细碎屑对泥石流行为的影响研究

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云南省怒江州贡山县东月各沟于2010年8月18日凌晨突发特大型泥石流灾害,夹有最大等效粒径为9 m巨石的约六十万方泥-石混合物高速喷出山口,摧毁了沟口既有平缓堆积扇上的厂房、村庄及公路-水电-通讯等基础设施,共造成92人死亡和1.4亿的经济损失。包括东月各泥石流在内的怒江泥石流具有启动点远、发生规模大、扩散路径长、搬运能力强以及沿低梯度沟床远程扩散行为突出的特点。既有关于细碎屑对泥石流行为的影响研究主要集中在伊利石、蒙脱石和高岭石这三种典型粘土矿物上,其结果无法解释细碎屑矿物成分主要为非粘土矿物的东月各泥石流的远程维持与扩散行为。因此,对此类泥石流展开针对性研究是十分必要的。本文以“2010.8.18”东月各特大泥石流为依托,在查明研究区地形地貌、气象条件、地质条件、人类活动和植被分布等泥石流事件发生背景的基础上,基于天然泥石流碎屑及部分人工矿物碎屑(石墨、白云石、石英、伊利石、蒙脱石),通过成浆对比实验、超孔隙水压力实验、孔隙水逃逸实验、流变仪流变实验、斜面流变实验以及水槽流动实验,以探究细碎屑对泥石流远程维持能力和流动特征的影响。主要研究成果概括如下:1.研究区36.8%的平均坡度以及平均纵坡比降高达184‰的主沟是泥石流发生的地形地貌基础;研究区剧烈的构造运动、发育的断裂、高度破碎的岩体以及频发的滑坡灾害为泥石流发生提供了丰富的松散物质来源;研究区相较于往年偏多的降雨以及灾前高气温导致的冰雪消融加剧为泥石流的诱发提供了水源条件。此外,东月各泥石流高山源区微弱的风化作用导致其细碎屑主要由非粘土矿物组成,而不含典型粘土矿物。2.虽然含量较低,但细碎屑对泥石流的形成有重要影响。细碎屑主要通过改变重构碎屑的成浆下限浓度来影响重构碎屑的成浆范围,从而影响重构碎屑的液化能力。相较于非粘土矿物,以粘土矿物为细碎屑的堆积物成浆下限浓度更低,有着更高的液化潜力,从而增加了堆积物转化为泥石流的倾向性,因此细碎屑以粘土矿物为主的区域的泥石流灾害具有频发性。3.细碎屑通过填充现有粒间孔隙和封闭孔隙水逃逸通道来使浆体在保持孔隙水的同时维持较高的超孔隙压力。无论细碎屑由何种矿物组成,均能不同程度促进浆体中孔隙水的保持以及超孔隙水压力的维持。粘土矿物由于其膨胀性和亲水性,更易封闭孔隙水逃逸通道,促进了对孔隙水的束缚,使泥石流浆体能够长期维持高水平的超孔隙水压力,从而有利于泥石流浆体在低梯度沟床上长距离运移。4.细碎屑能够显著影响泥石流的流变特性。细碎屑的缺失会使浆体难以保持较高的屈服应力和粘滞系数。相较于非粘土矿物,细碎屑中的粘土矿物能够显著提高浆体的屈服应力和粘滞系数,从而在一定程度上降低泥石流浆体的流动性。5.细碎屑对泥石流的致灾能力也有控制作用。相较于粘土矿物,细碎屑以非粘土矿物为主的泥石流浆体流速更快,动能更大,冲击力更强,在沟口扩散形成的冲积扇面积更大,从而具有更强的致灾能力。6.当细碎屑主要由非粘土矿物构成时,影响泥石流行为的主要因素是细碎屑粒径,而与其矿物类型以及微观形态关系不大。当非粘土矿物细碎屑足够细时,其对泥石流行为的影响与粘土矿物细碎屑类似,都能够提升碎屑的成浆范围,提高泥石流浆体孔隙水压力维持能力并降低浆体的流动性和扩散能力。
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