張繼 ，韋方強，謝賢健，鮑志言

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072；2.中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院,重慶 400714；3.內(nèi)江師范學院地理與資源科學院,四川 內(nèi)江 641112)

小江流域不同巖性風化物顆粒級配特征實驗研究

張繼1，韋方強2，謝賢健3，鮑志言1

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院, 四川 成都 610072；2.中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院,重慶 400714；3.內(nèi)江師范學院地理與資源科學院,四川 內(nèi)江 641112)

松散固體物質(zhì)的顆粒級配決定著它的結(jié)構(gòu)和連接特征，影響著其力學性質(zhì)，是影響泥石流起動的決定因素之一。以中國泥石流極為發(fā)育的小江流域為研究區(qū)，采集流域上、中、下游5個流域、9種巖石類型的48個隨高程變化的風化產(chǎn)物樣品及5個典型泥石流溝的堆積樣品，采用篩析和激光粒度分析相結(jié)合的方法對各樣品進行顆粒分析。選擇與泥石流起動、運動密切相關(guān)的d50，Cu,Cc及粘粒含量4個指標構(gòu)建指標體系，系統(tǒng)分析了各類巖性對于各項指標的差異規(guī)律，結(jié)果表明，對于各項指標，各類巖性風化物均差異顯著，且隨指標不同，其級配特征差異規(guī)律顯著不同; 5個典型流域泥石流堆積物在各項級配特征指標上均具有較好的一致性。d50,Cu,Cc及粘粒含量所構(gòu)建的指標體系能較為客觀、系統(tǒng)、合理的反應(yīng)各風化產(chǎn)物的物理性質(zhì)，可為基于風化物顆粒級配特征的泥石流對巖性的敏感性研究提供幫助。

風化物；顆粒級配特征；實驗研究；小江流域

0 引言

松散固體物質(zhì)的顆粒級配決定著它的結(jié)構(gòu)和連接特征，直接影響到維持其三維結(jié)構(gòu)的起動靜切力和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分滲流與存在狀態(tài)，決定著其抵抗力的量值及其變化[1]，是影響泥石流起動的決定因素之一[2-4]。

目前，基于物理特征的敏感性研究主要是從土體顆粒級配對土體滲透性及土體強度的影響角度進行泥石流起動機理探討。崔鵬[2]通過試驗分析，認為底床坡度、水分狀況和顆粒級配是影響泥石流起動的決定因素；陳曉清[5]認為對滑坡轉(zhuǎn)化泥石流過程中，土體細顆?？赡茈S含水量實時變化，并導(dǎo)致土體強度亦處于實時變化狀態(tài)，土體強度可以利用土體特征參數(shù)建立更為直接的表達式；美國地質(zhì)調(diào)查局R．M．Iverson[6]通過大量室內(nèi)和野外試驗，研究泥石流起動時的土壤顆粒級配、粘粒含量、孔隙水壓力等土體內(nèi)部物理性質(zhì)的變化， 進而通過監(jiān)測這種變化預(yù)測泥石流的發(fā)生；Emmanuel[3]認為滑坡轉(zhuǎn)化泥石流的潛在可能性與細粒含量密切相關(guān)，從水力滲透角度看，含粉質(zhì)土比富粘粒土達到臨界孔壓狀態(tài)更為迅速。王裕宜[7]認為顆粒級配是影響滲透系數(shù)的重要因素，土的滲透系數(shù)與土的顆粒級配和孔隙比存在一定的定量關(guān)系；鄒英[8]認為顆粒級配由于影響滲透性，進而影響空隙水壓、水流動以及水土化學作用；賀拿[9]等實驗表明泥石流源區(qū)礫石土顆粒級配分形特征與其滲透性呈顯著相關(guān)。土的顆粒級配對土體強度影響明顯，饒錫保[10]等試驗表明礫石土強度隨粗顆粒含量的增加而增加，達到某一臨界時，粗顆粒含量增加強度反而減小；粗顆粒土中細顆粒含量的增加，強度減小，當其含量達到某一臨界時，粗顆粒的接觸被細顆粒分開，粗粒土逐步具有細粒土的特性。礫石土中細顆粒含量對其力學性質(zhì)有明顯的影響，朱穎彥[11]認為含泥量10%是影響礫石土工程性質(zhì)的界限；康志成[1]認為粘性泥石流中粘粒含量大多在5%左右，卻給泥石流體和泥石流堆積物造成了在物理力學性狀的顯著差異。

這些研究就特定溝谷(點)土體的級配特征對泥石流啟動影響分析取得了較大成就，但對于不同巖性風化土體的顆粒級配特征差異規(guī)律的綜合研究卻較少。該文選擇中國泥石流極為發(fā)育的小江流域為研究區(qū)，通過對該區(qū)所出露的各種巖性風化物的顆粒分析，探討其級配特征差異規(guī)律，以期為泥石流對巖性的敏感性分析提供幫助。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1．1 地形地貌

小江流域地處橫斷山東部邊緣地帶，受南北向貫穿全域的小江深大活動斷裂影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，溝谷深切，侵蝕強烈，是我國泥石流發(fā)育的典型區(qū)域，其流域面積3044.4km2，干流141.93km。該流域現(xiàn)已查明的泥石流溝有140條，分布在東川(87條)、會澤(13條)和尋甸(40條)的19個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)，泥石流溝流域面積1878.58km2，占小江流域總面積的61.73%[12]。

小江流域?qū)僦懈呱降孛矃^(qū)，南高北低，流域內(nèi)最低點海拔690m,最高點海拔4344m，流域地勢高差懸殊，相對高差達3654m，具有多級夷平面、山坡地、河流階地和泥石流堆積扇；其在東西向具有嶺谷相間，兩山夾一江的地貌特征。流域內(nèi)地形起伏多變，山坡陡峭，陡坡地眾多，流域內(nèi)>25°以上的陡坡地，占流域面積的60%以上[4]。

1．2 地層巖性

流域內(nèi)地層古老，出露較齊全，自元古界前震旦系至中生界侏羅系均有出露，出露巖性主要包括白云巖、灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、泥巖、板巖、千枚巖、玄武巖及第四系沉積等9種巖性(圖2)。其中白云巖主要出露于中游地區(qū)震旦紀燈影組地層；灰?guī)r主要出露于中游寒武紀及早二疊紀陽新統(tǒng)地層；砂巖主要出露于小江上游和下游地區(qū)前震旦紀澄江組、石炭紀、三疊紀與侏羅紀地層；粉砂巖主要出露于小江上游和下游地區(qū)三疊紀與侏羅紀地層；泥巖主要出露于早寒武世、石炭紀、三疊紀與侏羅紀地層；板巖與千枚巖主要出露于小江中下游地區(qū)的前震旦紀昆陽群地層；玄武巖主要分布于近水系發(fā)源地的高原夷平面區(qū)下二疊紀峨嵋山組地層；第四系沉積主要分布于近河谷山坡、山麓、河谷及支溝溝床。

圖1 小江流域泥石流分布圖

圖2 小江流域巖性及采樣點分布圖

1．3 氣候特征

小江流域氣候具有干濕季分明和垂直氣候帶明顯的特征。干季(11月至次年4月)晴朗少雨，降水量僅占全年的12%，而雨季(5～10月)降雨充沛，降水量占全年的88%，降水量隨著海拔的升高而增加，1600m以下區(qū)域降水量僅為700mm，而2800m以上區(qū)域則增加到1000mm。流域上游豐沛且集中的降水為泥石流活動和土壤侵蝕提供了條件[13]。

河谷區(qū) “水熱矛盾”突出，年平均溫度為20.2℃，極端高溫40.9℃，極端低溫為-6.2℃。年均降雨691.3mm，年均蒸發(fā)量為3752.7mm，降雨量與蒸發(fā)量之比為1∶5.43，相對濕度為54%，屬半干旱區(qū)，具典型干熱河谷氣候特征。

1．4 水文特征

小江及其支流具有縱坡降大、流量小、流程短、變幅大、含沙量高、河床不穩(wěn)定的特點。據(jù)小江水文站觀測資料，年均徑流深1.16m，年均流速0.7～2.3m/s，多年平均流量36.6m3/s。因此兩岸支溝多為泥石流溝，小江泥沙含量高，河床淤積嚴重。

1．5 風化影響因素及土壤分布

小江流域巖石風化主要受地形和氣候垂直分異影響。其風化土壤呈明顯的垂直分帶特征，海拔1600m以下河谷區(qū)為燥紅壤、水稻土、沖積土；1600～2800m中山區(qū)以紅壤為主；大于2800的高山區(qū)為棕壤、草甸土[13]。

2 樣品采集與實驗分析

2．1 樣品采集

遵循典型性原則，選擇沙灣、大白泥溝、大橋河、蔣家溝及大溝作為取樣典型流域；遵循相似性原則，采樣盡可能控制在同一流域，且不同高程控制，確保不同巖性風化具有相似外部環(huán)境；遵循原巖風化取樣原則，嚴格排除顯示出現(xiàn)代剝蝕堆積跡象的采樣地點，確保原巖風化，采樣地選擇地勢相對較高的平坦地區(qū)和坡段非剝蝕堆積區(qū)，第四系沉積物取樣布置于地勢較低的河谷及階地區(qū)。

通過野外相對風化程度確定風化帶，在此基礎(chǔ)上對劇風化帶土、全風化帶土和強風化帶土采用坑探或槽探進行混和采樣[14]，全流域共計采集樣品53組，其中不同巖性風化物樣品48組，泥石流堆積樣品5組(圖2)。

2．2 實驗分析

因流域內(nèi)風化產(chǎn)物均為粗細顆粒混雜的寬級配礫石土，故而聯(lián)合使用篩析及激光粒度分析法，對2mm以上粗顆粒按照土工規(guī)程采用60mm,40mm,20mm,10mm,5mm,2mm、圓孔篩，選取2kg樣品進行篩析；對0.5～2mm粒徑顆粒采用1mm,0.5mm孔徑篩，選取100g樣品進行分析；0.5mm以下采用激光粒度儀(Mastersizer 2000)進行顆粒分析。

3 實驗結(jié)果

按照土工試驗規(guī)程[15]，對上述48組巖性風化土樣和5組泥石流堆積土樣進行顆粒分析實驗,所得試驗結(jié)果如表1、表2。

4 顆粒級配特征差異規(guī)律分析

4．1 指標體系構(gòu)建

考慮對泥石流啟動影響的重要性，同時遵循客觀性、系統(tǒng)性及易獲取性原則[16-17]，該文選擇以下4個級配特征參數(shù)作為敏感性分析指標。

(1)在粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的50%的粒徑(d50)，因其反映了顆粒平均粒徑水平，影響著泥石流的起動能量[18]。

(2)不均勻系數(shù)(Cu)及曲率系數(shù)(Cc)，因其反映土體顆粒整體級配均一性水平，影響著土的滲透性及力學強度[19-20]，控制著土體的抗機械潛蝕性。

(3)粘粒含量(C),因其對土體力學性質(zhì)有明顯的影響，是泥石流起動的重要影響因素[1，10]。

4.2 各巖性風化物級配特征差異規(guī)律

根據(jù)土工規(guī)程公式[13],由表1可計算出小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分數(shù)，以此百分數(shù)為縱坐標，并以粒徑(mm)為橫坐標，即可在對數(shù)橫坐標上繪制顆粒大小分布曲線，由此曲線可求得樣品顆粒級配指標值，對各巖性樣品的級配指標，逐一采用平均值法進行整理，即可得小江流域不同巖性風化產(chǎn)物級配特征分布(表3)。

(1)d50差異性規(guī)律。 由各巖性的d50排序圖(圖3)可知，小江流域各巖性風化產(chǎn)物的d50分布于0.07～3.92之間。其中千枚巖最大，板巖、砂巖次之，粉砂巖、玄武巖、白云巖及第四紀沉積較小，最小為泥質(zhì)灰?guī)r及泥巖。表明小江流域泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖風化較為徹底，且風化產(chǎn)物(特別是細顆粒物質(zhì))保存較好；相反千枚巖、板巖則主要表現(xiàn)為物理風化，風化產(chǎn)物(細顆粒)保存極差。

表1 各巖性風化物顆粒分析實驗結(jié)果

表2 泥石流堆積顆粒分析成果

表3 小江流域各巖性風化物的顆粒級配特征

圖3 各巖性d50排序

(2)顆粒均一性規(guī)律分析。 根據(jù)土工試驗規(guī)程[14]，當Cu≥5,而Cc界于1～3時，則土體級配良好，顆粒大小混雜，土體工程性質(zhì)佳；若有一項條件不滿足，則土顆粒較為均一，主要集中于某一或者某幾個巖組，易于造成機械潛蝕及斜坡失穩(wěn)。由各巖性Cu排序(圖4)及Cc排序圖(圖5)可知,玄武巖和砂巖風化產(chǎn)物顆粒級配良好；白云巖、板巖、泥質(zhì)灰?guī)r次之，粉砂巖、第四紀沉積物較差；泥巖、千枚巖最差，顆粒分布甚為均一。

表4 小江流域泥石流堆積物顆粒級配特征

圖4 各巖性Cu排序

圖5 各巖性Cc排序

(3)顆粒含量差異性規(guī)律。 小江流域各巖性粘粒含量較為豐富，均近于或者大于細顆粒10%的工程界限。粘粒含量最大的是泥巖達25%以上，而泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、粉砂巖次之，玄武巖、砂巖、第四系較次，最少的為千枚巖和板巖(圖6)。但最少的千枚巖其粘粒含量也大于小江流域泥石流堆積。

圖6 各巖性粘粒含量排序

4.3 河谷泥石流堆積級配特征分布規(guī)律

室內(nèi)共完成5組泥石流堆積土樣的顆粒分析，對表2逐一采用平均值法進行整理，即可得出小江流域典型泥石流流域泥石流堆積顆粒級配特征分布(表4)。

表4可知，小江流域5個典型泥石流流域的d50在1.15～6.18之間變化，Cu在158.49～1644.00之間變化，Cc在0.53～11.17s之間變化, 粘粒含量在6%～10%之間變化。四者中粘粒含量變化起伏幅度最小，而d50變化幅度較小，Cc變化幅度居三，變幅最大的為Cu。這表明四者中塑性指數(shù)一致性最好，d50一致性次之，Cc相對較差、Cu相對最差。在Cu分布上除了蔣家溝有量級差別外，其余溝谷均具有較好的一致性；在Cc分布上除了沙灣有量級差別外，其余溝谷均具有較好的一致性(圖7、圖8)。

圖7 小江流域5個典型流域泥石流堆積級配特征分布(d50,Cc,粘粒含量)

圖8 小江流域5個典型流域泥石流堆積級配特征分布(Cu)

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

(1) d50,Cu,Cc及粘粒含量等4個指標反應(yīng)了土體的結(jié)構(gòu)和連接特征，控制著土體的抗機械潛蝕性，影響著土體力學性質(zhì)和泥石流的起動能量，其與泥石流的啟動密切相關(guān)，是松散土體級配特征本質(zhì)反映指標，選擇其構(gòu)建指標系統(tǒng)，可客觀刻畫土體的各風化產(chǎn)物的物理性質(zhì)。

(2)各巖性風化土體d50,Cu,Cc及粘粒含量等4項級配特征指標均差異顯著，且隨指標不同，其級配特征差異規(guī)律顯著不同。

(3)除蔣家溝與沙灣的泥石流堆積在Cu,Cc上有量級差別外，小江5個典型流域泥石流堆積物在各項級配特征指標上均具有較好的一致性，其平均值可作為敏感性歐式距離分析的標準值。

(4)不同巖性風化物顆粒級配特征規(guī)律研究是各巖性對泥石流敏感性分析的基礎(chǔ)，可為泥石流災(zāi)害危險性區(qū)劃及基于可拓模型的泥石流預(yù)報提供下墊面敏感性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

5.2 討論

蔣家溝與沙灣的泥石流堆積在Cu，Cc上有量級差別，可能系異常值影響，增加泥石流堆積樣品數(shù)量，并盡可能控制取樣位置，采集后期不受溪洪沖刷或沖刷影響小的樣品，保證原始堆積，這種量級突躍則可能規(guī)避。

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ExperimentalReaserchonParticleDistributionCharacteristicsofWeatheredProductswithDifferentPropertiesinXiaojiangRiver

ZHANG Ji1, WEI Fangqiang2, XIE Xianjian3, BAO Zhiyan1

(1.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation, Chengdu 610072;2.Chongqing Institute of Green Intelligent Techlology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714;3.School of Geography and Resources, Neijiang Normal University, Neijang ,Sichuan 641000)

As response characteristics to structures and interlinkages of weathered products with different properites，particle distribution influences the mechanical property of weathering products. It is one of the most important influence factor upon the initiation of debris flow. In this paper, taking Xiaojiang basin which debris flow developed well as the study area, collecting 48 samples weathering products which will change with different elevations in 9 kinds of rocks in 5 debris flow valleys in upper, middle and lower reaches of Xiaojiang ravine and 5 samples of debris flow deposition, particle distribution characteristic of each sample has been analyzed by using sieve analysis and laser particle size analysis method. Seclecting four indicators, such as d50,Cu,Ccand Clay content which have close relation with debris flow starting and moving, the index system has been constructed, and the difference laws of particle distribution characteristic upon each indicator has been systematically analyzed. It is indicated that as to each indicator, there are significant differences in weathering products in different rocks, and difference laws are significant different varying with different indicators . In addition, to each indicator ,there are good consistency lying in particle distribution characteristics of debris flow deposits of 5 debris flow valleys in Xiaojiang ravine. It also indicates that the index system ,which consists of d50,Cu,Ccand Clay content, can systematically, objectively and reasonably reflect the particle distribution characteristics of weathering products. It may be helpful for susceptibility analysis of debris flow to rocks based on particle distribution characteristics of their weathering products.

Weathering products; particle distribution characteristics; experimental research ; Xiaojiang ravine

P642+23

B

2017-03-20；

2017-06-21；編輯陶衛(wèi)衛(wèi)

中國科學院知識創(chuàng)新工程項目(KZCX3-SW-352)；四川省國土資源廳科學研究計劃項目(KJ-2016-10)；四川省教育廳重點項目(16ZA0312)；四川省教育廳科研創(chuàng)新團隊基金(14TD0026)

張繼(1974—),男,四川榮縣人,高級工程師,研究方向：環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)與巖土工程;E-mail：yddezj@163.com

張繼，韋方強，謝賢健，等.小江流域不同巖性風化物顆粒級配特征實驗研究[J].山東國土資源，2017,33(11)：78-84.

ZHANG Ji, WEI Fangqiang, XIE Xianjian, etc.Experimental Reaserch on Particle Distribution Characteristics of Weathered Products with Different Properties in Xiaojiang River[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(11)：78-84.