粘性泥石流扇狀地發(fā)展過程實驗研究*

柳金峰，歐國強，游勇

(1．中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川成都610041;2．中國科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041)

0 前言

泥石流是一種飽含大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體，呈粘性層流或稀性紊流等運動狀態(tài)，是各種自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果［1－2］。泥石流的危害方式主要有沖毀、淤埋等，其中堆積區(qū)的淤埋危害是泥石流造成危害的主要方式之一，其危害對象主要有鐵路、公路、車站、城鎮(zhèn)、工廠、礦山、村寨和水利設(shè)施等。如2010年8月8日，甘肅省舟曲縣城區(qū)三眼峪、羅家峪兩溝同時暴發(fā)特大泥石流災(zāi)害，泥石流淤埋溝口大量建筑，造成1 501人死亡、264人失蹤［3］;2010年8月13日，四川省綿竹縣清平鄉(xiāng)因暴雨引發(fā)成群山洪泥石流，文家溝泥石流輸移泥石流體約450萬方，堵塞了綿遠(yuǎn)河，淤埋清平場鎮(zhèn)，造成9人遇難、3人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失約4.3億元［4］。

泥石流扇狀地是泥石流堆積作用的最終產(chǎn)物，其形成是很復(fù)雜的，它是流體性質(zhì)、地形變化、流態(tài)等要素綜合作用的結(jié)果［5］。在一定的地形地貌條件下，泥石流堆積過程的力學(xué)作用控制了泥石流扇狀地的堆積坡度和平面形態(tài)發(fā)育，同時由于發(fā)育歷史、地貌形態(tài)、外力方式、物源組成、成因類別、人類活動等方面的不同，又使扇狀地形成各種不同的類型［6］。目前國內(nèi)外對于泥石流扇狀地的研究，其研究方法主要包括野外考察綜合分析方法［7－9］、室內(nèi)實驗方法［10－13］和數(shù)值模擬［14－15］的方法，對泥石流扇狀地的地貌形態(tài)、堆積泛濫等進(jìn)行了研究，而較少對泥石流扇狀地發(fā)展過程進(jìn)行較為系統(tǒng)的定量分析和總結(jié);崔之久曾將泥石流在溝口的扇狀堆積過程描述為［16］:泥石流沖出溝道后，原來的溝道消失，進(jìn)入開闊堆積場所的泥石流一面橫向擴(kuò)散，一面減速，逐漸停止移動;流體首先取道正對溝口的堆積扇軸部發(fā)生堆積，沿流向形成條帶狀或舌狀的微起伏，后續(xù)流則有取道原始下墊面縱坡較緩的堆積體軸部兩翼漫流堆積，兩翼淤高后，主流又回到軸部堆積，如此循環(huán)往復(fù)?？梢?，泥石流在溝口形成扇狀堆積具有明顯的階段性，本文通過室內(nèi)模擬實驗，對泥石流扇狀地發(fā)展過程的階段性進(jìn)行分析和探討。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗裝置包括料斗、水槽、堆積板和物料回收池四大部分(圖1)。料斗:長50 cm，寬40 cm，高85 cm，可裝載泥石流體約0.1 m3;水槽:為一內(nèi)寬20 cm、內(nèi)高30 cm、有效流動長度為300 cm的鋼架結(jié)構(gòu)，側(cè)面為鋼化玻璃便于觀測。水槽的坡度調(diào)節(jié)范圍為0～20°;堆積板:為一長300 cm、寬180 cm的矩形鋼架結(jié)構(gòu)，表面以平整的木板作為堆積平面;物料回收池:位于堆積板末端，為一長200 cm、寬80 cm、高15 cm的磚砌矩形池。每次實驗完成后，將物料清掃入回收池進(jìn)行沉淀、回收。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 實驗物料

蔣家溝是典型的泥石流流域，位于云南省的北部東川，系長江上游金沙江一級水系小江右岸的一條支流，實驗物料來源于蔣家溝溝口附近溝道內(nèi)采集回來的泥石流原樣，泥石流原樣級配很寬，包含了粘粒、粉粒、砂礫和礫石等組分，本實驗物料最大粒徑為10 mm(圖2)。

圖2 實驗物料顆粒級配圖

1.3 實驗內(nèi)容及參數(shù)定義

實驗設(shè)計為連續(xù)堆積，即后一次在前一次堆積的基礎(chǔ)上堆積，實驗設(shè)定每次的泥石流總量V相等(都為5 000 cm3)。本研究共開展了不同泥石流容重、不同堆積區(qū)坡度條件、不同水槽坡度條件的泥石流連續(xù)堆積實驗共3組106次實驗。具體實驗條件的設(shè)定見表1。

表1 實驗條件設(shè)計表

圖3中定義了泥石流堆積扇的相關(guān)參數(shù)。X軸為橫斷面方向的坐標(biāo)，Y軸表示堆積板中軸線方向的坐標(biāo)，Z軸表示堆積厚度;B表示任意橫斷面的寬度，Bmax表示扇狀地最大堆積寬度;Lc表示中軸線方向的堆積長度，在堆積區(qū)對稱的情況下，即為最大堆積長度;Zc表示橫斷面中心線的堆積厚度，Z0表示水槽出口中點的堆積厚度;θu表示水槽的坡度，θd表示堆積區(qū)的坡度;λ表示在堆積寬度B在最大時(Bmax)的橫向平均堆積坡度(以下簡稱橫斷面平均堆積坡度)，γ表示在最大堆積長度方向縱斷面上平均堆積坡度(以下簡稱縱斷面平均堆積坡度)。

圖3 相關(guān)參數(shù)定義

2 粘性泥石流扇狀地堆積范圍發(fā)展過程實驗結(jié)果分析

為了探討泥石流扇狀地的發(fā)展過程，以表1中的B2組連續(xù)多次粘性泥石流堆積實驗來探討泥石流扇狀地的發(fā)展過程。本組實驗共進(jìn)行了15次，每一次都是在前一次形成的扇狀地的基礎(chǔ)上進(jìn)行堆積。泥石流扇狀地的發(fā)展過程可用此組第1、6、10、15次泥石流停止運動后的照片說明，如圖4所示，照片是在堆積區(qū)正上方所拍攝，照片中的堆積板上以黑色油漆筆標(biāo)上長寬均為10 cm的網(wǎng)格以便于測量和觀察。

將此組實驗15次泥石流扇狀地縱向、橫向的平均堆積坡度點繪如圖5所示，結(jié)合堆積形狀圖(圖6)。以扇狀地縱向、橫向的平均堆積坡度比(k=γ/λ)等于1為依據(jù)，將此組泥石流扇狀地的發(fā)展過程分為三個階段?，F(xiàn)將此三個階段扇狀地發(fā)展過程的特征分析如下。

2.1 第一階段扇狀地發(fā)展過程特征

第一階段(第1次～第6次)中，泥石流扇狀地的最大堆積長度(Lc)、最大堆積寬度(Bmax)和堆積面積(S)都隨著流出總方量(Vi)的增加而呈對數(shù)增加(圖7)。這里的對數(shù)增加并不是指每次泥石流的流出長度都比前一次長，實際上后一次泥石流的流出長度總是比前一次要短，之所以最后每次的堆積長度都在增加的原因是后一次泥石流將前一次泥石流的堆積前端向前擠動的結(jié)果(從圖4中第6次照片可以看出，扇狀地表面有明顯的每次的清晰界限)。此階段泥石流扇狀地的中軸線方向的發(fā)展速度約為14.9 cm/次，最大堆積寬度的發(fā)展速度約為17.89 cm/次，堆積面積的發(fā)展速度為1 522 cm2/次。

圖4 粘性泥石流扇狀地發(fā)展過程實驗照片

圖5 粘性泥石流扇狀地發(fā)展階段劃分圖

圖6 粘性泥石流扇狀地平面形態(tài)發(fā)展圖

圖7 第一階段最大堆積長度Lc、最大堆積寬度Bmax、堆積面積S與泥石流流出總量Vi關(guān)系圖

對圖7中Lc、Bmax、S與Vi的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下:

以第一階段6次實驗形成的泥石流扇狀地在橫斷面上和縱斷面上的平均堆積坡度點繪如圖8所示。從圖中可以看出，在扇狀地發(fā)展的第一階段，泥石流扇狀地在縱、橫斷面上的平均堆積坡度都隨沖出總量的增加而呈線性增加，圖中所示，此階段縱向的平均堆積坡度大于橫向的堆積坡度，泥石流主要沿縱向坡度較大的方向發(fā)展，而到了第7次，橫向堆積坡度(11.8%)大于縱向堆積坡度(11.4%)(圖5)，泥石流開始由縱向發(fā)展轉(zhuǎn)向橫向發(fā)展，此時，泥石流扇狀地的發(fā)展進(jìn)入第二階段。

圖8 第一階段橫斷面與縱斷面平均堆積坡度對比圖

2.2 第二階段扇狀地發(fā)展過程特征

第二階段(第7次～第10次)中，泥石流所形成的扇狀地的長度已經(jīng)不再增加，泥石流開始向橫斷面方向發(fā)展。在此過程中，泥石流出水槽口以后，沿縱斷面方向(Y軸)流動不久后即開始向橫斷面方向(X軸)分流增加扇狀地的寬度。當(dāng)寬度增加到一定程度后，兩側(cè)的泥石流沿著之前所形成的扇狀地的兩側(cè)邊緣流動(見圖4中第10次照片)。此后的泥石流出水槽口后，首先向縱斷面方向流動一定距離后便開始向兩側(cè)分流，當(dāng)寬度增加了一定程度后，泥石流繼續(xù)沿著之前所形成扇狀地的邊緣向前移動。

將第二階段扇狀地的最大堆積長度(Lc)、最大堆積寬度(Bmax)和堆積面積(S)與泥石流沖出總量的關(guān)系點繪如圖9所示。

圖9 第二階段最大堆積長度Lc、最大堆積寬度Bmax、堆積面積S與泥石流流出總量Vi關(guān)系圖

將圖9中Bmax、S與Vi的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下:

由結(jié)果可知，泥石流扇狀地發(fā)展過程的第二階段中，扇狀地的最大堆積長度不再發(fā)生變化，扇狀地的主要發(fā)展方向是在橫向上，此階段扇狀地的堆積寬度和面積都隨流出總量的增加而呈對數(shù)增加。此階段最大堆積寬度的發(fā)展速度約為11.0 cm/次，堆積面積的發(fā)展速度為約1 003 cm2/次。與第一階段相比，扇狀地堆積寬度和面積的發(fā)展速度要明顯小于第一階段。

以第二階段4次實驗形成的泥石流扇狀地在橫斷面上和縱斷面上的平均堆積坡度點繪如圖10所示。從圖中可以看出，在扇狀地發(fā)展的第二階段，泥石流扇狀地在縱、橫斷面上的平均堆積坡度都隨沖出總量的增加而呈線性增加。其中，在扇狀地的縱向上，泥石流出山口后，通過在堆積扇上段堆積調(diào)節(jié)其在縱向的堆積坡度，當(dāng)縱向堆積坡度(12.9%)調(diào)節(jié)到大于橫向堆積坡度(12.7%)時(圖5)，泥石流扇狀地進(jìn)入發(fā)展過程的第三階段。

圖10 第二階段橫斷面與縱斷面平均堆積坡度對比圖

2.3 第三階段扇狀地發(fā)展過程特征

第三階段(第11次～第15次)中，從第11次開始，泥石流流出水槽出口以后，仍然是在縱斷面方向流動不久后便開始分流向橫斷面方向發(fā)展，泥石流扇狀地的堆積寬度仍然在不斷的增加(最大堆積寬度的發(fā)展速度為2.95 cm/次)，但是增加的速度要明顯小于第二階段。在寬度增加到一定程度后，泥石流仍然沿著之前所形成的扇狀地的兩側(cè)邊緣流動，但是到達(dá)扇狀地中軸線后便不沿著其邊緣流動，而是沿著中軸線方向開始向縱向發(fā)展。第14次當(dāng)寬度發(fā)展一定后，仍然是沿著之前所形成的扇狀地的兩側(cè)邊緣流動，在到達(dá)扇狀地縱斷面中軸線后與另一側(cè)的泥石流匯合。第15次，泥石流出水槽口后，沿著縱斷面和橫斷面方向同時發(fā)展，將第一階段形成的扇狀地前端完全覆蓋后，繼續(xù)向下游發(fā)展(見圖4中第15次照片)。

將第三階段扇狀地的最大堆積長度(Lc)、最大堆積寬度(Bmax)和堆積面積(S)與泥石流沖出總量的關(guān)系點繪如圖11所示。

圖11 第三階段最大堆積長度Lc、最大堆積寬度Bmax、堆積面積S與泥石流流出總量Vi關(guān)系圖

將圖11中Lc、Bmax、S與Vi的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下:

從上述結(jié)果可知，第三階段泥石流扇狀地的發(fā)展又重新回到縱向上，其最大堆積長度、最大堆積寬度和堆積面積都隨泥石流流出總量的增加而呈對數(shù)增加，但堆積寬度的發(fā)展速度非常緩慢。第三階段雖然與第一階段的發(fā)展方向同是在縱向上發(fā)展，其不同之處在于第三階段的長度發(fā)展是由于泥石流出溝口后向兩側(cè)分流，沿第一階段堆積邊緣流動來發(fā)展其堆積長度。

以第三階段5次實驗形成的泥石流扇狀地在橫斷面上和縱斷面上的平均堆積坡度點繪如圖12所示。從圖12中可以看出，在扇狀地發(fā)展的第三階段，泥石流扇狀地在縱、橫斷面上的平均堆積坡度都隨沖出總量的增加而呈線性增加。扇狀地在縱向的平均堆積坡度大于橫向，其中第12～14次，縱橫向的平均堆積坡度相差不多(0.15%～0.4%)，泥石流沖出溝口后在沿縱向不斷向下游推進(jìn)，同時仍然還要向兩側(cè)分流，到第15次時，當(dāng)縱、橫向的堆積坡度之差調(diào)節(jié)到一定程度時(0.6%)，扇狀地的發(fā)展轉(zhuǎn)向以縱向發(fā)展為主。

圖12 第三階段橫斷面與縱斷面平均堆積坡度對比圖

3 結(jié)論

本文通過室內(nèi)實驗，定量地探討了粘性泥石流扇狀地發(fā)展過程的階段性及其特征;依據(jù)泥石流扇狀地在橫向、縱向上的平均堆積坡度，將粘性泥石流扇狀地的發(fā)展過程分為三個階段。第一階段為扇狀地快速發(fā)展階段，此階段扇狀地在堆積長、寬、厚和面積上都快速發(fā)展，此階段扇狀地在縱、橫向通過堆積來調(diào)節(jié)其坡度，當(dāng)橫向的堆積坡度調(diào)節(jié)到大于縱向的堆積坡度，泥石流扇狀地的發(fā)展進(jìn)入第二階段;第二階段以扇狀地橫向發(fā)展為主，此階段，扇狀地沿縱向不再發(fā)展，而主要以橫向發(fā)展為主，此階段扇狀地的平均堆積坡度橫向大于縱向，當(dāng)平均堆積坡度調(diào)節(jié)到縱向大于橫向時，扇狀地的發(fā)展進(jìn)入第三階段;第三階段以扇狀地縱向發(fā)展為主，此階段扇狀地在橫向上發(fā)展速度緩慢，扇狀地的主要發(fā)展方向以縱向為主。第三階段完成后，泥石流的發(fā)展過程又重復(fù)這三個階段的發(fā)展過程，如此循環(huán)往復(fù)。

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