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第10章 认识泥石流(1)

泥石流的分类跟它的研究和防治工作紧密结合。所以分成以下几类。

按运动和岩土类型的分类

除了降水条件外,泥石流在形成过程中主要依赖固体物质类型,如土石体、土体、基岩。不同的运动方式,形成了各种各样的泥石流。由于它们的分类是按照不同的学科分的,所以它们在自然界很容易就能被考察者鉴别和区分。比如,地质学家按照斜坡的运动将泥石流分为倒塌、滑动、坠落、流动和复合运动五种运动类型。泥石流的形成不是单一运动的物质补给,所以我们根据这一特点,将物质类型和运动类型结合起来进行分类。

1.崩塌型泥石流

通常,这类泥石流形成于第四纪,经过了强烈的风化作用,由于质地松散,以板岩为主的山地斜坡发生了泥石流。我国这类泥石流的典型例子多发生于云南东川蒋家沟内的许多谷坡、黄土高原和红壤区。不过在基岩山坡上,常常会发生崩积锥,泥石流却不容易发生。

2.滑坡型泥石流

滑坡型泥石流是位于山坡高位上的浅表层发育的滑坡,经过长时间的雨水侵蚀,或者是大雨、暴雨的侵袭才形成的。这类泥石流的运动有着复杂的过程。很有可能是先形成滑坡,然后滑体在快速滑动的过程受到强烈的干扰出现液体的现象。当滑体充分液化后,就会变成泥石流体,此时,流体已到达了谷底,而且,它还可以顺着谷底继续流动,在遇到黄土和红壤的山坡地带时,就会有滑坡型泥石流产生。此类泥石流灾害容易发生在我国的山区。

3.沟谷冲刷型泥石流

冲刷型泥石流是能带走沟床内大量厚层河床质的供水量,冲刷河床质引起的。当山体为壤土类型,河床质为石质基岩时,侵蚀性泥流和水石流就会发生。

4.沟谷型泥石流

沟谷型泥石流是指沟谷和坡地上的饱含小至黏土,大至巨砾的液固两相流,首先汇集在沟谷内,在山洪的激发下,顺着陡峻的沟谷冲向下游,形成泥石流是混合侵蚀的一种表现形式。这类泥石流沟具有明显的流域地貌特征,面积通常在10平方千米以上,在流动的过程中有各种物质补给。

按泥石流性质的分类

我国经过长时间的对泥石流进行研究和预防,根据泥石流的性质对泥石流进行分类。这种分类方法在过去应用得很多,但是,所用的分类标准既不统一,又非硬指标,很难规范,所以很难应用。过去的时候用泥石流的浓度作为指标,但是,在同一容重下,常常会出现由不同固体物质组成的几种性质的泥石流。还有采用表示颗粒的方法作为指标,但是有时也出现同一代表粒径(d50,dcp…)有不同浓度的现象,因此,它的性质也是不一样的。我们在确定一条沟的泥石流的性质的时候,要提供一些它的流变特征值,但是这些值不可能在现场准确得到,这些都是后来得到的。对于它的优点和不足,经过谈论研究,提出了一种新的性质的分类方法。此法的分类指标包括以下两种。

1.容重

容重一般是工程上用的1立方米的重量,即单位容积内物体的重量。它代表有多少泥石流固体物质,特别是针对大于2毫米的颗粒固体物质的含量。泥石流容重越大,则固体颗粒越多,泥石体越密集,那么它的结构就越紧密,运动阻力也就越大。

2.土水比

土水比是指泥石流中黏土(小于0.005毫米)重量与水体重量的比值。水土比表示的是泥石流浆体中的稀稠度,土水比越大,泥浆的稠度就会越大,它的黏性就会越大;土水比越小,泥浆的稠度就会越小,它的黏性就会越小。

在对泥石流进行分类时,如果把这两个指标结合起来,那么,泥石流的性质就会被锁定,就会成为泥石流性质分类的硬指标,仅用一种指标分类的不足就能得以弥补。根据容重和土水比,可以将泥石流分为稀性泥石流、高黏性泥石流、水石流、泥流、高含沙水流、亚黏性泥石流、黏性泥石流七大类,下面我们就详细地讲述泥石流的特点。

(1)稀性泥石流:这种泥石流的容重是1.4~1.7吨/立方米,土水比为0.2~0.5。小于0.005毫米的黏粒是该类泥石流中的泥浆的组成物质,其中,沙粒几乎是悬移质,砾石是推移质,由于没有很强的黏性,导致整个流体接近水流特性。该类泥石流流动画面很紊乱,里面有少量的石块会翻滚相互碰撞,在近处可听见它们的撞击声。

(2)亚黏性泥石流:这种泥石流的容重为1.7~1.95吨/立方米,土水比为0.35~0.6。与稀性泥石流相比,该类泥石流的流动性增强,同时有一定的结构力和黏滞性,它在搬运的过程中能力加强,流体在运动过程中没有浪花飞溅,但有波纹,有很微弱的紊动。

(3)黏性泥石流:这种泥石流的土水比为0.6~0.75,容重为1.95~2.3吨/立方米,流体中有密集的小石块,浓稠的泥浆。但是它的黏性并没有增加,因为泥浆液在粗石块间形成泥膜,起到润滑作用,使粗粒间的运动阻力大大降低,所以黏性泥石流的速度很快,可以达到4~8米/秒。

(4)高黏性泥石流:这类泥石流的容重高达2.3吨/立方米以上,土水比在0.7以上。它是因为常年没有下雨,突然一场暴雨袭来,大量粗糙的泥沙砾石在径流的参与下形成泥石流,一般情况下,它在自然界很少发生。它们在往下游运动的过程中,因为河槽长期处于干枯的状态,且泥石流中的水体大量下渗河床,因此加强了本来就很黏稠的泥石流的黏稠度,这样就形成了自然界很少见的高黏性泥石流。在这样的泥石流中,泥浆结构力和黏滞力更强。它们在运动的过程中,石块之间的泥浆由于相互作用,产生相对阻力,使泥石流的运动速度也受到影响,变得很缓慢,一般在1米/秒左右。同时,由于2毫米以上的石块密集于泥石流浆体中,极不容易发生相对位移,因而,它常常保持一定的结构,呈蠕动或层状运动。

(5)水石流:由水与粗沙、石块和巨砾组成的特殊流体。其黏粒含量少于泥石流和泥流。这种泥石流的容重至少要在1.5吨/立方米以上,土水比在0.2以下。它的主要特点是粗大的颗粒物质存在,大于2毫米的砾石和块石占总体的90%以上,但是它的黏性颗粒的含量很少,里面含有很少的沙和细沙。山区大降雨时河溪夹运沙石的运动,基本上就是此类泥石流的运动过程。这些石块在水流中按照跳跃、碰撞和推移的形式向前进,因此,当泥石流发生的时候,就像有很多飞机在嗡嗡响,也像是奔驰的火车,发出很大的声音。到目前为止,我们还没有目睹和观测到大型水石流的活动情景,只是调查过它发生过后的现场,并且拍下它的相关照片,从堆积物中,当地的农夫从里面捡到很多条从上游冲下来的大蟒蛇,很有可能是被石块相互撞击而死的。可见水石流的发生和运动与石块的相互碰撞有密切关系,能够产生强烈的冲击力,引起边岸的坍塌等,因此许多泥石流研究者对泥石流中粗大颗粒的运动,采用英国学者的颗粒在流体中碰撞的离散理论进行分析和解释是有一定道理的。

(6)泥流:泥流是指以细粒土为主的流动体。固体物质来源中缺乏粗颗粒物质,而黏土颗粒在细粒物质中的含量又很高,固体物质的组成成分又多为沙和粉沙,泥流中所含的水可以达到60%,泥流是一种很特殊的水石流,它的土水比通常大于0.6。我国的西北高原黄土区是泥流的主要发生地,它是黄河泥沙的一种主要供给。

(7)高含沙水流:这类泥石流的容量一般比1.5吨/立方米低,土水比低于0.2,不过它的流动过程有点像是水流动。但是它的含沙量比较高,在泥石流开始和结束时,都会发生这种现象。它是水力学正在研究的课题。

按沟谷地貌特征的分类

一条完整的泥石流沟,就是一个完整的小流域,从上游到下游一般由清水汇流区、泥石流形成区、泥石流流通区、泥石流堆积区四个部分组成。按照流域的沟谷地貌形态,把泥石流沟分为泥石流工作者能够普遍接受和认同的三种类型,便于识别。

(1)典型泥石流沟:此类泥石流沟有明显的泥石流形成区、流通区、堆积区以及清水区。在一些大型的泥石流流域里面还会有很多的支沟发育,中间也会有很多不良的地质灾害发生。

(2)沟谷型泥石流沟:此类泥石流流域为长条形,形成区不明显,泥石流两侧是泥石流物质的主要供给区,流通区很长,有时候会把形成区给代替了。堆积区视汇入的主河是淤积性还是下切侵蚀性的不同而不同,前后者的主要区别是有没有堆积扇的存在。

(3)坡面型泥石流沟:坡面型泥石流是先产生滑坡,而后迅速转变为泥石流的过程。它兼有滑坡和泥石流的一些特征。发生坡面流的斜坡残坡积土主要为黏性土,含少量块石或碎石,土层厚度小。土中黏土矿物由伊利石、蒙脱石、高岭石组成,具低—中等膨胀性,因而其渗透性低—极低。受持续暴雨作用,此种残坡积土局部发生启动下滑—流土,进而在动水压力作用下下泻造浆形成坡面泥石流。坡面型泥石流沟浅而宽,大多顺斜坡的倾向发生,也有斜交坡向而沿岩层走向发生,是沟谷型泥石流发育的雏形。

按水源条件分类

水是泥石流重要的组成成分,也是激发泥石流形成的条件,因此对于泥石流,国内外许多学者都以水源条件分类来进行研究,为防治工作服务。泥石流的工作者按照水源的不同将泥石流分成以下几种:

(1)暴雨型泥石流(包括台风雨):它是因为暴雨长时间侵袭形成的。在我国的西南山区、香港和台湾,是中国境内暴雨型泥石流的多发区,每年由于这些区域都会遭到暴雨和台风雨的“光顾”,所以,产生的泥石流会给当地带了很大的损失。同时,它也是世界上分布最广泛、最容易产生的泥石流。

(2)冰雪融水型泥石流:发育在现代冰川和积雪边缘地带,由冰雪融水或冰湖溃决、洪水冲蚀形成的含有大量泥沙石块的特殊洪流。常发生在增温与融水集中的夏、秋季节,晴、阴、雨天均可产生。与暴雨泥石流相比,冰川泥石流具有规模大、流动时间长等特征。世界上有10多个国家遭受冰川泥石流灾害。我国主要分布在西藏高原的东南部冰川积雪地带。

(3)水体溃决型泥石流:这类泥石流的产生主要是由于冰湖、堵塞湖、水库、高山以及滑坡崩塌形成的临时性湖泊的决堤而形成的。

按土源条件分类

土源条件就是泥石流的物质组成来源。因为这类泥石流与岩性关系密切,国内外的不少专家按这样的分类对泥石流进行研究和描述。受到许多地质地理研究者的追捧,也是绘制泥石流分布图的最好表达方式,所以,此种分类在泥石流学界有着极为广泛的市场和应用前景。

(1)水石流:这类泥石流由水和大小不等的沙粒、石块组成。在我国陕西华山一带分布最为典型,它主要发生在风化不严重的灰岩、火山岩、花岗岩等基岩山区。

(2)泥流:这类泥石流由黏性土为主,含少量沙粒、石块,黏度大,呈稠泥状组成,主要在第三、第四系广泛分布的地带发育,尤其是我国西北的广大黄土高原,因为那里缺少粗颗粒的岩石,所以发生的泥石流都是泥流或高含沙水流。

(3)泥石流:这类泥石流由大量黏性土和粒径不等的沙粒、石块组成,常见于我国广大山区,特别是西南山区。它的组成成分分界很宽,从最小的黏土(小于0.005毫米)到最大的漂石(大于100毫米)。跨越比较大,它有两种最常见的分类。

①按照颗粒特性将泥石流的物质组成划分。

②按沉积地质学以φ值划分泥石流的物质组成。按发展历史分类

事物的存在都是从无到有的,对现代泥石流的发育历史研究者认为,一次泥石流的活动周期,即对某一流域或一条沟而言,从第一次暴发到最后一次停止流动为止,这段时间被称为泥石流活动的一个周期,一般为300~500年。通过地质学家的研究发现,在地层中有很多沉积物和大漂石,这可以表明泥石流在地质历史上也曾有活动,因此,可以看出泥石流这一自然过程不仅存在于现代,而且也发生于古代。许多地质、沉积和冰川研究者根据泥石流活动周期在地质时期和人类活动时期存在的事实,把泥石流活动分为三大类:古泥石流、老泥石流、现代泥石流。

(1)现代泥石流:跟人类活动的关系密切相关,随着人类活动的出现而出现,到现在为止依然在继续活动的泥石流称为现代泥石流。

(2)老泥石流:进入人类活动以来曾出现过的,但是到了现在已经不再活动的泥石流称为老泥石流。

(3)古泥石流:在地质历史上曾经出现,现在仅在地质剖面和地貌形态保留着它残缺不全的痕迹的泥石流,称为古泥石流。

按发育阶段分类

一个泥石流的发育周期包括它的发生、发展和消亡过程,根据它的这种发育规律,可以分成幼年期、壮年期和老年期这三个阶段。

(1)幼年期泥石流:泥石流发育初期,上游侵蚀现象不是很明显,经过小规模的不良地质过程,沟道和沉积扇不明显,上面还有一些零星的泥石流堆积物。

(2)壮年期泥石流:泥石流发育的旺盛时期,上游侵蚀现象很明显,多种不良地质开始发育,有明显的泥石流沉积物存在于沟道和冲积扇上,上面有很多水流过的道路,冲积扇上面没有灌木也没有树木,只有一些很少的杂草。

(3)老年期泥石流:上游侵蚀现象已经形成了分水岭,基岩露了出来,有杂草丛生于侵蚀沟两侧,沟道内阶地(台阶)发育,由于泥石流堆积物形成的下切已经形成得很好,形态明显,冲积扇扇面已经没有明显的泥石流堆积,而且生长了灌丛和树木,还有固定的沟道通过冲积扇,有明显的近期泥石流沉积物在冲积扇里面。

按发生频率分类

泥石流发生的频率跟防护工程的安全度和造价有关,所以许多工程技术人员在泥石流防治工程中经常采用泥石流发生频率分类原则。泥石流暴发的频率或间歇期有着比较大的变幅,频率高的一年能够发生十几次,频率低的十几年甚至几百年才发生一次,根据发生频率高低,将泥石流分为三种类型:高频、中频和低频。

(1)高频率泥石流:高频率泥石流是指一年发生几次,或者几年发生一次的。我国是世界上少见的发生高频率泥石流的几个国家之一,如甘肃的火烧沟、大盈江的浑水沟、云南东川的蒋家沟等。

(2)中频率泥石流:中频率泥石流是十几年或者几十年才发生一次的。这类泥石流主要发生在我国和日本。目前正在全力整治和预防这一类泥石流。

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