岩崩堆积转化为泥石流的倾向性——以云南头寨岩崩为例

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滑坡和泥石流是我国山区的两种常见地质灾害,是制约当地经济发展的最主要因素之一。滑坡与泥石流关系密切,通常滑坡(尤其是大型滑坡碎屑流事件)发生后会形成大量松散碎屑堆积于坡面或沟道中,这将在很大程度上提高该区域后续泥石流发生的倾向性。目前,既有关于滑坡产生的松散堆积碎屑转化为泥石流方面的问题已取得若干重要进展,但也还存在一些关键问题有待进一步的研究与探讨。例如,缺乏对松散堆积碎屑的成浆潜势及浆体维持能力的定量评价、对泥石流形成过程中碎屑液化机理的认识仍然不够充分、对松散堆积碎屑转化为泥石流倾向性的判别不够准确等等。因此,开展由大型滑坡产生的松散堆积碎屑转化为泥石流倾向性的研究能够加深人们对此类灾害的理解,为类似灾害事件的风险评价和防控提供科学依据。本文以在1991/09/23发生过大型岩崩(又称大型高速远程滑坡-碎屑流)事件的头寨沟流域为研究背景,综合采用野外精细调查与监测、室内测试和多类型的多尺度室内试验与理论分析相结合的研究方法对头寨岩崩堆积转化为泥石流的倾向性问题进行了深入研究。所取得的主要研究成果总结如下:1.头寨沟流域地形陡峭,沟内降雨充沛,并且受山地微气候影响,降雨量随海拔的上升而显著增加,滑源区附近的年降雨量达1726.8 mm(2013/10-2014/9监测数据)。约900×10~4 m~3的松散碎屑沿程堆积于头寨沟内,碎屑具有宽级配、差分选的特征,其粘粒部分主要由蒙脱石及高岭石等粘土矿物组成。堆积碎屑棱角钝化明显,总体呈次圆状-次棱角状,并且部分碎屑内部有溶蚀孔洞,外部被薄层腐岩壳所包裹,但新鲜碎屑仍占整个堆积体的80%以上。陡峭的地形环境、丰沛的降雨以及充足的物源为头寨沟内泥石流的发育提供了合适的形成条件。2.成浆对比试验、孔隙水压力对比试验和流变与塌落度对比试验共同表明,头寨(TZ)岩崩碎屑与东川蒋家沟(JJG)泥石流碎屑的泥石流指数(Id)相近(意味着两种碎屑形成泥石流的倾向性相似);TZ岩崩碎屑与JJG泥石流碎屑均能被重塑为高液化程度的碎屑-水混合物浆体,但TZ岩崩碎屑浆体维持高液化程度的能力要强于JJG泥石流浆体;相同固体体积浓度下,TZ岩崩碎屑浆体的屈服应力高于JJG泥石流浆体,表明TZ岩崩碎屑一旦转化为泥石流后,其搬运巨石的能力将会强于JJG泥石流。3.头寨岩崩碎屑的粒度分布(宽级配、差分选)、细碎屑矿物成分(以蒙脱石和高岭石为主)、碎屑几何形态(棱角钝化、呈次圆状-次棱角状)和风化状态(碎屑内部发育有溶蚀孔洞、表面被薄层腐岩壳包裹)都有助于提高其成浆潜势和浆体维持能力。4.头寨岩崩碎屑浆体具有与蒋家沟泥石流浆体类似的剪切稀化特性。表明,头寨岩崩堆积碎屑一旦转化为泥石流并开始沿沟道扩散后(即使碎屑浆体的固体体积浓度较高),浆体内部阻力将迅速降低,这一特性有助于提高头寨岩崩碎屑浆体在低梯度沟道中的远程扩散能力。5.环剪切试验、斜面流变及孔隙水逃逸试验和渗透试验结果表明,饱和碎屑的液化程度主要与所受到的扰动程度有关。强扰动作用将改变饱和土体中颗粒之间的原有接触方式,使颗粒相互分离,增强细碎屑与饱和水的结合程度,形成具有更大密度的间隙流体;由扰动导致颗粒相互分离产生的孔隙空间被间隙流体迅速填充,颗粒相互分离所释放的接触应力由间隙流体承担,土体内部发育高超孔隙流体压力,进而导致饱和土体液化。6.未经扰动的(静态)头寨饱和土体和碎屑浆体的扩散与堆积行为表现出显著的差异性。静态饱和土体失稳后的扩散能力(扩散速度、扩散距离和淹没面积等)和所形成的碎屑-水混合物束缚孔隙水的能力显著低于碎屑浆体。饱和土体的扩散与堆积行为更接近碎屑流(或颗粒流,granular flow),而碎屑浆体更接近于粘性泥石流(viscous debris flow)。头寨岩崩堆积碎屑向泥石流的转化可看作为静态饱和土体转化为碎屑浆体的过程。7.静态饱和土体在失稳后的初始阶段中颗粒间相互接触,滑体内部由颗粒间的摩擦阻力占主导地位。随着在底部粗糙的陡坡上继续扩散,粗颗粒之间相互碰撞分离,细碎屑与水结合形成间隙流体,碎屑-水混合物液化程度逐渐提高。碎屑浆体在扩散过程中颗粒悬浮于间隙流体之上,浆体内部以惯性力(颗粒之间相互碰撞)为主,颗粒间的相互碰撞将提高其液化程度,从而进一步促进其在低梯度沟道中进行远程扩散。8.随坡度与坡长的增加,静态饱和土体和碎屑浆体失稳后的扩散与堆积行为越相似,即饱和岩崩堆积碎屑向碎屑浆体转化的倾向性越高,这与碎屑的液化机理密切相关(坡度越陡、坡长越长将导致饱和土体失稳后所经历的扰动增强)。但坡度过陡并且坡长过长时,碎屑-水混合物在扩散过程中会发生颗粒尺度分异现象,即在陡坡上扩散时粗颗粒逐渐向流动前锋聚集形成粗颗粒龙头,在其扩散至低梯度沟道后,流动前锋所聚集的粗颗粒龙头将阻碍后部液化浆体的进一步扩散。表明头寨岩崩堆积碎屑饱和失稳时所处的位置对其是否能转化为泥石流影响显著。
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