阵性泥石流输沙规律研究

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《自然灾害学报》2014年第二期

1阵性泥石流输沙量变化特征

一场完整的阵性泥石流由数十阵甚至上百阵组成，每阵泥石流历时几秒或者数十秒，相邻两阵泥石流具有明显的时间间隔，间隔时间一般为数十秒至数百秒。但这种泥石流并非从泥石流爆发到结束为止均为具有明显时间间隔的泥石流阵组成，一般情况下存在3种模式，即为:(Ⅰ)连续流–阵1……阵n–连续流(Ⅱ)阵1……阵n–连续流(Ⅲ)连续流－阵1…阵n－连续流－阵n+1……其中连续流历时一般为数百秒甚至数小时。这种现象的出现可能与泥石流形成区固定物质的补给条件、降水特点、泥石流流通区的沟道边界条件及泥石流内在特性等因素有关。泥石流阵流输沙率巨大，会在短历时携带大量的泥沙冲向下游，造成严重危害。如蒋家沟2002年8月20日下午爆发的泥石流为类型Ⅰ，阵流共有72阵，历时总共1466s，但输沙量达到20．87万m3，连续流总历时10543s，输沙量为2．96万m3，仅占该场泥石流总输沙量的12%，阵流输沙率是连续流的数十倍，故对于泥石流阵流输沙规律的研究显得尤为重要。首先选取输沙量累积曲线分析输沙量增速随泥石流阵次的变化。点绘20场泥石流阵流序列累积输沙量随阵次的变化发现输沙量变化具有两种模式，见图1、图2(文中仅选取部分场次示例)。模式1为输沙量增速随着阵次的增加几乎保持不变，输沙量累积曲线表现为一直线，如图1所示2302，2204，2405，2602，2705共5场泥石流。模式2为输沙量增速随着阵次的增加先保持不变，在阵次序列中后段输沙量增加速度减小，输沙量累积曲线先表现为一直线，然后直线斜率逐渐减小，如图1所示2203，2305，2407，2601，2704共5场泥石流。图1、图2对应的每阵输沙量随阵次变化见图3、图4。由图可见，随着阵次增加，输沙量也呈现两种变化模式，输沙量峰值一分别出现在阵次序列中期与序列前期，输沙量变化可能呈单峰分布，亦有双峰分布。同一场泥石流不同阵次输沙量最大最小值可相差数百倍相，某阵次输沙量最大值可达到20000m3，最小值近4m3，可见阵性泥石流各阵次输沙量具有变化剧烈的特点，也为泥石流的防治带来了一定难度。20场泥石流峰值出现阵次情况统计见表1。由表1可知，阵性泥石流输沙量峰值出现在前50%时段几率最大，其中出现在第10阵至20阵之间情况最多，但亦有出现在阵次序列的头尾处，在研究泥石流输沙灾害时此现象应引起注意。

2阵性泥石流输沙颗粒组成特征

阵性泥石流爆发时，一般会携带极宽级配的泥沙颗粒，从巨石到粘粒，对下游造成巨大的灾害。因此对于阵性泥石流各阵次输沙颗粒特征变化的研究就显得极为重要，可以为研究阵性泥石流输沙机理提供一定的基础支持。由于观测资料所限，仅有2007年的3场阵性泥石流获得了部分阵次泥石流体的颗粒筛分情况。本文仅以此数据作为分析基础。表2、表3、表4为2007年爆发的3场阵性泥石流取样记录表。表中样品为泥石流爆发至结束过程中按时间段选取若干阵次采样获得，包括阵流与连续流。泥石流(2703)，(2704)和(2705)的样品级配曲线及各粒径级重量分布见图5、图6、图7。由泥沙级配曲线可以看出，同一场泥石流不同阵次颗粒级配曲线均为具有相似特征的宽级配分布，泥沙粒径范围由0．001mm至100mm，由粘粒、粉沙、沙粒、砾石组成，最大最小粒径相差上千倍，大部分阵次泥石流颗粒粒径0．1～1mm范围内沙粒含量较少，使得其粒径分布曲线呈现“板凳状”，与文献［14］中类似。由图中各粒径级含量分布发现，泥石流各阵次各粒径含量比例分布具有明显的双峰分布特征，两峰值所对应泥沙粒径基本为0．002mm及10mm左右，粗颗粒峰值粒径具体稍有差异，但细颗粒峰值粒径却极为一致，但两峰值含量均不超过20%。其中细颗粒泥沙含量百分数分布曲线均相似，仅曲线高低位置不同，说明阵性泥石流各阵次泥石流样品粘粒组成基本相同，形成非常稳定的泥石流浆体。随着阵次增加，泥石流样品级配曲线大致均往上移动，一般情况下细颗粒含量增加，粗颗粒含量不断减少。当出现连续流时，泥沙级配曲线“板凳”位置亦不断上移，泥沙颗粒大部分由细颗粒组成，颗粒粒径范围变小。为了对泥石流样品粒径组合特征及均匀程度进行更直观的反映，对各阵次样品中值粒径d50、峰度系数B*［15］、密度进行分析，各阵次泥石流样品d50，B*，密度三者比较见图8－图10。由图可见，随着泥石流阵次的发展，泥石流体中值粒径d50、峰度系数B*、密度γc总体均呈减小趋势。d50随着阵流序列增加迅速减小，密度γc在阵流阶段减小趋势较缓，当泥石流流态为连续流时，密度γc迅速减小，峰度系数B*随着泥石流阵流发展呈现波状变化特点，并非不断减小，图8中的25－3，25－9序列峰度系数B*均比之前阵次大，到流态为连续流时，B*也并非不断减小，如图8中24－9－－24－13，B*几乎保持不变。B*与d50变化趋势并非完全一致，但B*与γc变化趋势在一定程度上确具有相似特征，说明泥石流体容重与其粗细颗粒含量比值有着密切的联系。

3阵性泥石流输沙颗粒的分形特征

分形理论是美国数学家Mandelbrot于1977年首次提出来的，它是用来研究自然界中没有特征长度但又具有自相似性的图形和现象。据分形理论，利用数据拟合得到泥石流样品在双对数坐标下的颗粒级配曲线的斜率，即可获得相应的分维值［16］。根据图12可见，在双对数坐标下，以序列24－4为例，当无标度区选为全部粒径范围时，数据拟合相关系数为0．8891，线性关系不太明显，但当以0．01mm作为无标度区分界粒径时，将d≤0．01mm颗粒和d＞0．01mm颗粒分别进行线性拟合时，其相关系数分别为0．9708，0．9805，线性关系非常明显，颗粒分维值分别为2．78，1．93，可见将0．01mm作为无标度分界粒径比较合适。所取得的泥石流样品中级配曲线都具有与24－4相似的特征，d≤0．01mm粒径分维值范围为1．88～1．93，平均分维值为1．90;d＞0．01mm颗粒分维值见表5，其中泥石流(2703)(2704)(2705)颗粒平均分维值分别为2．86，2．81，2．80，泥石流流态为连续流，除25－8样品之外，d＞0．01mm颗粒分维值都大于或等于2．88，可见2．88成为阵性泥石流流态变化的一个临界值。各阵次泥石流d≤0．01mm颗粒含量见图13，d≤0．01mm颗粒含量与d＞0．01mm颗粒分维值变化趋势十分相似，随着泥石流阵流发展，d≤0．01mm颗粒含量不断增加，当泥石流流态为连续流时，其含量迅速增加，一般大于30%，说明d=0．01mm对于阵性泥石流颗粒粒径组成分析及流态具有十分重要的意思。

4结论

本文通过蒋家沟2002－2007年5a中20次具有完整观测资料的典型阵性泥石流作为基础数据，对阵性泥石流输沙量变化、输沙级配变化进行初步分析，得到以下几点规律:(1)阵性泥石流输沙量增速随泥石流阵次的增加呈现两种模式，对应的输沙量也呈现两种变化模式。各阵次输沙量具有变化剧烈的特点，输沙量峰值一般出现在阵次序列中期或序列前期，输沙量变化可能呈单峰分布，亦有双峰分布。(2)阵性泥石流不同阵次颗粒级配曲线为具有相似特征的宽级配分布类型。各粒径含量比例分布具有明显的双峰分布特征，两峰值所对应泥沙粒径基本为0．002mm及10mm左右，粗颗粒峰值粒径具体稍有差异，但细颗粒峰值粒径却极为一致。(3)随着阵流发展，泥石流细颗粒含量增加，粗颗粒含量不断减少，中值粒径d50、峰度系数B*、容重γc总体均呈减小趋势。d50值随着阵流序列增加迅速减小;峰度系数B*随着泥石流阵流发展呈现波状变化特点;容重γc在阵流阶段减小趋势较缓，当泥石流流态为连续流时，容重γc迅速减小，泥沙颗粒大部分由细颗粒组成。(4)0．01mm为阵性泥石流颗粒分析无标度区的平均分界值，d≤0．01mm颗粒分维值几乎一致，平均值为1．9，d＞0．01mm颗粒分维值随着阵流发展呈增大趋势，当泥石流流态为连续流，d＞0．01mm颗粒分维值几乎都大于或等于2．88。文中数据由中国科学院东川泥石流观测研究站提供。

作者：魏丽胡凯衡单位：中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所