雨強和坡度對地表冰磧物徑流分選特性研究

劉關(guān)鋒，牛向東，張應(yīng)平，侯克鵬，李志鈞，黃正高

(1.云南銅業(yè)股份有限公司，昆明 530100； 2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 3.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400)

冰磧覆蓋層是我國云貴藏高海拔地區(qū)特有的冰川沉積地層，冰磧物是指冰川搬運和堆積的石塊及碎屑顆粒物質(zhì)，具有物質(zhì)成分復(fù)雜、粒徑差異性大、顆粒排列無序、降雨易徑流分選等特性[1-3]。普朗銅礦開采區(qū)范圍內(nèi)的地表冰磧物因受到采礦活動擾動，冰磧覆蓋層顆粒結(jié)構(gòu)松散，使得冰磧物顆粒之間黏聚力減小，導(dǎo)致其抗徑流沖刷分選能力減弱[4-5]；同時由于礦區(qū)開采范圍內(nèi)地表冰磧層平均坡度較大(10°～32°)，雨季期間冰磧物細顆粒很容易被降雨濺擊和徑流沖刷分選，致使大量冰磧物分選細顆粒進入開采活動范圍內(nèi)，嚴(yán)重影響礦山的安全正常生產(chǎn)，易誘發(fā)礦山井下泥石流災(zāi)害事故。

關(guān)于顆粒物質(zhì)的徑流侵蝕分選前后粒徑特征變化的研究，一直被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。MARTINEZ等[6]利用團聚率(Aggregation Ratio)概念對泥沙顆粒分析研究，顯示降雨動能是決定泥沙顆粒是否能發(fā)生徑流沖刷侵蝕運移的主要動力；WARRINGTON等[7]開展了泥沙顆粒在不同侵蝕程度條件下的顆粒組成變化規(guī)律，結(jié)果顯示泥沙顆粒中黏粒分布主要受降雨作用影響；BERGER等[8]通過開展降雨強度和坡度對土壤顆粒徑流侵蝕的敏感性分析發(fā)現(xiàn)，降雨強度對土壤坡面侵蝕后的顆粒分布影響大于坡度；ASSOULINE等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)一定濕度條件下土層的抗濺蝕能力隨著土壤中黏粒含量而增大，土壤顆粒的抗濺蝕能力增大則不易被雨滴打散，難以產(chǎn)生徑流搬運分選；BISSONNAIS[10]和SHI等[11]對顆粒物質(zhì)的水蝕過程進行研究，研究表明顆粒團聚體破碎機制主要是吸水飽和過程中的消散作用以及雨滴濺擊條件下的機械破碎作用。國內(nèi)在顆粒物質(zhì)的徑流侵蝕分選方面的研究也取得了一定進展，王治國等[12]利用室內(nèi)試驗方法研究沖刷坡度與侵蝕量之間的關(guān)系，研究成果表明徑流沖刷坡度和單位面積細溝侵蝕量間具有正相關(guān)變化規(guī)律；楊具瑞等[13]研究認(rèn)為黃土坡面細溝侵蝕存在一個臨界坡度閾值；李君蘭等[14]研究認(rèn)為坡面侵蝕程度與降雨強度之間具有密切關(guān)聯(lián)，降雨強度越大造成坡面侵蝕越嚴(yán)重；湯珊珊等[15]通過對坡面覆沙后侵蝕泥沙顆粒分選特性進行研究，認(rèn)為侵蝕泥沙顆粒主要以粉粒為主，徑流侵蝕優(yōu)先搬運細小顆粒物質(zhì)；湯珊珊等[16]通過對降雨條件下覆沙坡面侵蝕顆粒特征進行研究，結(jié)果表明在不同降雨工況時侵蝕泥沙顆粒中的砂粒和粉粒較多；朱高立等[17]對不同雨強和覆蓋度條件下崩積體侵蝕泥沙顆粒特征研究，顯示崩積體泥沙顆粒坡面沖刷優(yōu)先運移細小顆粒；蔣芳市等[18]對崩崗崩積體侵蝕泥沙顆粒特征研究，結(jié)果表明崩積體泥沙顆粒的富集率與降雨強度和坡度之間成正相關(guān)變化趨勢，同時認(rèn)為侵蝕泥沙的平均重量直徑隨坡度變化存在臨界坡度。

通過現(xiàn)場踏探，礦區(qū)地表冰磧覆蓋層坡面降雨徑流沖刷溝分布較多，冰磧物顆粒徑流分選較嚴(yán)重。目前關(guān)于顆粒物質(zhì)的徑流分選方面的相關(guān)研究，主要研究對象多為不同地區(qū)的土壤顆粒、泥沙顆粒、崩積體物質(zhì)等，但針對高寒高海拔冰川地區(qū)冰磧物顆粒方面的相關(guān)研究卻鮮有報道，缺乏該方面的相關(guān)研究。鑒于此，本文基于室內(nèi)降雨試驗方法，開展不同降雨強度(200、400、600 mL/(min·m2))和坡度(10°、21°、32°)工況條件下的冰磧物徑流分選特性研究，研究成果可為防止冰磧物顆粒徑流分選制定有效的措施，避免徑流分選后的細粒冰磧物進行入開采活動范圍內(nèi)，對礦山井下泥石流災(zāi)害事故的防控具有重要的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自云南香格里拉普朗銅礦礦區(qū)范圍內(nèi)具有代表性的冰磧物顆粒，選取表層(0～50 cm)原狀冰磧物進行物理性質(zhì)分析，采用環(huán)刀法測定容重(1.4～1.7) g/cm3，物質(zhì)礦物成分組成采用X-衍射方法，級配粒徑采用篩分法，普朗礦區(qū)冰磧物樣品礦物成分見表1，粒徑組成見表2。

表1 普朗礦區(qū)冰磧物樣品的礦物成分Table 1 Mineral composition of moraine samples from the Plan mine

表2 普朗礦區(qū)冰磧物樣品的級配粒徑組成Table 2 Gradation size composition of moraine samples from the Plan mining area

1.2 試驗裝置

試驗在可變坡度的鋼槽上進行，試驗鋼槽尺寸規(guī)格為160 cm × 60 cm × 60 cm(長×寬×深)，該試驗系統(tǒng)主要由帶刻度儲水裝置、徑流沖刷裝置、智能降雨裝置、集流裝置四部分組成。模擬人工降雨采用下噴式智能降雨系統(tǒng)，降雨均勻度大于0.85，有效降雨面積可全覆蓋試驗鋼槽范圍。

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)整個礦區(qū)匯水范圍內(nèi)的分水嶺標(biāo)高至開采區(qū)地表匯水標(biāo)高的空間關(guān)系，地表冰磧物覆蓋層匯水徑流平均坡度在32°內(nèi)，則試驗設(shè)計坡度分別為10°、21°和32°。研究礦區(qū)高海拔區(qū)域范圍內(nèi)的降雨氣象資料，確定試驗設(shè)計降雨強度為200、400、600 mL/(min·m2)，依據(jù)《降雨等級標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 28592-2012)》規(guī)范，本次試驗制定的降雨強度范圍涉及到大雨～特大暴雨區(qū)段，是科學(xué)合理的。

1.4 試驗過程

冰磧物顆粒在裝入試驗裝置鋼槽前，先對其進行簡單處理，剔除大塊礫石及植物根系等雜物。按照原狀冰磧層物質(zhì)容重將冰磧物顆粒以5 cm厚度分層裝入試驗裝置中，使試驗?zāi)Ｐ椭斜兾锊牧吓c現(xiàn)場實際冰磧層的容重盡可能相近；同時在填裝上層冰磧物顆粒之前，抓毛下層冰磧層表面，以防各冰磧層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

每次降雨試驗過程中，待模型冰磧層坡面開始發(fā)生徑流，每10 min采集一次徑流沖刷樣品，采用烘干法測定徑流沖刷冰磧物量，并將烘干后冰磧物顆粒采用標(biāo)準(zhǔn)篩進行篩分，測定各工況試驗條件下的徑流分選顆粒粒徑組成，試驗過程中使用高速攝像機對冰磧層坡面顆粒徑流分選過程進行動態(tài)監(jiān)測[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流分選顆粒粒徑與原始粒徑對比分析

徑流沖刷坡度32°條件下，降雨強度分別為200、400、600 mL/(min·m2)時的冰磧物徑流分選顆粒級配見圖1。分析可以看出，1)降雨強度為200 mL/(min·m2)時，冰磧物從坡面徑流沖刷出的顆粒粒徑≤2.5 mm，而400、600 mL/(min·m2)降雨強度時由坡面徑流沖刷出的顆粒粒徑≤20 mm，說明冰磧物徑流沖刷顆粒粒徑隨降雨強度增加而增大；2)不同降雨強度工況時徑流沖刷出的冰磧物顆粒粒徑級配曲線均在原始地表冰磧物級配曲線之上，表示小于某粒徑的冰磧物顆粒質(zhì)量占比都比原始地表冰磧物大，說明原始地表冰磧物顆粒在徑流沖刷作用下具有顯著的分選效果，且降雨強度越小，其級配曲線相對其他級配曲線越高，表明徑流分選出的冰磧物顆粒粒徑越細。這與張輝等[20]和WILSON CODIE等[21]泥沙顆粒的研究成果相一致。

圖1 坡度為32°不同雨強條件下的冰磧物徑流分選顆粒級配曲線Fig.1 Particle gradation curves of moraine runoff sorting under different rain intensities with a slope of 32°

降雨強度600 mL/(min·m2)條件下，徑流沖刷坡度分別為10°、21°、32°時的冰磧物徑流分選顆粒級配見圖2。分析圖2可知：1)由不同沖刷坡度坡面徑流沖刷出的冰磧物顆粒粒徑級配曲線也均在原始地表冰磧物級配曲線之上，表示小于某粒徑的冰磧物顆粒占比要比原始地表冰磧物高，說明原始地表冰磧物顆粒在徑流沖刷作用下也具有明顯的分選效果；2)沖刷坡度為10°和21°時從坡面沖刷出的最大冰磧物顆粒粒徑是10 mm，而沖刷坡度為32°時從坡面沖刷出的最大冰磧物顆粒粒徑是20 mm，表明隨著徑流沖刷坡度越大，徑流分選出的冰磧物顆粒粒徑亦越大；3)由于徑流沖刷是坡面冰磧物顆粒運動分選的主要動力，冰磧物徑流分選過程實際上是徑流和坡面顆粒相互作用的過程，在此過程中徑流沖刷優(yōu)先選擇性的分選冰磧物細顆粒，因此徑流沖刷坡度越小其級配曲線相對其他級配曲線越高，說明徑流沖刷坡度越小，徑流沖刷分選出的冰磧物顆粒粒徑越小，對細顆粒分選效應(yīng)越顯著。這與白浩[22]和楊帥[23]泥沙顆粒分選的研究成果相吻合。

圖2 雨強為600 mL/(min·m2)不同坡度條件下的冰磧物徑流分選顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve of moraine runoff sorting under different slope conditions with rain intensity of 600 mL/(min·m2)

2.2 雨強對冰磧物顆粒徑流分選影響

沖刷坡度為32°條件下，降雨強度分別為200、400、600 mL/(min·m2)時的冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比見圖3。分析圖3可知：1)徑流沖刷坡度一定條件下，不同的降雨強度沖刷分選的顆粒差異性較大，當(dāng)降雨強度為200 mL/(min·m2)時，因徑流沖刷作用從坡面沖刷出的冰磧物顆粒粒徑都在2.5 mm以下，而降雨強度為200、400 mL/(min·m2)時的徑流沖刷出的冰磧物顆粒粒徑均在20 mm以下，且徑流沖刷出的冰磧物顆粒粒徑都要比原始地表冰磧物粒徑小，反映出徑流分選顆粒粒徑隨降雨強度的增加而增大；2)不同降雨強度條件下，冰磧物顆粒徑流沖刷分選富集程度基本以細顆粒為主，即徑流沖刷出的顆粒粒徑≤0.63 mm冰磧物顆粒質(zhì)量占比在48.2%～74.6%，同時降雨強度越小徑流分選出的細顆粒質(zhì)量占比越高，主要是由于降雨強度越小，雨滴動能和徑流沖刷力減小，薄層水流的沖刷力無法使粗顆粒啟動運移，僅能啟動細顆粒參與分選運動。這與王偉[24]和劉曉娜[25]關(guān)于泥沙顆粒的相關(guān)研究結(jié)論相統(tǒng)一。

圖3 坡度為32°不同雨強時的冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比Fig.3 Mass proportion of moraine runoff sorting particles when the slope is 32° with different rain intensities

2.3 坡度對冰磧物顆粒徑流分選影響

降雨強度為600 mL/(min·m2)條件下，徑流沖刷坡度分別為10°、21°、32°時的冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比見圖4。通過對不同坡度條件下冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比分析，1)徑流沖刷分選顆粒粒徑基本分布于0～10 mm區(qū)間，但是主要集中在0.63 mm粒徑，而分布于1.25～10 mm區(qū)間內(nèi)的分選顆粒質(zhì)量占比較小，說明徑流沖刷優(yōu)先分選細顆粒，且沖刷坡度越小徑流分選的顆粒粒徑越細；2)對徑流沖刷分選10 mm粒徑的冰磧物顆粒質(zhì)量占比進行分析可以看出，徑流沖刷坡度為21°時冰磧物顆粒質(zhì)量占比均超過10°和32°，則隨著坡度的增加徑流分選顆粒質(zhì)量占比呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，說明徑流沖刷分選顆粒粒徑的變化存在著臨界坡度，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因與坡面實際有效降雨面積有關(guān)，一般情況下沖刷坡面的坡度越大，實際有效降雨面積就會減小，使得雨滴濺擊和坡面徑流沖刷能力減弱，導(dǎo)致對較大粒徑顆粒徑流分選效應(yīng)降低，這與蔣芳市等[18]關(guān)于崩積體侵蝕泥沙顆粒的研究成果相吻合。

圖4 雨強為600 mL/(min·m2)不同坡度時的冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比Fig.4 The mass proportion of the moraine runoff sorting particles when the rain intensity is 600 mL/(min·m2)at different slopes

3 結(jié)論

本文基于室內(nèi)降雨試驗方法，研究不同降雨強度(200、400、600 mL/(min·m2))和坡度(10°、21°、32°)工況條件下的冰磧物顆粒徑流分選特性，得到以下主要結(jié)論：

1)冰磧物顆粒在不同雨強和坡度徑流沖刷過程中具有顯著的分選效應(yīng)，其分選程度受冰磧層顆粒自身組成狀況和坡面徑流沖刷力耦合作用的影響。

2)徑流沖刷是坡面冰磧物顆粒運動分選的主要動力，不同雨強和坡度工況條件下，沖刷分選的冰磧物顆粒粒徑具有選擇性，優(yōu)先分選粒徑較小顆粒，且雨強和坡度越小徑流分選的顆粒粒徑越細。

3)冰磧物徑流分選顆粒質(zhì)量占比隨坡度增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，說明徑流分選顆粒粒徑的變化存在著臨界坡度。