黃 海,劉建康,楊東旭

(1.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災害防治技術中心，四川 成都 611734)

泥石流是一種含有大量泥沙塊石的多相流體，也是山區(qū)常見的地質(zhì)災害[1]。近20年來，我國開展了大量泥石流災害治理，尤其是在西南地區(qū)的泥石流災害高易發(fā)區(qū)，以龍門山區(qū)、滇西地區(qū)、川西地區(qū)及秦嶺山區(qū)為代表，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。但是，在泥石流治理工程運行中還存在一些不足，如攔砂壩結(jié)構(gòu)破壞、沖出量超出設計標準、排導槽漫流等。其重要原因之一是治理工程的勘查設計階段對災害體的物理特征參數(shù)計算存在較大誤差，影響工程結(jié)構(gòu)可靠度計算和防災效益分析，導致泥石流災害破壞力超出了工程的防災能力。

泥石流容重是決定流速、流量、一次沖出量、沖擊力等參數(shù)的基礎物理量[2]。國外泥石流災害防治主要依據(jù)現(xiàn)場觀測取樣測定單溝泥石流容重，部分學者在早期探索了泥石流顆粒組成與容重的關系[3-7]，建立了相關經(jīng)驗公式[8-9]。國內(nèi)由于泥石流災害分布廣泛且監(jiān)測預警系統(tǒng)不完善，研究者們通過對沉積物特征、災害形成條件等進行統(tǒng)計分析，從已發(fā)生的單次泥石流災害和泥石流溝流域背景兩個不同尺度，構(gòu)建了十余個不同區(qū)域的泥石流容重經(jīng)驗計算公式，為泥石流災害風險評估和工程治理奠定了理論支撐和實踐基礎[10]。泥石流災害治理實踐中，基本假定未來暴發(fā)的泥石流災害類同于近期已發(fā)生的災害事件，采取現(xiàn)場試驗法、沉積物測試法及打分法等確定容重等參數(shù)。實際上泥石流災害暴發(fā)過程極其復雜，不同的物源條件和水源條件下，其容重參數(shù)相差很大，根據(jù)蔣家溝觀測資料，2001年暴發(fā)的泥石流災害的容重實測值為1.30～2.26 t/m3，基本橫跨泥石流體的最小容重到最大容重之間的所有可能[11]。

本文以龍門山區(qū)和蔣家溝泥石流為研究對象，在泥石流流域孕災條件演化的時間尺度上，從物源特征和水力條件兩個參數(shù)分析了容重的變化規(guī)律；在泥石流流體沿溝道演化的空間尺度上，分析了沖淤特征與容重增減之間的定量關系，為建立基于孕災背景和運動特征的容重動態(tài)計算方法奠定基礎。

1 泥石流容重的時空變化特征

容重是描述泥石流流體固體物質(zhì)含量多少的參數(shù)，一定程度上反映了災害的水土耦合過程，也是泥石流動力特征參數(shù)計算中的基礎參數(shù)[12]，其不僅影響泥石流運動特征參數(shù)的量值，還影響泥石流災害致災方式和風險評價[13]。泥石流固體物質(zhì)粒徑跨度大，不均勻系數(shù)多達數(shù)百甚至上千[14]，復雜的固體物質(zhì)組成導致泥石流容重的精確計算具有較大的困難。在泥石流流體中，固體物質(zhì)組分是影響容重差異性的主要因素，黏粒物質(zhì)(<0.005 mm)含量主要決定泥石流漿體的流體特性，粗顆粒物質(zhì)(>2.0 mm)尤其是大塊石(>1.0 m)含量則控制泥石流容重的上限值[11]。在不同的時空條件下，容重參數(shù)是動態(tài)變化的，時間條件上，每一次泥石流災害的孕災背景和激發(fā)因素都是獨特的，同一條溝在不同時間暴發(fā)的泥石流災害的容重基本不會相同；空間條件上，泥石流運動過程受溝道微地貌影響，流體在沿溝道運移過程中，不斷產(chǎn)生床沙交換，單次泥石流在不同溝道段的容重也是不斷變化的。

泥石流啟動與運動實際就是水土耦合的過程，不同的水力條件和物源賦存狀態(tài)均影響泥石流物質(zhì)補給量，從而影響容重參數(shù)。不同期次的泥石流災害其孕災背景差異性極大，在啟動機制、物源補給及運動過程等方面均存在不可重復性，因此，受固體物質(zhì)抗侵蝕能力和徑流侵蝕能力對比的波動的影響，不同期次泥石流災害的容重具有較大差異，如表1。

一次典型溝谷泥石流災害包括清水區(qū)形成地表徑流、形成區(qū)啟動物源形成多相流體、流通區(qū)床沙交換沖淤輸移、堆積區(qū)動態(tài)平衡堆積四大過程。泥石流通過物源區(qū)后，流體由清水演變成泥石流，容重達到最大上限值，其上限值與物源活躍性及流體攜沙能力成正相關。流體進入流通區(qū)后，溝道縱比降降低，溝谷寬度增大，泥深和流速均較形成區(qū)小，流體攜帶固體物質(zhì)能力下降，在由陡變緩段溝道產(chǎn)生淤積，泥石流容重將降低；而進入溝道比降增大段，流體將產(chǎn)生沖刷，容重一定程度上將增大，因此流通區(qū)的泥石流容重處于動態(tài)波動狀態(tài)。如丹巴縣城后山的干橋溝，溝谷地形具有“陡-緩-陡-緩”的特征，容重自上游至下游呈現(xiàn)增大-減小-增大-減小的特點[19]，對應泥石流運動過程的沖刷-淤積-沖刷-淤積的沖淤特征。

表1 不同期次泥石流容重差異性統(tǒng)計Table 1 Values of the density in different debris flow

注：蔣家溝泥石流容重數(shù)據(jù)引自東川站觀測數(shù)據(jù)文集[15]；文家溝2010年泥石流災害容重引自游勇[16]和余斌[17],2013年容重引自許強[18]。

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局北川泥石流災害監(jiān)測與防治技術野外試驗基地的監(jiān)測資料和堆積物取樣分析，張家坪溝泥石流容重在四個區(qū)域表現(xiàn)出明顯差異性(圖1)。以2017年暴發(fā)的災害為例，清水區(qū)在降雨產(chǎn)流作用下形成清水或含沙水流，容重γ≤1.3 t/m3；進入物源區(qū)后，溝道內(nèi)堵塞體潰決放大，且溝道縱比降達75.93%，容重γ最大達2.32 t/m3，表現(xiàn)出一定程度的坡面泥石流特征；泥石流沿基巖溝床輸移至出山口后，溝床縱比降下降至35.34%，溝道寬度由形成區(qū)的1.5～2.0 m拓寬至5.0～6.7 m，流體內(nèi)粒徑D>0.35 m的大顆粒沿溝道產(chǎn)生沉積，容重減少至1.88 t/m3。

圖1 泥石流容重沿溝道變化示意圖(北川張家坪溝)Fig.1 Sketch of the change in density in debris flow gully(the Zhangjiaping gully)

在工程治理實踐和風險評價中較少考慮沿溝道的物質(zhì)輸移特征變化。當泥石流防治工程布設于流域中上游的形成流通區(qū)時[20]，不同溝道段需采用不同的容重參數(shù)，以固定的容重值進行流域性分析具有較大誤差。

2 常用容重計算方法及驗證

泥石流容重參數(shù)包括已發(fā)生和預測兩方面內(nèi)容。前者主要用于分析歷史災害事件，在工程治理中利用類比法也用于確定單溝泥石流特征參數(shù)；后者描述泥石流溝在一定時間段內(nèi)的孕災特征，對泥石流治理和風險評價至關重要。

泥石流暴發(fā)過程中對流體取樣測試是容重參數(shù)最準確而直接的獲取方法。但取樣測試方法依然存在一定的局限性，主要受取樣容器規(guī)格和取樣時機的影響。蔣家溝泥石流含大塊石較少，主要粗顆粒粒徑小于0.20 m，觀測站的取樣設備可取回絕大部分流體樣品，所得觀測結(jié)果相對可靠，而對于大塊石含量高的泥石流，取樣測試誤差依然較大。針對歷史暴發(fā)的泥石流災害，現(xiàn)階段多采取配方法，目擊者記憶、塊石含量等因素均產(chǎn)生較大不確定性，因此國內(nèi)學者基于泥石流沉積物特征、漿體特征、孕災特征等因素與容重的關系建立了經(jīng)驗公式，試圖通過間接手段定量精確描述泥石流容重。目前常用的容重計算方法如表2，其中配方法、漿體法、沉積物法以及查表法納入了泥石流災害勘查規(guī)范。

以上所述計算方法主要是根據(jù)小江流域、成昆鐵路沿線的泥石流觀測和調(diào)查資料分析總結(jié)而來，除蔣家溝具有完整的觀測測試資料外，其他樣本均來源于事后調(diào)查而非災害過程取樣測試，因此公式的建立和樣本數(shù)據(jù)獲取過程均有一定的誤差。由于泥石流容重受災害孕災背景、啟動機制及運動過程影響較大，各計算方法均存在一定的地域局限性。泥石流沿溝道運動過程的堆積是非完整沉積，因此物質(zhì)組成實測法主要適用于溝口具有較完整堆積的泥石流，無法代表溝道內(nèi)不同沖淤特征段的容重動態(tài)變化。孕災背景預測法主要通過物源多寡建立容重參數(shù)，難以描述容重在溝域空間上和災害演化時間上的動態(tài)變化。

選取汶川震區(qū)不同孕災背景條件下的雍家溝、青林溝、哈爾木溝進行計算，分析各方法的適用性。雍家溝位于綿遠河流域，龍門山中央斷裂縱貫主溝，物源區(qū)巖性以花崗巖和白云巖為主；青林溝位于都壩河流域，龍門山中央斷裂從溝口橫穿，溝道垂直主斷層發(fā)育，物源區(qū)巖性主要為砂巖和灰?guī)r；哈爾木溝位于雜谷腦河中游，距離汶川地震發(fā)震斷層約50 km，處于薛城S型構(gòu)造核部，巖性主要為板巖和千枚巖[24]。利用近10年暴發(fā)的泥石流災害的溝口堆積物的顆粒分析結(jié)果，對比分析各容重計算方法在不同地區(qū)的使用效果，如表3。

表2 常用的泥石流容重計算方法Table 2 General formula for common calculation of the density of debris flow

注：P05為粒徑<0.05 mm的細顆粒的百分含量;P2為粒徑>2 mm的粗顆粒的百分含量;γ0為泥石流的最小容重，取1.5 t/m3;γV為黏性泥石流的最小容重，取2.0 t/m3;γX為容重修正系數(shù)，取1.4 t/m3；γs為粗顆粒(>2 mm) 比重,取2.7 t/m3;x為泥石流沉積物中的黏粒(粒徑<0.005 mm)含量(用小數(shù)表示);ρs為固體顆粒密度;ω′為細顆粒(粒徑小于泥石流的上限粒徑，上限粒徑一般取粘附于溝道巖壁漿體的最大粒徑)的質(zhì)量百分數(shù)，用小數(shù)表示;γf為泥石流漿體容重，實際工作中取泥石流堆積物中的細顆粒配置(t/m3)；I為溝床比降(小數(shù));K0為補給系數(shù)(河床質(zhì)取1.2,崩塌取1.0,滑坡取1.1);KR為巖性系數(shù)(千枚巖、砂巖、頁巖、灰?guī)r和玄武巖分別取0.9,1.2,0.9,1.2和1.0);KL為稀釋系數(shù)(取泥石流形成區(qū)以上面積與流域面積之比);KA為松散物質(zhì)儲備總量系數(shù)，KA=(松散物質(zhì)儲備總量/流域匯水面積)0.11。

表3 典型泥石流溝不同期次災害的堆積區(qū)容重γ計算結(jié)果Table 3 Caculation of the density in the fans of various debrisflow /(t·m-3)

注：1989年哈爾木溝暴發(fā)年代過于久遠，無法獲取巖壁或溝邊壁的堆積樣本,方法四未計算。

計算結(jié)果顯示，不同容重計算方法偏差幅度為10%～30%，方法二和方法四的計算值偏大。方法二的建模樣本為塊石含量較少的小江泥石流災害，當推廣至龍門山區(qū)時，大塊石的存在使得計算結(jié)果誤差增大，而方法四對漿體的取值不確定性較大。物質(zhì)組成法建模時較少考慮固體物質(zhì)中的巨塊石含量，而實際應用中樣品的取得過程有較大的隨機性，從而導致誤差產(chǎn)生。此外，泥石流體在堆積區(qū)沉積時，大量細顆粒物質(zhì)隨著流水進入主河，加大了泥石流采樣測試結(jié)果的偏差。孕災背景預測法的模型中較少考慮物源的演化，以震區(qū)泥石流為例，地震作用在溝內(nèi)誘發(fā)大量物源，短期內(nèi)泥石流發(fā)生的臨界閾值低，容重相對偏大，隨著泥石流快速從極易暴發(fā)階段進入較易暴發(fā)階段后，物源總量變化較少，而物源活躍程度快速降低，現(xiàn)有孕災背景預測法難以描述泥石流容重的動態(tài)變化。

3 孕災條件對容重的影響

3.1 物源活躍程度對泥石流容重的影響

物源賦存狀態(tài)包括物源顆粒組成、坡度及與溝道的空間關系等，與泥石流啟動和侵蝕沖刷過程密切相關。當物源處于不穩(wěn)定狀態(tài)，失穩(wěn)土體直接進入溝道，與徑流混合后，流體攜沙能力快速飽和，流體容重較高，反之，容重較低。在龍門山區(qū)的多次災害事件中，可明顯看到地震誘發(fā)大量不穩(wěn)定物源后，泥石流容重較震前急速增大，甚至由清水或山洪溝道演變成極度活躍的泥石流溝[25]。相應的，汶川震區(qū)斜坡松散物質(zhì)經(jīng)歷10個水文年的快速演化，溝道物源坡度變緩、土體固結(jié)程度增大、表層土體粗化程度加大，活躍性逐步降低，在相似的水力條件下，容重呈現(xiàn)降低趨勢，相應的泥石流規(guī)模和頻次均呈現(xiàn)減弱趨勢。通過分析2000—2018年的典型泥石流溝的物源情況和不同時期最大規(guī)模泥石流災害容重，揭示了上述關系，如表4。

表4 典型泥石流最大規(guī)模災害容重與物源狀態(tài)Table 4 Relationship between the occurrence state of material source and density of the debris flow

物源的活躍程度與泥石流容重呈明顯的正相關關系，而活躍程度由物源的賦存狀態(tài)決定，因此可在物源活躍程度判別的基礎上，探索建立物源賦存狀態(tài)與泥石流容重演化之間的關系。以汶川震區(qū)泥石流為例，地震或極端降雨誘發(fā)泥石流容重增大幅度達15.4%～106.7%，增加的幅度與發(fā)震斷層的距離和溝谷地形條件密切相關，如張家坪溝，形成區(qū)平均縱比降達750.0‰，具有明顯坡面泥石流特點，其容重受地震影響增幅達106.7%。地震誘發(fā)的泥石流松散物源經(jīng)歷10 a的演化，物源從極度活躍演化為高度活躍，容重下降幅度約10.0%～27.8%。

3.2 水力條件對泥石流容重的影響

圖2 泥石流流量與容重的關系(據(jù)蔣家溝資料)Fig.2 Relationship between Q and γ of the Jiangjia gully debris flow

在物源條件相對一致的情況下，不同的降雨頻率，激發(fā)的泥石流災害規(guī)模具有明顯區(qū)別[27]。水力條件越好，溝道徑流的流量、深度、寬度以及速度等參數(shù)越大，相應的流體的侵蝕能力、侵蝕范圍以及挾沙能力均呈正相關變化。對蔣家溝1995年和2007年的觀測資料進行分析，流量對數(shù)值與容重具有正相關趨勢，如圖2。由圖2可知，泥石流容重隨流量增大達到上限值后進入平穩(wěn)變化階段。當流量較小時，尤其在流量小于150 m3/s時，容重隨流量增加呈現(xiàn)快速增加的趨勢，且增速不斷降低。當物源活躍度減弱，水力條件對容重的影響則顯著增大，甚至當水力條件不足時，不足以啟動足夠的松散物源，難以形成泥石流，表現(xiàn)在泥石流暴發(fā)的降雨臨界值增大。因此，總體上水力條件對泥石流容重具有明顯控制作用，當物源活動強度高時，影響相對較低，而當物源活躍降低后，容重上限值由水力條件控制。

4 容重沿溝道動態(tài)計算方法

泥石流沖出總量與溝道中活躍的固體物質(zhì)量是守恒的。經(jīng)過縱比降陡峻段可能產(chǎn)生沖刷，容重增大，而當溝道縱比降變緩，或溝道變寬，流體容重減少。泥石流固體物質(zhì)的守恒關系如式(1)：

(1)

式中：V′——擬計算剖面段物質(zhì)總量/×104m3；

Vk——溝口堆積區(qū)物質(zhì)總量/×104m3；

Vi——計算溝道段至溝口各沖淤特征段的堆積/沖刷總量，其中沖刷為負值，堆積為正值/×104m3。

利用前述的容重計算方法二所述公式，建立不同溝道段的容重γ′與溝口容重的比例關系，如下：

(2)

(3)

P′2——計算溝道段堆積物粒徑>2 mm的粗顆粒的百分含量；

其他參數(shù)同上。

根據(jù)雍家溝下游不同溝道段的沖淤特征(圖3)，利用式(2)和(3)，計算得到雍家溝2012年8月28日泥石流各斷面的容重參數(shù)(表5)。

圖3 雍家溝泥石流不同溝道段沖淤特征演化(四川綿竹)Fig.3 Scouring and silting characteristics of the debris flow in the Yongjia gully

表5 雍家溝泥石流容重動態(tài)計算結(jié)果Table 5 Caculation of the density by the dynamic analysis method in the Yongjia gully /(t·m-3)

5 結(jié)論與討論

(1)容重是一個動態(tài)概念，在災害演化的時間尺度上，每一次泥石流災害的容重均不同，與溝道物源條件和水力條件呈正相關。在單次災害運動過程的空間尺度上，容重隨泥石流的運動也是不斷變化的，沖刷和淤積現(xiàn)象對應容重的增加與減少。

(2)常用的泥石流容重計算公式分為物質(zhì)組成實測法和孕災背景預測法，兩類計算方法產(chǎn)生誤差的原因主要為：前者通過歷史泥石流特征定義未來泥石流暴發(fā)，而后者未考慮水土耦合過程的動態(tài)演化規(guī)律，均與實際災害事件的動態(tài)演化特性不匹配。因此在防災減災及風險評價中，單獨使用某一種方法確定溝道容重可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

(3)通過分析蔣家溝及汶川震區(qū)泥石流災害特征，揭示了物源活動程度、水力條件以及溝道沖淤特征對容重的影響規(guī)律，并基于常用容重計算公式，以歷史災害事件的溝口容重為計算基準值，建立半經(jīng)驗性的容重動態(tài)綜合計算方法。通過雍家溝泥石流驗證，該方法針對具有完整序列觀測資料的泥石流溝，具有較好的適用性。

(4)泥石流容重經(jīng)驗計算公式受孕災背景和啟動機制所限制，現(xiàn)有經(jīng)驗計算方法均有一定的區(qū)域適宜性，本文僅初步探討容重的動態(tài)變化特征及其影響因素，闡述的泥石流容重時空變化特征可為下一步建立基于水土耦合過程的容重計算方法奠定基礎。進一步研究工作中，可基于單因素分析，探索物源賦存狀態(tài)函數(shù)、降雨特征值與泥石流容重的函數(shù)關系，進而建立針對溝口的泥石流容重計算經(jīng)驗公式。