甘肅岷縣渾水溝泥包礫成因機(jī)制及其災(zāi)害意義

渠敬凱楊為民申俊峰萬飛鵬邱占林馬思琦徐傳成

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;

3.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心,北京100081;

5.龍巖學(xué)院,福建 龍巖 364012

0 引言

甘肅省岷縣構(gòu)造上位于西秦嶺構(gòu)造帶西延與南北向構(gòu)造帶交匯區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),是中國(guó)崩滑流地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)發(fā)區(qū)之一,嚴(yán)重威脅岷縣人民生命財(cái)產(chǎn)安全(丁曉莉和劉世梅,2006)。在第二次青藏高原東北緣泥石流野外科學(xué)考察時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種外形似球狀的泥石流堆積物——泥包礫,該堆積物形成條件特殊,考察時(shí)僅在永靖縣小金溝與岷縣渾水溝溝道內(nèi)發(fā)現(xiàn)其存在。在黏性泥石流流動(dòng)過程中,因固液兩相介質(zhì)的不同,泥包礫在一定條件下發(fā)生自生加大的現(xiàn)象;隨著礫徑的加大,由于其動(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)是非牛頓流體與牛頓流體的交互作用,使得泥石流的破壞力不斷增強(qiáng)(何曉英,2014;楊紅娟等,2016;劉晶晶等,2020)。

學(xué)者對(duì)泥包礫的研究最先開始于第四紀(jì)冰川沉積物,由于形成條件的不同,其形成機(jī)制存在爭(zhēng)議。李祥碧和徐廣標(biāo)(1985)通過對(duì)潘集礦區(qū)泥包礫的研究,認(rèn)為其是由冰川礫石之間長(zhǎng)期互相擠壓產(chǎn)生彈性與非彈性變形而形成。楊文遠(yuǎn)和李宏義(1988)、臧秀玲和林國(guó)友(2011)等通過對(duì)大連、沈陽泥包礫物質(zhì)組成的研究,認(rèn)為其為第四紀(jì)冰期具有泥石流特征的洪積物。李相博等(2014)和廖建波等(2017)通過對(duì)鄂爾多斯盆地湖盆中央地區(qū)延長(zhǎng)組深水厚層塊狀砂巖中泥包礫形成與演變過程的研究,認(rèn)為泥包礫是由三角洲前緣半固結(jié)軟泥層中砂質(zhì)、泥質(zhì)或白云質(zhì)團(tuán)塊在碎屑流搬運(yùn)過程中發(fā)生滾動(dòng)附著泥質(zhì)所形成。上述研究集中于第四紀(jì)以前的沉積地層中出現(xiàn)的泥包礫,而對(duì)全新世現(xiàn)代沉積中出現(xiàn)的泥包礫研究極少,特別是對(duì)泥石流堆積物中的泥包礫,僅田連權(quán)等(1994)在溝道粘性泥石流堆積地貌成因分類一文中提到泥石流中存在該種現(xiàn)象,但對(duì)其形成條件、成因機(jī)制、災(zāi)害意義等方面的研究仍處于空白。

泥包礫作為泥石流流體中的固體物質(zhì)(礫石),提高了泥石流流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的破壞力。以往的研究大都集中在流體中塊石形狀、大小等對(duì)泥石流破壞力的作用,如胡桂勝等(2011)通過對(duì)三眼峪溝泥石流堆積區(qū)及流通區(qū)的最大礫石沖擊力的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)沖擊力大小隨粗顆粒最大直徑的增大而增大,但并未對(duì)這種球形泥包礫的破壞力進(jìn)行研究;何曉英等(2016)通過泥石流沖擊模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了泥石流沖擊能量隨著顆粒粒徑增大而增長(zhǎng)。

以上對(duì)泥包礫形成機(jī)制的研究?jī)H存在于沉積學(xué)中,因其形成條件的特殊性,工程地質(zhì)領(lǐng)域?qū)ζ渖儆醒芯?。同時(shí),目前對(duì)于泥石流危害的研究大多著重于泥石流中塊石的沖擊力,對(duì)泥包礫的危害并未進(jìn)行細(xì)致探討。文章在吸收已有研究成果的基礎(chǔ)上,對(duì)渾水溝進(jìn)行野外實(shí)地考察、遙感解譯,對(duì)溝內(nèi)不同粒徑泥包礫取樣并進(jìn)行室內(nèi)XDR礦物衍射實(shí)驗(yàn),分析其形成環(huán)境及礦物成分的組成規(guī)律,總結(jié)出泥包礫的形成機(jī)制,探究了泥包礫在泥石流發(fā)育時(shí)所產(chǎn)生的危害,以期為該類型泥石流災(zāi)害的預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

岷縣大地構(gòu)造上處于巴顏喀拉塊體北側(cè),西秦嶺構(gòu)造帶的西延(陳云長(zhǎng)等,2013)。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂發(fā)育,主要發(fā)育有臨潭-宕昌斷裂、岷縣-茶埠斷裂及其分支斷裂,斷裂總體上具有破碎帶發(fā)育、活動(dòng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)(鄭文俊等,2013)。地層自晚古生界泥盆系至新生界第四系均有出露,巖性以晚古生代的海陸交互相層的灰?guī)r、砂巖、泥巖等為主,研究區(qū)渾水溝流域主要出露古近系及小部分泥盆系地層(圖1)。泥盆系巖性主要以板巖、千枚巖為主;古近系巖性主要以磚紅色、紫紅色質(zhì)地較疏松的礫巖、砂巖、粉砂巖為主,角度不整合于古生界之上;第四系黃土披覆于洮河流域河谷Ⅰ級(jí)階地之上。

圖1 渾水溝流域及周邊地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch of the Hunshui gully basin and its surroundings

渾水溝流域周圍分布有多個(gè)區(qū)域性斷裂,如圖1所示,研究區(qū)共有F1—F8八條斷裂構(gòu)造,其中F2為臨潭-宕昌斷裂,F1、F3以及F4為其分支斷裂,控制研究區(qū)南部的地形地貌(張波等,2021);F7為岷縣-茶埠斷裂,F5、F6以及F8為其分支斷裂,皆屬于祁、呂、賀蘭山字型構(gòu)造體系,由于構(gòu)造體系內(nèi)部各部位所受應(yīng)力的差異以及巖性的差異,形成茶埠-溝腦里-鳳凰山帚狀構(gòu)造。兩條斷裂構(gòu)造帶歷史上曾發(fā)生過多次活動(dòng),如1879年徽縣地震以及2013年漳縣地震,對(duì)該區(qū)域的坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,致使坡體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),發(fā)生崩塌、滑坡等現(xiàn)象,為泥石流提供物源,同時(shí)也為泥包礫形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)(何文貴等,2013)。

受新生代青藏高原東北緣造山運(yùn)動(dòng)的影響,岷縣區(qū)域內(nèi)構(gòu)造變形活動(dòng)強(qiáng)烈,地貌總體上屬于褶皺山地(葛偉鵬,2013);氣候上屬溫帶半濕潤(rùn)氣候向高寒濕潤(rùn)氣候的過渡區(qū),太陽輻射較強(qiáng),降水量較多,氣候高寒陰濕,多災(zāi)害性天氣。研究區(qū)渾水溝為洮河的一級(jí)支流,位于洮河的Ⅰ—Ⅲ 級(jí)階地之上,地貌類型屬于侵蝕堆積河谷地貌,該地貌具有地勢(shì)平緩、河谷階地寬闊平坦等特點(diǎn)。

2 渾水溝泥石流概況

渾水溝位于岷縣梅川鎮(zhèn)紅水村,為洮河左岸支溝、G212國(guó)道以及成蘭鐵路橫跨溝口(圖2)。渾水溝主溝長(zhǎng)6.62 km,流域面積21.1 km2,溝谷形態(tài)呈“V”型谷,最低點(diǎn)高程為2335 m,最高點(diǎn)高程為2887 m,流域高差552 m,主溝平均縱坡降83.4‰,流向?yàn)?61°,溝內(nèi)植被覆蓋率＜30%,流域平面形態(tài)呈樹葉狀,大小支溝發(fā)育,數(shù)量較多,水系呈樹枝狀。雖然渾水溝主溝縱坡降較小,但溝谷岸坡高差較大,發(fā)育有大量滑坡,泥石流類型以黏性泥石流為主,目前為泥石流發(fā)育的形成期,屬高頻泥石流溝,具有突發(fā)性、瞬時(shí)性、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2 渾水溝泥石流流域崩滑流精細(xì)解譯及泥包礫分布圖Fig.2 Fine interpretation of the collapses, landslides and debris flows in the Hunshui gully basin, showing the distribution of the mud-coated gravels

渾水溝泥石流形成區(qū)部分地勢(shì)相對(duì)陡峭,基巖裸露,支溝發(fā)育較多,有大量物源(滑坡、坡面流);流通區(qū)范圍較小,溝道狹窄,僅發(fā)育有少數(shù)坡面流;堆積區(qū)位于溝口,堆積扇因洮河水流沖蝕而不發(fā)育。溝內(nèi)無任何攔擋防護(hù)及排導(dǎo)措施,僅溝口處鐵路橋墩下修建有排導(dǎo)槽,但被2020年8月23日泥石流所沖毀。在流通區(qū)下部,泥石流漫過公路,泥漿淤埋深度可達(dá)0.5 m左右,嚴(yán)重影響交通。泥石流威脅溝口堆積區(qū)紅水村以及溝道內(nèi)兩滑坡體上方家山村和底堡池村千余人生命財(cái)產(chǎn)安全,潛在經(jīng)濟(jì)損失5000萬元。

3 渾水溝泥包礫特征

3.1 泥包礫分布堆積

渾水溝內(nèi)泥包礫主要分布于溝內(nèi)流通區(qū)下游及堆積區(qū)附近(圖2),上游溝道內(nèi)及形成區(qū)皆無泥包礫出現(xiàn)。泥包礫分布具有以下特點(diǎn):

(1)在流通區(qū)下游平坦處,泥包礫存在于泥漿中,分布廣且數(shù)量多;在溝道中,泥包礫分布呈現(xiàn)出中間多兩側(cè)少的特點(diǎn),并且溝道中部泥包礫的粒徑大于兩側(cè)泥包礫的粒徑,同時(shí)具有從流通區(qū)下游至堆積區(qū)粒徑越來越大的特點(diǎn)。

(2)在堆積區(qū),泥包礫分布特征與流通區(qū)的差異性分布不同。由于地形相較于流通區(qū)更為平坦,泥包礫均勻分布于堆積區(qū)內(nèi),極少數(shù)顆粒相對(duì)較大的泥包礫由于長(zhǎng)時(shí)間被水浸泡已發(fā)生部分崩解,大多數(shù)泥包礫仍保持完整形態(tài)。

(3)泥包礫主要堆積于渾水溝下游至溝口一帶,即分布于泥石流溝流通區(qū)下游至堆積區(qū)。堆積區(qū)與主河交匯處可見泥包礫,至洮河后,因水動(dòng)力較強(qiáng)消失殆盡。

3.2 泥包礫形態(tài)結(jié)構(gòu)

泥包礫外形呈圓球形或似橢圓球形,磨圓度高。雖經(jīng)過泥石流及流水的沖蝕作用,溝道內(nèi)泥包礫形態(tài)仍較為完整(圖3a),且不均勻分布于泥漿中,部分泥包礫已淤埋于泥漿之中,呈現(xiàn)出半掩埋狀態(tài)(圖3b)。部分泥包礫在運(yùn)移過程中發(fā)生破碎現(xiàn)象,說明其在形成及運(yùn)移過程中是不斷滾動(dòng)的,從破碎的泥包礫依稀可辨泥包礫是由礫石與塊狀黏土組成,同時(shí)礫石位于泥包礫內(nèi)部,少量礫石依附于泥包礫表層。泥包礫含水時(shí)呈紅色或棕紅色,干燥后顏色變淺,呈現(xiàn)出土黃色或紅棕色(圖3c)。泥石流剛發(fā)生堆積時(shí),泥包礫一般完整,但經(jīng)過后期降雨濕化沖刷和晴天日曬,即經(jīng)過幾個(gè)干濕循環(huán)后,泥包礫很快崩解開裂。其礫徑大小變化較大,經(jīng)實(shí)地測(cè)量,粒徑一般在0.1～0.3 m之間,但有部分泥包礫＞0.5 m,泥包礫質(zhì)地較為堅(jiān)硬,由外至內(nèi)硬度逐漸增大。采集樣品后,將泥包礫切割成兩半,可見渾水溝中的泥包礫大體具有3～4層結(jié)構(gòu)(圖3d),常由較大的內(nèi)核和幾厘米不等的薄層泥質(zhì)外殼包裹組成。內(nèi)核為礫石與黏土粘合組成的結(jié)核,形狀為球形或紡錘形,最大直徑約0.3 m,一般直徑約0.1～0.2 m;內(nèi)部結(jié)核被由多層黏土組成的外殼呈同心環(huán)狀包裹形成泥包礫。

圖3 渾水溝泥包礫分布堆積及形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.3 Distribution, accumulation and morphological structure of the mud-coated gravels in the Hunshui gully

3.3 泥包礫礦物特征及物質(zhì)來源

由于渾水溝內(nèi)泥包礫數(shù)量眾多,為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取不同位置、不同粒徑的泥包礫進(jìn)行取樣測(cè)試。實(shí)驗(yàn)選取渾水溝堆積區(qū)與流通區(qū)為典型取樣點(diǎn)位置,挑選形態(tài)較完整的泥包礫進(jìn)行分析,中部流通區(qū)泥包礫樣品編號(hào)1和3,堆積區(qū)泥包礫樣品編號(hào)2、4和5。樣品1和2直徑范圍0.2～0.3 m,樣品3、4和5直 徑 小 于0.2 m(圖4)。在實(shí)驗(yàn)前對(duì)泥包礫進(jìn)行破碎取樣,選取較大泥包礫樣品1和2的外層、中層以及內(nèi)層以及樣品3、4和5的外層和內(nèi)層進(jìn)行X射線衍射分析。同時(shí),為確定泥包礫組成的物質(zhì)來源,實(shí)驗(yàn)還對(duì)溝道內(nèi)崩滑體前緣與風(fēng)化層物質(zhì)取樣進(jìn)行了X射線衍射分析。

圖4 取樣點(diǎn)位置及泥包礫樣品圖Fig.4 Photos of the sampling locations and the mud-coated gravel samples

X射線衍射分析(XRD)在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。采用的儀器為Smartlab-X射線衍射儀,主要參數(shù)如下:工作電壓40 kV,工作電流150 mA,發(fā)射狹縫1°,散射狹縫1°,接收狹縫0.3 mm,掃描范圍在2.6°～45°之間,采數(shù)步寬0.02°,掃描方式為連續(xù),掃描速度為2°/min(2θ)。掃描完成后,比較圖譜中的X射線衍射線位置與強(qiáng)度以確定不同的礦物成分,再對(duì)主要衍射峰進(jìn)行面積積分,厘定各種礦物相對(duì)百分含量,具體測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 泥包礫、滑坡體前緣及風(fēng)化層礦物成分及黏土礦物含量測(cè)試結(jié)果表Table 1 Test results of the mineral composition and clay mineral content in the mud-coated gravel, in the front of the landslide mass and in the weathered layer

3.3.1 泥包礫礦物特征

由表1可知,泥包礫主要由石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石以及黏土礦物組成,黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石、高嶺石以及綠泥石。其中石英含量最大為外層61.8%,最小處核部?jī)H為18.5%;鉀長(zhǎng)石含量最大為外層19.2%,最小處核部?jī)H為0.2%;斜長(zhǎng)石含量最大為外層11.8%,最小處核部?jī)H為1.1%;方解石含量最大為核部41.7%,最小處外層僅為12.2%;黏土礦物含量最大為核部39.0%,最小處外層僅為14.8%?？紤]到各礦物含量變化,這里采用加權(quán)平均法,以泥包礫外中內(nèi)各礦物含量為權(quán)數(shù),以泥包礫直徑為權(quán)重,分析泥包礫各組成礦物及黏土礦物含量的變化特點(diǎn)(崔亮等,2011)。

由圖5可知,泥包礫中石英含量最高,可達(dá)42.0%左右,其次是黏土礦物、方解石以及少量的鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石。隨著泥包礫粒徑的不斷增大,石英含量逐漸增多,由內(nèi)核的27.2%升高到外殼的53.9%(圖5b),說明其在泥包礫形成后期較為關(guān)鍵,同時(shí)考慮到石英含量最多的因素,因此石英在泥包礫的形成與增大過程中起到骨架支撐作用。泥包礫中黏土礦物含量?jī)H次于石英,由外至內(nèi)黏土礦物含量不斷增加,說明在泥包礫形成初期黏土礦物較強(qiáng)的吸水能力對(duì)泥包礫機(jī)制的形成起到了關(guān)鍵性的作用(圖5c)。泥包礫中方解石含量隨著粒徑的增加而降低,與石英含量變化恰恰相反,說明方解石在形成初期隨黏土礦物一起主導(dǎo)著泥石流形態(tài)及結(jié)構(gòu)的變化(圖5d);隨著泥包礫粒徑的增加,雖然鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石含量在其中間部位略有波動(dòng),但總體仍為增高(圖5e、5f),加之二者在泥包礫中含量較低,因此對(duì)泥包礫的形成影響程度較小。

圖5 泥包礫結(jié)構(gòu)分層中各類礦物含量百分比Fig.5 Content percentage of minerals in the structural layer of the mud-coated gravel

總體來說,泥包礫由內(nèi)至外石英、鉀長(zhǎng)石以及斜長(zhǎng)石含量逐漸增高,黏土礦物及方解石含量逐漸降低,同時(shí)考慮到礦物硬度因素(HM石英＞HM長(zhǎng)石＞HM方解石),分析在泥包礫形成的初始階段,黏土礦物與硬度相對(duì)較軟易破碎的細(xì)粒方解石首先形成泥包礫基質(zhì),為泥包礫形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。而后隨著泥石流的搬運(yùn)作用,泥包礫粒徑不斷增大,但由于泥石流流量的不斷增加,沖蝕及碰撞作用不斷增強(qiáng),黏土礦物顆粒較細(xì)、方解石硬度較低易破碎,因此二者不斷被流水沖蝕而相對(duì)含量逐漸降低;而石英硬度較高、較穩(wěn)定,因此石英含量相對(duì)增加,對(duì)泥包礫形態(tài)固定起到了決定性作用。

比較泥包礫各結(jié)構(gòu)分層中黏土礦物組成及含量變化(圖6),發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出類似于泥包礫礦物種類含量差異性的特點(diǎn)。黏土礦物主要有伊蒙混層、伊利石、綠泥石以及高嶺石。其中以伊蒙混層為主,含量為48.8%;其次為伊利石,含量為37.8%;綠泥石含量7.3%;高嶺石含量最少,僅為6.3%(圖6a)。在礦物學(xué)中,泥包礫中的伊蒙混層與伊利石親水性較強(qiáng),綠泥石與高嶺石相對(duì)較差。伊蒙混層與伊利石兩種黏土礦物含量皆由內(nèi)至外逐漸減少(圖6b、6c),說明兩類礦物在泥包礫形成初期對(duì)于碎屑物質(zhì)聚集起到了吸附、粘結(jié)的作用,但由于水動(dòng)力沖蝕作用的影響,含量不斷降低,泥包礫吸附物質(zhì)的能力逐漸減弱,二者的共同作用決定了泥包礫粒徑的大小;綠泥石及高嶺石含量雖有變化,但在泥包礫中含量較低、變化不大,總體上也呈現(xiàn)出由內(nèi)至外逐漸減少的特點(diǎn)(圖6d、6e),雖然綠泥石和高嶺石親水性較弱,仍在泥包礫形成過程中起到了吸附、粘結(jié)作用,但對(duì)于泥包礫粒徑大小并未造成影響。

圖6 泥包礫結(jié)構(gòu)分層中黏土礦物含量加權(quán)百分比Fig.6 Weighted percentage of the clay mineral contents in the structural stratification of mud-coated gravel

綜上所述,從黏土礦物層面來說,其在泥包礫形成過程中發(fā)揮了吸附、粘結(jié)岸坡堆積物和泥石流流體中碎屑物的作用,對(duì)前期泥包礫的粒徑增大具有積極作用。但隨著粒徑增大,泥包礫運(yùn)動(dòng)速率變小,水的沖蝕作用使得黏土礦物含量降低,吸附、粘結(jié)作用減弱,為泥包礫粒徑定型奠定了基礎(chǔ)。

3.3.2 泥包礫物質(zhì)來源

泥包礫的物質(zhì)組成為流域內(nèi)崩滑體以及風(fēng)化層內(nèi)的物質(zhì),但二者在泥包礫形成、運(yùn)移過程中所發(fā)揮的作用仍需進(jìn)一步確認(rèn),因此文章對(duì)崩滑體、風(fēng)化層以及泥包礫不同層間礦物種類及含量進(jìn)行了對(duì)比分析。

從表1渾水溝崩滑體前緣與風(fēng)化層礦物X射線衍射分析結(jié)果來看,崩滑體前緣及流通區(qū)風(fēng)化層的礦物種類與泥包礫中、內(nèi)、外層礦物種類相同,但各礦物含量卻有所不同,崩滑體前緣內(nèi)的石英含量在35.5%～40.3%之間,小于風(fēng)化層中的52.9%～54.3%,但方解石與黏土礦物含量較高,兩者約為55.4%～60.9%,大于風(fēng)化層中的40.7%～43.1%。泥包礫不同層間礦物的加權(quán)分析結(jié)果顯示(圖5),外層石英含量在53.9%左右,方解石、黏土礦物兩者含量在34.6%左右;中層石英含量為46.2%左右,方解石、黏土礦物兩者含量在52.3%左右;內(nèi)層石英含量為27.2%左右,方解石、黏土礦物兩者含量在65.9%左右。

以上對(duì)比表明,在泥包礫形成過程中崩滑體為泥包礫形成初期的物質(zhì)基礎(chǔ),隨著泥包礫的不斷運(yùn)移及發(fā)育,風(fēng)化層逐漸取代崩滑體成為泥包礫外層的主要組成物質(zhì)。

4 泥包礫成因機(jī)制

4.1 泥包礫形成的地質(zhì)環(huán)境條件

4.1.1 巖性條件

渾水溝流域主要出露古近系,零星出露泥盆系,溝道內(nèi)滑坡、崩塌廣泛發(fā)育,不同地層內(nèi)發(fā)育的災(zāi)害規(guī)模統(tǒng)計(jì)見表2。研究區(qū)內(nèi)孕災(zāi)地層主要為古近系,總面積達(dá)3730 m2,流域內(nèi)滑坡與90.9%的崩塌發(fā)育于該地層中,其主要出露于形成區(qū)與大部分流通區(qū);泥盆系地層災(zāi)害發(fā)育面積僅為120 m2,流域內(nèi)僅9.1%的崩塌發(fā)育于該地層中,其主要出露于部分流通區(qū)與整個(gè)堆積區(qū)。

表2 渾水溝不同地層災(zāi)害發(fā)育面積及占比Table 2 Proportion of landslide and collapse areas in different strata of the Hunshui gully

古近系砂礫巖在差異性風(fēng)化作用下,坡體產(chǎn)生凌空面,降雨后重力勢(shì)能增加,使得厚層黃土及砂巖以崩塌形式補(bǔ)給溝道。發(fā)育于古近系地層中的滑坡主要為方家山滑坡與底堡池滑坡,兩者皆屬硬土軟巖類滑坡,呈塊狀滑動(dòng),形成對(duì)沖式滑坡,堵塞溝道,為泥石流及泥包礫提供了物源(胡樂等,2021);同時(shí),古近系地層上覆5～6 m的黃土層,在強(qiáng)降水條件下極易產(chǎn)生坡面流,也為渾水溝泥石流提供了物源。

泥盆系板巖的崩解指數(shù)與風(fēng)化程度成正比例關(guān)系,風(fēng)化程度越高崩解越強(qiáng)烈,因此在強(qiáng)風(fēng)化條件下板巖崩解特性表現(xiàn)得極為明顯;同時(shí),研究區(qū)環(huán)境在旱季條件下極為干燥,風(fēng)化剝蝕作用較強(qiáng),而板巖在雨季強(qiáng)降雨條件下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的崩解,從而誘發(fā)潛在滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,增加泥石流的危害程度;在相同環(huán)境條件下,千枚巖更易發(fā)生崩解作用,為泥石流提供物源(李昌友等,2009)。

4.1.2 地形地貌條件

渾水溝流域地形起伏較小,總體坡度較緩(圖7a)。主溝A-A’縱剖面圖顯示,該溝坡度較緩,總體坡度在3.5°左右,形成區(qū)坡度較陡,流通區(qū)及堆積區(qū)坡度較緩,主溝溝谷寬度較大,流域呈狹長(zhǎng)型,為典型的河谷型泥石流溝,并且泥包礫皆存在于堆積區(qū)內(nèi)(圖7b);從形成區(qū)B-B’橫剖面可以明顯看出,由于匯水面積較大,水的侵蝕作用使得溝道兩岸坡度較陡(≥45°),溝道呈現(xiàn)出“V”字型(圖7c);流通區(qū)C-C’橫剖面顯示溝道總體呈現(xiàn)“U”字型,但溝道兩側(cè)發(fā)育有一組對(duì)沖式滑坡,即底堡池滑坡與方家山滑坡,兩滑坡導(dǎo)致溝道底部呈現(xiàn)出“V”字型,坡度＞45°(圖7d);堆積區(qū)D-D’橫剖面位于溝口處,由于該位置巖層主要為泥盆系板巖及砂質(zhì)板巖,抗風(fēng)化能力相對(duì)于泥巖、砂礫巖較強(qiáng),因此兩岸山坡坡度較陡,在45°左右,呈現(xiàn)出寬“V”型(圖7e)。

圖7 渾水溝流域坡度變化及溝道縱橫剖面圖Fig.7 Map of slope gradient and diagrams of the longitudinal and cross-sectional profiles of the Hunshui gully

整體而言,渾水溝主溝溝道坡度較緩,但由于其橫向較寬,使得匯水面積較大,在強(qiáng)降水條件下,雨水大量涌入到溝道內(nèi),水的溯源侵蝕及坡面侵蝕作用促使溝道坡度進(jìn)一步增大,松散層物質(zhì)不斷被沖刷至溝道內(nèi);加之形成區(qū)坡度較陡,導(dǎo)致水的動(dòng)力勢(shì)能增加,沖刷作用使得流通區(qū)兩岸岸坡凌空面增大,形成對(duì)沖式滑坡——底堡池滑坡與方家山滑坡,為泥包礫形成提供了物源條件。同時(shí),由于流通區(qū)下游坡度較緩,泥石流流速相對(duì)趨于穩(wěn)定,使得泥包礫體積進(jìn)一步增大,為泥包礫的形成創(chuàng)造了有利的地形條件。

4.2 水動(dòng)力條件

根據(jù)渾水溝北部梅川鎮(zhèn)下文斗氣象站2020年8月23日數(shù)據(jù)顯示(圖8),該地區(qū)當(dāng)日降雨量可達(dá)66.5 mm,最大小時(shí)降雨量為32.3 mm,此次6 h降雨量遠(yuǎn)超岷縣山洪泥石流災(zāi)害高危險(xiǎn)的10 mm臨界值(周洪建等,2014)。梅川鎮(zhèn)區(qū)域降水量較大,使得渾水溝內(nèi)風(fēng)化層內(nèi)堆積物被雨水?dāng)y帶至溝內(nèi),同時(shí)兩岸岸坡巖層遇水軟化失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌與滑坡,為泥石流形成提供了水動(dòng)力條件。

圖8 梅川鎮(zhèn)下文斗觀測(cè)站2020年8月23日24小時(shí)降水量變化Fig.8 24-hour precipitation change recorded by the Xiawendou observation station in Meichuan town on August 23, 2020

根據(jù)圖8所示,8月23日上午5時(shí)至11時(shí),梅川鎮(zhèn)降水量較小,總量不足10 mm,不具備發(fā)生泥石流災(zāi)害的降雨條件,但從11時(shí)至12時(shí),降雨量突增至32.3 mm/h,溝內(nèi)泥石流暴發(fā),隨后降雨量逐漸降低至10 mm以下,泥石流規(guī)模變小,水動(dòng)力條件減弱。根據(jù)實(shí)際調(diào)查,溝道內(nèi)泥包礫出現(xiàn)時(shí)間為8月23日14時(shí)后,即泥石流大規(guī)模暴發(fā)之后,在泥石流暴發(fā)初期并未出現(xiàn)。通過以上降雨條件及泥包礫出現(xiàn)時(shí)間分析發(fā)現(xiàn),14時(shí)之前,在泥石流暴發(fā)初期,泥石流流速及規(guī)模較大,水動(dòng)力較強(qiáng),泥包礫并未形成;14時(shí)左右,隨著降雨量的減少,泥石流規(guī)模降低,水動(dòng)力條件逐漸穩(wěn)定,泥包礫開始逐漸形成,隨著泥石流流動(dòng)逐漸吸附溝道內(nèi)物質(zhì)自生加大。因此,泥包礫是泥石流后期水動(dòng)力逐漸穩(wěn)定條件下的產(chǎn)物。

4.3 泥包礫成因機(jī)制分析

基于上述分析,總結(jié)泥包礫形成過程如下。

(1)泥石流形成階段:12時(shí),由于數(shù)小時(shí)的大規(guī)模降雨導(dǎo)致渾水溝暴發(fā)泥石流。形成區(qū)溝道兩側(cè)巖性主要為厚層黃土以及古近系砂巖,坡度較陡,滑坡崩塌廣泛發(fā)育,匯水面積大,大量崩滑體及風(fēng)化層碎屑物質(zhì)被降雨沖蝕運(yùn)移至溝道中。泥石流中黃土、砂巖含量較高形成黏性泥石流,由于溝道縱比降較大,泥石流流速較大,大量碎屑物被快速運(yùn)移至流通區(qū)(圖9a)。

(2)泥包礫核形成初始階段:14時(shí)后,隨著降雨量的降低,泥石流發(fā)育規(guī)模減小,水動(dòng)力條件趨于穩(wěn)定。在形成區(qū)下游及流通區(qū)上游,由于兩岸岸坡較陡,岸坡侵蝕嚴(yán)重。古近系砂巖中發(fā)育的崩滑體前緣破碎成方解石為主的較小礫石,與吸附力較強(qiáng)的黏土礦物在泥石流運(yùn)移過程中結(jié)合,組成了泥包礫最內(nèi)層的核,為泥包礫的形成奠定了基礎(chǔ)(圖9b)。

圖9 渾水溝泥包礫形成演化圖Fig.9 Evolution of the mud-coated gravel formation in the Hunshui gully

(3)泥包礫自生加大階段:泥包礫核被泥石流運(yùn)移至流通區(qū)下游,該區(qū)段溝道縱比降較小,溝道較為寬緩,水動(dòng)力條件較弱,泥包礫運(yùn)移速度較低。泥包礫核在水動(dòng)力作用下不斷滾動(dòng),泥石流中的泥質(zhì)及砂質(zhì)物質(zhì)不斷吸附于其表面,使得泥包礫粒徑不斷增大。同時(shí),流通區(qū)內(nèi)黏土礦物含量較低的風(fēng)化層被沖蝕至溝道參與泥包礫自生增大的過程,因此泥包礫的吸附能力隨著粒徑的增大而不斷減小(圖9c)。

(4)泥包礫定型堆積階段:泥包礫運(yùn)移至堆積區(qū)上游時(shí),泥石流流速進(jìn)一步降低,粒徑不斷增大,加上風(fēng)化層中黏土礦物含量減少,因此泥包礫漸漸失去吸附能力,形成石英含量較高的堅(jiān)硬外殼。其形狀及礦物含量也趨于穩(wěn)定,粒徑大小基本確定,隨著水動(dòng)力條件進(jìn)一步減弱而運(yùn)移至堆積區(qū)各處,部分泥包礫經(jīng)泥石流搬運(yùn)至洮河之中(圖9d)。

5 泥包礫的災(zāi)害意義

5.1 泥包礫危害方式

泥石流的危害主要表現(xiàn)為淤埋和沖擊破壞,以沖擊破壞最為顯著。對(duì)構(gòu)筑物的沖擊破壞,常常是由泥石流中的大塊石沖擊所致。渾水溝泥石流流體中大量的泥包礫對(duì)成蘭鐵路橋墩不斷產(chǎn)生沖擊,損傷橋墩表面(圖10a、10b)。橋墩遭受泥石流沖擊,在不同工況下受力方式不同(李培振等,2015;劉道川等,2019)。當(dāng)泥石流流體中不含泥包礫時(shí),泥石流可看作為均質(zhì)流體,對(duì)橋墩的沖擊力平行于溝道方向,橋墩迎水面邊緣受力較為均衡(圖10c;王友彪,2019);當(dāng)泥石流流體中含有泥包礫時(shí),泥石流流體變得極不均勻,同時(shí)橋墩迎水面邊緣受力不均勻,導(dǎo)致橋墩受到來自泥石流流體的沖擊以及泥包礫的撞擊(圖10d;劉洋等,2020)。

圖10 渾水溝溝口處泥石流泥位、泥包礫堆積及成蘭鐵路橋墩受力分析Fig.10 Photos of the debris flow and mud-coated gravel accumulation at the mouth of the Hunshui gully and diagrams showing the force on the bridge pier of the Chengdu-Lanzhou Railway

5.2 泥包礫沖擊力

通過以上分析發(fā)現(xiàn)塊石沖擊力的大小對(duì)溝口或流域內(nèi)構(gòu)筑物的安全威脅較大,因而其定量計(jì)算在泥石流防治工程設(shè)計(jì)中尤為重要。文章在以往研究的基礎(chǔ)上,對(duì)水泥公路及橋墩在含有礫石的泥石流工況條件下的沖擊力進(jìn)行計(jì)算分析,以此分析泥包礫粒徑對(duì)于渾水溝的影響(孫興偉和劉云鵬,2018)。由于缺乏渾水溝泥石流發(fā)生時(shí)的第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),文章采用T/CAGHP 006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》中的公式(1)和(2),計(jì)算黏性泥石流流體中大石塊對(duì)橋墩的沖擊力(鄧虎等,2011;曾超等,2015;于獻(xiàn)彬等,2017):

由公式(1)和(2)擬合可得:

式中:F為泥包礫沖擊力,kN;dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑,m;Vs為泥石流中大石塊的移動(dòng)速度,m/s;γ為動(dòng)能折減系數(shù),對(duì)圓形端屬正面撞擊,取值為0.3;μ為摩擦系數(shù),取值范圍為3.5≤μ≤4.5,取中值4.0;α為石塊運(yùn)動(dòng)方向與受力面的夾角,取值為90°;W為石塊重量,kg;ρ為泥包礫密度,kg/m3,實(shí)測(cè)為3898 kg/m3;C1、C2分別為巨石、橋墩的彈性變形系數(shù),取C1+C2=0.005。

以泥石流中泥包礫對(duì)橋墩的沖擊力計(jì)算方法為基礎(chǔ),得到不同粒徑條件下泥包礫沖擊力計(jì)算曲線(圖11)。由圖11可知,在一定條件下,泥石流沖擊力隨泥包礫粒徑的增加呈現(xiàn)出指數(shù)性增大,說明在泥石流中,隨著泥包礫粒徑不斷增加,加之渾水溝內(nèi)泥包礫數(shù)量較多,成蘭鐵路橋墩受到的破壞將會(huì)越來越嚴(yán)重。

圖11 沖擊壓力隨泥包礫直徑變化關(guān)系圖Fig.11 Variation of impact pressure with diameter of mudcoated gravel

5.3 泥包礫起動(dòng)流速

自2020年8月23日暴雨以來,渾水溝溝道內(nèi)仍堆積有大量泥包礫,若遇暴雨或極端降雨將會(huì)暴發(fā)泥石流,攜帶泥包礫下泄,對(duì)成蘭鐵路橋墩及公路再次產(chǎn)生撞擊和沖刷,那么,判斷泥包礫是否再次起動(dòng)至關(guān)重要。泥石流中塊石及泥包礫的起動(dòng)速度可看成是不同扁平度卵石的啟動(dòng)速度,已有不少學(xué)者開展了卵石起動(dòng)流速公式對(duì)比研究(張植堂和姚于麗,1989;羅羚源,2011;李江峰,2021)。因此,探究泥包礫啟動(dòng)所需要的臨界泥石流速度,將對(duì)渾水溝泥石流災(zāi)害預(yù)防具有指導(dǎo)性意義(何文社等,2003)。將泥包礫看成卵石,采用長(zhǎng)江水院所得出的卵石起動(dòng)臨界泥石流速度計(jì)算公式(4):

式中:UC為卵石起動(dòng)流速,m/s;K為綜合起動(dòng)系數(shù),取值1.25;λ為卵石扁平度,λ≥1;γs為卵石的容重,t/m3;γ水為水的容重,t/m3;g為重力加速度,m/s2,取值9.8 m/s2;D為卵石推移質(zhì)的平均粒徑,m;h為水深,m。

分別計(jì)算不同粒徑、不同扁平度的泥包礫起動(dòng)速度變化(圖12),由圖可見,當(dāng)卵石粒徑不斷 增加時(shí),磨圓度不同的卵石臨界起動(dòng)速度差距越來越大,當(dāng)λ=1.0時(shí)的臨界啟動(dòng)速度僅為λ=4.0時(shí)的一半,即卵石為球狀泥包礫時(shí),再起動(dòng)速度最小。泥石流運(yùn)移過程中,在相同粒徑的條件下,泥包礫再起動(dòng)所需泥石流速度相較于大塊石較小,易被泥石流裹挾而發(fā)生滾動(dòng),大大增加了渾水溝泥石流的破壞力,加劇了泥石流對(duì)成蘭鐵路橋墩的侵蝕破壞。

圖12 卵石起動(dòng)流速隨卵石粒徑、磨圓度變化關(guān)系圖Fig.12 Variation of pebble threshold velocity with pebble particle size and roundness

6 結(jié)論

(1)渾水溝泥包礫主要分布于沖溝流通區(qū)下游及堆積區(qū)附近,呈土黃色或紅棕色的圓球體或似橢圓球體,具有多層結(jié)構(gòu),主要由石英、方解石、黏土礦物等組成。泥包礫礫徑越大,石英含量越高,而方解石、黏土礦物含量越低。

(2)泥包礫形成的地質(zhì)環(huán)境主要與地形、巖性以及水動(dòng)力條件有關(guān)。渾水溝流域地層巖性以黃土及古近系砂礫巖為主,黏土礦物含量高,在水流作用下易形成泥包礫核;而渾水溝形成區(qū)與流通區(qū)坡度較陡,水動(dòng)力作用較強(qiáng),泥包礫核被運(yùn)移至坡度較緩的流通區(qū)下游及堆積區(qū)內(nèi),流域中下游區(qū)段由于溝谷縱坡度較緩,水動(dòng)力條件減弱,泥包礫在不斷運(yùn)移加大的過程中逐漸沉積。

(3)基于泥包礫特征及其形成的地質(zhì)環(huán)境,渾水溝泥包礫的形成過程可分為四個(gè)階段:泥石流形成階段、泥包礫核形成階段、泥包礫自生加大階段、泥包礫定型堆積階段。其形成機(jī)制表現(xiàn)在:在強(qiáng)降雨條件下,形成區(qū)大量崩滑體及黃土被沖蝕至溝道形成黏性泥石流;運(yùn)移至形成區(qū)下游與流通區(qū)上游區(qū)段時(shí)黏性礦物富集形成泥包礫核,與大量崩滑體中的物質(zhì)結(jié)合自生加大;后經(jīng)泥石流運(yùn)移至流通區(qū)下游,兩岸風(fēng)化層物質(zhì)與泥包礫核結(jié)合形成泥包礫外層;隨著外層黏土礦物含量的降低導(dǎo)致泥包礫吸附力逐漸減小而定型,最后由于水動(dòng)力條件的作用堆積于流通區(qū)下游及堆積區(qū)各處。

(4)泥包礫在運(yùn)動(dòng)過程中的水動(dòng)力學(xué)研究表明,隨著泥包礫礫徑的增大,其沖擊力呈指數(shù)型增加。相比于固體碎屑粒徑小的黏性泥石流,含泥包礫的泥石流破壞作用更強(qiáng)。但由于泥包礫再起動(dòng)所需泥石流流速相對(duì)較小,易被泥石流裹挾而發(fā)生滾動(dòng)。因而,泥包礫愈多、礫徑愈大,泥石流對(duì)溝道中的成蘭鐵路橋墩沖刷、侵蝕甚至破壞作用愈強(qiáng)。

文章借助礦物學(xué)的研究手段和方法,開展了泥石流成因機(jī)理的研究。研究結(jié)果雖較好地解釋了渾水溝泥石流中泥包礫的形成條件和成因機(jī)制,但仍未解決泥包礫形成的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、含泥包礫的泥石流的流體力學(xué)特性等問題。因此,需進(jìn)一步開展泥包礫的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的研究,為此類泥石流的減災(zāi)防災(zāi)工作提供地質(zhì)依據(jù)。