李東, 紀(jì)杰杰, 羅登澤, 吳鈺, 李洪濤, 姚強(qiáng)*
(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610065; 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院, 成都 610065; 3.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 成都 610021)
泥石流是由水與大量泥沙、石塊等松散固體堆積物組合形成的固液兩相顆粒流體。2008年“5·12”汶川Ms8.0特大地震導(dǎo)致震后該區(qū)域泥石流發(fā)生頻率急劇增加,潛在泥石流風(fēng)險(xiǎn)給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來(lái)了極大的威脅。強(qiáng)震區(qū)的泥石流主要分為“窄陡”和“寬緩”兩種類(lèi)型。“窄陡”溝道型往往具有溝道縱坡陡、溝內(nèi)人類(lèi)工程少、平均寬度和流域面積小的特點(diǎn),而“寬緩”溝道型與之相反。受強(qiáng)烈地震活動(dòng)影響,山坡兩側(cè)和溝道內(nèi)堆積了大量的松散固體崩塌物源,在極端暴雨條件下,都極易在震區(qū)內(nèi)形成大規(guī)模突發(fā)性泥石流災(zāi)害。開(kāi)展“窄陡”溝道型泥石流發(fā)育特征研究,對(duì)揭示該類(lèi)泥石流致災(zāi)機(jī)理及孕災(zāi)模式具有重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
地形條件、物源條件、降水條件是泥石流形成的三大必要條件[1],也是表征泥石流發(fā)育特征的重要內(nèi)容。
在地形方面,研究流域?qū)偕钋懈顦?gòu)造侵蝕低山和中山地形,山高溝深,在發(fā)生地震之后,由于山體地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生改變,成為典型的構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域,給泥石流的形成創(chuàng)造了較好的地形條件。王濤等[2]通過(guò)對(duì)龍門(mén)山斷裂帶3條主要地震斷裂帶的實(shí)地考察分析,揭示了汶川地震斷裂變形破裂與次生地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育特征之間的密切聯(lián)系。馬煜等[3]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震區(qū)泥石流流域面積較小、隱蔽性強(qiáng)、溝道平均縱坡大,利于快速匯水且易受到重力侵蝕,泥石流起動(dòng)動(dòng)力充足。周縱橫等[4]利用遙感解譯的方法研究了震后綿遠(yuǎn)河流域泥石流發(fā)育特征,發(fā)現(xiàn)較大的溝道縱坡為泥石流發(fā)育提供了有利條件。
在物源方面,王運(yùn)興等[5]采用統(tǒng)計(jì)法分析了泥石流堆積區(qū)平面、垂向粒度分布形態(tài)特征。唐川等[6]認(rèn)為,受強(qiáng)地震作用影響,震區(qū)溝谷、植被完整性遭到破壞,導(dǎo)致溝谷兩岸坡體大面積失穩(wěn),形成較大規(guī)?;?并在溝床堆積了大量松散堆積物,成為泥石流固體物質(zhì)補(bǔ)給源。黃文潔[7]研究了震后安縣境內(nèi)泥石流發(fā)育特征,發(fā)現(xiàn)汶川地震為該地區(qū)泥石流提供了豐富的物源。李寧等[8]用遙感解譯等方法對(duì)震后泥石流物源分布與體量進(jìn)行研究,并揭示了震后汶川縣物源儲(chǔ)量的演化趨勢(shì)。王高峰等[9]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用以往泥石流活動(dòng)規(guī)模預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算泥石流一次沖出量的結(jié)果與實(shí)際值存在較大誤差。任志剛等[10]概括了汶川地震極震區(qū)泥石流物源的分布和發(fā)育特征,基于統(tǒng)計(jì)回歸模型建立了多因素條件下強(qiáng)震區(qū)泥石流物源量估算模型。
在降水方面,高會(huì)會(huì)等[11]發(fā)現(xiàn)泥石流的產(chǎn)生和崩塌、滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害不同,其形成不僅需要有足夠的物源條件,并且需要有足夠的降雨作為激發(fā)條件。唐川等[12]采用地面調(diào)查和遙感解譯方法分析了地震與暴雨共同作用下的泥石流特征,獲取氣象數(shù)據(jù)查明了泥石流起動(dòng)的臨界雨量條件。羅小惠等[13]研究了小時(shí)降雨強(qiáng)度、歷史累計(jì)雨量、前期有效降雨和降雨歷時(shí)等參數(shù)與泥石流災(zāi)害爆發(fā)之間的關(guān)系,得到了長(zhǎng)白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)害暴發(fā)的臨界雨量值。
除此之外,為探討汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動(dòng)趨勢(shì),唐川[14]在對(duì)比日本關(guān)東大地震和中國(guó)臺(tái)灣集集大地震后誘發(fā)滑坡和泥石流的基礎(chǔ)上,對(duì)汶川地震區(qū)未來(lái)滑坡、泥石流活動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。
中外學(xué)者對(duì)汶川強(qiáng)震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流基本發(fā)育特征、運(yùn)動(dòng)特性、致災(zāi)機(jī)理和演化效應(yīng)等開(kāi)展了大量研究,如張家坪溝[15-16]、紅椿溝[17-18]、磨子溝[19-21]、瓦窯溝[22]、安夾溝[23-24]等,但對(duì)典型窄陡溝道型泥石流物源級(jí)配分布、黏土礦物組成等特征認(rèn)識(shí)還有待完善。因此,以窄陡溝道型泥石流物源為研究對(duì)象,在實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上,通過(guò)室內(nèi)顆分試驗(yàn)、激光衍射粒度分析試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn),分析了汶川強(qiáng)震區(qū)5條典型窄陡溝道型泥石流的基本發(fā)育特征、堆積物顆粒級(jí)配和黏土礦物定量組成,試驗(yàn)結(jié)果為汶川強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防控提供了相應(yīng)參考。
選取2010年“8·13”和2013年“7·10”在汶川強(qiáng)震區(qū)映秀鎮(zhèn)、綿虒鎮(zhèn)、銀杏鄉(xiāng)爆發(fā)的兩場(chǎng)群發(fā)性特大泥石流中的5條典型窄陡溝道型泥石流進(jìn)行實(shí)地勘察。5條泥石流溝流域形態(tài)如圖1所示。
經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察,發(fā)現(xiàn)典型窄陡溝道型溝道兩側(cè)溝谷縱坡降較大,溝內(nèi)地形地質(zhì)條件復(fù)雜,有利于泥石流的形成;受強(qiáng)地震的影響,溝道兩側(cè)山坡及溝道內(nèi)堆積了大量的崩塌物,為泥石流災(zāi)害提供了豐富的物源條件;研究區(qū)地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候帶,氣候潮濕,降水主要集中在每年的7—9月,降水條件良好。
楊東旭等[25]將流域面積F<5 km2,溝道平均縱坡坡度I>300‰作為主要判別指標(biāo),把流域完整性系數(shù)、流域相對(duì)高差作為輔助判別指標(biāo)。經(jīng)綜合評(píng)定可知選取的5條泥石流溝均為窄陡型。各條溝的地形地貌、物源條件等參數(shù)如表1所示。
泥石流固體顆粒組成對(duì)泥石流性質(zhì)具有重要影響,為進(jìn)一步查明強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積區(qū)固體物源組成特征,開(kāi)展泥石流堆積物顆粒篩分試驗(yàn)。
圖1 典型窄陡溝道型泥石流Fig.1 Typical narrow-steep gully debris flow
表1 5條窄陡溝道的基本參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of debris flow in gullies
在泥石流攔擋壩堆積區(qū)上游側(cè)約5 m處,量取0.8 m×0.8 m×0.5 m的取樣坑,挖出所有的砂、石、土,剔除粒徑d>200 mm的漂石,然后進(jìn)行稱(chēng)量。此方法測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確,但勞動(dòng)強(qiáng)度較大。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。
由于泥石流堆積物固體顆粒粒徑范圍較大,無(wú)法采用單一方法完成所有顆粒的測(cè)量工作,因此針對(duì)不同粒徑范圍的固體顆粒采用不同測(cè)量方法,具體操作如下:
(1)200 mm≥d≥60 mm。使用鋼尺逐個(gè)測(cè)量粒徑200 mm≥d≥60 mm的卵石的三軸長(zhǎng),取平均軸長(zhǎng)作為該顆粒的代表粒徑,按代表粒徑分為60~100 mm、100~150 mm、150~200 mm三組,然后采用精度為1 g的電子秤稱(chēng)量。粒徑200 mm≥d≥60 mm的代表顆粒如圖3所示。
(2)60 mm≥d≥0.075 mm。采用直徑為30 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩,按粒徑依次篩分60~40 mm、40~20 mm、20~10 mm、10~5 mm、5~2 mm、2~1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm、0.25~0.1 mm、0.1~0.075 mm 10組,每組分別稱(chēng)重,并計(jì)算每組質(zhì)量與總質(zhì)量之百分比。其中,粒徑d>10 mm在現(xiàn)場(chǎng)篩分,并用精度為1 g的電子秤稱(chēng)量;粒徑d<10 mm的顆粒取回室內(nèi)試驗(yàn)室進(jìn)行篩分,用精度為0.1 g的電子秤稱(chēng)量。粒徑60 mm≥d≥0.075 mm的代表顆粒如圖4所示。
圖2 堆積物顆分試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Test site of sediment particle size distribution
圖3 粒徑200 mm≥d>60 mm代表顆粒Fig.3 Representative particles with particle size of 200 mm≥d>60 mm
圖4 粒徑60 mm≥d>0.075 mm代表顆粒Fig.4 Representative particles with particle size of 60 mm≥d>0.075 mm
(3)d<0.075 mm?!端娝こ掏凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》中推薦顆分試驗(yàn)中粒徑d<0.075 mm的細(xì)粒土采用密度計(jì)法或移液管法,由于以上兩種方法操作復(fù)雜,試驗(yàn)精度受人為影響較大。研究選擇馬爾文Mastersizer 3 000激光衍射粒度分析儀進(jìn)行測(cè)量,具有操作簡(jiǎn)便,穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。研究選擇Aero S干法分散系統(tǒng),按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程(standard operating procedure,SOP)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 馬爾文Mastersizer 3000 Aero S干法分散測(cè)量系統(tǒng)Fig.5 Marvin Mastersizer 3000 Aero S dry dispersion measurement system
綜合野外、室內(nèi)篩分試驗(yàn)、以及Mastersizer 3000激光粒度分析儀測(cè)量結(jié)果,5條典型溝道堆積物級(jí)配曲線如圖6所示,不同粒級(jí)顆粒粒徑組含量如表2所示。
根據(jù)圖6可以計(jì)算出反映固體顆粒分布特征的特征粒徑和特征參數(shù),計(jì)算結(jié)果如表3所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明,強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒級(jí)配分布較廣,且無(wú)缺失粒組,不均勻系數(shù)Cu均大于5;曲率系數(shù)分布在0.95~3,級(jí)配曲線連續(xù)性較好。粒徑的粉粒含量均在0.5%以下,粒徑d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下,不同溝道間差別較小,分析原因,可能是該地區(qū)降水較為豐富,部分細(xì)小顆粒在后期降雨中被洪水帶走所致。
圖6 強(qiáng)震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物級(jí)配曲線Fig.6 Grading curve of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area
表2 強(qiáng)震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒粒徑組含量Table 2 Particle size group content of solid particles in typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area
表3 典型窄陡溝道型泥石流堆積物級(jí)配曲線特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of grading curve of typical narrow-steep gully debris flow
常見(jiàn)的黏土礦物類(lèi)型有高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石、蛭石等,不同黏土礦物組成決定著黏土的性能,進(jìn)而影響泥石流體的流變性質(zhì)。
采用X射線衍射分析法,試驗(yàn)儀器為日本理學(xué)D/max2500型X射線衍射儀,試驗(yàn)流程如圖7所示。黏土成分定量計(jì)算方法參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[26],該標(biāo)準(zhǔn)一共給出了3種黏土礦物組合計(jì)算方式。當(dāng)?shù)V物組合為蒙皂石(S)、高嶺石(K)、伊利石(It)、綠泥石(C)、伊蒙混層(I/S)時(shí),各自百分含量計(jì)算方法為
(1)
(2)
C=(K+C)-K
(3)
(4)
(5)
I/S=100%-(S+It+K+C)
(6)
式中:IN0.7為N譜圖上的0.70 nm衍射峰強(qiáng)度;IT1.0為T(mén)譜圖上的1.00 nm衍射峰強(qiáng)度;hE0.358為E譜圖上的0.358 nm衍射峰高度;hE0.353為E譜圖上的0.353 nm衍射峰高度;IE1.7為E譜圖上的1.70 nm衍射峰強(qiáng)度;IE1.0為E譜圖上的1.00 nm衍射峰強(qiáng)度;hN0.7為N譜圖上的0.70 nm衍射峰高度;hE0.7為E譜圖上的0.70 nm衍射峰高度。
3.2.1 衍射圖譜
X射線衍射圖譜如圖8所示。
圖7 黏土礦物分析試驗(yàn)流程Fig.7 Test process of clay mineral analysis
3.2.2 定量分析
強(qiáng)震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物組成定量分析結(jié)果如圖9所示。
圖9表明,汶川強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物黏土主要由伊利石、綠泥石和伊蒙混層3種黏土礦物組成,各自含量平均值分別為45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和綠泥石總含量均超過(guò)75%。伊蒙混層屬于不規(guī)則混層礦物,是由伊利石和蒙脫石晶層隨機(jī)無(wú)規(guī)律地交替排列形成,含量均在25%以下。
根據(jù)所選取強(qiáng)震區(qū)5條窄陡溝道型典型泥石流溝,通過(guò)野外勘察、現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)顆分試驗(yàn)、激光衍射粒度分析試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn),分析了強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流基本發(fā)育特征、堆積物顆粒集級(jí)配和黏土礦物定量組成,得到如下結(jié)論。
(1)強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流典型發(fā)育特征除了地形地貌上的“窄”和“陡”外,震后松散物源量中崩滑物源和溝道堆積物源顯著增多,動(dòng)儲(chǔ)量比例增大,造成強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流危險(xiǎn)性顯著提高。
圖8 堆積物黏土礦物X射線衍射圖譜Fig.8 X-ray diffraction patterns of sedimental clay minerals
圖9 強(qiáng)震區(qū)典型窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物組成Fig.9 Clay mineral composition of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismal area
(2)強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物固體顆粒級(jí)配分布范圍較廣,連續(xù)性較好。級(jí)配曲線不均勻系數(shù)Cu均大于5,曲率系數(shù)Cc為0.95~3,無(wú)缺失粒組;粒徑d<0.075 mm的粉粒含量均在0.5%以下,粒徑d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下,不同溝道間差別較小。
(3)強(qiáng)震區(qū)窄陡溝道型泥石流堆積物黏土礦物主要由伊利石、綠泥石和伊蒙混層3種黏土礦物組成,各自含量平均值分別為45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和綠泥石總含量均超過(guò)75%,伊蒙混層含量均在25%以下。