泥石流容重的時(shí)空變化特征及影響因素研究

黃 海,劉建康,楊東旭

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

泥石流是一種含有大量泥沙塊石的多相流體，也是山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害[1]。近20年來，我國開展了大量泥石流災(zāi)害治理，尤其是在西南地區(qū)的泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，以龍門山區(qū)、滇西地區(qū)、川西地區(qū)及秦嶺山區(qū)為代表，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是，在泥石流治理工程運(yùn)行中還存在一些不足，如攔砂壩結(jié)構(gòu)破壞、沖出量超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、排導(dǎo)槽漫流等。其重要原因之一是治理工程的勘查設(shè)計(jì)階段對(duì)災(zāi)害體的物理特征參數(shù)計(jì)算存在較大誤差，影響工程結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算和防災(zāi)效益分析，導(dǎo)致泥石流災(zāi)害破壞力超出了工程的防災(zāi)能力。

泥石流容重是決定流速、流量、一次沖出量、沖擊力等參數(shù)的基礎(chǔ)物理量[2]。國外泥石流災(zāi)害防治主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)取樣測(cè)定單溝泥石流容重，部分學(xué)者在早期探索了泥石流顆粒組成與容重的關(guān)系[3-7]，建立了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]。國內(nèi)由于泥石流災(zāi)害分布廣泛且監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)不完善，研究者們通過對(duì)沉積物特征、災(zāi)害形成條件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從已發(fā)生的單次泥石流災(zāi)害和泥石流溝流域背景兩個(gè)不同尺度，構(gòu)建了十余個(gè)不同區(qū)域的泥石流容重經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和工程治理奠定了理論支撐和實(shí)踐基礎(chǔ)[10]。泥石流災(zāi)害治理實(shí)踐中，基本假定未來暴發(fā)的泥石流災(zāi)害類同于近期已發(fā)生的災(zāi)害事件，采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、沉積物測(cè)試法及打分法等確定容重等參數(shù)。實(shí)際上泥石流災(zāi)害暴發(fā)過程極其復(fù)雜，不同的物源條件和水源條件下，其容重參數(shù)相差很大，根據(jù)蔣家溝觀測(cè)資料，2001年暴發(fā)的泥石流災(zāi)害的容重實(shí)測(cè)值為1.30～2.26 t/m3，基本橫跨泥石流體的最小容重到最大容重之間的所有可能[11]。

本文以龍門山區(qū)和蔣家溝泥石流為研究對(duì)象，在泥石流流域孕災(zāi)條件演化的時(shí)間尺度上，從物源特征和水力條件兩個(gè)參數(shù)分析了容重的變化規(guī)律；在泥石流流體沿溝道演化的空間尺度上，分析了沖淤特征與容重增減之間的定量關(guān)系，為建立基于孕災(zāi)背景和運(yùn)動(dòng)特征的容重動(dòng)態(tài)計(jì)算方法奠定基礎(chǔ)。

1 泥石流容重的時(shí)空變化特征

容重是描述泥石流流體固體物質(zhì)含量多少的參數(shù)，一定程度上反映了災(zāi)害的水土耦合過程，也是泥石流動(dòng)力特征參數(shù)計(jì)算中的基礎(chǔ)參數(shù)[12]，其不僅影響泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的量值，還影響泥石流災(zāi)害致災(zāi)方式和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[13]。泥石流固體物質(zhì)粒徑跨度大，不均勻系數(shù)多達(dá)數(shù)百甚至上千[14]，復(fù)雜的固體物質(zhì)組成導(dǎo)致泥石流容重的精確計(jì)算具有較大的困難。在泥石流流體中，固體物質(zhì)組分是影響容重差異性的主要因素，黏粒物質(zhì)(<0.005 mm)含量主要決定泥石流漿體的流體特性，粗顆粒物質(zhì)(>2.0 mm)尤其是大塊石(>1.0 m)含量則控制泥石流容重的上限值[11]。在不同的時(shí)空條件下，容重參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，時(shí)間條件上，每一次泥石流災(zāi)害的孕災(zāi)背景和激發(fā)因素都是獨(dú)特的，同一條溝在不同時(shí)間暴發(fā)的泥石流災(zāi)害的容重基本不會(huì)相同；空間條件上，泥石流運(yùn)動(dòng)過程受溝道微地貌影響，流體在沿溝道運(yùn)移過程中，不斷產(chǎn)生床沙交換，單次泥石流在不同溝道段的容重也是不斷變化的。

泥石流啟動(dòng)與運(yùn)動(dòng)實(shí)際就是水土耦合的過程，不同的水力條件和物源賦存狀態(tài)均影響泥石流物質(zhì)補(bǔ)給量，從而影響容重參數(shù)。不同期次的泥石流災(zāi)害其孕災(zāi)背景差異性極大，在啟動(dòng)機(jī)制、物源補(bǔ)給及運(yùn)動(dòng)過程等方面均存在不可重復(fù)性，因此，受固體物質(zhì)抗侵蝕能力和徑流侵蝕能力對(duì)比的波動(dòng)的影響，不同期次泥石流災(zāi)害的容重具有較大差異，如表1。

一次典型溝谷泥石流災(zāi)害包括清水區(qū)形成地表徑流、形成區(qū)啟動(dòng)物源形成多相流體、流通區(qū)床沙交換沖淤輸移、堆積區(qū)動(dòng)態(tài)平衡堆積四大過程。泥石流通過物源區(qū)后，流體由清水演變成泥石流，容重達(dá)到最大上限值，其上限值與物源活躍性及流體攜沙能力成正相關(guān)。流體進(jìn)入流通區(qū)后，溝道縱比降降低，溝谷寬度增大，泥深和流速均較形成區(qū)小，流體攜帶固體物質(zhì)能力下降，在由陡變緩段溝道產(chǎn)生淤積，泥石流容重將降低；而進(jìn)入溝道比降增大段，流體將產(chǎn)生沖刷，容重一定程度上將增大，因此流通區(qū)的泥石流容重處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài)。如丹巴縣城后山的干橋溝，溝谷地形具有“陡-緩-陡-緩”的特征，容重自上游至下游呈現(xiàn)增大-減小-增大-減小的特點(diǎn)[19]，對(duì)應(yīng)泥石流運(yùn)動(dòng)過程的沖刷-淤積-沖刷-淤積的沖淤特征。

表1 不同期次泥石流容重差異性統(tǒng)計(jì)Table 1 Values of the density in different debris flow

注：蔣家溝泥石流容重?cái)?shù)據(jù)引自東川站觀測(cè)數(shù)據(jù)文集[15]；文家溝2010年泥石流災(zāi)害容重引自游勇[16]和余斌[17],2013年容重引自許強(qiáng)[18]。

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局北川泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)野外試驗(yàn)基地的監(jiān)測(cè)資料和堆積物取樣分析，張家坪溝泥石流容重在四個(gè)區(qū)域表現(xiàn)出明顯差異性(圖1)。以2017年暴發(fā)的災(zāi)害為例，清水區(qū)在降雨產(chǎn)流作用下形成清水或含沙水流，容重γ≤1.3 t/m3；進(jìn)入物源區(qū)后，溝道內(nèi)堵塞體潰決放大，且溝道縱比降達(dá)75.93%，容重γ最大達(dá)2.32 t/m3，表現(xiàn)出一定程度的坡面泥石流特征；泥石流沿基巖溝床輸移至出山口后，溝床縱比降下降至35.34%，溝道寬度由形成區(qū)的1.5～2.0 m拓寬至5.0～6.7 m，流體內(nèi)粒徑D>0.35 m的大顆粒沿溝道產(chǎn)生沉積，容重減少至1.88 t/m3。

圖1 泥石流容重沿溝道變化示意圖(北川張家坪溝)Fig.1 Sketch of the change in density in debris flow gully(the Zhangjiaping gully)

在工程治理實(shí)踐和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中較少考慮沿溝道的物質(zhì)輸移特征變化。當(dāng)泥石流防治工程布設(shè)于流域中上游的形成流通區(qū)時(shí)[20]，不同溝道段需采用不同的容重參數(shù)，以固定的容重值進(jìn)行流域性分析具有較大誤差。

2 常用容重計(jì)算方法及驗(yàn)證

泥石流容重參數(shù)包括已發(fā)生和預(yù)測(cè)兩方面內(nèi)容。前者主要用于分析歷史災(zāi)害事件，在工程治理中利用類比法也用于確定單溝泥石流特征參數(shù)；后者描述泥石流溝在一定時(shí)間段內(nèi)的孕災(zāi)特征，對(duì)泥石流治理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

泥石流暴發(fā)過程中對(duì)流體取樣測(cè)試是容重參數(shù)最準(zhǔn)確而直接的獲取方法。但取樣測(cè)試方法依然存在一定的局限性，主要受取樣容器規(guī)格和取樣時(shí)機(jī)的影響。蔣家溝泥石流含大塊石較少，主要粗顆粒粒徑小于0.20 m，觀測(cè)站的取樣設(shè)備可取回絕大部分流體樣品，所得觀測(cè)結(jié)果相對(duì)可靠，而對(duì)于大塊石含量高的泥石流，取樣測(cè)試誤差依然較大。針對(duì)歷史暴發(fā)的泥石流災(zāi)害，現(xiàn)階段多采取配方法，目擊者記憶、塊石含量等因素均產(chǎn)生較大不確定性，因此國內(nèi)學(xué)者基于泥石流沉積物特征、漿體特征、孕災(zāi)特征等因素與容重的關(guān)系建立了經(jīng)驗(yàn)公式，試圖通過間接手段定量精確描述泥石流容重。目前常用的容重計(jì)算方法如表2，其中配方法、漿體法、沉積物法以及查表法納入了泥石流災(zāi)害勘查規(guī)范。

以上所述計(jì)算方法主要是根據(jù)小江流域、成昆鐵路沿線的泥石流觀測(cè)和調(diào)查資料分析總結(jié)而來，除蔣家溝具有完整的觀測(cè)測(cè)試資料外，其他樣本均來源于事后調(diào)查而非災(zāi)害過程取樣測(cè)試，因此公式的建立和樣本數(shù)據(jù)獲取過程均有一定的誤差。由于泥石流容重受災(zāi)害孕災(zāi)背景、啟動(dòng)機(jī)制及運(yùn)動(dòng)過程影響較大，各計(jì)算方法均存在一定的地域局限性。泥石流沿溝道運(yùn)動(dòng)過程的堆積是非完整沉積，因此物質(zhì)組成實(shí)測(cè)法主要適用于溝口具有較完整堆積的泥石流，無法代表溝道內(nèi)不同沖淤特征段的容重動(dòng)態(tài)變化。孕災(zāi)背景預(yù)測(cè)法主要通過物源多寡建立容重參數(shù)，難以描述容重在溝域空間上和災(zāi)害演化時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化。

選取汶川震區(qū)不同孕災(zāi)背景條件下的雍家溝、青林溝、哈爾木溝進(jìn)行計(jì)算，分析各方法的適用性。雍家溝位于綿遠(yuǎn)河流域，龍門山中央斷裂縱貫主溝，物源區(qū)巖性以花崗巖和白云巖為主；青林溝位于都?jí)魏恿饔颍堥T山中央斷裂從溝口橫穿，溝道垂直主斷層發(fā)育，物源區(qū)巖性主要為砂巖和灰?guī)r；哈爾木溝位于雜谷腦河中游，距離汶川地震發(fā)震斷層約50 km，處于薛城S型構(gòu)造核部，巖性主要為板巖和千枚巖[24]。利用近10年暴發(fā)的泥石流災(zāi)害的溝口堆積物的顆粒分析結(jié)果，對(duì)比分析各容重計(jì)算方法在不同地區(qū)的使用效果，如表3。

表2 常用的泥石流容重計(jì)算方法Table 2 General formula for common calculation of the density of debris flow

注：P05為粒徑<0.05 mm的細(xì)顆粒的百分含量;P2為粒徑>2 mm的粗顆粒的百分含量;γ0為泥石流的最小容重，取1.5 t/m3;γV為黏性泥石流的最小容重，取2.0 t/m3;γX為容重修正系數(shù)，取1.4 t/m3；γs為粗顆粒(>2 mm) 比重,取2.7 t/m3;x為泥石流沉積物中的黏粒(粒徑<0.005 mm)含量(用小數(shù)表示);ρs為固體顆粒密度;ω′為細(xì)顆粒(粒徑小于泥石流的上限粒徑，上限粒徑一般取粘附于溝道巖壁漿體的最大粒徑)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，用小數(shù)表示;γf為泥石流漿體容重，實(shí)際工作中取泥石流堆積物中的細(xì)顆粒配置(t/m3)；I為溝床比降(小數(shù));K0為補(bǔ)給系數(shù)(河床質(zhì)取1.2,崩塌取1.0,滑坡取1.1);KR為巖性系數(shù)(千枚巖、砂巖、頁巖、灰?guī)r和玄武巖分別取0.9,1.2,0.9,1.2和1.0);KL為稀釋系數(shù)(取泥石流形成區(qū)以上面積與流域面積之比);KA為松散物質(zhì)儲(chǔ)備總量系數(shù)，KA=(松散物質(zhì)儲(chǔ)備總量/流域匯水面積)0.11。

表3 典型泥石流溝不同期次災(zāi)害的堆積區(qū)容重γ計(jì)算結(jié)果Table 3 Caculation of the density in the fans of various debrisflow /(t·m-3)

注：1989年哈爾木溝暴發(fā)年代過于久遠(yuǎn)，無法獲取巖壁或溝邊壁的堆積樣本,方法四未計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，不同容重計(jì)算方法偏差幅度為10%～30%，方法二和方法四的計(jì)算值偏大。方法二的建模樣本為塊石含量較少的小江泥石流災(zāi)害，當(dāng)推廣至龍門山區(qū)時(shí)，大塊石的存在使得計(jì)算結(jié)果誤差增大，而方法四對(duì)漿體的取值不確定性較大。物質(zhì)組成法建模時(shí)較少考慮固體物質(zhì)中的巨塊石含量，而實(shí)際應(yīng)用中樣品的取得過程有較大的隨機(jī)性，從而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。此外，泥石流體在堆積區(qū)沉積時(shí)，大量細(xì)顆粒物質(zhì)隨著流水進(jìn)入主河，加大了泥石流采樣測(cè)試結(jié)果的偏差。孕災(zāi)背景預(yù)測(cè)法的模型中較少考慮物源的演化，以震區(qū)泥石流為例，地震作用在溝內(nèi)誘發(fā)大量物源，短期內(nèi)泥石流發(fā)生的臨界閾值低，容重相對(duì)偏大，隨著泥石流快速從極易暴發(fā)階段進(jìn)入較易暴發(fā)階段后，物源總量變化較少，而物源活躍程度快速降低，現(xiàn)有孕災(zāi)背景預(yù)測(cè)法難以描述泥石流容重的動(dòng)態(tài)變化。

3 孕災(zāi)條件對(duì)容重的影響

3.1 物源活躍程度對(duì)泥石流容重的影響

物源賦存狀態(tài)包括物源顆粒組成、坡度及與溝道的空間關(guān)系等，與泥石流啟動(dòng)和侵蝕沖刷過程密切相關(guān)。當(dāng)物源處于不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)土體直接進(jìn)入溝道，與徑流混合后，流體攜沙能力快速飽和，流體容重較高，反之，容重較低。在龍門山區(qū)的多次災(zāi)害事件中，可明顯看到地震誘發(fā)大量不穩(wěn)定物源后，泥石流容重較震前急速增大，甚至由清水或山洪溝道演變成極度活躍的泥石流溝[25]。相應(yīng)的，汶川震區(qū)斜坡松散物質(zhì)經(jīng)歷10個(gè)水文年的快速演化，溝道物源坡度變緩、土體固結(jié)程度增大、表層土體粗化程度加大，活躍性逐步降低，在相似的水力條件下，容重呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，相應(yīng)的泥石流規(guī)模和頻次均呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。通過分析2000—2018年的典型泥石流溝的物源情況和不同時(shí)期最大規(guī)模泥石流災(zāi)害容重，揭示了上述關(guān)系，如表4。

表4 典型泥石流最大規(guī)模災(zāi)害容重與物源狀態(tài)Table 4 Relationship between the occurrence state of material source and density of the debris flow

物源的活躍程度與泥石流容重呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，而活躍程度由物源的賦存狀態(tài)決定，因此可在物源活躍程度判別的基礎(chǔ)上，探索建立物源賦存狀態(tài)與泥石流容重演化之間的關(guān)系。以汶川震區(qū)泥石流為例，地震或極端降雨誘發(fā)泥石流容重增大幅度達(dá)15.4%～106.7%，增加的幅度與發(fā)震斷層的距離和溝谷地形條件密切相關(guān)，如張家坪溝，形成區(qū)平均縱比降達(dá)750.0‰，具有明顯坡面泥石流特點(diǎn)，其容重受地震影響增幅達(dá)106.7%。地震誘發(fā)的泥石流松散物源經(jīng)歷10 a的演化，物源從極度活躍演化為高度活躍，容重下降幅度約10.0%～27.8%。

3.2 水力條件對(duì)泥石流容重的影響

圖2 泥石流流量與容重的關(guān)系(據(jù)蔣家溝資料)Fig.2 Relationship between Q and γ of the Jiangjia gully debris flow

在物源條件相對(duì)一致的情況下，不同的降雨頻率，激發(fā)的泥石流災(zāi)害規(guī)模具有明顯區(qū)別[27]。水力條件越好，溝道徑流的流量、深度、寬度以及速度等參數(shù)越大，相應(yīng)的流體的侵蝕能力、侵蝕范圍以及挾沙能力均呈正相關(guān)變化。對(duì)蔣家溝1995年和2007年的觀測(cè)資料進(jìn)行分析，流量對(duì)數(shù)值與容重具有正相關(guān)趨勢(shì)，如圖2。由圖2可知，泥石流容重隨流量增大達(dá)到上限值后進(jìn)入平穩(wěn)變化階段。當(dāng)流量較小時(shí)，尤其在流量小于150 m3/s時(shí)，容重隨流量增加呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，且增速不斷降低。當(dāng)物源活躍度減弱，水力條件對(duì)容重的影響則顯著增大，甚至當(dāng)水力條件不足時(shí)，不足以啟動(dòng)足夠的松散物源，難以形成泥石流，表現(xiàn)在泥石流暴發(fā)的降雨臨界值增大。因此，總體上水力條件對(duì)泥石流容重具有明顯控制作用，當(dāng)物源活動(dòng)強(qiáng)度高時(shí)，影響相對(duì)較低，而當(dāng)物源活躍降低后，容重上限值由水力條件控制。

4 容重沿溝道動(dòng)態(tài)計(jì)算方法

泥石流沖出總量與溝道中活躍的固體物質(zhì)量是守恒的。經(jīng)過縱比降陡峻段可能產(chǎn)生沖刷，容重增大，而當(dāng)溝道縱比降變緩，或溝道變寬，流體容重減少。泥石流固體物質(zhì)的守恒關(guān)系如式(1)：

(1)

式中：V′——擬計(jì)算剖面段物質(zhì)總量/×104m3；

Vk——溝口堆積區(qū)物質(zhì)總量/×104m3；

Vi——計(jì)算溝道段至溝口各沖淤特征段的堆積/沖刷總量，其中沖刷為負(fù)值，堆積為正值/×104m3。

利用前述的容重計(jì)算方法二所述公式，建立不同溝道段的容重γ′與溝口容重的比例關(guān)系，如下：

(2)

(3)

P′2——計(jì)算溝道段堆積物粒徑>2 mm的粗顆粒的百分含量；

其他參數(shù)同上。

根據(jù)雍家溝下游不同溝道段的沖淤特征(圖3)，利用式(2)和(3)，計(jì)算得到雍家溝2012年8月28日泥石流各斷面的容重參數(shù)(表5)。

圖3 雍家溝泥石流不同溝道段沖淤特征演化(四川綿竹)Fig.3 Scouring and silting characteristics of the debris flow in the Yongjia gully

表5 雍家溝泥石流容重動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 5 Caculation of the density by the dynamic analysis method in the Yongjia gully /(t·m-3)

5 結(jié)論與討論

(1)容重是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，在災(zāi)害演化的時(shí)間尺度上，每一次泥石流災(zāi)害的容重均不同，與溝道物源條件和水力條件呈正相關(guān)。在單次災(zāi)害運(yùn)動(dòng)過程的空間尺度上，容重隨泥石流的運(yùn)動(dòng)也是不斷變化的，沖刷和淤積現(xiàn)象對(duì)應(yīng)容重的增加與減少。

(2)常用的泥石流容重計(jì)算公式分為物質(zhì)組成實(shí)測(cè)法和孕災(zāi)背景預(yù)測(cè)法，兩類計(jì)算方法產(chǎn)生誤差的原因主要為：前者通過歷史泥石流特征定義未來泥石流暴發(fā)，而后者未考慮水土耦合過程的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，均與實(shí)際災(zāi)害事件的動(dòng)態(tài)演化特性不匹配。因此在防災(zāi)減災(zāi)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，單獨(dú)使用某一種方法確定溝道容重可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

(3)通過分析蔣家溝及汶川震區(qū)泥石流災(zāi)害特征，揭示了物源活動(dòng)程度、水力條件以及溝道沖淤特征對(duì)容重的影響規(guī)律，并基于常用容重計(jì)算公式，以歷史災(zāi)害事件的溝口容重為計(jì)算基準(zhǔn)值，建立半經(jīng)驗(yàn)性的容重動(dòng)態(tài)綜合計(jì)算方法。通過雍家溝泥石流驗(yàn)證，該方法針對(duì)具有完整序列觀測(cè)資料的泥石流溝，具有較好的適用性。

(4)泥石流容重經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式受孕災(zāi)背景和啟動(dòng)機(jī)制所限制，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法均有一定的區(qū)域適宜性，本文僅初步探討容重的動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，闡述的泥石流容重時(shí)空變化特征可為下一步建立基于水土耦合過程的容重計(jì)算方法奠定基礎(chǔ)。進(jìn)一步研究工作中，可基于單因素分析，探索物源賦存狀態(tài)函數(shù)、降雨特征值與泥石流容重的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而建立針對(duì)溝口的泥石流容重計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。