陣性泥石流輸沙規律研究范文

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《自然災害學報》2014年第二期

1陣性泥石流輸沙量變化特征

一場完整的陣性泥石流由數十陣甚至上百陣組成，每陣泥石流歷時幾秒或者數十秒，相鄰兩陣泥石流具有明顯的時間間隔，間隔時間一般為數十秒至數百秒。但這種泥石流并非從泥石流爆發到結束為止均為具有明顯時間間隔的泥石流陣組成，一般情況下存在3種模式，即為:(Ⅰ)連續流–陣1……陣n–連續流(Ⅱ)陣1……陣n–連續流(Ⅲ)連續流－陣1…陣n－連續流－陣n+1……其中連續流歷時一般為數百秒甚至數小時。這種現象的出現可能與泥石流形成區固定物質的補給條件、降水特點、泥石流流通區的溝道邊界條件及泥石流內在特性等因素有關。泥石流陣流輸沙率巨大，會在短歷時攜帶大量的泥沙沖向下游，造成嚴重危害。如蔣家溝2002年8月20日下午爆發的泥石流為類型Ⅰ，陣流共有72陣，歷時總共1466s，但輸沙量達到20．87萬m3，連續流總歷時10543s，輸沙量為2．96萬m3，僅占該場泥石流總輸沙量的12%，陣流輸沙率是連續流的數十倍，故對于泥石流陣流輸沙規律的研究顯得尤為重要。首先選取輸沙量累積曲線分析輸沙量增速隨泥石流陣次的變化。點繪20場泥石流陣流序列累積輸沙量隨陣次的變化發現輸沙量變化具有兩種模式，見圖1、圖2(文中僅選取部分場次示例)。模式1為輸沙量增速隨著陣次的增加幾乎保持不變，輸沙量累積曲線表現為一直線，如圖1所示2302，2204，2405，2602，2705共5場泥石流。模式2為輸沙量增速隨著陣次的增加先保持不變，在陣次序列中后段輸沙量增加速度減小，輸沙量累積曲線先表現為一直線，然后直線斜率逐漸減小，如圖1所示2203，2305，2407，2601，2704共5場泥石流。圖1、圖2對應的每陣輸沙量隨陣次變化見圖3、圖4。由圖可見，隨著陣次增加，輸沙量也呈現兩種變化模式，輸沙量峰值一分別出現在陣次序列中期與序列前期，輸沙量變化可能呈單峰分布，亦有雙峰分布。同一場泥石流不同陣次輸沙量最大最小值可相差數百倍相，某陣次輸沙量最大值可達到20000m3，最小值近4m3，可見陣性泥石流各陣次輸沙量具有變化劇烈的特點，也為泥石流的防治帶來了一定難度。20場泥石流峰值出現陣次情況統計見表1。由表1可知，陣性泥石流輸沙量峰值出現在前50%時段幾率最大，其中出現在第10陣至20陣之間情況最多，但亦有出現在陣次序列的頭尾處，在研究泥石流輸沙災害時此現象應引起注意。

2陣性泥石流輸沙顆粒組成特征

陣性泥石流爆發時，一般會攜帶極寬級配的泥沙顆粒，從巨石到粘粒，對下游造成巨大的災害。因此對于陣性泥石流各陣次輸沙顆粒特征變化的研究就顯得極為重要，可以為研究陣性泥石流輸沙機理提供一定的基礎支持。由于觀測資料所限，僅有2007年的3場陣性泥石流獲得了部分陣次泥石流體的顆粒篩分情況。本文僅以此數據作為分析基礎。表2、表3、表4為2007年爆發的3場陣性泥石流取樣記錄表。表中樣品為泥石流爆發至結束過程中按時間段選取若干陣次采樣獲得，包括陣流與連續流。泥石流(2703)，(2704)和(2705)的樣品級配曲線及各粒徑級重量分布見圖5、圖6、圖7。由泥沙級配曲線可以看出，同一場泥石流不同陣次顆粒級配曲線均為具有相似特征的寬級配分布，泥沙粒徑范圍由0．001mm至100mm，由粘粒、粉沙、沙粒、礫石組成，最大最小粒徑相差上千倍，大部分陣次泥石流顆粒粒徑0．1～1mm范圍內沙粒含量較少，使得其粒徑分布曲線呈現“板凳狀”，與文獻［14］中類似。由圖中各粒徑級含量分布發現，泥石流各陣次各粒徑含量比例分布具有明顯的雙峰分布特征，兩峰值所對應泥沙粒徑基本為0．002mm及10mm左右，粗顆粒峰值粒徑具體稍有差異，但細顆粒峰值粒徑卻極為一致，但兩峰值含量均不超過20%。其中細顆粒泥沙含量百分數分布曲線均相似，僅曲線高低位置不同，說明陣性泥石流各陣次泥石流樣品粘粒組成基本相同，形成非常穩定的泥石流漿體。隨著陣次增加，泥石流樣品級配曲線大致均往上移動，一般情況下細顆粒含量增加，粗顆粒含量不斷減少。當出現連續流時，泥沙級配曲線“板凳”位置亦不斷上移，泥沙顆粒大部分由細顆粒組成，顆粒粒徑范圍變小。為了對泥石流樣品粒徑組合特征及均勻程度進行更直觀的反映，對各陣次樣品中值粒徑d50、峰度系數B*［15］、密度進行分析，各陣次泥石流樣品d50，B*，密度三者比較見圖8－圖10。由圖可見，隨著泥石流陣次的發展，泥石流體中值粒徑d50、峰度系數B*、密度γc總體均呈減小趨勢。d50隨著陣流序列增加迅速減小，密度γc在陣流階段減小趨勢較緩，當泥石流流態為連續流時，密度γc迅速減小，峰度系數B*隨著泥石流陣流發展呈現波狀變化特點，并非不斷減小，圖8中的25－3，25－9序列峰度系數B*均比之前陣次大，到流態為連續流時，B*也并非不斷減小，如圖8中24－9－－24－13，B*幾乎保持不變。B*與d50變化趨勢并非完全一致，但B*與γc變化趨勢在一定程度上確具有相似特征，說明泥石流體容重與其粗細顆粒含量比值有著密切的聯系。

3陣性泥石流輸沙顆粒的分形特征

分形理論是美國數學家Mandelbrot于1977年首次提出來的，它是用來研究自然界中沒有特征長度但又具有自相似性的圖形和現象。據分形理論，利用數據擬合得到泥石流樣品在雙對數坐標下的顆粒級配曲線的斜率，即可獲得相應的分維值［16］。根據圖12可見，在雙對數坐標下，以序列24－4為例，當無標度區選為全部粒徑范圍時，數據擬合相關系數為0．8891，線性關系不太明顯，但當以0．01mm作為無標度區分界粒徑時，將d≤0．01mm顆粒和d＞0．01mm顆粒分別進行線性擬合時，其相關系數分別為0．9708，0．9805，線性關系非常明顯，顆粒分維值分別為2．78，1．93，可見將0．01mm作為無標度分界粒徑比較合適。所取得的泥石流樣品中級配曲線都具有與24－4相似的特征，d≤0．01mm粒徑分維值范圍為1．88～1．93，平均分維值為1．90;d＞0．01mm顆粒分維值見表5，其中泥石流(2703)(2704)(2705)顆粒平均分維值分別為2．86，2．81，2．80，泥石流流態為連續流，除25－8樣品之外，d＞0．01mm顆粒分維值都大于或等于2．88，可見2．88成為陣性泥石流流態變化的一個臨界值。各陣次泥石流d≤0．01mm顆粒含量見圖13，d≤0．01mm顆粒含量與d＞0．01mm顆粒分維值變化趨勢十分相似，隨著泥石流陣流發展，d≤0．01mm顆粒含量不斷增加，當泥石流流態為連續流時，其含量迅速增加，一般大于30%，說明d=0．01mm對于陣性泥石流顆粒粒徑組成分析及流態具有十分重要的意思。

4結論

本文通過蔣家溝2002－2007年5a中20次具有完整觀測資料的典型陣性泥石流作為基礎數據，對陣性泥石流輸沙量變化、輸沙級配變化進行初步分析，得到以下幾點規律:(1)陣性泥石流輸沙量增速隨泥石流陣次的增加呈現兩種模式，對應的輸沙量也呈現兩種變化模式。各陣次輸沙量具有變化劇烈的特點，輸沙量峰值一般出現在陣次序列中期或序列前期，輸沙量變化可能呈單峰分布，亦有雙峰分布。(2)陣性泥石流不同陣次顆粒級配曲線為具有相似特征的寬級配分布類型。各粒徑含量比例分布具有明顯的雙峰分布特征，兩峰值所對應泥沙粒徑基本為0．002mm及10mm左右，粗顆粒峰值粒徑具體稍有差異，但細顆粒峰值粒徑卻極為一致。(3)隨著陣流發展，泥石流細顆粒含量增加，粗顆粒含量不斷減少，中值粒徑d50、峰度系數B*、容重γc總體均呈減小趨勢。d50值隨著陣流序列增加迅速減小;峰度系數B*隨著泥石流陣流發展呈現波狀變化特點;容重γc在陣流階段減小趨勢較緩，當泥石流流態為連續流時，容重γc迅速減小，泥沙顆粒大部分由細顆粒組成。(4)0．01mm為陣性泥石流顆粒分析無標度區的平均分界值，d≤0．01mm顆粒分維值幾乎一致，平均值為1．9，d＞0．01mm顆粒分維值隨著陣流發展呈增大趨勢，當泥石流流態為連續流，d＞0．01mm顆粒分維值幾乎都大于或等于2．88。文中數據由中國科學院東川泥石流觀測研究站提供。

作者：魏麗胡凱衡單位：中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所