泥石流最大淤積厚度影響因素

馬 煜，李彩俠

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，樂山 614000；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

泥石流是在滿足一定地形、物源和水源條件下發(fā)生在山區(qū)的攜帶大量泥砂的特殊洪流。泥石流的堆積區(qū)既是山區(qū)人民生活聚集的場所又是泥石流淤埋的主要區(qū)域，因此泥石流淤埋厚度是學(xué)者研究堆積特征的重點(diǎn)[1]。中國泥石流每年約沖出泥砂 5.6×108m3[2]，這些泥砂會(huì)直接或間接地淤埋工程設(shè)施，嚴(yán)重制約著中國山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步。例如，2008年9月24日北川西山坡溝泥石流淤埋老縣城，堆積厚度達(dá)7 m以上,擂鼓鎮(zhèn)趙家溝堆積扇處堆積厚度達(dá) 10～15 m[3]；2009年7月17日虹口的小溝最大淤積厚度5 m[4]；2010年8月13日綿竹清平文家溝泥石流在綿遠(yuǎn)河道淤埋厚度15 m[5],這些淤積都給當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施和人民生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重破壞。為了減輕泥石流災(zāi)害損失，應(yīng)在泥石流調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中對(duì)泥石流最大淤積厚度進(jìn)行準(zhǔn)確定量[6]，可見泥石流的堆積厚度，特別是最大堆積厚度是泥石流堆積特征參數(shù)中最重要參數(shù)之一，也是泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估和工程治理中最應(yīng)該重視的參數(shù)之一。

目前學(xué)者對(duì)泥石流淤積厚度有所研究。余斌[7]通過野外泥石流堆積物取樣和測試獲得相應(yīng)計(jì)算參數(shù)間接計(jì)算某一地區(qū)泥石流的淤積厚度的方法,該方法具有一定普遍適用性，但必須先野外調(diào)查泥石流的相應(yīng)參數(shù),然后結(jié)合相應(yīng)公式計(jì)算出淤積厚度，具有間接性。楊重存[2]視泥石流體為賓漢體,通過“泥漿水力學(xué)”原理推導(dǎo)出泥石流淤積厚度的計(jì)算公式，并提出武都地區(qū)泥石流總淤積厚度的計(jì)算公式，但該公式有一定局限性，僅適用于武都地區(qū)。目前為止,還沒有一種方法能直接計(jì)算出泥石流體屈服應(yīng)力和淤積厚度。劉國超[8]采用數(shù)值模擬的方法研究了火山碎屑物成分對(duì)泥石流最大淤積厚度的影響。任凱珍[9]通過小型水槽實(shí)驗(yàn)，探討了泥石流堆積厚度和溝床坡降的關(guān)系，具有中度正相關(guān)性。舒安平等[10]通過大型水槽試驗(yàn)?zāi)M了流通區(qū)泥石流最大淤積厚度和水槽坡度的相關(guān)性。這幾類水槽試驗(yàn)僅對(duì)最大淤積厚度的一個(gè)影響因素進(jìn)行了探討，并沒有全面研究。馬傳浩等[6]采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行地層劃分和深度解譯，確定泥石流的堆積物厚度，這類方法可能會(huì)產(chǎn)生多解性。以上研究成果在一定程度上反映了不同學(xué)者采用不同方法對(duì)泥石流淤積厚度的研究，但都具有一定的局限性。

泥石流體的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)大多被看作Bingham體，泥石流體要想運(yùn)動(dòng)，必須克服自身的極限切應(yīng)力。當(dāng)泥石流體的切應(yīng)力小于極限切應(yīng)力時(shí)，泥石流體不會(huì)運(yùn)動(dòng)，他會(huì)以一定厚度靜止淤積。當(dāng)切應(yīng)力逐漸增大時(shí)，堆積厚度會(huì)繼續(xù)增厚，直至增大到極限切應(yīng)力時(shí)，泥石流體就會(huì)即將運(yùn)動(dòng)。將它達(dá)到極限切應(yīng)力時(shí)的淤積厚度稱為最大淤積厚度。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的泥石流，野外測量是最直觀、最準(zhǔn)確獲取最大淤積厚度的方法。但對(duì)于未發(fā)生的泥石流，泥石流堆積物厚度的計(jì)算一直是泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的一個(gè)難題。

泥石流的淤積厚度可以通過泥石流體的容重、淤積坡度和泥石流體的屈服應(yīng)力計(jì)算得出:

(1)

式(1)中：H為最大淤積厚度；τ為極限切應(yīng)力；ρ為泥石流體密度；g為重力加速度；θ為水槽底部的坡度。其中極限切應(yīng)力又稱為屈服應(yīng)力，它是泥石流體抵抗抗剪強(qiáng)度而開始運(yùn)動(dòng)的一種重要指標(biāo)，流體的容重、流體中礦物成分和礦物含量都對(duì)其有一定影響[11]?；贐ingham體極限理論，采用水槽堆積試驗(yàn)，全面研究最大淤積厚度與泥石流體固體體積濃度、容重、堆積坡度和黏粒含量的關(guān)系，建立淤積厚度與各因素的定量計(jì)算公式。最終應(yīng)用到泥石流評(píng)價(jià)工作中，為科學(xué)評(píng)價(jià)泥石流的影響范圍提供重要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概述

實(shí)驗(yàn)裝置主要由儲(chǔ)料箱、試驗(yàn)槽和縱坡升降桿組成(圖1)。試驗(yàn)槽長寬高為1 m×0.2 m×0.3 m，底部加糙厚度3 mm；縱坡升降桿主要調(diào)節(jié)水槽坡度(0°～45°)，以獲取不同坡度下的淤積厚度；儲(chǔ)料箱可存放供一次試驗(yàn)使用的泥石流體，容量約0.1 m3。試驗(yàn)中泥石流體的固體物質(zhì)主要是高嶺土(400目，純度82%)、細(xì)砂、粗砂以及少量(<5%)粒徑小于10 mm的石子，組成泥石流體的固體物質(zhì)顆粒級(jí)配如圖2。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)3個(gè)控制變量:泥石流體的容重、試驗(yàn)槽的流通坡度、黏粒高嶺土的含量。試驗(yàn)過程(圖3)如下。

①為儲(chǔ)料箱；②為升降桿；③為實(shí)驗(yàn)槽

圖2 固體物質(zhì)顆粒級(jí)配曲線

圖3 實(shí)驗(yàn)過程圖

(1)先在清水中加入高嶺土充分?jǐn)嚢杈鶆蛟偌尤肷笆蛊鋺腋⌒纬赡M泥石流體倒入儲(chǔ)料箱。

(2)將試驗(yàn)槽平放(坡度為0°)，開啟儲(chǔ)物箱匝門，使泥石流流入試驗(yàn)槽，待泥石流在槽中穩(wěn)定。

(3)緩慢抬升水槽坡度后泥石流體開始再次運(yùn)動(dòng)，保持此時(shí)坡度不變直到運(yùn)動(dòng)完全停止。

(4)測量此時(shí)流體淤積的最大厚度和水槽的坡度，在靠后前緣5 cm左右處用直尺測量中間和兩側(cè)三個(gè)位置的淤積厚度，平均值認(rèn)為是該坡度下該次泥石流的最大淤積厚度。該方法具有操作簡單、測量方便的優(yōu)點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為研究泥石流體容重、水槽坡度、黏粒礦物含量等因素對(duì)泥石流體淤積厚度的影響，在水槽堆積試驗(yàn)過程中改變水槽縱向坡度、泥石流體容重、黏土礦物含量三種變量對(duì)淤積厚度的影響。

2.1 最大淤積厚度和流通坡度的關(guān)系

為了獲得不同黏性的泥石流體，本試驗(yàn)用水和固體物質(zhì)配制4種容重(γ=1.59、1.69、1.76、1.87 N/m3)的流體，涵蓋了稀性和黏性泥石流。本系列試驗(yàn)主要研究同種容重下水槽槽底縱向坡度和淤積厚度的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 泥石流淤積厚度與流通坡度的關(guān)系

由圖4可知:①同種容重下，隨著水槽坡度的增大，淤積厚度呈現(xiàn)減小趨勢，即淤積厚度與流通坡度呈負(fù)相關(guān)性。②同一坡度下，在小坡度范圍內(nèi)(6°以內(nèi))，流體容重越大，淤積厚度越大，即淤積厚度與流通容重呈正相關(guān)性，但當(dāng)坡度超過某值后(6°以后)，淤積厚度與容重關(guān)系在相同坡度條件下區(qū)分不明顯，即坡度較大時(shí)，相同坡度條件下，容重對(duì)淤積厚度的影響較小。

這一結(jié)果與舒安平等[10]試驗(yàn)結(jié)論基本一致，他指出在流通區(qū)和堆積區(qū)隨著坡度的增加，泥石流堆積厚度變小。同時(shí)與張承等[12]試驗(yàn)成果也基本一致，他指出泥石流的淤積厚度與水槽坡度呈負(fù)向相關(guān)性，即坡度越大，堆積厚度減小。圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照線性擬合淤積厚度H與水槽坡度I的關(guān)系式為H=-0.346 3I+7.348 2與劉希林等[13]研究泥石流最大堆積厚度和坡度關(guān)系H=-0.233 6I+4.050變化趨勢基本一致?？梢越忉尀槠露仍酱?，流體向下的動(dòng)能會(huì)加大，流動(dòng)速度加快，由于運(yùn)動(dòng)慣性越大，很難保持流體停止下來，因此停止時(shí)厚度要降低，另外容重的增加會(huì)導(dǎo)致流體向下流動(dòng)的黏滯性增強(qiáng)，進(jìn)而流動(dòng)速度降低，堆積厚度增大。同時(shí)圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照指數(shù)擬合淤積厚度的和流體流通坡度的關(guān)系式為H=-1.155lnI+7.348 2與林雪平等[14]研究泥石流堆積厚度和坡度關(guān)系H=-1.319lnI+3.339 4的變化趨勢總體趨勢一致，綜上，無論線性關(guān)系還是指數(shù)關(guān)系，泥石流淤積厚度與泥石流坡度大致呈負(fù)相關(guān)性。

2.2 最大淤積厚度和流體容重的關(guān)系

采用不同水和固體物質(zhì)質(zhì)量百分比組合配制4種容重，進(jìn)行了三種不同水槽坡度下4種容重的試驗(yàn)獲得同種坡度下的不同容重的淤積厚度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 泥石流淤積厚度與容重的關(guān)系

由圖5可知，①同一坡度下,隨著泥石流體容重的增大，淤積厚度呈現(xiàn)增大趨勢，即淤積厚度與流體容重呈正相關(guān)性；②同一容重下，流體堆積坡度越小，淤積厚度越大，即淤積厚度與流通坡度呈負(fù)相關(guān)性，但當(dāng)密度越大，淤積厚度增加幅度愈大。這一結(jié)果與張承等[12]通過試驗(yàn)獲取4種不同密度條件下淤積厚度的關(guān)系結(jié)論基本一致:他認(rèn)為泥石流的淤積厚度跟泥石流的容重具有正向相關(guān)性，即泥石流容重增加，淤積厚度增加。圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照線性擬合淤積厚度和流體容重的關(guān)系式為H=9.507 1γ-13.796與劉希林等[13]的研究泥石流堆積厚度和容重關(guān)系H=4.274 5γ-5.492 0的變化趨勢基本一致。同時(shí)圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照指數(shù)擬合淤積厚度和流體容重的關(guān)系式為H=8×10-4e4.297 7γ與林雪平等[14]的研究泥石流淤積厚度和密度關(guān)系Y=6×10-15e1.803γ的變化趨勢總體趨勢一致，從上述擬合關(guān)系可見，泥石流淤積厚度與泥石容重度大致呈正相關(guān)性。

由于密度和泥石流固體體積分?jǐn)?shù)之間可以轉(zhuǎn)化且可通過泥石流屈服應(yīng)力計(jì)算泥石流的淤積厚度[7]，另泥石流屈服應(yīng)力受泥石流體體積分?jǐn)?shù)的影響最大,且成指數(shù)關(guān)系[15]。圖6顯示同種坡度(I=1.7°)下，實(shí)驗(yàn)?zāi)嗍黧w淤積厚度與體積濃度C的關(guān)系，體積濃度越大泥石流淤積厚度且呈正向指數(shù)相關(guān)，擬合關(guān)系式為Y=0.15e6.4C(R2=0.9)與Y=kerC(k、r均為系數(shù))[15]形式相同。

圖6 泥石流淤積厚度與固體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

2.3 最大淤積厚度和黏粒含量的關(guān)系

泥石流的最大淤積厚度除了與容重、體積分?jǐn)?shù)和淤積段坡度有關(guān)外，余斌[7]、Marr等[15]認(rèn)為泥石流體中的黏粒及含量對(duì)泥石流的淤積厚度也發(fā)揮著一定的作用。黏粒含量的多少在一定程度上確定了流體的黏滯力，即流體需要運(yùn)動(dòng)所克服的黏聚力(屈服應(yīng)力)，因此黏粒的多少?zèng)Q定了屈服應(yīng)力的大小，即淤積厚度的多少。本系列實(shí)驗(yàn)組采用加入不同含量高嶺土的泥石流流體來獲取同種容重下的不同黏粒含量的淤積厚度。

由圖7可知:①同種容重下，泥石流體淤積厚度與黏粒含量呈指數(shù)關(guān)系增大。但在較低(<20%)黏粒含量情況下，淤積厚度隨黏黏粒含量的變化速率較小，當(dāng)黏粒含量增大到一定值后(>20%)淤積厚度隨黏粒含量的變化速率增大。②同等黏粒含量情況下，淤積厚度與容重正向關(guān)系。容重與淤積厚度的變化速率要大于黏粒含量與淤積厚度的變化速率，說明容重對(duì)淤積厚度的作用要強(qiáng)于黏粒含量的作用，但黏粒含量的作用也是不能忽略，反之應(yīng)該重視。本結(jié)論與余斌等[5]的結(jié)論基本一致，他指出同種黏粒類型條件下，在黏粒百分含量越高,屈服應(yīng)力越大，即淤積厚度越大, 指出屈服應(yīng)力隨著黏粒含量的增大而增加，呈正指數(shù)關(guān)系同時(shí)也指出黏粒含量較低時(shí)，屈服應(yīng)力隨著泥石流黏粒含量的變化速率較小。

圖7 泥石流淤積厚度與黏粒含量的關(guān)系

通過上述試驗(yàn)主要分析了泥石流體淤積厚度(H)與流通段坡度(I)、泥石流體容重(γ)和泥石流體內(nèi)黏粒含量(P)的相互關(guān)系，結(jié)合學(xué)者對(duì)這方面的研究進(jìn)行了2種不同曲線的擬合，擬合各研究變量的方程和相關(guān)系數(shù)如表1所示。通過數(shù)據(jù)擬合分析，可以看出泥石流體淤積厚度與泥石流體容重和黏粒含量相關(guān)性較高。

表1 泥石流最大淤積厚度與各因素的相關(guān)性

3 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證淤積厚度與容重、淤積坡度和黏粒含量關(guān)系的可靠性和適用性，通過收集中外泥石流調(diào)查資料，選取表2所示泥石流溝道進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖8所示。

表2 野外泥石流溝道堆積參數(shù)

圖8 淤積厚度野外調(diào)查值和計(jì)算值對(duì)比點(diǎn)

圖8顯示，數(shù)據(jù)的驗(yàn)證性總體較好，無論是容重關(guān)系擬合還是坡度關(guān)系擬合，但線性擬合關(guān)系驗(yàn)證性要比對(duì)數(shù)和指數(shù)擬合關(guān)系要好，71%的驗(yàn)證點(diǎn)均在±20%偏差范圍內(nèi)。引起偏差的原因可能有以下幾點(diǎn):①容重原因:室內(nèi)試驗(yàn)的容重基本是基于小顆粒粒徑(<10 mm)流體測量的，而野外泥石流中的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于室內(nèi)泥石流粒徑,因此室內(nèi)小顆粒粒徑篩分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算的密度要比實(shí)際偏?。虎谧畲笥俜e厚度測量:室內(nèi)試驗(yàn)是一次泥石流過程后測量的，即單次泥石流淤積的厚度。而野外調(diào)查的淤積厚度可能不是一次淤積的厚度，而是多次淤積厚度的疊加，因此野外泥石流淤積厚度調(diào)查值可能偏大。

4 結(jié)論

泥石流體最大淤積厚度的研究是泥石流防治流域中的一項(xiàng)用于指導(dǎo)實(shí)踐的研究，特別是與黏粒礦物含量、密度和堆積坡度的研究，往往易忽視它的定量化，從而造成該研究領(lǐng)域的空白。從定量上分析并得出了以下的結(jié)論。

(1)同一密度下，隨著堆積坡度的增大，淤積厚度呈現(xiàn)減小趨勢。且在小坡度范圍內(nèi)，流體密度越大，淤積厚度越大，但當(dāng)坡度超過一定范圍后，淤積厚度與密度關(guān)系在相同坡度條件下區(qū)分不明顯。

(2)同一坡度下,隨著泥石流體密度的增大，淤積厚度呈現(xiàn)增大趨勢，且同一密度下，流體堆積坡度越小，淤積厚度越大，但當(dāng)密度越大，淤積厚度增加速率愈大。

(3)同等條件下，隨著泥石流體中黏粒含量的增大，淤積厚度呈現(xiàn)增大趨勢；同一黏粒含量下，流體容重越大，淤積厚度越大且隨著黏粒含量越大，淤積厚度增加速率愈大，容重對(duì)淤積厚度的影響要大于黏粒含量的作用。

(4)通過野外泥石流文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證泥石流淤積厚度與影響因素的關(guān)系，誤差在20%以內(nèi)的占71%，并從室內(nèi)外容重的差異和泥石流淤積過程兩方面對(duì)誤差進(jìn)行了分析，總體上該結(jié)論具有一定的準(zhǔn)確性和可用性。