书城自然混杂堆积与环境
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第58章 堰塞湖溃坝堆积(2)

(4)中段(扇中)亚相,再往下约1.5km,距离原坝处约2km,即苦竹坝电站周围,砾滩上基本少见或不见有1m以上的巨砾,大多在几十厘米至1m,分叉沟道比上游段增多,这应是溃坝后期洪水位降低后的产物。砾滩表面很平整,在苦竹坝电站被掩埋处(照片74)原建有五层楼,被溃坝沉积掩埋,只剩楼顶(照片75),估计沉积厚度在15m左右。这也基本反映了当时的水头应稍高于此高度。与本章前面介绍历史上堰塞湖深数百米及易贡藏布溃决洪水水头达55m相比,唐家山溃决洪水之规模不能算大。

(5)下段(扇缘)亚相,距残坝5—6km以下,河床由砂砾滩渐变为砾少而小和以砂为主的砂砾滩。沟道分叉更多,基本没有数十厘米直径的砾石,大多10cm左右,有一定数量的砾石透镜状洼地显现。如北川县城外河滩所见(照片1329)。

二、彭县鸭子河上游银厂沟溃坝堆积的剖面特征

作者在前述中特别提到历史上溃坝的水体体积之大、之深(700m),以及溃坝时水头之高(55.36m),就是为了说明银厂沟西台地溃坝堆积体厚度达到70m(照片76)的剖面从上到下(未见底)有35个砾石层与砂砾层的韵律层(1)。这是一组具有块状层理、无明显粒序递变、水平延伸良好、垂直演递规则的弱分选沉积剖面。各层面均平坦延伸,也无明显间断,物源方向来自西部龙门山区,故巨砾在剖面左侧(上游方向)较大(长轴4—5m),而右侧较小(长轴2—3m),几乎都是散在似层面的部位上。层之间是由较小砾石和细砾粗砂构成杂基状的厚层(厚7—8m)砂砾层。对比各种扇形地沉积类型之特征后,发现整个剖面缺少砾或砂的透镜体,而这本是扇形地面上沟道洼地纵横的产物,是多次重复堆积的体现。说明此堆积面堆积时没有正常发育的纵向沟道,此厚层剖面也不具多次堆积经历,故有可能是一次性堆积,然70m的厚度则意味着曾有一次远远大于唐家山堰塞湖的溃坝堆积体。

据剖面整体特征推测此剖面应是本节所列各亚相中的中游(扇中)亚相或再偏向下游一点。但绝不是下游亚相,因其中含有很多巨砾。严格地说,此剖面虽形成在气下环境,但整个剖面在沉积过程中没有像一般气下扇形地那样有多次中断、多次堆积。从动力和沉积特征看,它是一种很特殊的产物。它不同于任何山区洪流或河流堆积(具有众多不同性质的透镜体),也不同于冲积扇的各亚相特征,更不同于作为两相流的泥石流,它是瞬间的大量的洪水堆积而不是浆体堆积。然而从此剖面细部沉积结构看却又与山区河流和泥石流有类似特征。这些特征均说明其大规模洪水暴发的突然性。

该剖面沉积特征如下:

(1)叠瓦构造。无论是整个剖面上的分散的砾石排列或在类似泥石流底部的石线构造中都可看到典型的叠瓦构造(照片77)。所有砾石ab面均倾向上游。

(2)石线构造。在宏观剖面上(照片76中部偏右处及照片77)有明显的石线构造,直径30cm的扁平石块也列成石线,砾石间也显示明显的孔洞。

(3)孔洞构造。巨砾间有很大(>10cm)孔洞,洞中填有黏土质物质(照片78)。但细粒物质来不及填满空洞,是快速堆积的表现。

(4)充填构造和定向构造。部分巨石间大空隙被即时冲入的粗大砾石所填充,而在充填时由时间差造成前后砾石的定向排列(照片77,照片78)。

(5)杂基结构。30cm以上的砾石悬浮于砂砾层杂基之中(照片79),从细部看无任何进一步的分选,故整个剖面属于无分选—弱分选性质,是快速堆积的结果。故从总体特征看属混杂堆积相无疑。

(6)块体构造,从照片76中可以看到每一层水平展延性很好的细粒层上部都有一水平展布的粗砾石层,看似韵律层,一粗一细,总体厚为1m左右。此所谓细粒层是块状结构,并无分选,而所谓的粗粒层(砾石层)则呈现一系列类似泥石流堆积特征(照片77—照片79)。从全剖面宏观特征看它是流水堆积,有大规模粗糙的分选机制,而从中、微观角度看它又比较全面的具备泥石流堆积特征,反映堆积过程的快速杂乱。这两大特征面的共存,唯有“溃坝堆积”解释最贴切。上述粗、细层构成的韵律组应是一次洪峰留下的痕迹,推测在一次洪峰减退过程中,上游物源减少,而减退的洪峰带走较细的物质后,在河床上留下粗粒层,并如此可重复多次。

三、金沙江雪隆囊溃坝堆积

据陈剑介绍(1)雪隆囊滑坡位于金沙江上游中咱—巴塘河段右岸的雪隆囊村附近(图73)。滑坡体体积估计为2.2×107m3,滑坡体物质组成主要为砂砾石层,最大砾石约4m×3m×2m。右岸主滑体的前缘堆积平台高出河水位约82m,左岸残留有过江的滑坡堆积体,顶部高出河水约90m。滑坡堆积体的上游一侧发育厚层(约25m)的湖相沉积物,表明此滑坡在历史上曾堰塞金沙江。现在可以清晰地看到的溃坝堆积体总长1.7km左右,此处堆积特征无论从宏观或从中、微观几乎是前述银厂沟溃坝堆积的再现,只是规模更小而已。宏观上全剖面呈粗层、细层相间,这种韵律在残留亚相和与滑坡体过渡处则更清晰(图73)。这一堆积体从平面到剖面全面体现了滑坡溃坝堆积的特征,也在很大程度上把前文所述银厂沟堆积体和唐家山溃坝堆积的地表平面特征很好地联系起来。

在滑坡体的下游一侧发育长约1.7km的溃坝堆积体,其平面形态上也呈“吊坠”

状,即堆积体靠近上游处较宽(最宽处达250m),靠近下游处较窄(宽度为80—100m)。

此溃坝堆积体的物质组成及岩性特征是:靠近坝体处主要为块石,夹砂砾,块石粒度差,呈棱角状。其岩性主要为灰色片岩,表明其物源主要来自于近源的滑坡坝堆积体,属于坝体残留亚相(图74),在出露的纵剖面上可以看到明显的叠瓦构造。在块石堆积层上可见覆盖有0.5—1m厚的细砂层,应是回水堆积物。堆积体中间位置为块石堆积与砂砾层互层,岩性较为复杂,主要为片岩(70%)、花岗岩(20%)和其他岩性砾石(10%),有一定磨圆,呈次棱角—次磨圆状,块石最大粒径达0.6m×0.5m×0.3m,多数粒径为0.3m×0.2m×0.1m(占50%)。堆积体下游位置为块石堆积夹细砂,岩性有片岩、花岗岩、灰岩、石英岩、砂岩等,磨圆度较好。

堆积体在垂向剖面上靠上游处较厚,厚约10m。可以看到明显的石线构造,其不连续砾石层向下游层次增多,砾石直径减小(图74),但横向间并不接触,多以个体存在。如前所述,推测多层次砾石层互层形成的原因是溃坝时多次洪峰堆积。一次洪峰代表一个粗细韵律层,也可以据砾石层与砂砾层的旋回次数来判断溃坝造成的洪峰次数。

以此推断,前述四川银厂沟剖面系一巨型堰塞湖的溃坝堆积,溃坝洪峰多达几十次,而雪隆囊滑坡堰塞湖推测只有洪峰5次左右(剖面上可见3次堆积韵律层)。

目前关于堰塞湖溃坝堆积的研究报道很少,而相似沉积物的研究却较多。从以上描述可见,堰塞湖溃坝流体是介于河流和泥石流之间的一种流体,应是一种高密度流。具有非牛顿流体特点,会导致沉积物同时具有河流和泥石流沉积物的特点。如在局部微观结构上会见到与泥石流沉积相似的叠瓦构造、石线构造等,也可见到河流沉积的板状交错层理。所以滑坡坝溃坝堆积会被误判成泥石流沉积,而冰湖溃坝堆积则多与冰碛物和冰水扇堆积难以区分。

对于各种混杂堆积物之间的区分,往往需要综合考虑其所在地貌部位、堆积体的整体构造及局部结构等(崔之久,1988)。如判断冰湖溃坝堆积可以在其上游寻找泄洪通道,冰湖溃决形成的泄洪通道在宽度、高深宽比值和不连续陡岸上特征明显,也很容易与冰川融水形成的渠道相区别;而由于水动力条件不一样,冰湖溃坝堆积与冰水扇堆积也肯定不一样,对冰湖溃坝堆积物和冰水扇堆积分别做粒度分析,两者的粒度累积曲线明显不同;判断滑坡坝溃坝堆积一般会有坝体残余亚相和回水亚相,而泥石流沉积则有明显的龙头堆积,并且溃坝堆积物里几乎没有粉砂黏土或含量极少也是一个重要特征。另外,除了对溃坝堆积体的沉积特征进行研究外,今后还需要对溃坝堆积体方量、坝体方量、泄洪量以及水深等参数进行定量分析,这可能有助于认识古溃坝堆积与溃决洪水的水文特征之间的关系。

(第四节)唐家山溃坝堆积体相关的现代水文和土石资料

唐家山溃坝堆积是现代人工导流发生的,这一堆积体之沉积特征及其规模是在已知地质、地貌和水文条件下发生的堆积过程。查明它们之间的关系是有意义的(王光谦等,2008;傅旭东等,2010)。

唐家山堰塞湖位于四川省北川县城上游6km处之通口河上,该河在下游青莲镇附近汇入涪江。堰塞体长803.4m,宽611.8m,相对高82.6—124.6m,体积约2037.0万m3。该堰塞体物质组成,上层为砂砾土,其中淤泥体积占60%,砂占30%—35%,粒径5—20cm不等的砾石占5%—10%。在下层碎石中,软岩代表性粒径小于20cm,硬岩块有1—3m,并有巨石(直径10m左右)夹杂其中。该坝体系一基岩滑坡,基岩是较强风化的寒武系下统清平组灰色硅质岩及泥质灰岩。坝体最低点为右侧水塘(由下游看上游),塘底高程743.0m,最高点为左侧丘顶,高程为791.9m,下游坡脚部位河床为669.0m,总体左高右低(从下游向上游看)(照片710)。自然泄流控制高程为752.0m,比最低水塘高出9m,人工泄流槽控制高程745m,比最低水塘高程仅高出2m。

湖上游集水面积355.km2,最大蓄水量3.2亿m3。

5月21日,湖水位711.0m,蓄水量约7250万m3,上下游水头差42m。泄流槽于2008年6月7日7时8分开始泄流,主槽底纵比降0.006,出口段0.15;6月10日15时15分,最大泄流洪峰到绵阳(泄流槽泄流曲线见图75);6月7日7时—10日1时30分,历时66.5h,泄流量由0m3/s增大到1000m3/s,本时段长,变幅小,泄流平稳。到10日1时30分—11时,下泄量加大,流速加快,槽深加大,刷深,展宽,淘蚀最快,泄流量从100—66800m3/s(或65000m3/s)历时9.5h。最大泄洪峰在4h后(当日15时15分)。总之,6月10日泄流过程变化大。10日11时达到峰值,流速4.7m/s以上,槽深11m,槽底刷深15m,槽宽由几十米激增达145m,后流量流速减小,但仍刷深开口宽166.8m,底宽100.1m,至6月11日,堰塞湖水位已从最高743.23m降至715.00m,降低了28.23m,蓄水量从2.466亿m3降至0.861亿m3,共泄水1.605亿m3,最大平均水深实测11—11.18m。

(1)溃决洪水流量线;(2)坝前水位过程线;(3)溃口下切过程;(4)溃口展宽过程;(5)不同时刻溢洪道底宽沿程变化;(6)泄洪槽泄流过程(6月7日7时—10日1时30分),右下3个小图。

(1)—(5)引自傅旭东等,2010;(6)引自李虎章和刘松林,2008从以上资料可见(朱勇辉等,2008;李虎章等,2008):

(1)溃口形成时间越短,溃坝洪峰流量越大,出现时间越早,溃口尺寸越大,溃坝洪峰流量也越大。

(2)坝体抗冲蚀性能越好,冲刷速度相对慢,相应洪水也小;反之,抗蚀性能不好,冲刷快,泄洪也大。唐家山堰塞湖坝体物质组成已于上述,十分松散,抗蚀性极差。

(3)泄流时,泄流口下游坡脚首遭冲刷,然后溯源向上,且坡度变陡,流速增大也有利于溯源侵蚀过程。

(4)实地观测自坝体向下到原北川县城上方1km左右,即溃坝以下5km左右,河床上溃坝堆积规模已逐渐减小,按此段河床长4000m,宽600m,溃坝堆积平均10m厚计,总堆积量不超过2400万m3。沿途有大量山崩体加入,而坝体体积实为2037.0万m3。共泄水1.605亿m3,实际上整个溃坝堆积体是上游厚(13—14m)、下游薄(2—3m),中游10m左右。

如坝体下游2km处之苦竹坝发电站主楼原为5层建筑(照片75),现已被埋至屋顶,仅剩楼顶之铁质站牌仍然耸立在堆积体之上(照片74)。

估计此处砂砾层堆积厚度可达15m左右,堆积体上没有砂级以下的粒级成分,估计坝体的原有大量风化物质,如黏土等均被带到远处进入涪江了。可见坝体方量(溃坝堆积体原厚度与体积)、泄洪量以及水深之间(11m左右)有某种定量关系,整个溃坝堆积体主体之堆积过程也仅10h,这些数字对于今后研究古溃坝堆积之厚度、体积及其与古堰塞湖之规模水文条件等可能有参考意义。