强震区典型窄陡沟道型泥石流发育特征

李东， 纪杰杰， 罗登泽， 吴钰， 李洪涛， 姚强*

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 成都 610065; 2.四川大学水利水电学院, 成都 610065; 3.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司, 成都 610021)

泥石流是由水与大量泥沙、石块等松散固体堆积物组合形成的固液两相颗粒流体。2008年“5·12”汶川Ms8.0特大地震导致震后该区域泥石流发生频率急剧增加，潜在泥石流风险给当地居民的生产生活带来了极大的威胁。强震区的泥石流主要分为“窄陡”和“宽缓”两种类型。“窄陡”沟道型往往具有沟道纵坡陡、沟内人类工程少、平均宽度和流域面积小的特点，而“宽缓”沟道型与之相反。受强烈地震活动影响，山坡两侧和沟道内堆积了大量的松散固体崩塌物源，在极端暴雨条件下，都极易在震区内形成大规模突发性泥石流灾害。开展“窄陡”沟道型泥石流发育特征研究，对揭示该类泥石流致灾机理及孕灾模式具有重要理论价值和实践意义。

地形条件、物源条件、降水条件是泥石流形成的三大必要条件[1]，也是表征泥石流发育特征的重要内容。

在地形方面，研究流域属深切割构造侵蚀低山和中山地形，山高沟深，在发生地震之后，由于山体地质构造发生改变，成为典型的构造不稳定区域，给泥石流的形成创造了较好的地形条件。王涛等[2]通过对龙门山断裂带3条主要地震断裂带的实地考察分析，揭示了汶川地震断裂变形破裂与次生地质灾害形成发育特征之间的密切联系。马煜等[3]发现强震区泥石流流域面积较小、隐蔽性强、沟道平均纵坡大，利于快速汇水且易受到重力侵蚀，泥石流起动动力充足。周纵横等[4]利用遥感解译的方法研究了震后绵远河流域泥石流发育特征，发现较大的沟道纵坡为泥石流发育提供了有利条件。

在物源方面，王运兴等[5]采用统计法分析了泥石流堆积区平面、垂向粒度分布形态特征。唐川等[6]认为，受强地震作用影响，震区沟谷、植被完整性遭到破坏,导致沟谷两岸坡体大面积失稳,形成较大规模滑塌,并在沟床堆积了大量松散堆积物,成为泥石流固体物质补给源。黄文洁[7]研究了震后安县境内泥石流发育特征，发现汶川地震为该地区泥石流提供了丰富的物源。李宁等[8]用遥感解译等方法对震后泥石流物源分布与体量进行研究，并揭示了震后汶川县物源储量的演化趋势。王高峰等[9]发现应用以往泥石流活动规模预测模型进行计算泥石流一次冲出量的结果与实际值存在较大误差。任志刚等[10]概括了汶川地震极震区泥石流物源的分布和发育特征，基于统计回归模型建立了多因素条件下强震区泥石流物源量估算模型。

在降水方面，高会会等[11]发现泥石流的产生和崩塌、滑坡等次生地质灾害不同，其形成不仅需要有足够的物源条件，并且需要有足够的降雨作为激发条件。唐川等[12]采用地面调查和遥感解译方法分析了地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取气象数据查明了泥石流起动的临界雨量条件。罗小惠等[13]研究了小时降雨强度、历史累计雨量、前期有效降雨和降雨历时等参数与泥石流灾害爆发之间的关系，得到了长白山天池地区泥石流灾害暴发的临界雨量值。

除此之外，为探讨汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势，唐川[14]在对比日本关东大地震和中国台湾集集大地震后诱发滑坡和泥石流的基础上，对汶川地震区未来滑坡、泥石流活动趋势进行了预测分析。

中外学者对汶川强震区典型窄陡沟道型泥石流基本发育特征、运动特性、致灾机理和演化效应等开展了大量研究，如张家坪沟[15-16]、红椿沟[17-18]、磨子沟[19-21]、瓦窑沟[22]、安夹沟[23-24]等，但对典型窄陡沟道型泥石流物源级配分布、黏土矿物组成等特征认识还有待完善。因此，以窄陡沟道型泥石流物源为研究对象，在实地勘察的基础上，通过室内颗分试验、激光衍射粒度分析试验、X射线衍射试验，分析了汶川强震区5条典型窄陡沟道型泥石流的基本发育特征、堆积物颗粒级配和黏土矿物定量组成，试验结果为汶川强震区地质灾害泥石流风险评估、监测预警和防控提供了相应参考。

1 基本发育特征

选取2010年“8·13”和2013年“7·10”在汶川强震区映秀镇、绵虒镇、银杏乡爆发的两场群发性特大泥石流中的5条典型窄陡沟道型泥石流进行实地勘察。5条泥石流沟流域形态如图1所示。

经过实地勘察，发现典型窄陡沟道型沟道两侧沟谷纵坡降较大，沟内地形地质条件复杂，有利于泥石流的形成；受强地震的影响，沟道两侧山坡及沟道内堆积了大量的崩塌物，为泥石流灾害提供了丰富的物源条件；研究区地处亚热带湿润气候带，气候潮湿，降水主要集中在每年的7—9月，降水条件良好。

杨东旭等[25]将流域面积F<5 km2,沟道平均纵坡坡度I>300‰作为主要判别指标，把流域完整性系数、流域相对高差作为辅助判别指标。经综合评定可知选取的5条泥石流沟均为窄陡型。各条沟的地形地貌、物源条件等参数如表1所示。

2 堆积物颗粒级配

泥石流固体颗粒组成对泥石流性质具有重要影响，为进一步查明强震区窄陡沟道型泥石流堆积区固体物源组成特征，开展泥石流堆积物颗粒筛分试验。

图1 典型窄陡沟道型泥石流Fig.1 Typical narrow-steep gully debris flow

表1 5条窄陡沟道的基本参数Table 1 Characteristic parameters of debris flow in gullies

2.1 实验方法

在泥石流拦挡坝堆积区上游侧约5 m处，量取0.8 m×0.8 m×0.5 m的取样坑，挖出所有的砂、石、土，剔除粒径d>200 mm的漂石，然后进行称量。此方法测量结果较准确，但劳动强度较大。试验现场如图2所示。

由于泥石流堆积物固体颗粒粒径范围较大，无法采用单一方法完成所有颗粒的测量工作，因此针对不同粒径范围的固体颗粒采用不同测量方法，具体操作如下：

(1)200 mm≥d≥60 mm。使用钢尺逐个测量粒径200 mm≥d≥60 mm的卵石的三轴长，取平均轴长作为该颗粒的代表粒径，按代表粒径分为60～100 mm、100～150 mm、150～200 mm三组，然后采用精度为1 g的电子秤称量。粒径200 mm≥d≥60 mm的代表颗粒如图3所示。

(2)60 mm≥d≥0.075 mm。采用直径为30 mm的标准筛，按粒径依次筛分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组，每组分别称重，并计算每组质量与总质量之百分比。其中，粒径d>10 mm在现场筛分，并用精度为1 g的电子秤称量；粒径d<10 mm的颗粒取回室内试验室进行筛分，用精度为0.1 g的电子秤称量。粒径60 mm≥d≥0.075 mm的代表颗粒如图4所示。

图2 堆积物颗分试验现场Fig.2 Test site of sediment particle size distribution

图3 粒径200 mm≥d>60 mm代表颗粒Fig.3 Representative particles with particle size of 200 mm≥d>60 mm

图4 粒径60 mm≥d>0.075 mm代表颗粒Fig.4 Representative particles with particle size of 60 mm≥d>0.075 mm

(3)d<0.075 mm。《水电水利工程土工试验规程》中推荐颗分试验中粒径d<0.075 mm的细粒土采用密度计法或移液管法，由于以上两种方法操作复杂，试验精度受人为影响较大。研究选择马尔文Mastersizer 3 000激光衍射粒度分析仪进行测量，具有操作简便，稳定可靠等优点。研究选择Aero S干法分散系统，按照标准操作规程(standard operating procedure，SOP)进行测量，测量系统如图5所示。

图5 马尔文Mastersizer 3000 Aero S干法分散测量系统Fig.5 Marvin Mastersizer 3000 Aero S dry dispersion measurement system

2.2 实验结果

综合野外、室内筛分试验、以及Mastersizer 3000激光粒度分析仪测量结果，5条典型沟道堆积物级配曲线如图6所示，不同粒级颗粒粒径组含量如表2所示。

根据图6可以计算出反映固体颗粒分布特征的特征粒径和特征参数，计算结果如表3所示。

试验结果表明，强震区窄陡沟道型泥石流堆积物固体颗粒级配分布较广，且无缺失粒组，不均匀系数Cu均大于5；曲率系数分布在0.95～3，级配曲线连续性较好。粒径的粉粒含量均在0.5%以下，粒径d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下，不同沟道间差别较小，分析原因，可能是该地区降水较为丰富，部分细小颗粒在后期降雨中被洪水带走所致。

图6 强震区典型窄陡沟道型泥石流堆积物级配曲线Fig.6 Grading curve of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area

表2 强震区典型窄陡沟道型泥石流堆积物固体颗粒粒径组含量Table 2 Particle size group content of solid particles in typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismala area

表3 典型窄陡沟道型泥石流堆积物级配曲线特征参数Table 3 Characteristic parameters of grading curve of typical narrow-steep gully debris flow

3 黏土矿物组成

常见的黏土矿物类型有高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石、蛭石等，不同黏土矿物组成决定着黏土的性能，进而影响泥石流体的流变性质。

3.1 试验方法

采用X射线衍射分析法，试验仪器为日本理学D/max2500型X射线衍射仪，试验流程如图7所示。黏土成分定量计算方法参照石油天然气行业标准[26]，该标准一共给出了3种黏土矿物组合计算方式。当矿物组合为蒙皂石(S)、高岭石(K)、伊利石(It)、绿泥石(C)、伊蒙混层(I/S)时，各自百分含量计算方法为

(1)

(2)

C=(K+C)-K

(3)

(4)

(5)

I/S=100%-(S+It+K+C)

(6)

式中：IN0.7为N谱图上的0.70 nm衍射峰强度；IT1.0为T谱图上的1.00 nm衍射峰强度；hE0.358为E谱图上的0.358 nm衍射峰高度；hE0.353为E谱图上的0.353 nm衍射峰高度；IE1.7为E谱图上的1.70 nm衍射峰强度；IE1.0为E谱图上的1.00 nm衍射峰强度；hN0.7为N谱图上的0.70 nm衍射峰高度；hE0.7为E谱图上的0.70 nm衍射峰高度。

3.2 试验结果

3.2.1 衍射图谱

X射线衍射图谱如图8所示。

图7 黏土矿物分析试验流程Fig.7 Test process of clay mineral analysis

3.2.2 定量分析

强震区典型窄陡沟道型泥石流堆积物黏土矿物组成定量分析结果如图9所示。

图9表明，汶川强震区窄陡沟道型泥石流堆积物黏土主要由伊利石、绿泥石和伊蒙混层3种黏土矿物组成，各自含量平均值分别为45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和绿泥石总含量均超过75%。伊蒙混层属于不规则混层矿物，是由伊利石和蒙脱石晶层随机无规律地交替排列形成，含量均在25%以下。

4 结论

根据所选取强震区5条窄陡沟道型典型泥石流沟，通过野外勘察、现场及室内颗分试验、激光衍射粒度分析试验、X射线衍射试验，分析了强震区窄陡沟道型泥石流基本发育特征、堆积物颗粒集级配和黏土矿物定量组成，得到如下结论。

(1)强震区窄陡沟道型泥石流典型发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沟道堆积物源显著增多，动储量比例增大，造成强震区窄陡沟道型泥石流危险性显著提高。

图8 堆积物黏土矿物X射线衍射图谱Fig.8 X-ray diffraction patterns of sedimental clay minerals

图9 强震区典型窄陡沟道型泥石流堆积物黏土矿物组成Fig.9 Clay mineral composition of typical narrow-steep gully debris flow deposits in meizoseismal area

(2)强震区窄陡沟道型泥石流堆积物固体颗粒级配分布范围较广，连续性较好。级配曲线不均匀系数Cu均大于5，曲率系数Cc为0.95～3，无缺失粒组；粒径d<0.075 mm的粉粒含量均在0.5%以下，粒径d<0.005 mm黏粒含量均在0.11%以下，不同沟道间差别较小。

(3)强震区窄陡沟道型泥石流堆积物黏土矿物主要由伊利石、绿泥石和伊蒙混层3种黏土矿物组成，各自含量平均值分别为45.6%、38.8%、15.6%。伊利石和绿泥石总含量均超过75%，伊蒙混层含量均在25%以下。