北京雙緊梢溝泥石流堆積物的特征及演變*

呂晶,高甲榮,胡封兵

(北京林業大學水土保持學院水土保持重點實驗室,北京100083)

目前,世界上許多國家的地學工作者都已經開展了對泥石流扇形地的研究。近年來,我國地學界認識到泥石流在短暫的堆積過程中使山麓地帶的地形地貌發生巨大變化并轉向泥石流扇形地的研究[1]。泥石流堆積扇是泥石流活動的產物及客觀見證。它保持、存儲、記憶著泥石流的形成、運動和堆積的大量信息。通過對堆積物的形態、結構、物質組成的研究,可以充分了解本區泥石流的性質和特點[2-3]。

北京西部山區泥石流發生頻繁,泥石流堆積扇是主要的泥石流沉積物[4]。1967年,位于北京密云馮家峪鎮的雙緊梢溝發生泥石流災害,且在西白蓮峪主溝與雙緊梢溝交匯處形成堆積扇[5]。筆者選取雙緊梢溝泥石流堆積扇作為研究對象,通過詳細地收集和調查雙緊梢溝的自然地貌、地形、氣候和植被等環境條件和泥石流堆積扇地貌特征、形態特征及粒徑組成特征資料、數據,推演泥石流堆積扇演變過程和演變原因。為今后進一步探討北京山區泥石流形成機理和運動過程以及其泥石流防治有效措施提供參考。

1 研究區概況

雙緊梢溝位于北京密云馮家峪西白蓮峪下游,40°40′-40°41′N,116°51′-116°52′E。其堆積物位于雙緊溝溝口處與西白蓮主溝交界處。雙緊梢溝的流域面積為0.46 km2,其流域出口處建有谷坊群。雙緊梢溝是西白蓮峪的一部分,為剝蝕、單斜斷塊中低山山地。受地質構造和巖性控制以及各種外營力綜合作用的結果,山坡陡峻,多斷崖峭壁。山谷平均坡度為30.42°,溝道縱坡為18°。由于地質結構、巖石性質和外部營力的作用,山體多為懸崖和峭壁。山體呈現葉子形狀。最高點絕對高程900 m,最低點絕對高程是522 m。雙緊梢溝的堆積物排泄區較小,致使沉積物很快地沖刷到溝道,該溝道沖刷作用搬運作用劇烈。

該流域所處區域地層形成悠久,主要為太古界時期形成。主要位于張家墳群向北突出的弧行部分。巖石以片麻巖、片巖為主,分布含較多的石英巖、大理巖的淺變質巖石。地層的成層性較好,延伸穩定,混合巖化作用較好,屬于淺、中深區域變質。其大型構造為短軸背斜。該流域地質構造主要位于新華夏構造斷裂帶第二沉降褶皺帶的石城斷裂帶。走向北20°,傾向東,傾角 60°。新華夏構造斷裂,屬于現代活山性斷裂。此斷塊相對于密云水庫,處于上升區。

流域位于暖溫帶半干旱、半濕潤東南季風氣候區,年平均氣溫10.9℃。降水集中,雨熱同季,四季分明。根據北京市多年平均年降水量資料,流域位于降水等值線700～800 mm。年際間降水不均衡。夏季降水最多,占今年降水量的76.4%。夏季降水集中在7-8月,占全年降水的29.4%。年平均氣溫為10.8℃。年平均地溫為13℃。極端地面最高溫度67.5℃。最低地溫均值為-7℃。凍融作用和風化作用強烈,巖石破碎。

流域植被屬針闊混交森林植被帶,主要分布天然次生林。樹種多樣,主要由山楊、山核桃、鍛樹、鵝耳棟、架樹、山榆、椿樹以及遼東櫟。天然次生林較多,植被覆蓋率較高。

根據實地查考,該流域殘存有大量溝壩地。由于當時生產力水平較低,過度墾荒和放牧,破壞了流域內植被,打破了山區本身脆弱的生態系統平衡。在外來干擾的作用下,生態系統迅速惡化,水土流失嚴重,增大了泥石流的發生。目前,該流域人口全部搬遷,但是作為一處新的旅游景點正在規劃和初步建設中。流域內采石現象普遍存在。

2 研究方法

2.1 泥石流流域環境調查

泥石流流域自然地理狀況調查主要內容包括地質條件、水文、氣象、侵蝕現狀和人類活動狀況等等。這些資料主要由查閱相關的地質圖件、資料和野外實際勘測確定。

地質背景調查的主要內容有:泥石流溝所處的大地構造位置、溝內出露的地層和巖性、斷層裂隙發育程度、新構造運動強度、地下水活動特征、巖體破碎程度、與地震帶的相對位置及受地震帶影響的程度。地質背景調查方法主要由查閱相關的地質圖件、資料和野外實際勘測確定。

氣象水文條件主要收集關于北京山區的氣候、降水、溫度等因子。主要包括:(1)溫度:日均溫、年均溫、消融季節大于某界限溫度持續天數、溫度日較差、溫度年較差、季節性凍結深度與周期等。(2)降水:年降水量、雨季雨量、日降水量、一日最大降水量,60 min最大降雨量、30 min最大降雨量、10 min最大降雨量。氣象水文條件從當地氣象部門獲取資料。

侵蝕現狀調查,調查其是否存在崩塌、滑坡、坡面沖蝕、溝床沖蝕、坡角掏蝕、寒凍風化等現象;調查雙緊梢溝侵蝕特征,主要調查滑坡、崩塌等侵蝕在溝谷中的位置、規模、類型、活動性、形成特點及其與泥石流形成的關系;調查確定該流域的松散固體物質儲量,調查時先要查明其所處位置、穩定性和補給泥石流的可能性大小。

其野外調查方法[6]包括區域調查和調查訪問。

區域調查:收集已有資料,包括地形圖(采用1∶2.5萬的地形圖)、地質圖、水文地質圖、工程地質圖、地震烈度區劃圖、氣候水文資料、土壤植被資料、人類經濟活動資料。

調查訪問:訪問泥石流災區有關部門,了解雙緊梢溝泥石流的相關情況,如泥石流活動歷史;激發泥石流的水源條件等。

2.2 泥石流堆積特征調查

堆積物位置:利用GPS衛星定位,確定泥石流堆積物的地理位置。

地貌特征:采用野外量測與填圖的方法,主要調查堆積扇的部位及其地形、溝道比降與寬度,堆積物外部形態等。

結構組成:主要有顆粒級配、巖性組成、礫石排列與分選性、堆積物的結構與構造特征,以及粒態、擦痕、礫石包裹情況,大漂礫粒徑、堆積位置與排列等顆粒特征。

以上參數通過現場觀測、測量取得。選定泥石流堆積區典型部位,通過挖圓形探坑,取出全部顆粒。將顆粒直徑大于10 mm的大顆粒塞出,稱重.將剩余顆粒1 kg左右帶回實驗室分析。礫石的調查,在溝道內隨機選取一定數量的礫石進行abc長度和傾向調查、記錄。

2.3 數據分析

泥石流粒度是指泥石流所含固體顆粒的大小,是泥石流固體顆粒重要的幾何特征。粒度及顆粒組成不僅可以反映泥石流形成區巖石土體的性質,而且可以反映泥石流的流變特性和搬運能力[7]。本文采用的粒度分析[8-9]的主要方法和內容如下:

①粒級采用克魯賓的分析方法,其轉換公式為

式中:D——顆粒的直徑。

②平均粒徑。平均粒徑比中值能更正確地反映碎屑顆粒的集中趨勢。本文按福克和沃德的平均粒徑的表達式:

式中 :MZ— —平均粒徑 ;Φ16,Φ50,Φ84— —分別表示重量百分比分別為16,50,84所對應的粒徑。

③標準偏差和分選系數。表示分選程度的參數,它表示顆粒大小的均勻程度。采用由福克和沃德提出的標準偏差公式:

式中:σ——分選系數,其他符號的意義同上。

④偏度。偏度用來判別粒度分布的不對稱程度。本文采用福克和沃德的偏度公式:

式中:SK1——偏度,其他符號意義同上。等級界限分為五級:很負偏態(-1～0.3),負偏態(-0.3～1),近于對稱(-0.1～0.1),偏態(0.1～0.3),很正偏態(0.3～1)。

⑤峰度(尖度)。峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的,也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比。本文采用福克和沃德提出的峰度公式:

式中:KG——峰度值,其他符號意義同上。峰值的等級界限:很平坦(＜0.67),平坦(0.67～0.9),中等(正態)(0.90～1.11)尖銳(1.11～1.56),很尖銳(1.56～3.00),非常尖銳(＞3.00)。

3 結果與分析

3.1 泥石流堆積扇特征

3.1.1 堆積物地貌及其形態特征 泥石流堆積物的地貌形態主要有4種類型[4],即溝谷堆積體、舌狀堆積體、錐形堆積體、扇形堆積體,現場調查發現雙緊梢溝泥石流堆積物的地貌形態為扇形。泥石流發生時,大量碎屑物質沿著山谷出山口,由于坡面開闊、平緩,往往形成扇形堆積體[5],雙緊梢溝也是如此。由圖1可知,扇形堆積物與流域出口相接處被夷平,向上的流域溝道內修建有多級谷坊。扇形體走向為345°,大致與西白蓮峪主溝走向一致。扇體頂端長5 m,頂部至軸線拐點處長16 m。軸線拐點處長11.9 m,拐點處至尾部呈隆起狀,其上礫石和黏粒物質均多,長約27 m,上部生長有多年生草本植物。由此軸線向北一側坡度為32°,草本植物較多,向南一側坡度為 11°～14°,由于受河道流水侵蝕,黏粒物質較少,草本植物稀疏。

雙緊梢溝泥石流堆積物的顆粒分布圖(圖2)可知黏粒含量占50%,可以推斷[4-5]出該區域在發生水石流后,可能再次發生粘性泥石流,但是由于該區域常年流水的侵蝕作用,堆積物被侵蝕,難于判斷其是否發生。層扇體和溝道交匯處呈一缺口,調查證明,該處是由于河流流水侵蝕造成的,與西白蓮峪主溝相接的堆積物成為主要受侵蝕的場所,靠主溝一側堆積物主要由大顆粒石塊組成就是一個很好的證明。堆積物到達堆積區后,速度減緩,礫石在重力作用下以滾動和躍移的形式堆積,砂粒則在重力和水力的作用下以懸移、躍移和滾動的方式堆積[5]。現場調查發現,溝口堆積扇的發育具有一定的規模,說明該區域的泥石流活動較強。

3.1.2 堆積物組成特性 該處堆積物礫石平均粒徑為0.256 m,磨圓度為2～6。90%以上礫石直徑在0.220～0.410 m,最大礫石直徑為0.409 m。堆積物主要有礫石和一些粗骨性碎屑物質組成。礫石排列無明顯特征,說明該區域發生過的泥石流為水石流[5]。

粒度分析表明(見圖 2),平均粒徑(MZ)為0.060 Φ,分選系數為 2.452,分選差。顆粒粒徑偏度為-0.014,為負偏態(圖2)。峰度值為0.737。出現偏差是由于堆積過程中有不同的物源加入造成的[4]。堆積物的顆粒分布曲線(圖2左)表明,其頻率曲線為一多峰曲線。該曲線說明泥石流發生時,其礫石的搬運方式由推移、跳躍、懸浮三大部分組成。而泥石流粒度曲線推移,跳躍總體十分明顯,懸浮總體往往與跳躍總體相混合,懸浮總體顯得不是太突出[5]。顆粒累積曲線(圖2右)表明,粗組分和細組分別占50%。其粒度區間為[-4,4],較寬,其原因可能是由于搬運速度快、容重和物質粒度變化大的緣故。

圖1 雙緊梢溝泥石流堆積物示意圖

圖2 雙緊梢溝泥石流堆積物的顆粒分布

3.2 泥石流堆積扇演變過程

從平面形狀來看,雙緊梢溝口泥石流平面形狀大體呈舌狀。經過實地調查,本文復原了泥石流堆積物形成時堆積原狀(圖3)。當暴雨和地震發生后,形成區大量固體物質隨洪水而下,形成泥石流。泥石流到達溝口時,開始堆積。

西白蓮峪主溝形成洪水,與雙緊梢溝泥石流相遇,從而使堆積物的走向發生改變,向河流流向方向發生偏移。泥石流堆積物侵占河道,造成河道堵塞,河流流向發生改變。而堆積物受到洪水的影響,部分固體物質發生了搬運和堆積,從而形成了目前堆積物的大致輪廓。泥石流發生后多年,該流域未發生大的洪水。因此,西白蓮峪主溝的常年性流水成為泥石流堆積物演變的重要因素。西白蓮峪主溝流水對堆積物進行侵蝕、搬運。

圖3 雙緊梢溝泥石流堆積物形成過程

4 結論

(1)堆積物主要有礫石和一些粗骨性碎屑物質組成。礫石排列無明顯特征。礫石在重力作用下以滾動和躍移的形式堆積,砂粒則在重力和水力的作用下以懸移、躍移和滾動的方式堆積。溝口堆積扇的發育具有一定的規模,說明該區域的泥石流活動較強。

(2)雙緊梢溝泥石流堆積扇的演變過程與水石流過程密切相關,該區域可能也發生過粘性泥石流。

(3)西白蓮峪主溝常年流水為該區域泥石流堆積物演變的主要影響因子。堆積物形成后,受到地下水徑流侵蝕的作用,改變其堆積物的內部結構,西白蓮峪主溝流水沖刷侵蝕堆積扇,改變堆積物的形狀。

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