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      深切河谷區(qū)河流陡峭指數(shù)與巖體質(zhì)量的空間分布特征及其相關(guān)關(guān)系研究*

      2022-11-08 08:57:20方文欣王學(xué)良王俊飛孫娟娟祁生文鄧清海
      工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 2022年3期
      關(guān)鍵詞:卸荷河谷河流

      方文欣 王學(xué)良 王俊飛 孫娟娟 祁生文 鄧清海 劉 順

      (①山東科技大學(xué),青島 266590,中國)(②中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029,中國)(③中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049,中國)(④河北工程大學(xué),邯鄲 056038,中國)(⑤中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100120,中國)

      0 引 言

      河流的侵蝕作用是地表形貌演化的主要地質(zhì)作用之一。構(gòu)造抬升作用下,河流的下切侵蝕與斜坡的剝蝕密切相關(guān)(Whipple,2004;Korup et al.,2007)。黃潤秋(2008)提出河谷的深切加劇了高邊坡巖體的應(yīng)力調(diào)整和變形破壞。Wang et al.(2021a,2021b)在藏東南構(gòu)造活躍區(qū)研究發(fā)現(xiàn),斜坡的穩(wěn)定性受控于巖體強(qiáng)度,但驅(qū)動(dòng)區(qū)域大規(guī)?;掳l(fā)生的主要因素是構(gòu)造抬升和河流下切。同時(shí),在構(gòu)造活躍區(qū),河流系統(tǒng)的寬度、深度和溝道坡度等對構(gòu)造抬升作用響應(yīng)敏感。因此,這些地區(qū)河流形態(tài)信息為挖掘區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史和地形地貌演化等提供了重要的信息來源(Kirby et al.,2001;Clark et al.,2004)。

      已有研究表明,河流下切速率的增加會(huì)增加斜坡失穩(wěn)的概率(Korup et al.,2010)。前人在表征量化河流的下切作用研究中發(fā)現(xiàn),河流的下切速率指標(biāo)時(shí)常因?yàn)槠鹗紬l件、氣候、基巖變化等影響條件的難以約束而定量困難(Yang et al.,2015)。Harkins et al.(2007)通過對青藏高原東北部河道剖面的實(shí)地測量發(fā)現(xiàn):ksn和河流下切侵蝕率之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。Korup(2006)發(fā)現(xiàn),無論當(dāng)?shù)氐牡匦巍夂蚝蜆?gòu)造條件如何變化,ksn的區(qū)間最大值與大型巖質(zhì)滑坡的分布在空間上具有良好的吻合性。這說明ksn在一定程度上可以用來表征下切速率和斜坡的侵蝕特征。因此,ksn較好地揭示了河流的下切程度,反映了地質(zhì)構(gòu)造背景條件。但目前對于ksn與巖體質(zhì)量在區(qū)域尺度上的相關(guān)性特征及其內(nèi)在作用機(jī)制等方面研究較少。

      巖體質(zhì)量和強(qiáng)度是斜坡地質(zhì)災(zāi)害演化的關(guān)鍵控制因素(谷德振等,1979)。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)是區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵手段之一(羅路廣等,2021; 文洪等,2021)。前人研究認(rèn)為:在構(gòu)造活躍區(qū),河流是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)的重要因子之一(胡瑞林等,2013; 王哲威等,2021)。但是如何合理確定定量表征河流作用的指標(biāo),以開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量評價(jià)仍是一個(gè)爭論的難點(diǎn)。從而也制約著深切河谷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的科學(xué)評價(jià)和防災(zāi)減災(zāi)工作。例如,本研究區(qū)所在的G214被稱為“中國景觀最豐富的國道”,并作為由滇入藏的必經(jīng)公路,旅游景點(diǎn)多、車流量大。其中的左貢—虎跳峽段位于三江并流處,3次跨越金沙江、瀾滄江,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、河谷深切、巖體破碎、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。因此,本文擬從巖體質(zhì)量與ksn的定量關(guān)系研究入手,選擇G214穿越的深切河谷區(qū),開展河流陡峭指數(shù)(ksn)和巖體質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系和內(nèi)在機(jī)制研究,以期為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)的選取和完善提供參考和借鑒。

      1 研究方法

      1.1 巖體質(zhì)量評價(jià)BQ系統(tǒng)

      根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2014),BQ巖體質(zhì)量分級(jí)法采用巖體基本質(zhì)量定性特征與定量指標(biāo)相結(jié)合的方法進(jìn)行分級(jí),其中定性特征包括巖石堅(jiān)硬程度和巖石完整程度兩個(gè)方面。定量指標(biāo)由巖石堅(jiān)硬程度指標(biāo)Rc(巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度)和巖體完整程度指標(biāo)Kv計(jì)算求得。

      按分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc和Kv,巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ由式(1)計(jì)算:

      BQ=100+3Rc+250Kv

      (1)

      式中:Rc為飽和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;Kv為巖體完整性系數(shù)。

      根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2014),巖石完整程度的定量指標(biāo)一般采用巖體完整性指數(shù)實(shí)測值,當(dāng)無實(shí)測值時(shí)可采用結(jié)構(gòu)面體密度Jv并按表1確定。

      表1 Jv與Kv及巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系

      根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2014),巖石堅(jiān)硬程度與巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc的對應(yīng)關(guān)系可按表2確定:

      表2 Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對應(yīng)關(guān)系

      根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218-2014)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2014),綜合巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ,巖體基本質(zhì)量分級(jí)按表3確定:

      表3 巖體基本質(zhì)量分級(jí)

      1.2 基巖河道陡峭指數(shù)(ksn)

      河流水力侵蝕模型(stream-power incision model)(Howard et al.,1983)是近些年研究河流地貌演化中應(yīng)用最為廣泛的方法。此模型將基巖河道的高程變化用基巖的抬升速率(U)和河流的侵蝕速率(E)之差來表示:

      (2)

      式中:z為河道高程;x為距河口距離;t為時(shí)間。

      模型將基巖河流侵蝕速率E表達(dá)為流域匯水面積A和河道梯度S的冪次函數(shù)關(guān)系:

      (3)

      式中:K為流域侵蝕系數(shù),它與氣候、巖性、沉積物通量和河道幾何形態(tài)等因素有關(guān);m為流域匯水面積指數(shù);n為河道梯度指數(shù),它們與剝蝕過程的動(dòng)力特性、盆地的水文狀況以及河道形態(tài)等有關(guān)。

      (4)

      (5)

      式中:ks為河道陡峭指數(shù);θ為河道凹曲度(Snyder et al.,2000),是表征河流下凹程度的指數(shù),隨著凹度指數(shù)的增加,河道變凹,河道的高程降低變快。凹度指數(shù)范圍一般介于0.3~0.6之間,且通常對外部因素不敏感(Whipple,2004; Kirby et al.,2012),不會(huì)產(chǎn)生太大的變化。前人對青藏高原的研究中發(fā)現(xiàn),θ值為0.45最適合均衡河道的凹度(Kirby et al.,2012)。因此在本研究中我們使用這個(gè)值來計(jì)算ksn。設(shè)定流域內(nèi)統(tǒng)一的參考凹度指數(shù)后,可以得到歸一化陡峭系數(shù)(ksn)。ksn是反映河道梯度的定量指標(biāo),可以用于比較不同河段的河道陡峭程度(Wobus et al.,2006)。本文通過Schwanghart et al.(2010,2014)開發(fā)的Topotoolbox工具箱,使用12.5m分辨率的ALOS DEM數(shù)據(jù),利用Matlab腳本和ArcGIS軟件從中提取了整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)河流的歸一化陡峭指數(shù)(ksn)。

      2 研究區(qū)概況

      為量化河流下切作用和巖體質(zhì)量的空間特征,以進(jìn)一步探究兩者之間的相關(guān)關(guān)系,本文選擇穿過青藏高原的G214公路左貢—虎跳峽段深切河谷區(qū)為研究區(qū),以公路兩側(cè)邊坡巖體質(zhì)量和河流陡峭指數(shù)為研究對象開展了研究和應(yīng)用分析。研究區(qū)位于青藏高原東南緣的構(gòu)造活躍和河流下切強(qiáng)烈的地區(qū)(圖1)。研究區(qū)海拔最低為1707m,最高為5629m,高差懸殊大。地貌類型主要為三江流域中段斷褶大起伏高山峽谷區(qū)(王欣,2020)。研究區(qū)內(nèi)沿線路分別與瀾滄江斷裂、中甸-德欽斷裂以及龍?bào)?喬后斷裂三大斷裂帶平行,并與定曲河斷裂、金沙江斷裂、字嘎寺-德欽斷裂以及雄松-蘇洼龍斷裂四大斷裂帶相交。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加劇了河流的切割(Sun et al.,2020;李鄭梁等,2021),前人通過對瀾滄江德欽河段進(jìn)行階地測年,得到該段100ka以來切割深度可達(dá)到200m以上(Zhang et al.,2018;Replumaz et al.,2020)。

      圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

      3 河流陡峭指數(shù)與巖體質(zhì)量的空間特征及其相關(guān)性

      3.1 巖體質(zhì)量空間分布

      基于BQ系統(tǒng),考慮巖石的完整程度和堅(jiān)硬程度兩個(gè)參數(shù),對研究區(qū)的巖體質(zhì)量進(jìn)行了分級(jí)。本次研究中參數(shù)的獲取主要來自于現(xiàn)場調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。由于研究路線較長(約570km),在現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)過程中,著重對巖體的結(jié)構(gòu)面間距、節(jié)理密度特征進(jìn)行測量;通過現(xiàn)場巖石回彈試驗(yàn)來估測單軸抗壓強(qiáng)度值。但在重點(diǎn)路段,考慮邊坡地下水的影響,綜合巖體坡面上地下水出水狀態(tài)的定性程度劃分,使用邊坡工程中地下水影響修正系數(shù)K4對巖體質(zhì)量進(jìn)行了修正。調(diào)查統(tǒng)計(jì)的巖石樣本均來自于公路沿線邊坡淺表層巖體。按照規(guī)范,取樣點(diǎn)根據(jù)地層巖性變化及巖體分級(jí)單元進(jìn)行布置。采樣間隔在2~10km之間,共調(diào)查采樣點(diǎn)170個(gè)。參考已有標(biāo)準(zhǔn)(張咸恭等,2000)和以往經(jīng)驗(yàn)(王學(xué)良等,2012;Zondervan et al.,2020),將測量和估測得到的數(shù)據(jù),利用式(1),計(jì)算得到全線路的BQ值,并按表3,將計(jì)算結(jié)果分為5類。

      本文擬以圖2a、圖2b(位置見圖1)兩典型調(diào)查點(diǎn)為例進(jìn)行說明。圖2a位置巖性主要為三疊系上統(tǒng)灰黃色砂巖夾泥巖,錘擊不清脆,輕微回彈,有凹痕,易擊碎;手可掰開,巖體強(qiáng)度較低,穩(wěn)定性差,Rc值為25。巖體發(fā)育兩組節(jié)理,其中一組節(jié)理產(chǎn)狀:270°~358°∠50°~75°,另一組節(jié)理產(chǎn)狀:160°~190°∠60°~80°。節(jié)理間距10~50cm,整體張開度1~3mm。局部存在破裂張開明顯巖體(達(dá)5cm)。節(jié)理密度為10條·m-3。泥質(zhì)充填,層間結(jié)合程度一般,Kv值為0.6。綜合BQ值為325。巖體質(zhì)量等級(jí)歸為第Ⅳ類。圖2b位置巖性主要為二疊系下統(tǒng)禹功組灰、深灰色灰?guī)r夾頁巖,錘擊聲聲啞,無回彈,較易擊碎;指甲可刻出印痕,巖石堅(jiān)硬程度較低,Rc值為20。發(fā)育3組節(jié)理,第1組節(jié)理產(chǎn)狀:250°~280°∠25°~70°,第2組節(jié)理產(chǎn)狀:200°~230°∠60°~85°,第3組節(jié)理產(chǎn)狀:50°~80°∠40°~75°,節(jié)理裂隙間距5~20cm,張開度1~4mm,線密度30條·m-3,泥質(zhì)和巖屑充填,Kv值為0.15。完整性差,風(fēng)化破碎嚴(yán)重,在地下水或地表水作用下,巖體強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低,容易發(fā)生崩塌災(zāi)害。綜合BQ值為197.5,巖體質(zhì)量等級(jí)歸為第Ⅴ類。

      圖2 典型調(diào)查點(diǎn)示例圖

      按照上述統(tǒng)計(jì)和測量方法對G214沿線(左貢—虎跳峽)進(jìn)行巖體質(zhì)量等級(jí)劃分,最終得到巖體質(zhì)量空間分布結(jié)果(圖3)。各級(jí)別的長度占比如表4所示。

      圖3 巖體質(zhì)量空間分布

      表4 研究區(qū)巖體質(zhì)量各類別占比

      3.2 河流陡峭指數(shù)(ksn)空間分布

      河流陡峭指數(shù)的求取需要河流縱剖面處于均衡狀態(tài)。有研究認(rèn)為瀾滄江流域在晚更新世以來的河流切割速率在<0.5~2.8mm·a-1之間(Zhang et al.,2018)。研究區(qū)域隆起速率與河流侵蝕下切速率相當(dāng),河道縱剖面在理想狀態(tài)下達(dá)到均衡狀態(tài)。采用上文介紹的方法,以凹度指數(shù)相同的方式,計(jì)算得到整個(gè)研究區(qū)的河流陡峭指數(shù)結(jié)果圖(圖4)。

      圖4 研究區(qū)陡峭指數(shù)分布圖

      對陡峭指數(shù)進(jìn)行插值后得到區(qū)域ksn空間分布圖。按不同的ksn值將線路分為不同路段(圖5,黑色虛線為分界線),東達(dá)山高原段(A)的ksn值在7~25之間;如美段(B)穿過瀾滄江,ksn值在15~50之間;芒康高原段(C)ksn值整體偏低,在0~17之間;瀾滄江深切河谷段(D)是ksn值最高的一段:最小值為12,最大值達(dá)到研究區(qū)最高107;梅里雪山大起伏段(E)線路穿過地形復(fù)雜多變,ksn高低值(0~50)均有分布;金沙江河谷段(F)ksn值偏高(20~60);香格里拉段(G)是ksn值最低的一段,整體小于20;虎跳峽峽谷段(H)山高谷深,ksn值10~70皆有分布。由此可以看出,研究區(qū)內(nèi)陡峭指數(shù)數(shù)值差異較大,高值區(qū)域主要分布在瀾滄江、金沙江兩側(cè)。高ksn值區(qū)與現(xiàn)場調(diào)查時(shí)觀察到的高陡深切Ⅴ形谷相一致,由此可見,陡峭系數(shù)越大,河谷下切越強(qiáng)烈,從而對應(yīng)該區(qū)域地形呈現(xiàn)出山高谷深的特征。

      圖5 研究區(qū)陡峭指數(shù)空間分布圖

      3.3 巖體質(zhì)量與河流陡峭指數(shù)的相關(guān)性分析

      為了探討巖體質(zhì)量與河流陡峭指數(shù)的相關(guān)性,本文利用皮爾遜指數(shù),對ksn、斷裂密度、工程巖組與巖體質(zhì)量的相關(guān)性進(jìn)行分析。皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以衡量兩變量之間的相關(guān)關(guān)系,它描述的是兩組數(shù)據(jù)變化移動(dòng)的趨勢,計(jì)算值的區(qū)間在-1和1之間,相關(guān)系數(shù)的絕對值越大,相關(guān)性越強(qiáng):相關(guān)系數(shù)越接近于1或-1,相關(guān)度越強(qiáng),相關(guān)系數(shù)越接近于0,相關(guān)度越弱(尚敏等,2021)。當(dāng)|r|≥0.8時(shí),變量之間為極強(qiáng)相關(guān); 當(dāng)0.6≤|r|<0.8時(shí),變量之間為強(qiáng)相關(guān); 當(dāng)0.4≤|r|<0.6時(shí),變量之間為中等程度相關(guān); 當(dāng)0.2≤|r|<0.4時(shí),變量之間為弱相關(guān); 當(dāng)|r|<0.2時(shí),說明兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度極弱,基本不相關(guān)??紤]到巖性和斷裂對巖體質(zhì)量的控制作用,為了對比兩者在研究區(qū)與巖體質(zhì)量指標(biāo)特征的相關(guān)性程度,作者還對沿線區(qū)的斷裂密度和工程地質(zhì)巖組進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。首先,基于1︰20萬地質(zhì)圖,利用ArcGIS生成了沿線區(qū)的斷裂密度分布(圖6)。

      圖6 研究區(qū)斷裂密度分布圖

      其次,參照國際《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50217-2014)(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組,2014),將研究區(qū)巖性劃分為堅(jiān)硬巖組、較堅(jiān)硬巖組、較軟弱巖組、軟弱巖組、松散巖組5類,得到研究線路區(qū)工程巖體分級(jí)圖(圖7)。根據(jù)圖8的相關(guān)性分析結(jié)果,巖體質(zhì)量與斷裂密度、ksn、工程巖組的相關(guān)性系數(shù)分別為:0.5248、0.6717、-0.1133。這表明在研究區(qū),巖體質(zhì)量與ksn的相關(guān)性最高,且相關(guān)性系數(shù)大于0.6,達(dá)到強(qiáng)相關(guān)。

      圖7 各變量沿道路變化分布圖

      圖8 各變量與巖體質(zhì)量之間的相關(guān)性

      4 討 論

      基于前人的研究,隨著河谷的下切,河谷應(yīng)力的釋放和分布處于動(dòng)態(tài)調(diào)整的過程(黃潤秋,2004; 祁生文等,2011)。在這個(gè)過程中,巖體結(jié)構(gòu)及其性狀為了適應(yīng)新的平衡而產(chǎn)生新的破裂或原有破裂進(jìn)一步調(diào)整。河谷應(yīng)力釋放產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)劣化了巖體的工程地質(zhì)條件。在坡腳或谷底部位,其應(yīng)力狀態(tài)隨著河谷的快速下切處于剪切松弛型卸荷區(qū)(黃潤秋,2004)。松弛巖體與卸荷巖體隨著卸載作用產(chǎn)生應(yīng)力場的改變和調(diào)整,結(jié)果使得其巖體質(zhì)量變差(湯獻(xiàn)良等,2013),從而使得該部位的斜坡也最為容易失穩(wěn)而發(fā)生崩塌災(zāi)害。在工程實(shí)踐中(如水利水電工程),對河流持續(xù)下切所導(dǎo)致的巖體卸荷變形及影響深度尤為關(guān)注。因此,國內(nèi)外大量學(xué)者對水利水電工程中所涉及的卸荷帶劃分進(jìn)行了大量研究(巨廣宏等,2002; 單治鋼等,2021),以期劃分出卸荷界限,從而確定其影響深度。卸荷評價(jià)常用的指標(biāo)有:坡體坡表的裂隙發(fā)育程度以及物探測試中的地震縱波波速VP、完整性系數(shù)Kv、透水性指標(biāo)等。

      提取G214沿線區(qū)全路段河谷橫剖面數(shù)據(jù)(間距50m),得到對應(yīng)各不同ksn路段的最大值、最小值和均值,如圖9所示。通過分析發(fā)現(xiàn):G214路線所穿越河谷區(qū)的55%位于河谷剪切松弛型卸荷區(qū),45%位于壓致拉裂區(qū)(應(yīng)力降低區(qū))。因此,本文所研究巖體質(zhì)量的特征分布區(qū)主要為對河流下切作用作出實(shí)時(shí)敏感響應(yīng)的斜坡段,即河流下切作用的強(qiáng)烈影響段。

      圖9 G214沿線典型橫剖面形態(tài)圖

      基于上述研究,作者認(rèn)為,陡峭指數(shù)的空間分布特征顯示了河流下切作用的空間差異程度。不同的下切作用強(qiáng)度導(dǎo)致河谷區(qū)的巖體質(zhì)量不同,從而將使得斜坡的穩(wěn)定性和崩塌災(zāi)害的易發(fā)性出現(xiàn)不同的響應(yīng)(Wang et al.,2020)。因此,在深切河谷區(qū),ksn應(yīng)該作為重要評價(jià)指標(biāo)在表征河流下切作用對崩塌災(zāi)害易發(fā)性影響中進(jìn)行考慮和使用。使用時(shí)應(yīng)注意該指標(biāo)適用的邊界,如在研究范圍內(nèi),要求不同路段的ksn值(巖體質(zhì)量)的等級(jí)有明顯的變化等。

      5 結(jié) 論

      本文依托青藏高原深切河谷區(qū)(瀾滄江—金沙江)和G214左貢—虎跳峽段,基于巖體質(zhì)量評價(jià)BQ系統(tǒng)和河流水力侵蝕模型,利用現(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和Matlab、Topotoolbox、ArcGIS、Origin等工具手段,獲取了河流陡峭指數(shù)(ksn)與巖體質(zhì)量指標(biāo)的空間分布并分析了兩者之間的相關(guān)性特征,得出了以下結(jié)論:

      (1)ksn的空間分布特征顯示了河流下切作用的空間差異程度。在研究區(qū),巖體質(zhì)量與斷裂密度、ksn、工程巖組的皮爾遜相關(guān)性系數(shù)分別為:0.5248、0.6717、-0.1133。這表明巖體質(zhì)量與ksn的相關(guān)性程度最高。因此,在深切河谷區(qū),ksn應(yīng)該作為重要評價(jià)指標(biāo)在表征河流下切作用對崩塌災(zāi)害易發(fā)性影響中進(jìn)行考慮和使用。

      (2)G214左貢—虎跳峽段所穿越河谷區(qū),55%位于河谷剪切松弛型卸荷區(qū),45%位于壓致拉裂區(qū)(應(yīng)力降低區(qū))。因此,本文所研究巖體質(zhì)量的特征分布區(qū)主要為對河流下切作用作出實(shí)時(shí)敏感響應(yīng)的斜坡段,即河流下切作用的強(qiáng)烈影響段。

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