碎屑流堆積物粒度分布與運動特性的關(guān)系
——以貴州納雍普灑村崩塌為例

彭雙麒， 許 強， 鄭 光，巨袁臻， 周小棚(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

崩塌-碎屑流由于其具有不可預(yù)見性、高隱蔽性以及發(fā)生時間短暫等特性，導(dǎo)致其失穩(wěn)-運動過程較難直接觀測。因此對于碎屑流的研究，大都是由研究人員在現(xiàn)場開展地面調(diào)查、填圖，并對失穩(wěn)塊石進行現(xiàn)場統(tǒng)計[1～5]，對于運動過程的分析也多是基于數(shù)值計算來實現(xiàn)的[6～7]，但是這些方法均需要投入大量的人力物力。因此，提出更簡便有效的新方法研究碎屑流很有必要。關(guān)于碎屑流的研究最早是Heim[8]開展的，他提出了碎屑流的概念，并對Elm滑坡碎屑流的遠程運動過程進行了分析；Shreve[9]對美國西南部的Blackhawk滑坡進行了調(diào)查，對碎屑流的運動特性進行了一定分析，提出了碎屑流遠程運動的氣墊效應(yīng)機制；Peart[10]發(fā)現(xiàn)在巴布亞新幾內(nèi)亞發(fā)生的Kaiapit大型滑坡，其滑坡碎屑流主要由粉砂到粒徑約5m的塊石組成，這是對碎屑流粒徑研究的代表；許強等[11]調(diào)查了西藏易貢滑坡的堆積體，發(fā)現(xiàn)易貢滑坡堆積物中大塊石多堆積于主中軸附近，其他粒徑則圍繞中軸呈環(huán)狀分布；王品等[12]采集了頭寨溝高速遠程滑坡碎屑流堆積物進行粒徑分析，發(fā)現(xiàn)堆積物中半徑在0.5～1.5m的大中型巨石較少，當(dāng)然他們的研究注重點在8～64mm的粒徑，采集量也相對較少；袁小一等[13]對高速遠程滑坡-碎屑流產(chǎn)生的超前沖擊氣流進行了研究；高楊等[14]用數(shù)值模擬方法對重慶武隆雞尾山滑坡碎屑流動力特征進行研究，發(fā)現(xiàn)運用DAN-W軟件模擬斜傾厚層高速遠程滑坡—碎屑流最適合的模型為FVF模型，這是對碎屑流動力特征研究的突出貢獻。

2017年8月28日10時30分左右，貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑村發(fā)生一起高位崩塌碎屑流地質(zhì)災(zāi)害(以下簡稱普灑村崩塌)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查并通過對崩塌區(qū)進行無人機航拍，生成高分辨率數(shù)字地表模型(Digital Surface Model，DSM)。依托DSM，沿主滑動方向?qū)λ樾剂髁阶隽私y(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上研究崩塌碎屑流的動力特性。

1 納雍普灑村崩塌碎屑流基本情況

普灑村崩塌位于普灑村南東側(cè)陡壁上，崩塌源區(qū)最高處距離地面垂直距離370 m，崩塌源區(qū)長約145 m，高度約85 m，厚約40 m，體積約49.1×104m3。崩塌區(qū)主要出露下三疊統(tǒng)夜郎組(T1y)巖層，以及上二疊統(tǒng)長興-大隆組(P2c-d)巖層。主要巖性為灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖以及龍?zhí)督M夾有的煤層[1]。

普灑村崩塌堆積體長610 m，寬360～380 m，平均厚4 m，體積約82.3×104m3，其平面圖及剖面圖見圖1～2。

圖1 普灑村崩塌堆積區(qū)全貌及剖面位置Fig.1 General appearance and section position of the rock avalanche accumulation area of Pusa village

2 普灑村崩塌堆積體粒徑統(tǒng)計

2.1 粒徑統(tǒng)計

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)堆積塊石最大粒徑達到16.6 m，平均粒徑1.0～2.0 m，開展堆積塊石現(xiàn)場統(tǒng)計工作困難，為此運用無人機航拍技術(shù)拍攝現(xiàn)場堆積體。所用無人機為飛馬無人機公司所產(chǎn)F1000型電動固定翼無人機。為了使航拍數(shù)據(jù)具有較高分辨率，根據(jù)現(xiàn)場實際情況將無人機飛行高度設(shè)置為240～320 m。無人機共飛行25 km，拍攝面積4 km2，由14條航線飛完。平均地面分辨率為6.7 cm，帶間重疊率75%，帶內(nèi)重疊率80%。最終獲得圖像數(shù)據(jù)后，經(jīng)處理得到高分辨率數(shù)字地表模型(DSM)，經(jīng)處理所得圖像最終可分辨最小粒徑為25 cm。

圖2 普灑村崩塌主滑方向地質(zhì)剖面圖(據(jù)鄭光等[1])Fig.2 Geological section along the main slip direction of Pusa village(after Zheng, et al.[1])

由于碎屑流邊緣對地面鏟刮作用使碎屑流運動受到影響，且經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鏟刮作用使碎屑流或停積或被鏟刮起來的土體反向掩埋，造成塊石在無人機航拍圖像上不易被觀察。受到碎屑流側(cè)邊地形以及鏟刮作用的影響，側(cè)邊塊石的堆積情況并不能完全代表碎屑流塊石堆積的特點；并且，鏟刮作用會卷入部分非碎屑流物質(zhì)隨碎屑流一起運動，當(dāng)碎屑流運動停止后，其他物質(zhì)會隨著堆積物一起停積下來。若其他物質(zhì)為非塊石，那么根據(jù)拍攝圖片或者現(xiàn)場調(diào)查可以將此類影響消除；若其他物質(zhì)為地面塊石或鏟刮的地面風(fēng)化塊石，統(tǒng)計分析不易察別，將對統(tǒng)計結(jié)果造成部分影響。所以，選擇的統(tǒng)計區(qū)為堆積體中部沿主滑方向的區(qū)域。統(tǒng)計主要針對于出露于地表的堆積體顆粒。沿著崩塌碎屑流運動的方向，由距離崩塌后緣130 m的堆積區(qū)開始，每隔50 m劃分一個寬100 m的區(qū)域(圖3)，共13個區(qū)域，編號為A1～A13。分別對13個區(qū)域內(nèi)出露于地表肉眼可分辨的顆粒進行統(tǒng)計分析。通過DSM模型對相應(yīng)分區(qū)內(nèi)的可見粒徑進行統(tǒng)計(圖4)，得出每個區(qū)域堆積塊石粒徑的大小及數(shù)量。需要說明的是粒徑數(shù)值取的是顆粒對角線的最大值。

圖3 崩塌堆積分區(qū)示意圖Fig.3 Partition diagram of the collapse accumulation body

圖4 堆積顆粒粒徑測量方法Fig.4 Particle size measurement method

2.2 粒徑統(tǒng)計結(jié)果

受分辨率的限制統(tǒng)計顆粒粒徑最小值為0.25 m，將顆粒直徑間隔1 m分為13個范圍，取左開右閉區(qū)間統(tǒng)計每個粒徑范圍內(nèi)顆粒的數(shù)量，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

另外，對于粒徑大于10 m的顆粒，在A2區(qū)域內(nèi)有3塊，粒徑分別為10.36 m、11.46 m、16.60 m。A3區(qū)域有1塊，粒徑為11.57 m。

3 粒徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 分區(qū)顆粒累計統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果繪制成13個分區(qū)粒徑累計級配曲線(圖5)，并分別做出各區(qū)0～2 m、2～4 m、4～6 m、6～10 m顆粒所占比例柱狀圖(圖6)。

由圖5、圖6可知：

表1 統(tǒng)計區(qū)內(nèi)各級粒徑顆粒數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of particle size at all levels in statistical areas

圖5 分區(qū)顆粒粒徑累計曲線Fig.5 Aggregate curve of particle size in subsection

(1)A3、A4、A5區(qū)的顆粒級配曲線相對于其他區(qū)平緩，顆粒粒徑級配好于其他區(qū)域。

(2)A1、A2區(qū)小粒徑含量較多，而A3區(qū)大粒徑較多，小粒徑較少；從A3區(qū)開始隨碎屑流運動距離增加，小顆粒在堆積塊石所占的比例增加，大粒徑占比則減少。2 m以下的塊石占比由A1區(qū)到A13區(qū)呈先減小后增大的趨勢，A3區(qū)為拐點，含量為36.61%。

(3)崩塌堆積塊石中粒徑小于3 m的顆粒含量在每個區(qū)域內(nèi)都大于70%，占據(jù)絕大部分。

(4)總體上近崩塌源區(qū)堆積塊石小粒徑含量少于遠離崩塌源區(qū)。

(5)對于2～4 m的顆粒，堆積量占比在各區(qū)波動較大，A1、A2含量區(qū)基本相等，A3區(qū)突然增加，A3～A8減小，A8～A10增加，A10～A13先減少再增加。

(6)顆粒較大的4～6 m和6～10 m顆粒含量變化趨勢基本相同，A1～A3為增加趨勢，A3、A4含量基本相同，A4～A7含量減少，A8大粒徑數(shù)量達到峰值。A9～A13，大粒徑顆粒數(shù)量變化不大。但要注意的是A10與A11區(qū)沒有6～10 m的顆粒。

(7)越遠離崩塌源區(qū)的區(qū)域，小顆粒的含量越多。由此可知普灑村崩塌堆積物隨著運動距離的增加分選性越好，堆積塊石粒徑也隨著運動距離的增加越來越集中在1～2 m之間。

3.2 分區(qū)堆積塊石面密度

為了能將各區(qū)域統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ龋瑢Ω鲄^(qū)域數(shù)據(jù)進行歸一化處理。本文對數(shù)據(jù)歸一化處理的方法引用面密度的概念，即將各區(qū)域統(tǒng)計顆粒的總面積比區(qū)域總面積定義為該區(qū)域統(tǒng)計顆粒的面密度?？紤]到堆積塊石在碎屑流流動過程中的磨圓性使顆粒長寬大概相等，運用粒徑的平方和代表顆?？偯娣e。其公式如(1)：

(1)

式中：di——區(qū)域內(nèi)統(tǒng)計的堆積塊石顆粒粒徑/m；

A——統(tǒng)計區(qū)域的面積/m2；

ρs——區(qū)域統(tǒng)計堆積塊石的面密度。

對13個區(qū)域分別計算其粒徑大于0.25 m顆粒的面密度，并測量出崩塌源區(qū)的后壁到統(tǒng)計區(qū)域中線的距離，得出運動距離與面密度的柱狀圖(圖7)。

圖6 各區(qū)域不同粒徑等級所占比例Fig.6 Proportion of different grain sizes in different regions

圖7 堆積物面密度與運動距離關(guān)系Fig.7 Relationship between the density of the accumulator surface and the motion distance

由圖7得到普灑村崩塌碎屑流堆積塊石的分布情況：

(1)A1區(qū)，也就是距離崩塌源區(qū)155 m的區(qū)域，堆積塊石較少，堆積塊石面密度只有0.157。

(2)A2區(qū)是整個堆積區(qū)內(nèi)堆積面密度最大的區(qū)域，堆積面密度達到0.857，遠遠高出了其附近的A1區(qū)與A3區(qū)。

(3)A3～A13區(qū)堆積塊石面密度整體上呈減少趨勢。同時也是3.1節(jié)所提的隨著碎屑流運動距離增加，小顆粒在堆積塊石內(nèi)占比增加的表現(xiàn)。

(4)A10區(qū)所在的605 m左右堆積塊石面密度有反常現(xiàn)象，由A9的0.220減小到0.112。A13區(qū)(705 m)內(nèi)的堆積塊石面密度由A12的0.082回升到0.096。

由于碎屑流塊石堆積也與其運動速度相關(guān)，所以結(jié)合堆積塊石粒徑對碎屑流動力特征進行一定分析。

3.3 堆積塊徑分布與崩塌體運動特性之間的關(guān)系

對于普灑村崩塌碎屑流運動速度的計算采用謝德格爾法[1,15]進行估算，公式如(2)、(3)：

(2)

μ=H/L

(3)

式中：g——重力加速度，取9.8 m/s2；

h——崩塌源區(qū)后壁最高點至計算點的豎直高度差/m；

l——崩塌源區(qū)后壁最高點到計算點的水平距離/m;

μ——碎屑流運動的等效摩擦系數(shù)；

H——崩塌后緣到前緣的最大高度差/m；

L——崩塌后緣到前緣的最大水平距離/m。

根據(jù)資料收集以及崩塌地質(zhì)剖面圖(圖2)可知，普灑村崩塌后緣到前緣的最大高度差H=367 m，最大水平距離L=788 m，則μ=H/L=0.339。利用謝德格爾公式結(jié)合圖2確定的值，可計算出碎屑流在流動過程中各點的運動速度(圖8)。

大塊徑巖石運動中所需的能量多，所以碎屑流的運動速度一旦降低到某一閾值就無法再攜帶大塊石，故大塊石的分布范圍能較直觀地反映出碎屑流運動速度的變化范圍。通過塊石粒徑統(tǒng)計，小于2 m的粒徑占絕大部分，大于5 m的巨型顆粒占比較少，所以在此統(tǒng)計出每個區(qū)域內(nèi)粒徑大于5 m顆粒面密度，并討論其對碎屑流運動速度的反應(yīng)。結(jié)合速度曲線與巨型顆粒面密度柱狀圖可作出圖8。

圖8 大于5 m塊石面密度柱狀圖與碎屑流運動速度曲線對應(yīng)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the histogram of block stone surface density and the flow velocity of rock avalanche whose particle size is larger than 5 m

由圖8可以看出：

(1)崩塌開始階段碎屑流運動速度快速增加，到達205 m(A1、A2區(qū))時到達速度最大值(43.83 m/s)，相應(yīng)地，巨型顆粒面密度A1區(qū)較少、A2區(qū)較多，且A2區(qū)為大于5 m巨型顆粒在整個堆積區(qū)內(nèi)堆積量最多的區(qū)域。

(2)其后，從305 m(A3、A4區(qū))開始，碎屑流運動速度減小，相對應(yīng)的A3、A4區(qū)巨型塊石堆積面密度也在減小。

(3)455 m附近(A5、A6、A7、A8區(qū))碎屑流運動速度一直處于34 m/s左右的基本平穩(wěn)狀態(tài)。滯留巨石面密度分別為0.062,0.071,0.049,0.046，波動也不大。

(4)A8區(qū)(505 m)之后，速度持續(xù)減小，但巨型塊石面密度A8到A10(605 m)為減小，A10到A12為增加趨勢，直到A13區(qū)才減到最小的0.001。

結(jié)合堆積區(qū)塊石粒徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)及其與碎屑流的運動速度估算曲線，對塊石分布成因進行如下分析：

(1)堆積分區(qū)

可以看出堆積塊石粒徑具有明顯的層次性。根據(jù)碎屑流的堆積特點將其分為4個堆積區(qū)域(圖9)。

1)初始堆積區(qū)，即A1區(qū)域。該區(qū)域處于坡腳位置，地形坡度較大不利于塊石停積。因此，在堆積面密度上初始堆積區(qū)只有0.157。而大粒徑的顆粒由于能量充足，在此區(qū)域停積也較少。在粒徑小于1 m顆粒的含量上，相對于A2區(qū)的12.8%、A3區(qū)的0.5%以及A4區(qū)的4.3%，初始堆積區(qū)細粒含量達到了27.1%。在堆積體前部是含量最多的區(qū)域。

2)集中堆積區(qū)，即A2區(qū)。由于地形原因，A2區(qū)的原始地形位于小丘陵后部(圖2)，十分有利于堆積物的滯留，其堆積物面密度達到了0.857。且堆積了大量的巨型顆粒，大于10 m的顆粒有3塊，整個統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)最大粒徑16.60 m也在此區(qū)域內(nèi)。

3)平穩(wěn)堆積區(qū)，即A3～A9區(qū)。從堆積面密度來看，這7個區(qū)域堆積面密度相差不大，都在0.200～0.400之間，并且從A3到A9有明顯減小的趨勢。可見，隨著碎屑流的運動，其本身的能量是逐漸降低的。大粒徑塊石隨著碎屑流運動需要大量的動能為前提，碎屑流運動距離越遠，動能越少，則大粒徑塊石含量越少。統(tǒng)計規(guī)律顯示距崩塌源區(qū)越遠的區(qū)域，大粒徑塊石堆積含量越少，符合此規(guī)律。

4)堆積減弱區(qū)，即A10～A13區(qū)。此段處于居民區(qū)，由于房屋建筑的阻隔，A10區(qū)所在的605 m左右堆積塊石面密度也有較小的突變，由A9的0.220減小到0.112。且據(jù)統(tǒng)計顯示，該區(qū)域堆積密度明顯小于平穩(wěn)堆積區(qū)，只有0.100左右，說明在該區(qū)域碎屑流運動動力已經(jīng)基本消耗完畢。而堆積減弱區(qū)粒度組成也是以小于2 m塊徑的顆粒為主(70%～90%)，符合平穩(wěn)堆積區(qū)的遠程運動粒徑組成情況。

(2)結(jié)合堆積粒徑對普灑村崩塌碎屑流運動過程的分析

1)崩塌碎屑流運動開始階段，初始速度較小，加速度較大。很快就加速到了35.03 m/s，此后碎屑流運動到區(qū)域A1。由于A1區(qū)域處于坡腳，堆積坡度較大，碎屑流速度加快，運動能量不斷增加，能滿足巨型塊石運動對能量的要求，在加上A1區(qū)域受到地形因素的制約，不利于停留巨型塊石，所以A1區(qū)巨型塊石面密度僅為0.007。

2)碎屑流運動到205 m左右(A2區(qū))，速度達到了峰值的43.83 m/s，在此后50 m(A3區(qū))原始地形有一個小的鼓丘，速度開始減小，動能減小，巨型塊石運動的動能要求很難得到滿足，所以在此階段堆積的巨型顆粒面密度較大，達到了峰值的0.209，塊徑達16.60 m的巨石即停留在本區(qū)。

3)越過鼓丘之后的100 m(A3、A4區(qū))為低洼區(qū)，碎屑流動能被消耗，速度逐漸減小，由最大值減小到35.26 m/s左右。滯留巨型塊石面密度為0.130、0.084，與A2區(qū)相比較少。

4)455 m附近(A5、A6、A7、A8區(qū))。由于地形上又出現(xiàn)一個下降的小坡度，部分勢能又能得到轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化與消耗抵消，碎屑流運動速度一直處于34 m/s左右的基本平穩(wěn)狀態(tài)。滯留巨石面密度為0.062，0.071，0.049，0.046，變化不大。但由于碎屑流運動過程中顆粒碰撞使顆粒部分分解，巨石面密度呈下降趨勢。

5)A8區(qū)之后，速度持續(xù)減小，再無更大波動，當(dāng)巨型塊石運動過程中能量消耗殆盡自行滯留原地，因此塊石數(shù)量也在持續(xù)減少。

6)705 m左右(A12)的居民區(qū)，由于建筑物阻擋，滯留塊石面密度為0.033，而A11與A13區(qū)分別為0.016，0.001，A12區(qū)巨型塊石較附近區(qū)域更多。

3.4 局限性

當(dāng)然，依據(jù)DSM模型對堆積物粒徑進行統(tǒng)計分析的方法還有不足之處需要改進。

(1)由于崩塌碎屑流多發(fā)生于山地峽谷地段，堆積物多位于山腳，為避免無人機在強風(fēng)亂流等環(huán)境干擾下撞擊山壁，無人機飛行必須高于研究區(qū)域最高點，因此細微粒徑的研究必定會受到限制。本次研究無人機航班高出最高點20 m，因此經(jīng)處理所得圖像最終可分辨最小粒徑為25 cm；對此，隨著在極端天氣條件下更穩(wěn)定的無人機機型的研發(fā)，以及清晰度更高的攝像頭的出世，此問題將會得到更好的解決。

(2)由于航拍所得圖像為正射圖片，統(tǒng)計分析只能觀察到表面堆積。在碎屑流堆積過程中，部分塊石受到上部塊石覆蓋，只出露部分。在統(tǒng)計分析時，這類塊石粒徑可能偏小。在本次研究中主要關(guān)注的是塊石粒徑隨碎屑流運動距離增加的變化規(guī)律。在所有統(tǒng)計分區(qū)都存在此類問題的情況下，按照“攝影圖片上塊石最大粒徑”這一標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)計，那么塊石粒徑隨著運動距離的變化規(guī)律的統(tǒng)計結(jié)果與真實規(guī)律差異會達到最小。

(3)運用DSM方法對碎屑流粒徑進行統(tǒng)計只能觀察到距航拍圖片最近的碎屑流期次，為了能對碎屑流多個期次都進行研究，只能在每個期次碎屑流發(fā)生后及時運用無人機對其拍攝。

(4)如上文所述，在碎屑流兩翼附近，鏟刮作用使碎屑流或停積或被鏟刮起來的土體反向掩埋，造成塊石在無人機航拍圖像上不易被觀察。為避免此類問題，在統(tǒng)計分析時可以選擇靠近中部，鏟刮較少的區(qū)域作為統(tǒng)計區(qū)域。對于卷入的其他物質(zhì)，可以在統(tǒng)計分析時人為的將其他物質(zhì)剔除。對于不易分辨的物質(zhì)，在現(xiàn)場實地勘察的時候予以排除。

4 結(jié)論

(1)普灑村崩塌山體失穩(wěn)后，解體成為巖質(zhì)碎屑流，沿陡崖下部的斜坡做遠程運動，一直運動到前部居民區(qū)附近才停止，運動距離約788 m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，崩塌堆積體長610 m，寬360～380 m，平均厚度4 m，堆積方量約82.3×104m3。通過無人機航拍數(shù)據(jù)制作了崩塌碎屑流區(qū)的三維DSM數(shù)據(jù)模型，并以此作為堆積體現(xiàn)場的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)在普灑村崩塌堆積物統(tǒng)計區(qū)內(nèi)，粒徑在2 m以下的塊石占比由A1區(qū)到A13區(qū)呈先減小后增大的趨勢，大于2 m塊石占比由A1區(qū)到A13區(qū)呈先增大后減小的趨勢。

(3)碎屑流從A1區(qū)開始堆積，所以其塊石面密度較小。A2區(qū)塊石堆積面密度為最大值。此后，隨運動距離增加，面密度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。

(4)運用謝德格爾法對碎屑流運動速度進行了估算，從開始運動到205 m(A2區(qū))，崩塌山體處于失穩(wěn)向坡下解體的階段，其運動速度由0 m/s增加到43.83 m/s的峰值速度，隨后碎屑流運動速度逐漸減小。

(5)根據(jù)堆積特點，將普灑村崩塌堆積物分為4個堆積區(qū)域，即初始堆積區(qū)、集中堆積區(qū)、平穩(wěn)堆積區(qū)、堆積減弱區(qū)。

(6)本次普灑村崩塌碎屑流巨型塊石堆積面密度變化與碎屑流運動速度的變化是同步的。速度大，巨型塊石堆積面密度大；速度減小，巨型塊石堆積面密度小。