期泥石流对前期次泥石流的影响不大,影响不足以改变前一期次粒径曲线峰值。

图6 泥石流堆积区垂向粒度分布Fig.6 Distribution of the grain size in the vertical direction of the debris flow accumulation area

4 结论

通过对泥石流原始堆积区进行调查和取样分析,得出以下几点结论。

(1)该泥石流堆积区平面上呈“簸箕”形,堆积区为中间高两侧低,泥石流堆积区横轴与纵轴长度基本一致,纵横向坡降基本一致,约为240‰,横向坡降约为50‰。

(2)堆积区平面特征,纵向上曲线峰值主要为10～20 mm,有异常偏移情况,基本表现为从沟口到堆积扇前缘粒径增大的趋势,曲线范围峰值粒径百分含量中轴线最大,向两侧逐渐减小,中轴线粒径集中性更强,向两侧集中性相对分散。

(3)堆积区平面特征,横向上从沟口到堆积扇前缘粒径增大的趋势,曲线范围峰值逐渐变大,曲线范围峰值粒径百分含量逐渐增加,堆积区中部粒径集中性强,而沟口和堆积扇前缘则集中性相对较差。

(4)泥石流显示多期次堆积区特征,自上而下厚度逐渐增大,粒径与表层试验差别较大,垂向上粒径曲线范围峰值主要为10～20 mm,具有较好的集中性。

平面上和垂向上泥石流堆积区表观和实际取样试验结果差别较大,平面单期次上需继续对不同降雨量下和不同坡降下平面堆积特征和不同位置上垂向多期次进行进一步研究。如何建立泥石流形成区堆积区粒径与堆积区粒径之间的关系，在保持原始状态下对堆积区多期次垂向粒度特征、各期次间相互影响及每期次与降雨量之间的关系值得研究者思考。