小江流域不同巖性風(fēng)化物顆粒級(jí)配特征實(shí)驗(yàn)研究

張繼 ，韋方強(qiáng)，謝賢健，鮑志言

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072；2.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院,重慶 400714；3.內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)院,四川 內(nèi)江 641112)

小江流域不同巖性風(fēng)化物顆粒級(jí)配特征實(shí)驗(yàn)研究

張繼1，韋方強(qiáng)2，謝賢健3，鮑志言1

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072；2.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院,重慶 400714；3.內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)院,四川 內(nèi)江 641112)

松散固體物質(zhì)的顆粒級(jí)配決定著它的結(jié)構(gòu)和連接特征，影響著其力學(xué)性質(zhì)，是影響泥石流起動(dòng)的決定因素之一。以中國(guó)泥石流極為發(fā)育的小江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采集流域上、中、下游5個(gè)流域、9種巖石類型的48個(gè)隨高程變化的風(fēng)化產(chǎn)物樣品及5個(gè)典型泥石流溝的堆積樣品，采用篩析和激光粒度分析相結(jié)合的方法對(duì)各樣品進(jìn)行顆粒分析。選擇與泥石流起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的d50，Cu,Cc及粘粒含量4個(gè)指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系，系統(tǒng)分析了各類巖性對(duì)于各項(xiàng)指標(biāo)的差異規(guī)律，結(jié)果表明，對(duì)于各項(xiàng)指標(biāo)，各類巖性風(fēng)化物均差異顯著，且隨指標(biāo)不同，其級(jí)配特征差異規(guī)律顯著不同; 5個(gè)典型流域泥石流堆積物在各項(xiàng)級(jí)配特征指標(biāo)上均具有較好的一致性。d50,Cu,Cc及粘粒含量所構(gòu)建的指標(biāo)體系能較為客觀、系統(tǒng)、合理的反應(yīng)各風(fēng)化產(chǎn)物的物理性質(zhì)，可為基于風(fēng)化物顆粒級(jí)配特征的泥石流對(duì)巖性的敏感性研究提供幫助。

風(fēng)化物；顆粒級(jí)配特征；實(shí)驗(yàn)研究；小江流域

0 引言

松散固體物質(zhì)的顆粒級(jí)配決定著它的結(jié)構(gòu)和連接特征，直接影響到維持其三維結(jié)構(gòu)的起動(dòng)靜切力和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分滲流與存在狀態(tài)，決定著其抵抗力的量值及其變化[1]，是影響泥石流起動(dòng)的決定因素之一[2-4]。

目前，基于物理特征的敏感性研究主要是從土體顆粒級(jí)配對(duì)土體滲透性及土體強(qiáng)度的影響角度進(jìn)行泥石流起動(dòng)機(jī)理探討。崔鵬[2]通過(guò)試驗(yàn)分析，認(rèn)為底床坡度、水分狀況和顆粒級(jí)配是影響泥石流起動(dòng)的決定因素；陳曉清[5]認(rèn)為對(duì)滑坡轉(zhuǎn)化泥石流過(guò)程中，土體細(xì)顆?？赡茈S含水量實(shí)時(shí)變化，并導(dǎo)致土體強(qiáng)度亦處于實(shí)時(shí)變化狀態(tài)，土體強(qiáng)度可以利用土體特征參數(shù)建立更為直接的表達(dá)式；美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局R．M．Iverson[6]通過(guò)大量室內(nèi)和野外試驗(yàn)，研究泥石流起動(dòng)時(shí)的土壤顆粒級(jí)配、粘粒含量、孔隙水壓力等土體內(nèi)部物理性質(zhì)的變化， 進(jìn)而通過(guò)監(jiān)測(cè)這種變化預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生；Emmanuel[3]認(rèn)為滑坡轉(zhuǎn)化泥石流的潛在可能性與細(xì)粒含量密切相關(guān)，從水力滲透角度看，含粉質(zhì)土比富粘粒土達(dá)到臨界孔壓狀態(tài)更為迅速。王裕宜[7]認(rèn)為顆粒級(jí)配是影響滲透系數(shù)的重要因素，土的滲透系數(shù)與土的顆粒級(jí)配和孔隙比存在一定的定量關(guān)系；鄒英[8]認(rèn)為顆粒級(jí)配由于影響滲透性，進(jìn)而影響空隙水壓、水流動(dòng)以及水土化學(xué)作用；賀拿[9]等實(shí)驗(yàn)表明泥石流源區(qū)礫石土顆粒級(jí)配分形特征與其滲透性呈顯著相關(guān)。土的顆粒級(jí)配對(duì)土體強(qiáng)度影響明顯，饒錫保[10]等試驗(yàn)表明礫石土強(qiáng)度隨粗顆粒含量的增加而增加，達(dá)到某一臨界時(shí)，粗顆粒含量增加強(qiáng)度反而減??；粗顆粒土中細(xì)顆粒含量的增加，強(qiáng)度減小，當(dāng)其含量達(dá)到某一臨界時(shí)，粗顆粒的接觸被細(xì)顆粒分開(kāi)，粗粒土逐步具有細(xì)粒土的特性。礫石土中細(xì)顆粒含量對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有明顯的影響，朱穎彥[11]認(rèn)為含泥量10%是影響礫石土工程性質(zhì)的界限；康志成[1]認(rèn)為粘性泥石流中粘粒含量大多在5%左右，卻給泥石流體和泥石流堆積物造成了在物理力學(xué)性狀的顯著差異。

這些研究就特定溝谷(點(diǎn))土體的級(jí)配特征對(duì)泥石流啟動(dòng)影響分析取得了較大成就，但對(duì)于不同巖性風(fēng)化土體的顆粒級(jí)配特征差異規(guī)律的綜合研究卻較少。該文選擇中國(guó)泥石流極為發(fā)育的小江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過(guò)對(duì)該區(qū)所出露的各種巖性風(fēng)化物的顆粒分析，探討其級(jí)配特征差異規(guī)律，以期為泥石流對(duì)巖性的敏感性分析提供幫助。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1．1 地形地貌

小江流域地處橫斷山東部邊緣地帶，受南北向貫穿全域的小江深大活動(dòng)斷裂影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，溝谷深切，侵蝕強(qiáng)烈，是我國(guó)泥石流發(fā)育的典型區(qū)域，其流域面積3044.4km2，干流141.93km。該流域現(xiàn)已查明的泥石流溝有140條，分布在東川(87條)、會(huì)澤(13條)和尋甸(40條)的19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)，泥石流溝流域面積1878.58km2，占小江流域總面積的61.73%[12]。

小江流域?qū)僦懈呱降孛矃^(qū)，南高北低，流域內(nèi)最低點(diǎn)海拔690m,最高點(diǎn)海拔4344m，流域地勢(shì)高差懸殊，相對(duì)高差達(dá)3654m，具有多級(jí)夷平面、山坡地、河流階地和泥石流堆積扇；其在東西向具有嶺谷相間，兩山夾一江的地貌特征。流域內(nèi)地形起伏多變，山坡陡峭，陡坡地眾多，流域內(nèi)>25°以上的陡坡地，占流域面積的60%以上[4]。

1．2 地層巖性

流域內(nèi)地層古老，出露較齊全，自元古界前震旦系至中生界侏羅系均有出露，出露巖性主要包括白云巖、灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、泥巖、板巖、千枚巖、玄武巖及第四系沉積等9種巖性(圖2)。其中白云巖主要出露于中游地區(qū)震旦紀(jì)燈影組地層；灰?guī)r主要出露于中游寒武紀(jì)及早二疊紀(jì)陽(yáng)新統(tǒng)地層；砂巖主要出露于小江上游和下游地區(qū)前震旦紀(jì)澄江組、石炭紀(jì)、三疊紀(jì)與侏羅紀(jì)地層；粉砂巖主要出露于小江上游和下游地區(qū)三疊紀(jì)與侏羅紀(jì)地層；泥巖主要出露于早寒武世、石炭紀(jì)、三疊紀(jì)與侏羅紀(jì)地層；板巖與千枚巖主要出露于小江中下游地區(qū)的前震旦紀(jì)昆陽(yáng)群地層；玄武巖主要分布于近水系發(fā)源地的高原夷平面區(qū)下二疊紀(jì)峨嵋山組地層；第四系沉積主要分布于近河谷山坡、山麓、河谷及支溝溝床。

圖1 小江流域泥石流分布圖

圖2 小江流域巖性及采樣點(diǎn)分布圖

1．3 氣候特征

小江流域氣候具有干濕季分明和垂直氣候帶明顯的特征。干季(11月至次年4月)晴朗少雨，降水量?jī)H占全年的12%，而雨季(5～10月)降雨充沛，降水量占全年的88%，降水量隨著海拔的升高而增加，1600m以下區(qū)域降水量?jī)H為700mm，而2800m以上區(qū)域則增加到1000mm。流域上游豐沛且集中的降水為泥石流活動(dòng)和土壤侵蝕提供了條件[13]。

河谷區(qū) “水熱矛盾”突出，年平均溫度為20.2℃，極端高溫40.9℃，極端低溫為-6.2℃。年均降雨691.3mm，年均蒸發(fā)量為3752.7mm，降雨量與蒸發(fā)量之比為1∶5.43，相對(duì)濕度為54%，屬半干旱區(qū)，具典型干熱河谷氣候特征。

1．4 水文特征

小江及其支流具有縱坡降大、流量小、流程短、變幅大、含沙量高、河床不穩(wěn)定的特點(diǎn)。據(jù)小江水文站觀測(cè)資料，年均徑流深1.16m，年均流速0.7～2.3m/s，多年平均流量36.6m3/s。因此兩岸支溝多為泥石流溝，小江泥沙含量高，河床淤積嚴(yán)重。

1．5 風(fēng)化影響因素及土壤分布

小江流域巖石風(fēng)化主要受地形和氣候垂直分異影響。其風(fēng)化土壤呈明顯的垂直分帶特征，海拔1600m以下河谷區(qū)為燥紅壤、水稻土、沖積土；1600～2800m中山區(qū)以紅壤為主；大于2800的高山區(qū)為棕壤、草甸土[13]。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析

2．1 樣品采集

遵循典型性原則，選擇沙灣、大白泥溝、大橋河、蔣家溝及大溝作為取樣典型流域；遵循相似性原則，采樣盡可能控制在同一流域，且不同高程控制，確保不同巖性風(fēng)化具有相似外部環(huán)境；遵循原巖風(fēng)化取樣原則，嚴(yán)格排除顯示出現(xiàn)代剝蝕堆積跡象的采樣地點(diǎn)，確保原巖風(fēng)化，采樣地選擇地勢(shì)相對(duì)較高的平坦地區(qū)和坡段非剝蝕堆積區(qū)，第四系沉積物取樣布置于地勢(shì)較低的河谷及階地區(qū)。

通過(guò)野外相對(duì)風(fēng)化程度確定風(fēng)化帶，在此基礎(chǔ)上對(duì)劇風(fēng)化帶土、全風(fēng)化帶土和強(qiáng)風(fēng)化帶土采用坑探或槽探進(jìn)行混和采樣[14]，全流域共計(jì)采集樣品53組，其中不同巖性風(fēng)化物樣品48組，泥石流堆積樣品5組(圖2)。

2．2 實(shí)驗(yàn)分析

因流域內(nèi)風(fēng)化產(chǎn)物均為粗細(xì)顆?；祀s的寬級(jí)配礫石土，故而聯(lián)合使用篩析及激光粒度分析法，對(duì)2mm以上粗顆粒按照土工規(guī)程采用60mm,40mm,20mm,10mm,5mm,2mm、圓孔篩，選取2kg樣品進(jìn)行篩析；對(duì)0.5～2mm粒徑顆粒采用1mm,0.5mm孔徑篩，選取100g樣品進(jìn)行分析；0.5mm以下采用激光粒度儀(Mastersizer 2000)進(jìn)行顆粒分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照土工試驗(yàn)規(guī)程[15]，對(duì)上述48組巖性風(fēng)化土樣和5組泥石流堆積土樣進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn),所得試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2。

4 顆粒級(jí)配特征差異規(guī)律分析

4．1 指標(biāo)體系構(gòu)建

考慮對(duì)泥石流啟動(dòng)影響的重要性，同時(shí)遵循客觀性、系統(tǒng)性及易獲取性原則[16-17]，該文選擇以下4個(gè)級(jí)配特征參數(shù)作為敏感性分析指標(biāo)。

(1)在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的50%的粒徑(d50)，因其反映了顆粒平均粒徑水平，影響著泥石流的起動(dòng)能量[18]。

(2)不均勻系數(shù)(Cu)及曲率系數(shù)(Cc)，因其反映土體顆粒整體級(jí)配均一性水平，影響著土的滲透性及力學(xué)強(qiáng)度[19-20]，控制著土體的抗機(jī)械潛蝕性。

(3)粘粒含量(C),因其對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)有明顯的影響，是泥石流起動(dòng)的重要影響因素[1，10]。

4.2 各巖性風(fēng)化物級(jí)配特征差異規(guī)律

根據(jù)土工規(guī)程公式[13],由表1可計(jì)算出小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，以此百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，并以粒徑(mm)為橫坐標(biāo)，即可在對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)上繪制顆粒大小分布曲線，由此曲線可求得樣品顆粒級(jí)配指標(biāo)值，對(duì)各巖性樣品的級(jí)配指標(biāo)，逐一采用平均值法進(jìn)行整理，即可得小江流域不同巖性風(fēng)化產(chǎn)物級(jí)配特征分布(表3)。

(1)d50差異性規(guī)律。 由各巖性的d50排序圖(圖3)可知，小江流域各巖性風(fēng)化產(chǎn)物的d50分布于0.07～3.92之間。其中千枚巖最大，板巖、砂巖次之，粉砂巖、玄武巖、白云巖及第四紀(jì)沉積較小，最小為泥質(zhì)灰?guī)r及泥巖。表明小江流域泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖風(fēng)化較為徹底，且風(fēng)化產(chǎn)物(特別是細(xì)顆粒物質(zhì))保存較好；相反千枚巖、板巖則主要表現(xiàn)為物理風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物(細(xì)顆粒)保存極差。

表1 各巖性風(fēng)化物顆粒分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 泥石流堆積顆粒分析成果

表3 小江流域各巖性風(fēng)化物的顆粒級(jí)配特征

圖3 各巖性d50排序

(2)顆粒均一性規(guī)律分析。 根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程[14]，當(dāng)Cu≥5,而Cc界于1～3時(shí)，則土體級(jí)配良好，顆粒大小混雜，土體工程性質(zhì)佳；若有一項(xiàng)條件不滿足，則土顆粒較為均一，主要集中于某一或者某幾個(gè)巖組，易于造成機(jī)械潛蝕及斜坡失穩(wěn)。由各巖性Cu排序(圖4)及Cc排序圖(圖5)可知,玄武巖和砂巖風(fēng)化產(chǎn)物顆粒級(jí)配良好；白云巖、板巖、泥質(zhì)灰?guī)r次之，粉砂巖、第四紀(jì)沉積物較差；泥巖、千枚巖最差，顆粒分布甚為均一。

表4 小江流域泥石流堆積物顆粒級(jí)配特征

圖4 各巖性Cu排序

圖5 各巖性Cc排序

(3)顆粒含量差異性規(guī)律。 小江流域各巖性粘粒含量較為豐富，均近于或者大于細(xì)顆粒10%的工程界限。粘粒含量最大的是泥巖達(dá)25%以上，而泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、粉砂巖次之，玄武巖、砂巖、第四系較次，最少的為千枚巖和板巖(圖6)。但最少的千枚巖其粘粒含量也大于小江流域泥石流堆積。

圖6 各巖性粘粒含量排序

4.3 河谷泥石流堆積級(jí)配特征分布規(guī)律

室內(nèi)共完成5組泥石流堆積土樣的顆粒分析，對(duì)表2逐一采用平均值法進(jìn)行整理，即可得出小江流域典型泥石流流域泥石流堆積顆粒級(jí)配特征分布(表4)。

表4可知，小江流域5個(gè)典型泥石流流域的d50在1.15～6.18之間變化，Cu在158.49～1644.00之間變化，Cc在0.53～11.17s之間變化, 粘粒含量在6%～10%之間變化。四者中粘粒含量變化起伏幅度最小，而d50變化幅度較小，Cc變化幅度居三，變幅最大的為Cu。這表明四者中塑性指數(shù)一致性最好，d50一致性次之，Cc相對(duì)較差、Cu相對(duì)最差。在Cu分布上除了蔣家溝有量級(jí)差別外，其余溝谷均具有較好的一致性；在Cc分布上除了沙灣有量級(jí)差別外，其余溝谷均具有較好的一致性(圖7、圖8)。

圖7 小江流域5個(gè)典型流域泥石流堆積級(jí)配特征分布(d50,Cc,粘粒含量)

圖8 小江流域5個(gè)典型流域泥石流堆積級(jí)配特征分布(Cu)

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

(1) d50,Cu,Cc及粘粒含量等4個(gè)指標(biāo)反應(yīng)了土體的結(jié)構(gòu)和連接特征，控制著土體的抗機(jī)械潛蝕性，影響著土體力學(xué)性質(zhì)和泥石流的起動(dòng)能量，其與泥石流的啟動(dòng)密切相關(guān)，是松散土體級(jí)配特征本質(zhì)反映指標(biāo)，選擇其構(gòu)建指標(biāo)系統(tǒng)，可客觀刻畫(huà)土體的各風(fēng)化產(chǎn)物的物理性質(zhì)。

(2)各巖性風(fēng)化土體d50,Cu,Cc及粘粒含量等4項(xiàng)級(jí)配特征指標(biāo)均差異顯著，且隨指標(biāo)不同，其級(jí)配特征差異規(guī)律顯著不同。

(3)除蔣家溝與沙灣的泥石流堆積在Cu,Cc上有量級(jí)差別外，小江5個(gè)典型流域泥石流堆積物在各項(xiàng)級(jí)配特征指標(biāo)上均具有較好的一致性，其平均值可作為敏感性歐式距離分析的標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)不同巖性風(fēng)化物顆粒級(jí)配特征規(guī)律研究是各巖性對(duì)泥石流敏感性分析的基礎(chǔ)，可為泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃及基于可拓模型的泥石流預(yù)報(bào)提供下墊面敏感性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

5.2 討論

蔣家溝與沙灣的泥石流堆積在Cu，Cc上有量級(jí)差別，可能系異常值影響，增加泥石流堆積樣品數(shù)量，并盡可能控制取樣位置，采集后期不受溪洪沖刷或沖刷影響小的樣品，保證原始堆積，這種量級(jí)突躍則可能規(guī)避。

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ExperimentalReaserchonParticleDistributionCharacteristicsofWeatheredProductswithDifferentPropertiesinXiaojiangRiver

ZHANG Ji1, WEI Fangqiang2, XIE Xianjian3, BAO Zhiyan1

(1.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072;2.Chongqing Institute of Green Intelligent Techlology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714;3.School of Geography and Resources, Neijiang Normal University, Neijang ,Sichuan 641000)

As response characteristics to structures and interlinkages of weathered products with different properites，particle distribution influences the mechanical property of weathering products. It is one of the most important influence factor upon the initiation of debris flow. In this paper, taking Xiaojiang basin which debris flow developed well as the study area, collecting 48 samples weathering products which will change with different elevations in 9 kinds of rocks in 5 debris flow valleys in upper, middle and lower reaches of Xiaojiang ravine and 5 samples of debris flow deposition, particle distribution characteristic of each sample has been analyzed by using sieve analysis and laser particle size analysis method. Seclecting four indicators, such as d50,Cu,Ccand Clay content which have close relation with debris flow starting and moving, the index system has been constructed, and the difference laws of particle distribution characteristic upon each indicator has been systematically analyzed. It is indicated that as to each indicator, there are significant differences in weathering products in different rocks, and difference laws are significant different varying with different indicators . In addition, to each indicator ,there are good consistency lying in particle distribution characteristics of debris flow deposits of 5 debris flow valleys in Xiaojiang ravine. It also indicates that the index system ,which consists of d50,Cu,Ccand Clay content, can systematically, objectively and reasonably reflect the particle distribution characteristics of weathering products. It may be helpful for susceptibility analysis of debris flow to rocks based on particle distribution characteristics of their weathering products.

Weathering products; particle distribution characteristics; experimental research ; Xiaojiang ravine

P642+23

B

2017-03-20；

2017-06-21；編輯陶衛(wèi)衛(wèi)

中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(KZCX3-SW-352)；四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(KJ-2016-10)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(16ZA0312)；四川省教育廳科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金(14TD0026)

張繼(1974—),男,四川榮縣人,高級(jí)工程師,研究方向：環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)與巖土工程;E-mail：yddezj@163.com

張繼，韋方強(qiáng)，謝賢健，等.小江流域不同巖性風(fēng)化物顆粒級(jí)配特征實(shí)驗(yàn)研究[J].山東國(guó)土資源，2017,33(11)：78-84.

ZHANG Ji, WEI Fangqiang, XIE Xianjian, etc.Experimental Reaserch on Particle Distribution Characteristics of Weathered Products with Different Properties in Xiaojiang River[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(11)：78-84.