云南北部山区高位泥石流流体重度研究＊

肖经光，郑 庭

（中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

云贵高原向青藏高原过渡的地形急变区内产生了一种“特殊”的地质现象—高位泥石流，它具有物源量丰富、分布位置相对高程差大、沟床纵坡比降大等特点[1]，这类泥石流暴发隐蔽性强、破坏性大，作为泥石流工程设计的特征值之重度值难以准确确定，目前泥石流重度主要依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）附录F 中的现场调查试验法和形态调查法确定，两种方法均需亲自目睹过泥石流暴发或受过灾害的村民进行描述得出泥石流流体特征。此特征描述与实际相悖，因慌乱奔跑中能清晰观察流体特征的目击者甚少。本研究对云南北部山区德钦一中河泥石流及宣威对门山泥石流流体重度进行了定量计算研究，对泥石流治理工程设计中的重度特征值判别具有一定的指导意义[2-3]。

1 德钦一中河泥石流堆积物特征

一中河流域总面积3.33km2，形态呈倒三角形状，流域海拔高差1474m，主沟总长2030m，沟谷平均纵坡249.3‰～531.7‰，沟谷呈“V”字型和深“V”字型幽谷；区域多年平均降雨量为645.9mm，一日最大降雪厚70cm。主沟上游地形陡峻，崩滑剥落区发育，地表多裸露岩石，沟岸坡面顺直，降雨汇集迅速呈“漏斗”状汇集于沟谷内，易形成洪流，冻融作用、旱季风化下崩滑、滚落至沟内的松散物在来势猛烈的水（泥）流激发下，泥石流瞬间促成[4]。

流域区汇水面积虽小，但沟床纵坡陡峻顺直，在稍具规模的降雨条件下，即可激发泥石流形成；上游区泥石流启动形成下泄对沟槽内松散堆积物进行揭底拉槽，冲至214 国道附近，流体特征主要表现为粘滞性高、流速低的特点。根据泥石流颗分试验，粒径在20～200mm 占63%，最大粒径在1500mm，一般块径30～40cm，次棱角状，粒径小于0.25mm 的占9%。堆积物颗粒分析成果见表1,如图1 所示。

表1 一中河泥石流堆积物颗粒分析成果表（%；粒径：mm）

图1 一中河泥石流颗粒级配曲线

2 宣威对门山泥石流堆积物特征

对门山河泥石流沟汇流面积0.42km2，主沟道长约1km，高差约565m。流域上游地形陡峻，坡度达45°，基岩裸露，地层以玄武岩为主，底部含有锰质角砾岩，受构造影响，岩体节理裂隙发育，完整性较差。第四系以来一直发生崩塌，产生的碎块石堆于下方缓坡地带。加之上游曾有采矿活动，采矿后的弃渣随意堆放于矿洞周边斜坡，物源丰富。主沟上游从崩塌堆积区通过，受洪水侵蚀切割，沟谷岸坡陡立，雨季洪水冲蚀坡脚，两岸的崩塌堆积层产生滑坡或持续坍滑，成为泥石流的主要物源[5]。

根据现场对对门山泥石流沟沟谷形态、坡降及沟内松散物源的调查统计分析表明，将对门山泥石流流域划分为形成区、流通区及堆积区。沟谷源头段及中上游斜坡段为形成区，中下游段为流通区，下游村庄段为堆积区，叙述如下：

（1）形成区

对门山泥石流沟形成区包括沟谷源头附近的陡坡区及下方斜坡地带，全区均有不同程度的物源补给，所以全部均为物源区，未划分清水亚区，面积约0.41km2。

沟谷源头附近为陡坡区，地形坡度30°～50°，基岩大面积裸露，植被发育较差，沟谷切割浅，谷底狭窄，出露二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2β）玄武岩，沟底及斜坡多见基岩出露，节理及风化裂隙发育，浅层岩体破碎，岩块易剥落。该区内第四系以来一直持续产生崩塌、滚石等，堆于下方斜坡地带，成为泥石流的重要物源。

形成区斜坡地带地形坡度25°～35°，有崩坡积层分布，成分主要为块石、碎石，其间有砂土及黏性土充填，松散，块石及碎石呈棱角状，成分为玄武岩，粒径多为0.05～0.6m，少量可达2～3m，系后侧斜坡崩塌堆积形成。该段斜坡地带还分布有2 个废弃矿洞，堆积有采矿弃渣。

形成区内主沟纵坡550‰～880‰，沟谷切割深2～20m，沟底宽多为2～8m，两岸坡度25°～50°，局部陡立。两岸坡多为松散的崩坡积物，在沟谷狭窄地段，水流的侧蚀作用极强，洪水冲蚀坡脚，造成岸坡陡立，崩坡积层产生坍塌或滑坡，加之该区分布有采矿弃渣，雨季在雨水带动下进入沟内成为泥石流最重要的物源。

（2）流通区

流通区为对门山泥石流沟中下游段，该区地形坡度介于15°～25°，沟床纵坡降210‰～370‰，沟谷呈“V”形，沟谷切深2～8m，沟底宽5～15m。该段两岸及沟底分布崩坡积层，厚1～6m，岸坡总体稳定性较好。该段沟谷侵蚀作用较弱，最大块石粒径达1.5m，系洪水冲刷后揭露的崩坡积层块石。泥石流除在本段流通外，有时也有少量堆积，堆积厚度0.5～3m，泥石流堆积物具有逐次向下游推移之特点，这些堆积物往往又是下次泥石流的重要补给物源。

（3）堆积区

泥石流堆积区为对门山泥石流村庄段，堆积区沟谷长约150m，宽2～13m，面积约1000m2。对门山泥石流沟2016 年发生泥石流时，村委会组织村民在堆积区及流通区清淤约2000m3，该区泥石流堆积物主要为块石、碎石、角砾及砂土混杂堆积，有少量黏性土细颗粒充填，松散，分选差，磨圆度差，呈棱角状，碎块石成分主要为玄武岩，一般粒径0.05～0.6m，层厚0.5～2.2m。该区的特点是地形平缓，有村寨坐落，泥石流大量堆积，容易致（成）灾，对门山村位于本区范围内，本村的生命和财产安全受泥石流严重威胁。

形成区上游地形较陡，植被覆盖差，基岩裸露，地表降水不易下渗，迅速汇集至沟道内，具有山区洪流的特点，洪水形成时间短，瞬间水动力较强，利于泥石流发生；在形成区中下段谷底狭窄，两岸均分布大量的崩坡积层碎块石，洪水冲蚀岸坡坡脚，造成两岸崩坡积物产生塌岸，进入沟道内，参与泥石流活动，局部地段岸坡较高且陡，沟岸坍滑规模较大，由于沟谷狭窄，滑坡堵塞沟道，形成小堰塞后溃决，大量洪水迅猛而下，引发泥石流；流通区沟底有老的冲洪积物堆积，发生大洪水及泥石流时，沟底松散物会参与到泥石流活动中。

流域内泥石流堆积物总体上土石比低，并表现为由上游向下游细颗粒逐渐增多的趋势。土石比小，说明泥石流启动的固体物质以碎块石为主，水动力条件较强，细小颗粒特别是沟道浅表的细小颗粒绝大部分被洪水带走，而将粗颗粒物留于沟道内所致。

堆积物由下游向上流颗粒逐渐变大，以碎石、块石为主，粒径多为0.02～0.6m，细颗粒相对较少。分选差，呈棱角状，混杂堆积，粒径多大于2cm，占60%以上，最大粒径约1.0m。

泥石流堆积区取土样进行了颗粒分析，清除0～0.5m 的表土，在0.5～1.0m、1.0～2.0m 深度各取样约200kg，进行现场筛分试验，得出粒径>20mm 的各级颗粒重量，并计算含量百分比；＜20mm 的颗粒，则现场称其总重量，然后取样回试验室进行颗分试验，并结合试验成果计算其含量百分比，其结果见表2，如图2 所示。

图2 对门山泥石流颗粒级配曲线

表2 对门山泥石流堆积物颗粒分析成果表 （%；粒径：mm）

3 确定泥石流重度的方法

3.1 现场调查试验法

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）附录F.1 公式确定：

式中:γc—泥石流流体密度，（t/m3）；

Ga—泥石流总质量，（t）；

V—泥石流总体积，（m3）。

3.2 泥石流容重计算余斌公式

泥石流堆积物中借助>2mm 和<0.05mm 的粗颗粒和细颗粒百分含量计算泥石流的容重可以得到更好的相关性［4］:

式中:γc—泥石流流体密度，（t/m3）；

P2—粒径＞2mm 的黏粒含量，以小数计。

3.3 泥石流容重计算杜榕桓公式

>2mm 的颗粒在泥石流体中代表粗颗粒,在黏性泥石流(>1.8g/cm3)中,<2mm 的颗粒的含沙量基本保持不变,即随容重的增大,<2mm 的颗粒的百分含量随之减少,>2mm的粗颗粒的百分含量随之增加,因此有泥石流容重与>2mm 的粗颗粒的百分含量关系的经验公式[5]

式中:γc—泥石流流体密度，（t/m3）；

P2—粒径＞2mm 的黏粒含量，以小数计；

γH—泥石流中固体物质比重，（t/m3）。

3.4 泥石流容重的计算

采用现场调查试验法计算出的泥石流容重较公式计算出的泥石流容重具有较好的一致性。

表3 泥石流容重计算成果表（t/m3）

4 结论

通过对云南北部山区德钦县一中河及宣威对门山泥石流堆积物颗粒分析，确定泥石流容重结合《规范》中的现场调查试验法、余斌公式及杜榕桓公式计算出的泥石流容重具有较好的一致性，对于确定云南山区泥石流流体重度有一定的借鉴意义。