冰磧湖潰決型泥石流演化過程試驗研究

黨 超， 褚娜娜

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點試驗室, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

冰磧湖潰決型泥石流演化過程試驗研究

黨 超1,2， 褚娜娜1,2

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點試驗室, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

摘要：[目的] 分析冰湖潰決型泥石流演化過程中運動參數(shù)的變化特征，為冰湖潰決型泥石流的防治提供理論依據(jù)。 [方法] 采用水槽試驗，探討冰磧湖潰決型泥石流形成和演化過程。 [結(jié)果] 冰磧湖潰決泥石流屬于典型的水力類泥石流；根據(jù)水沙兩相流容重的變化，冰磧湖潰決型洪水演化為泥石流的過程可以概括為挾沙水流—泥石流—挾沙水流的演變，相對應(yīng)的泥石流的粒徑從粉砂到礫石，再到粉沙的變化過程；泥石流容重越大，一次泥石流過程中顆粒粒徑越粗。從不同組次的試驗結(jié)果來看，冰磧湖潰決泥石流粒徑與其容重也存在正相關(guān)關(guān)系。 [結(jié)論] 泥石流的運動和演化過程本質(zhì)上取決于冰磧湖潰決型洪水功率和溝床堆積物的粒徑特征。

關(guān)鍵詞：冰磧湖潰決型洪水; 泥石流; 演化過程; 試驗

自最后一次小冰期以來，由于冰川的持續(xù)退縮，在冰川的上部以及前部形成了許多不同類型的冰磧湖。近100 a來，由于氣候變暖趨勢加劇，導(dǎo)致分布在各大陸的海洋性和大陸性冰川強烈消融后退，冰磧湖也變得異常不穩(wěn)定，冰磧湖潰決事件發(fā)生的頻率明顯增高[1-3]。再則，由于人類活動不斷地向高山地區(qū)擴張和冰磧湖潰決事件的難以預(yù)見性，使得冰磧湖潰決帶來的危害變得異常嚴重。世界各地爆發(fā)的冰磧湖潰決事件充分證明了冰磧湖潰決引發(fā)的洪水或泥石流的巨大破壞力。例如，1981年聶拉木樟藏布冰磧湖潰決，摧毀了部分中尼公路及橋梁基礎(chǔ)設(shè)施[4]；1982年定結(jié)縣金錯冰磧湖潰決，淹沒了8個村落、大片農(nóng)田及牲畜[5]；1983—1985年培龍溝連續(xù)3 a爆發(fā)冰崩湖潰決，形成特大規(guī)模的泥石流，并完全堵塞帕隆藏布；1988年米堆溝光謝錯發(fā)生潰決，形成了最大流量達1 027 m3/s的稀性泥石流[6]。

我國西藏地區(qū)分布有大量冰磧湖，主要分布在帕隆藏布，朋曲以及年楚河等雅魯藏布江支流流域，瀾滄江和金沙江流域也有冰磧湖分布[2-3，7-8]。這些冰磧湖，基本位于海拔4 000 m以上的高山和極高山地區(qū)，很難及時地對冰磧湖水位進行觀測和冰磧湖潰決的預(yù)警，冰磧湖一旦發(fā)生潰決，極可能形成大型泥石流，對下游的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅。而且，大規(guī)模的冰磧湖潰決支溝泥石流入?yún)R主河后，常形成大規(guī)模的土石壩，堵塞主河，造成上游地區(qū)被淹沒；主河堆積土石壩潰決后，又形成強大的潰決洪水，對下游地區(qū)造成難以估量的次生災(zāi)害。因此，研究冰磧湖潰決以后泥石流的形成和演化過程對于認識這種特殊的災(zāi)害類型十分必要。

1冰磧湖潰決泥石流形成試驗

由于泥石流模型試驗的相似性還存在許多難以解決的問題，特別是模型砂的相似性問題，如果按照模型比例縮放，會使模型砂的黏粒含量過大，模型砂的性質(zhì)與原型將有很大不同，也不符合冰磧湖潰決泥石流各種物源的特性。本試驗旨在探討冰磧湖潰決洪水演化為泥石流的過程以及冰磧湖潰決泥石流運動的一般規(guī)律，并不對特定溝道原型進行試驗，因此未考慮試驗的相似性問題。

1.1　試驗砂的配制

試驗砂的配制主要參考米堆溝各種松散物源以及光謝錯1988年潰決時形成的泥石流堆積物的級配特征[9]。在進行試驗砂配置時，選取了4種不同松散物源樣品，即泥石流堆積物、終磧堤、崩坡積物、冰水堆積物4種類型的堆積物。在考慮顆粒級配連續(xù)性和分形相似的基礎(chǔ)上，選擇粒徑小于2 cm的部分配制模型砂，分別對應(yīng)于級配1到級配4(圖1)。為了在試驗中能夠更好地觀測松散顆粒的啟動和運動過程，對不同粒徑組的泥沙顆粒分別進行染色處理。

圖1　試驗砂級配圖(D50為試驗砂中值粒徑)

1.2　試驗裝置

試驗裝置由三部分組成，即供流系統(tǒng)，試驗水槽和集水池。供流系統(tǒng)由蓄水池、閘門以及前部引流過渡段組成。其中蓄水池寬1 m，長1 m，高0.5 m，最大蓄水庫容500 L；蓄水池前端設(shè)置閘門，用以流量控制；閘門前部設(shè)置長25 cm的緩沖段，防止在試驗開始前，閘門漏水從而影響水槽內(nèi)堆積物的性質(zhì)。試驗水槽長4 m，寬0.2 m，高0.3 m，坡度可以在0°~9°之間任意調(diào)節(jié)。兩側(cè)為鋼化玻璃，以便試驗觀測。水槽前端與供流系統(tǒng)的緩沖段相連，末端與集水池相接，并將接口處用瀝青或黏土封閉，防止漏水現(xiàn)象的發(fā)生?？紤]到米堆溝泥石流的物源主要來自冰川U型谷兩側(cè)的各種冰磧物、坡積物及古泥石流堆積扇，試驗砂在試驗水槽內(nèi)的鋪設(shè)時，首先在槽底均勻鋪設(shè)10 cm厚的試驗砂，其上采用倒石堆的形式堆積，高度為20 cm，寬度為15 cm，長度為35 cm。泥石流形成和運動的相關(guān)數(shù)據(jù)均在水槽末端進行測量。集水池長1 m，寬1 m，高1 m，與水槽相接處開一高0.5 m，寬0.22 m的開口，以便水槽與集水池的連接；集水池使用磚砌成，內(nèi)貼測量米尺，以便測量洪水過程。

1.3　泥石流的臨界體積比濃度

國內(nèi)外一般通過水沙兩相流的混合容重或固體顆粒的體積比濃度，以及固體顆粒得級配來區(qū)分泥石流與高含沙水流，泥石流的容重要大于挾沙水流，而且表現(xiàn)出寬級配的特征。通過大量野外泥石流的觀測分析，泥石流的底限容重γm在1.2~1.5 t/m3之間，體積比含沙量Sv在0.12~0.29之間[10-11]。根據(jù)對我國西南地區(qū)以及西北地區(qū)的泥石流的觀測資料，一般把體積比濃度容重為Sv=0.18，或者γm=1.30 t/m3作為泥石流的底限容重，而小于這個容重一般都認為是挾沙洪水。因此通過上面的分析，在本文的試驗以Sv=0.18為冰磧湖潰決泥石流形成的下限濃度。

2冰磧湖潰決泥石流運動形態(tài)類型

黏性泥石流多為陣性流[6]，而冰磧湖潰決泥石流的運動形態(tài)類型屬于單峰連續(xù)流，例如第5組的5次試驗，潰決洪水體積V分別為50，70，90，110和130 L，J=(溝道坡度)0.122，D50=3.163 mm，潰決洪水與泥石流流量過程以及輸沙過程如圖2所示。從圖2可以看出，冰磧湖潰決泥石流的流量和輸沙過程隨著潰決洪水流量的變化而不斷的變化，都呈單峰形態(tài)。這與我國其他地方爆發(fā)的降雨型稀性泥石流類似，例如1978年7月21日云南大盈江渾水溝爆發(fā)的泥石流和1978年5月22日四川涼山黑沙河爆發(fā)的泥石流，其流量過程線均為連續(xù)的單峰值型[12]。

圖2　冰磧湖不同潰決洪水流量(V)時泥石流流量及輸沙過程

冰磧湖潰決泥石流的這種運動形態(tài)與其形成的水源、物源以及溝道條件是密切聯(lián)系在一起的。從水源條件上看，一般來講冰磧湖潰決過程線為單峰連續(xù)流，因此水流提供給泥沙啟動的能量以及能量的耗散也是一個連續(xù)的過程，其具體的表征就是潰決洪水連續(xù)的輸沙過程；從物源條件上看，不論是終磧堤還是溝道內(nèi)的崩坡積物其黏粒含量很低，因此泥石流漿體的結(jié)構(gòu)力和黏滯力非常的小，通過類比大盈江稀性泥石流[12]，試驗中所有組次漿體的靜切力都小于0.5 Pa，黏度小于0.003 Pa·s，達到結(jié)構(gòu)流體的特征；再則，冰川U型谷由于冰川的侵蝕作用形成，溝道比較順直，很少產(chǎn)生由于溝道的變化產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象。

3冰磧湖潰決泥石流的運動演化特征

以體積比濃度Sv=0.18作為判別泥石流和挾沙水流的臨界條件，則冰磧湖潰決洪水始于挾沙洪水再演變?yōu)槟嗍?，最后又逐漸過渡到挾沙洪水。根據(jù)泥石流容重的變化，可大致將泥石流過程分為：前期挾沙水流，中期連續(xù)泥石流(稀性泥石流或水石流)，后期挾沙水流3個階段，這與野外觀測到得結(jié)果是完全一致的[13]。

固體物質(zhì)組成直方圖表明(圖3)，當Sv<0.18時，顆粒組成呈單峰型，符合一般挾沙水流的正態(tài)分布規(guī)律；泥石流中值d50粒徑較小，流體中的固體物質(zhì)主要是小于0.01~0.5 mm的顆粒。當Sv>0.18時，粗沙和礫石的含量明顯增大，同樣出現(xiàn)單峰的特征，與黏性泥石流的雙峰型有很大的差別[14]。在泥石流運動的后期，由于水流攜沙力的減小，大顆粒不斷的停積下來，水沙混合兩相流又轉(zhuǎn)變?yōu)閿y沙水流，其組成物質(zhì)也以細顆粒為主。從一次冰磧湖潰決泥石流運動演化過程中粒徑的變化來看，隨著容重的增大，最粒徑從粉砂向礫石方向移動，容重與固相粒徑組成呈正相關(guān)關(guān)系。

3.1　冰磧湖潰決泥石流容重與機械組成

冰磧湖潰決泥石流由水和泥沙兩部分組成，泥沙顆粒囊括了包括土粒的各級粒徑，不均勻系數(shù)很大。在一次冰磧湖潰決泥石流過程中，隨著泥石流容重的增大，泥石流的粒徑組成從粉粒—砂?！[石變化，即泥石流容重越大，其顆粒組成越粗。那么對于不同容重的多次泥石流，此結(jié)論是否成立，如果以泥石流中值粒徑d50來表征泥石流固體顆粒的機械組成，可以得出泥石流容重與d50的關(guān)系(圖4)。從圖4中可以看出，不同組次形成的不同容重的泥石流，容重越大，其顆粒組成越粗。其中，以試驗砂D50=3.163 mm時為例，泥石流最大容重γmp與固體顆粒中值粒徑(d50)的關(guān)系可以表示為：

(1)

圖3　一次冰磧湖潰決泥石流過程中粒徑組成

這與蔣家溝黏性泥石流的容重—中值粒徑關(guān)系類似[15]，但是在同一容重下，試驗中冰磧湖潰決泥石流的顆粒組成明顯的要粗于蔣家溝泥石流。另一方面，當試驗砂的粒徑組成不同時，泥石流容重與中值粒徑關(guān)系明顯的出現(xiàn)很大的差異，這也說明冰磧湖潰決泥石流的機械組成與溝道內(nèi)松散物源的級配特征密切相關(guān)。雖然對于類似于蔣家溝黏性泥石流，可以通過泥石流的機械組成來確定其容重，但是對于冰磧湖潰決泥石流這種黏粒含量很少的稀性泥石流來說，利用該種方法確定其容重是不準確的。

圖4　泥石流中值粒徑與容重關(guān)系

3.2　冰磧湖潰決泥石流機械組成的影響因素

冰磧湖潰決泥石流的形成受到潰決洪水功率以及堆積物級配特征的影響，因此泥石流的機械組成作為泥石流形成和演化過程中非常重要的特征參數(shù)，勢必直接受制于上述兩個參數(shù)。

潰決洪水峰值功率(Wop)為：

Wop=γqpJ

式中：J——溝道坡度，qp——單寬峰值流量，γ——水的容重，其物理意義為一次潰決洪水可提供給泥沙啟動的最大能量。從圖5可以看出，冰磧湖潰決泥石流中值粒徑隨潰決洪水峰值功率增大而增大，以試驗砂D50=3.163 mm時為例，兩者的關(guān)系可以表示為：

d50=0.366(γqpJ)0.53(R2=0.92)

(2)

圖5　泥石流中值粒徑與峰值功率的關(guān)系

但是當溝床鋪砂級配不同時，在同一潰決洪水功率下，形成的泥石流的中值粒徑有所不同。為了能夠表征潰決洪水特征對泥石流機械組成的影響，可以定義無量綱參數(shù)d50/D50，其物理意義為溝床鋪砂與泥石流機械組成的相關(guān)程度。通過試驗數(shù)據(jù)的分析，d50/D50與潰決洪水之間的關(guān)系可以表示為：

R2=0.81

(3)

式中：g——重力加速度； K——泥石流形成因素，K值越大越容易形成泥石流，反之既然。

從圖6可以看出，冰磧湖潰決泥石流的機械組成受到潰決洪水特征以及溝床鋪砂的影響。值得注意的是，部分試驗中泥石流機械組成的中值粒徑要大于溝床鋪砂的中值粒徑，即出現(xiàn)d50/D50>1的情況，其主要原因在于在潰決洪水達到峰值流量前，由于流量相對較小，大部分的細顆粒物質(zhì)被沖刷，堆積物表面粗化，使得溝床堆積物整體變粗；當流量達到峰值時，大部分較粗的顆粒啟動并參混至泥石流中，使得其中值粒徑比溝床鋪砂要大。

圖6　試驗中d50/D50-K的關(guān)系

4結(jié) 論

從冰磧湖潰決泥石流形成的模式來看，屬于典型的水力類泥石流。冰磧湖潰決泥石流一般黏粒含量很少，為單峰值連續(xù)流；在一次泥石流過程中，容重、流量過程與潰決洪水過程非常匹配。根據(jù)泥石流容重的變化，可大致將泥石流過程分為：前期挾沙水流，中期連續(xù)泥石流(稀性泥石流或水石流)，后期挾沙水流；對應(yīng)的泥石流的粒徑從粉砂到礫石，再到粉沙的變化過程。冰磧湖潰決泥石流粒徑與其容重存在正相關(guān)關(guān)系，同樣取決于冰磧湖潰決洪水功率和溝床堆積物的粒徑特征。

冰磧湖潰決及其引發(fā)的泥石流往往會造成極為嚴重的災(zāi)害，但是由于冰磧湖常常是位于高海拔地區(qū)，加之冰磧湖潰決的突然性，目前有關(guān)于冰磧湖潰決泥石流形成和演化的相關(guān)資料非常的匱乏，通過試驗的手段研究冰磧湖潰決以后泥石流的形成和演化規(guī)律，對于完善泥石流的相關(guān)理論以及防災(zāi)減災(zāi)都有非常重要的意義。

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Experimental Study on Evolution of Debris Flow Induced by Moraine Lake Outburst Floods

DANG Chao1,2, CHU Nana1,2

(1.KeyLaboratoryofGeologicalHazardsonThreeGorgesReservoirArea,MinistryofEducation,Yichang，Hubei443002,China; 2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ThreeGorgeUniversity,Yichang，Hubei443002,China)

Abstract：[Objective] Studying the characteristics of motion and evolution parameters of debris flow induced by glacier lake outburst floods(GLOFs) in order to provide countermeasures for debris flows prevention of this type. [Methods] Base on flume tests, the formation and evolution of debris flow due to moraine lake outburst floods were studied. [Results] The debris flow evolved from GLOFs was attributed to hydraulic reasons, the forming process could be divided into 5 phases. According to unit weight of water-sediment flow, the evolution process of debris flow could be summarized by successive sediment-laden flow, debris flow, sediment-laden flow. Correspondingly, The grain sizes of debris flow evolved from silts to gravels, and to silts in sequence. The outcomes from different sets of the test also showed that the grain sizes of the debris flow positively correlated to the unit weigh of the debris flow. [Conclusion] The motion processes of debris flow depend both on the hydraulic power of the GLOFs and on the grain sizes of bed materials.

Keywords:glacier lake outburst flood; debris flow; evolution process; experiments

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0029-05

中圖分類號：P642.23

收稿日期：2014-08-24修回日期：2014-09-15

資助項目：湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃優(yōu)秀中青年人才項目“滑坡堰塞壩潰決預(yù)測模型的不確定性和非線性研究”(20151207)

第一作者：黨超(1982—),男(漢族),山東省滕州市人,博士,講師,主要從事山地災(zāi)害形成機制研究。E-mail:dangchao1982@126.com。