云南北部山區(qū)高位泥石流流體重度研究＊

肖經(jīng)光，鄭 庭

（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

云貴高原向青藏高原過渡的地形急變區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了一種“特殊”的地質(zhì)現(xiàn)象—高位泥石流，它具有物源量豐富、分布位置相對高程差大、溝床縱坡比降大等特點[1]，這類泥石流暴發(fā)隱蔽性強、破壞性大，作為泥石流工程設(shè)計的特征值之重度值難以準(zhǔn)確確定，目前泥石流重度主要依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006）附錄F 中的現(xiàn)場調(diào)查試驗法和形態(tài)調(diào)查法確定，兩種方法均需親自目睹過泥石流暴發(fā)或受過災(zāi)害的村民進行描述得出泥石流流體特征。此特征描述與實際相悖，因慌亂奔跑中能清晰觀察流體特征的目擊者甚少。本研究對云南北部山區(qū)德欽一中河泥石流及宣威對門山泥石流流體重度進行了定量計算研究，對泥石流治理工程設(shè)計中的重度特征值判別具有一定的指導(dǎo)意義[2-3]。

1 德欽一中河泥石流堆積物特征

一中河流域總面積3.33km2，形態(tài)呈倒三角形狀，流域海拔高差1474m，主溝總長2030m，溝谷平均縱坡249.3‰～531.7‰，溝谷呈“V”字型和深“V”字型幽谷；區(qū)域多年平均降雨量為645.9mm，一日最大降雪厚70cm。主溝上游地形陡峻，崩滑剝落區(qū)發(fā)育，地表多裸露巖石，溝岸坡面順直，降雨匯集迅速呈“漏斗”狀匯集于溝谷內(nèi)，易形成洪流，凍融作用、旱季風(fēng)化下崩滑、滾落至溝內(nèi)的松散物在來勢猛烈的水（泥）流激發(fā)下，泥石流瞬間促成[4]。

流域區(qū)匯水面積雖小，但溝床縱坡陡峻順直，在稍具規(guī)模的降雨條件下，即可激發(fā)泥石流形成；上游區(qū)泥石流啟動形成下泄對溝槽內(nèi)松散堆積物進行揭底拉槽，沖至214 國道附近，流體特征主要表現(xiàn)為粘滯性高、流速低的特點。根據(jù)泥石流顆分試驗，粒徑在20～200mm 占63%，最大粒徑在1500mm，一般塊徑30～40cm，次棱角狀，粒徑小于0.25mm 的占9%。堆積物顆粒分析成果見表1,如圖1 所示。

表1 一中河泥石流堆積物顆粒分析成果表（%；粒徑：mm）

圖1 一中河泥石流顆粒級配曲線

2 宣威對門山泥石流堆積物特征

對門山河泥石流溝匯流面積0.42km2，主溝道長約1km，高差約565m。流域上游地形陡峻，坡度達(dá)45°，基巖裸露，地層以玄武巖為主，底部含有錳質(zhì)角礫巖，受構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差。第四系以來一直發(fā)生崩塌，產(chǎn)生的碎塊石堆于下方緩坡地帶。加之上游曾有采礦活動，采礦后的棄渣隨意堆放于礦洞周邊斜坡，物源豐富。主溝上游從崩塌堆積區(qū)通過，受洪水侵蝕切割，溝谷岸坡陡立，雨季洪水沖蝕坡腳，兩岸的崩塌堆積層產(chǎn)生滑坡或持續(xù)坍滑，成為泥石流的主要物源[5]。

根據(jù)現(xiàn)場對對門山泥石流溝溝谷形態(tài)、坡降及溝內(nèi)松散物源的調(diào)查統(tǒng)計分析表明，將對門山泥石流流域劃分為形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)。溝谷源頭段及中上游斜坡段為形成區(qū)，中下游段為流通區(qū)，下游村莊段為堆積區(qū)，敘述如下：

（1）形成區(qū)

對門山泥石流溝形成區(qū)包括溝谷源頭附近的陡坡區(qū)及下方斜坡地帶，全區(qū)均有不同程度的物源補給，所以全部均為物源區(qū)，未劃分清水亞區(qū)，面積約0.41km2。

溝谷源頭附近為陡坡區(qū)，地形坡度30°～50°，基巖大面積裸露，植被發(fā)育較差，溝谷切割淺，谷底狹窄，出露二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P2β）玄武巖，溝底及斜坡多見基巖出露，節(jié)理及風(fēng)化裂隙發(fā)育，淺層巖體破碎，巖塊易剝落。該區(qū)內(nèi)第四系以來一直持續(xù)產(chǎn)生崩塌、滾石等，堆于下方斜坡地帶，成為泥石流的重要物源。

形成區(qū)斜坡地帶地形坡度25°～35°，有崩坡積層分布，成分主要為塊石、碎石，其間有砂土及黏性土充填，松散，塊石及碎石呈棱角狀，成分為玄武巖，粒徑多為0.05～0.6m，少量可達(dá)2～3m，系后側(cè)斜坡崩塌堆積形成。該段斜坡地帶還分布有2 個廢棄礦洞，堆積有采礦棄渣。

形成區(qū)內(nèi)主溝縱坡550‰～880‰，溝谷切割深2～20m，溝底寬多為2～8m，兩岸坡度25°～50°，局部陡立。兩岸坡多為松散的崩坡積物，在溝谷狹窄地段，水流的側(cè)蝕作用極強，洪水沖蝕坡腳，造成岸坡陡立，崩坡積層產(chǎn)生坍塌或滑坡，加之該區(qū)分布有采礦棄渣，雨季在雨水帶動下進入溝內(nèi)成為泥石流最重要的物源。

（2）流通區(qū)

流通區(qū)為對門山泥石流溝中下游段，該區(qū)地形坡度介于15°～25°，溝床縱坡降210‰～370‰，溝谷呈“V”形，溝谷切深2～8m，溝底寬5～15m。該段兩岸及溝底分布崩坡積層，厚1～6m，岸坡總體穩(wěn)定性較好。該段溝谷侵蝕作用較弱，最大塊石粒徑達(dá)1.5m，系洪水沖刷后揭露的崩坡積層塊石。泥石流除在本段流通外，有時也有少量堆積，堆積厚度0.5～3m，泥石流堆積物具有逐次向下游推移之特點，這些堆積物往往又是下次泥石流的重要補給物源。

（3）堆積區(qū)

泥石流堆積區(qū)為對門山泥石流村莊段，堆積區(qū)溝谷長約150m，寬2～13m，面積約1000m2。對門山泥石流溝2016 年發(fā)生泥石流時，村委會組織村民在堆積區(qū)及流通區(qū)清淤約2000m3，該區(qū)泥石流堆積物主要為塊石、碎石、角礫及砂土混雜堆積，有少量黏性土細(xì)顆粒充填，松散，分選差，磨圓度差，呈棱角狀，碎塊石成分主要為玄武巖，一般粒徑0.05～0.6m，層厚0.5～2.2m。該區(qū)的特點是地形平緩，有村寨坐落，泥石流大量堆積，容易致（成）災(zāi)，對門山村位于本區(qū)范圍內(nèi)，本村的生命和財產(chǎn)安全受泥石流嚴(yán)重威脅。

形成區(qū)上游地形較陡，植被覆蓋差，基巖裸露，地表降水不易下滲，迅速匯集至溝道內(nèi)，具有山區(qū)洪流的特點，洪水形成時間短，瞬間水動力較強，利于泥石流發(fā)生；在形成區(qū)中下段谷底狹窄，兩岸均分布大量的崩坡積層碎塊石，洪水沖蝕岸坡坡腳，造成兩岸崩坡積物產(chǎn)生塌岸，進入溝道內(nèi)，參與泥石流活動，局部地段岸坡較高且陡，溝岸坍滑規(guī)模較大，由于溝谷狹窄，滑坡堵塞溝道，形成小堰塞后潰決，大量洪水迅猛而下，引發(fā)泥石流；流通區(qū)溝底有老的沖洪積物堆積，發(fā)生大洪水及泥石流時，溝底松散物會參與到泥石流活動中。

流域內(nèi)泥石流堆積物總體上土石比低，并表現(xiàn)為由上游向下游細(xì)顆粒逐漸增多的趨勢。土石比小，說明泥石流啟動的固體物質(zhì)以碎塊石為主，水動力條件較強，細(xì)小顆粒特別是溝道淺表的細(xì)小顆粒絕大部分被洪水帶走，而將粗顆粒物留于溝道內(nèi)所致。

堆積物由下游向上流顆粒逐漸變大，以碎石、塊石為主，粒徑多為0.02～0.6m，細(xì)顆粒相對較少。分選差，呈棱角狀，混雜堆積，粒徑多大于2cm，占60%以上，最大粒徑約1.0m。

泥石流堆積區(qū)取土樣進行了顆粒分析，清除0～0.5m 的表土，在0.5～1.0m、1.0～2.0m 深度各取樣約200kg，進行現(xiàn)場篩分試驗，得出粒徑>20mm 的各級顆粒重量，并計算含量百分比；＜20mm 的顆粒，則現(xiàn)場稱其總重量，然后取樣回試驗室進行顆分試驗，并結(jié)合試驗成果計算其含量百分比，其結(jié)果見表2，如圖2 所示。

圖2 對門山泥石流顆粒級配曲線

表2 對門山泥石流堆積物顆粒分析成果表 （%；粒徑：mm）

3 確定泥石流重度的方法

3.1 現(xiàn)場調(diào)查試驗法

按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006）附錄F.1 公式確定：

式中:γc—泥石流流體密度，（t/m3）；

Ga—泥石流總質(zhì)量，（t）；

V—泥石流總體積，（m3）。

3.2 泥石流容重計算余斌公式

泥石流堆積物中借助>2mm 和<0.05mm 的粗顆粒和細(xì)顆粒百分含量計算泥石流的容重可以得到更好的相關(guān)性［4］:

式中:γc—泥石流流體密度，（t/m3）；

P2—粒徑＞2mm 的黏粒含量，以小數(shù)計。

3.3 泥石流容重計算杜榕桓公式

>2mm 的顆粒在泥石流體中代表粗顆粒,在黏性泥石流(>1.8g/cm3)中,<2mm 的顆粒的含沙量基本保持不變,即隨容重的增大,<2mm 的顆粒的百分含量隨之減少,>2mm的粗顆粒的百分含量隨之增加,因此有泥石流容重與>2mm 的粗顆粒的百分含量關(guān)系的經(jīng)驗公式[5]

式中:γc—泥石流流體密度，（t/m3）；

P2—粒徑＞2mm 的黏粒含量，以小數(shù)計；

γH—泥石流中固體物質(zhì)比重，（t/m3）。

3.4 泥石流容重的計算

采用現(xiàn)場調(diào)查試驗法計算出的泥石流容重較公式計算出的泥石流容重具有較好的一致性。

表3 泥石流容重計算成果表（t/m3）

4 結(jié)論

通過對云南北部山區(qū)德欽縣一中河及宣威對門山泥石流堆積物顆粒分析，確定泥石流容重結(jié)合《規(guī)范》中的現(xiàn)場調(diào)查試驗法、余斌公式及杜榕桓公式計算出的泥石流容重具有較好的一致性，對于確定云南山區(qū)泥石流流體重度有一定的借鑒意義。