莲塘岗崩岗位于广东五华县华城镇NW方向约4 km处、省道S228桩号K67附近,地理坐标N24°06′10.5″,E15°34′57″,属亚热带季风气候,多年平均降水量1 547.5 mm,76%集中在4~9月,多暴雨。莲塘岗丘陵全部由风化物质组成,母岩为黑云母粗粒花岗岩,全区未见基岩出露,风化壳厚度达50m以上,机械组成主要为黏粒含量较高的含砾粗砂土,干容重在1.40g/cm³左右。三维激光扫描仪定位监测显示,莲塘岗崩岗为典型的瓢形崩岗,主沟长104 m,自沟口至崩壁顶部相对高差55 m,侵蚀面积5 125 m²,内部地形陡峭,≥25°的陡坡面积占总侵蚀面积的80.73%,其中≥60°近乎直立的崩壁面积占16.69%^{[ 9]},崩壁、崩积锥、沟道、洪积扇（沙渍地）等崩岗地貌类型齐全,目前正处于发育旺盛的壮年期阶段^{[ 20]}（图1）。2011年6月至2012年5月间,侵蚀量高达1 007 m³/a,侵蚀模数达269 268 t/km²·a。每年雨季,有规模大小不一、历时长短不等的泥砂流发生（图2）,是研究泥砂流比较理想的场所。

图1

Fig.1

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	图1 发育旺盛的莲塘岗崩岗崩口地貌Fig.1 Full-developed outlet topography of Liantanggang collapsing hill and gully

图2

Fig.2

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	图2 莲塘岗崩岗泥砂流（2013年5月21日）Fig.2 Mud sand flow of Liantanggang collapsing hill and gully (May 21,2013)

2013年5月21日和7月14日,在莲塘岗崩岗现场,遭遇了突然的降雨事件,目睹了崩岗泥砂流的形成、发展和堆积过程。2013年5月21日上午8时,五华县华城镇地区突降中到大雨,莲塘岗崩岗流域内产生泥砂流,规模较大,持续1个多小时,降雨停止后不久,泥砂流即行结束。2013年7月14日下午2时,莲塘岗崩岗及其周边地区开始降雨,雨量为小到中雨,约20 min后,泥砂流开始形成,规模不大,降雨持续约20 min,泥砂流全过程约30 min。2次泥砂流与降雨过程相关,表现出与降雨共生共灭的特点。

2013年5月21日采集了4个泥砂流样品,编号1~4号,其中1~3号样品为泥砂流产生后同一时间沟道内不同部位的样品。1号样品采集于崩岗崩积锥底部支沟沟头部位。2号样品采集于崩岗支沟汇合部位,即崩口位置。3号样品采集于崩岗主沟出口处。4号样品为泥砂流前锋样品,在崩口附近采集。2013年7月14日采集的4个泥砂流样品编号5~8号,分别为崩岗主沟道内同一时间自上游至下游采集的实时流体样品。

2次实地共取得8个泥砂流样品,带回实验室后,测量体积与质量并计算浆体容重,之后予以沉淀过夜,抽取表层清水后,在105℃烘箱温度下进行烘干称重,计算样品的固体物质含量。烘干后的固体颗粒进行粒径分析,粒径>2 mm砾石用筛析法测定颗粒级配,≤2 mm的泥沙颗粒用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测定。

莲塘岗崩岗泥砂流容重及含沙量见表1。由表1可知,泥砂流容重介于1.16~1.60 t/m³之间,平均为1.29 t/m³,前锋部分的容重达到了稀性泥石流的状态（容重1.60 t/m³）,含沙量介于257.03~960.55 kg/m³之间,平均为465.52 kg/m³。如此看来,泥砂流固体物质含量虽然部分达到或接近于稀性泥石流,但整体上尚未完全达到稀性泥石流的容重要求;同样,泥砂流类似于高含沙水流,但又不完全等同于高含沙水流（文中讨论部分将详述）。因此,泥砂流是一种介于稀性泥石流与高含沙水流之间的新型固液两相流。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 莲塘岗崩岗泥砂流容重和含沙量 Table 1 Mud sand flow specific density and sediment concentration of Liantanggang collapsing hill and gully 编号 取样日期 取样部位 容重 /(t/m³) 含沙量 /(kg/m³) 1 2013-05-21 支沟沟头 1.30 490.18 2 支沟汇合处 1.18 288.63 3 主沟出口处 1.16 257.03 4 泥砂流前锋 1.60 960.55 5 2013-07-14 主沟道上部 主沟道上部 主沟道下部 主沟道下部 1.34 546.19 6 1.31 504.39 7 1.22 357.76 8 1.20 319.45

表1 莲塘岗崩岗泥砂流容重和含沙量 Table 1 Mud sand flow specific density and sediment concentration of Liantanggang collapsing hill and gully

同一时间支沟沟头、支沟汇合处、主沟出口处取得的1,2,3号样品的容重和含沙量逐渐减小,中值粒径亦由0.128 mm下降至0.012 mm,固体物质颗粒逐渐细化。这种现象可解释为：一是降雨产生的地表径流并未足够大,水流只能搬运2 mm以下的砂粒物质,因而>2 mm的砾粒物质在泥砂流流动过程中沿途沉积下来,从而导致泥砂中值粒径自沟道上游向下游逐渐变小,颗粒越来越细,容重也相应变小;二是降雨期间并非每条支沟都形成泥砂流,没有形成泥砂流的支沟以清水汇入主沟,导致泥砂流在流动过程中被稀释,容重逐渐变小、含沙量不断降低（图3）。

图3

Fig.3

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	图3 莲塘岗崩岗主沟自沟头至沟口泥砂流容重逐渐变小、含沙量逐渐降低 （a）沟头;（b）沟道中部;（c）沟口Fig.3 Mud sand flow specific density and sediment concentration decreased from the head to the outlet in the main ditch of Liantanggang collapsing hill and gully (a) Gully head; (b) Gully central; (c) Gully outlet

4号样品为泥砂流前锋样品,容重和含沙量分别为1.60 t/m³和960.55 kg/m³。泥砂流前锋即泥砂流形成后的第一波流体,能量集中,砾石聚集,冲刷和侵蚀能力强,泥砂流到来之前沟床粗糙,摩擦阻力大,泥砂流流动时拖曳和挟裹沟床物质,使其固体物质含量不断增大,容重逐渐接近稀性泥石流,从而表现出与稀性泥石流体相似的特性。泥砂流前锋浆体黏稠,砾石含量高（图4）,冲击力较大、破坏力也相对较大,向下游推移过程中不断扩散并最终停积。

图4

Fig.4

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	图4 莲塘岗崩岗泥砂流前锋堆积体（2013年5月21日）Fig.4 Mud sand flow front accumulation of Liantanggang collapsing hill and gully (May 21, 2013)

莲塘岗崩岗泥砂流粒度成分见表2,并与莲塘岗崩岗风化壳土体作对比分析^{[ 14]}。除2,3号样品外,其它泥砂流样品的砾粒含量均较高,平均为32.3%,主要为2~5 mm的细砾部分,砾粒含量比崩岗风化壳土体样品的平均值26.87%高出5.43%。莲塘岗崩岗风化壳土体以含砾粗砂土为特征,砂粒（包括粉砂）平均含量为60.97%,其中粗砂平均含量为23.60%,粉砂为24.15%。泥砂流各样品砂粒平均含量为51.69%,其中粗砂仅为6.60%,粉砂高达35.31%。两者中砂和细沙含量差别较小。表明粗砂是泥砂流水力分选的主要沉积区段,粉砂则是泥砂流主要的组成物质。泥砂流黏粒含量平均高达16.02%,高于莲塘岗崩岗风化壳土体样品的12.17%。黏粒含量高,表明泥砂流浆体黏稠,但由于缺乏粗大砾石,泥砂流的性质与泥石流并不完全相同。样品中值粒径差异较大,4号样品的中值粒径为2 mm,3号样品的中值粒径仅为0.012mm。全部样品的平均中值粒径为0.419 mm,低于莲塘岗崩岗各类土体样品的平均中值粒径0.525 mm,表明泥砂流经过水流的短距离搬运,确实存在一定的分选作用。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 莲塘岗崩岗泥砂流固体物质及风化壳粒度组成 Table 2 Grain size of mud sand flow and weathering crust of Liantanggang collapsing hill and gully 编 号 组成含量 砾粒 d>2mm 粗砂 0.5~2mm 中砂 0.25~0.5mm 细砂 0.075~0.25mm 粉砂 0.005~0.075mm 黏粒 d<0.005mm 中值粒径 mm 1 重量含量% 含沙量kg/m³ 32.26 158.13 8.28 40.59 4.95 24.26 8.14 39.90 31.87 156.22 14.48 70.98 0.128 2 重量含量% 含沙量kg/m³ 11.93 34.43 1.19 3.43 1.68 4.85 5.33 15.38 59.92 172.95 19.94 57.55 0.016 3 重量含量% 含沙量kg/m³ 12.71 32.67 2.40 6.17 1.05 2.70 4.09 10.51 51.00 131.09 28.75 73.90 0.012 4 重量含量% 含沙量kg/m³ 50.90 488.92 13.87 133.23 2.88 27.66 3.91 37.56 19.71 189.32 8.73 83.86 2.000 5 重量含量% 含沙量kg/m³ 43.36 236.83 10.96 59.86 4.40 24.03 7.71 42.11 23.44 128.03 10.14 55.38 0.827 6 重量含量% 含沙量kgcm³ 37.59 189.60 8.62 43.48 2.60 13.11 4.55 22.95 29.83 150.46 16.81 84.79 0.173 7 重量含量% 含沙量kg/m³ 34.79 124.46 4.42 15.81 4.34 15.53 8.32 29.77 33.94 121.42 14.19 50.77 0.094 8 重量含量% 含沙量kg/m³ 34.84 111.30 3.02 9.65 4.57 14.60 9.73 31.08 32.73 104.56 15.11 48.27 0.099 崩岗风化壳土体 机械组成/% 26.87 23.60 5.94 7.28 24.15 12.17 0.525

表2 莲塘岗崩岗泥砂流固体物质及风化壳粒度组成 Table 2 Grain size of mud sand flow and weathering crust of Liantanggang collapsing hill and gully

泥石流中一般以2 mm粒径为分界,小于2 mm的颗粒作为浆体物质,是搬运介质,大于2 mm的颗粒则是被搬运的固体物质^{[ 18]}。激光粒度仪测定的≤2 mm泥砂流粒度分布曲线表明（图5）,泥砂流固体物质颗粒级配主要以双峰为主,但不同样品峰值粒径略有不同,高峰值显著集中在粒径0.01 mm附近,印证了泥砂流以粉砂（粒径0.005~0.075 mm）为基本组成的特点。除2,3号样品为单峰以外,其余6个样品在粒径1 mm附件的粗砂段（粒径0.5~2 mm）都具有第二个峰值,构成双峰型粒度曲线,其中崩岗风化壳土体以及容重较高的4号（泥砂流前锋）和5号样品（主沟道上部）的粗砂段峰值波形陡峭,明显高于粉砂段。泥砂流固体物质的组成既受崩岗原始土体成分的影响,也随泥砂流的输移过程而改变,随着泥砂流含沙量和容重的增加,流体的分选作用下降,重力流作用增强,其物质组成接近于崩岗风化壳土体,泥砂流粒度分布曲线由单峰型转变为双峰型,更多地表现出与泥石流相似的特性。

图5

Fig.5

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	图5 莲塘岗崩岗泥砂流固体物质粒度分布曲线Fig.5 Particle size distribution curve of mud sand flow of Liantanggang collapsing hill and gully

泥砂流中值粒径与容重具有较好的正相关关系（图6）,泥砂流中值粒径越大,其容重越高;反之亦然。当无法实测泥砂流流体容重时,可参考图6中的回归方程式,通过泥砂流暴发后实地取样分析,以其平均中值粒径反算,也不失为得到泥砂流流体容重估算值的一种经验方法。

图6

Fig.6

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	图6 莲塘岗崩岗泥砂流固体物质中值粒径与容重的关系Fig.6 Relationship between sediment median particle diameter and specific density of mud sand flow of Liantanggang collapsing hill and gully

突发性短历时降水或堵塞—溃决作用可使径流量激增,形成高浓度泥砂流,如4号和5号样品,其固体物质粒度曲线与崩岗原始土体较为接近,分选相对较差。由于高容重的流体和黏稠的浆体对沟道底部具有较大的冲击力和拖曳力,产生的“揭底”作用吸纳了沟底的砾粒物质,4号样品粒径>2 mm的砾粒含量高达50.9%,明显高于崩岗原始土体。总的来说,崩岗泥砂流的侵蚀和堆积表现为“小水淤,大水冲”的特点。泥砂流以冲淤交替方式将崩岗土体物质逐渐搬运出沟口,在地貌发育“削高填低”的过程中,虽然崩岗绝对高度随着崩岗的发育进程而降低,但由于泥砂流的存在,在“削高”的同时又能够侵蚀沟底,这样维持崩岗的相对高差基本不变,从而促使崩岗持续发展并不断向丘陵内部掘进（图7）。

图7

Fig.7

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	图7 莲塘岗崩岗泥砂流的冲刷作用Fig.7 Scour of mud sand flow of Liantanggang collapsing hill and gully

莲塘岗崩岗可分为崩壁集水区、崩积锥分布区和沟道流通区（图8）。流通区以外则是丘陵谷地堆积区,表现为洪积扇或沙渍地。崩壁是指丘陵坡地遭受崩岗侵蚀后上部出露的风化壳剖面,坡度较陡近乎直立,以重力侵蚀为主。崩壁后退发生在雨季,与降雨过程密切相关,以崩塌方式进行,因此具有一定的突发性和随机性。崩壁物质结构紧密,坡度较大,降水往往来不及下渗而快速流走,因此崩壁部位在泥砂流形成过程中主要起上游集水的作用。崩积锥是崩壁重力崩塌的产物,物质组成松散,坡度可达30°以上,上部有纹沟和细沟发育,深度从十几厘米到几十厘米不等,长度可达10 m以上。崩积锥地带的侵蚀作用以雨滴溅蚀和片流冲刷为主,崩积锥之间的地带则发育股状水流,细沟进一步发展成切沟,沟道横断面呈“V”字形,深度可达数米,强烈的下切及侧蚀造成沟壁垮塌,使得沟间地带呈现陡脊形态（图9）,沟道水流在崩积锥分布区获得大量泥砂补给,是泥砂流主要固体物质来源地。崩岗支沟在崩口处汇合成主沟,地形变缓,泥砂流在此出现冲淤交替现象,随后沿沟道进入流通区,地形平缓,坡度在10°左右,泥砂开始沉积。流通区以外为开阔的堆积区,由于缺少沟道束缚,泥砂流迅速扩散沉积,形成洪积扇或沙渍地。莲塘岗崩岗主沟道较短,约47 m,沟口与相邻崩岗主沟道交汇（图3c）,因而洪积扇不明显,表现为沿谷底分布的沙渍地。

图8

Fig.8

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	图8 莲塘岗崩岗纵剖面图Fig.8 Longitudinal section of Liantanggang collapsing hill and gully

图9

Fig.9

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	图9 莲塘岗崩岗沟谷侵蚀形成的沟间陡脊地形Fig.9 Gully erosion formed steep ridge in Liantanggang collapsing hill and gully

崩岗泥砂流与泥石流均为降雨过程中暴发的阶段性洪流。典型的泥石流沟谷主要包括清水汇流区、形成区、流通段和堆积区。崩岗地形与泥石流沟谷在形态上基本相似,但崩岗是水力—重力复合侵蚀,两种侵蚀作用按照不同时空组合交替进行^{[ 20]}。从时间顺序而言,水力是崩岗发育的第一驱动力,重力则是在水力侵蚀造成临空面后发挥作用,然后两者交替进行。从空间顺序来看,上部崩壁集水区以重力作用为主,中部崩积锥分布区重力和水力作用同时进行,下部沟道流通区则以水力作用为主。同一崩岗内两种外营力的对比关系可发生转换,很大程度上影响了泥砂流的形成,导致其性质和物质组成随空间和时间产生较大变化。泥石流作用营力相对单一,例如土力类泥石流主要依靠势能重力沿坡面的剪切分力发生运动,水力类泥石流则是主要依靠水力动能和冲刷作用维持运动。泥砂流与泥石流的差别还在于固体物质含量及其组成结构不同。研究表明^{[ 14]},崩岗沟道中泥砂流堆积土体的平均中值粒径仅为泥石流沟道堆积土体的1/12,砾石含量仅为泥石流的1/4。受制于化学风化充分、基岩埋藏较深、以及发育规模相对较小等因素,崩岗泥砂流搬运物质中大于5mm的粗砾物质很少,特别是较大的石块和漂砾更是缺乏。泥石流中的粗大颗粒很多,较大的石块和漂砾一般直径在1~2 m,大者可达5~7m,因此具有很强的冲击力和破坏力^{[ 18]}。

高含沙水流是指挟带一定黏性细颗粒、具有高浓度固体颗粒的一种复杂挟沙水流,也是一种典型而特殊的固液两相流^{[ 21]},主要分布于我国西北的广大黄土高原地区。钱宁^{[ 22]}曾提出高含沙水流按照物质组成的不同具有两种极端模式,一种是以细粉砂及黏土等细粒物质为主的高含沙水流,另一种是以细沙以上颗粒为主的高含沙水流。第二种模式或者两者间的过渡形态多为两相高含沙紊流,常出现于黄河干支流,具有常年流水的属性,因此两相高含沙紊流与崩岗泥砂流的区别显而易见。接近第一种模式的高含沙水流具有非牛顿体的性质,多发生在黄土丘陵沟壑区,亦即通常表达的黄土 “泥流”^{[ 23]}。综合相关参考文献^{[ 18, 19, 23]}对此类高含沙水流以及泥石流基本特征的描述,与泥砂流进行比较,三者的主要特性见表3。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 泥砂流、高含沙水流和泥石流特性的比较 Table 3 Properties compared between mud sand flow, hyperconcentrated flow and debris flow 类别 高含沙水流 崩岗泥砂流 泥石流 稀性 亚黏性 黏性 容重 t/m3 1.3~1.85以上 1.16~1.60 1.46~1.85 1.85~2.00 2.00~2.40 中值粒径 mm <0.025 0.012~2.0 0.012~0.026 0.028~1.5 1.5~13.5 粒度分布曲线类型 单峰 单峰、双峰 单峰 双峰 双峰 d>2mm颗粒百分含量 % <2 11~50 2~80 粒径范围 黏粒、粉砂 黏粒、砂粒、细砾 黏粒、砂粒、砾石、漂砾 物质基础 第四系黄土堆积物 花岗岩风化壳 破碎岩石及未成岩松散土层

表3 泥砂流、高含沙水流和泥石流特性的比较 Table 3 Properties compared between mud sand flow, hyperconcentrated flow and debris flow

从流体容重角来看,高含沙水流与崩岗泥砂流相差不大,一般均低于亚黏性泥石流1.85 t/m³的容重界限值,与稀性泥石流容重存在重叠。由于物质基础的不同,三者在流体物质组成方面具有明显差别。泥石流可发育于比降较大的各类岩性地区,主要由黏粒、砂粒、砾石及漂砾等多种物质构成,具有极宽的颗粒级配。高含沙水流受黄土粒径级配限制,主要由黏粒和粉砂组成,中值粒径小于0.025mm,大于2mm颗粒百分含量小于2%。崩岗泥砂流的物质组成介于两者之间,其发育的花岗岩风化壳地区以含砾粗砂土为主,砂粒是其主要组成部分,虽含有大量2mm以上的未风化石英颗粒,但相对于泥石流仍缺乏大的砾石和漂砾。高含沙水流呈单峰曲线,峰值在0.035mm左右,崩岗泥砂流与泥石流都具有单峰、双峰两种形式,当容重较高时,流体处于无分选状态下搬运,流体中固体物质组成具有双峰特征;当容重下降,流体以细粒物质组成的浆液为主,浆体在有分选状态下形成粒径的单峰分布。总体来看,崩岗泥砂流在地貌形态、形成过程及性质等方面与泥石流具有较多相似之处,但与高含沙水流和黏性泥石流又存在明显区别,从物质组成分析来看,应属于两者之间的过渡形态。因此,从广义泥石流角度,可将崩岗泥砂流作为泥石流的一个亚类,即崩岗型泥石流。