楊東旭， 王軍朝， 楊 棟

(1.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

0 引言

冰磧物(moraine deposit 或glacial tills)是冰川運動過程中攜帶的大量巖土碎屑物質(zhì)，因冰川消融而沉積形成的含漂礫、塊石、碎石、礫石、粉土、粘土的寬級配混雜堆積體[1]，是一種特殊的巖土材料。第四紀以來，青藏高原發(fā)生了多次冰川作用，冰進冰退過程在平坦低洼處堆積了多期次的冰磧物，形成了冰磧壟、冰磧丘陵等典型的冰磧地貌。在后續(xù)的河流侵蝕、冰雪融水等作用下，出露了大量具有側(cè)向臨空面的冰磧物坡體，尤其是位于我國最大的海洋性冰川區(qū)的川藏交通干線帕隆藏布路段，沿線密集分布了形態(tài)各異的冰磧體[2]。作為我國著名的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)路段，該區(qū)冰磧物的物理力學性質(zhì)、巖土材料可用性及其與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的關(guān)聯(lián)性，對川藏公路的運營管理和擬建川藏鐵路、川藏高速公路的規(guī)劃選線提出了新的課題。

冰磧物作為冰川退縮時的遺跡，最先被從事第四紀地質(zhì)、古氣候及古生物方向研究的學者關(guān)注并做了較系統(tǒng)的研究。如通過冰磧物分布范圍、冰磧物ESR 測年及冰磧物內(nèi)的古生物化石等，分析歷史上發(fā)生的冰進冰退事件，研究冰川作用對古氣候、古環(huán)境、地貌形態(tài)演化及生物進化等的影響。在現(xiàn)代工程建設(shè)實踐中，由冰磧物這種特殊的巖土體引發(fā)的工程地質(zhì)問題引起了學者的關(guān)注并根據(jù)工程需要開展了大量研究，探索了不同情況下冰磧物的工程地質(zhì)特性，其中英國、波蘭、丹麥、加拿大等高緯度國家在冰磧物工程性質(zhì)的研究中處于領(lǐng)先地位[3-5]。相比于西方學者，我國對于冰磧物的研究主要在20 世紀80 年代之后，且相對較瑣碎[6]。為支撐藏東南重要城鎮(zhèn)和交通干線對地質(zhì)工作的需求，對川藏線帕隆藏布路段的冰磧物進行了系統(tǒng)梳理和實地調(diào)查研究。

1 冰磧物的分布與沉積特征

1.1 冰磧物的分布特征

現(xiàn)有研究指出[7]，帕隆藏布流域的典型冰磧物主要分布于玉普-魯朗段主河與兩側(cè)一級支溝交匯處、北岸較大的一級支溝內(nèi)及其與二級支溝交匯處，其中波堆藏布、曲宗藏布等支溝內(nèi)案例點最密集，形態(tài)最為典型?；诟呔冗b感解譯和野外調(diào)查，筆者對川藏公路帕隆藏布段沿線的典型冰磧物案例點進行了詳細調(diào)查，進一步完善了冰磧物的典型分布位置、物質(zhì)組構(gòu)和沉積特征(見圖1)。

1.2 冰磧物的沉積與構(gòu)造特征

冰磧物的沉積部位按海拔由高到低主要可分為：(1)位于較高海拔的冰舌末端處，為現(xiàn)代活躍冰川的沉積物，尚未經(jīng)過遠距離搬運，通常為棱角狀崩解的巖石，粒徑巨大，孔隙率高，呈架空結(jié)構(gòu)；(2)位于中等海拔的山谷中，為近代冰川活動的遺跡，一般經(jīng)過相對短距離的搬運，棱角-次棱角狀，顆粒有一定研磨和粉碎，填充了部分孔隙；(3)位于低海拔山谷與主河匯口處或主河兩岸，為古冰川活動遺跡，通常經(jīng)歷了遠距離搬運，部分已經(jīng)洪水或泥石流改造，沉積密實，膠結(jié)度較高，可形成高陡的臨空面，該類冰磧物是人類建設(shè)活動接觸的主要類型(見圖2)。

冰磧物的沉積構(gòu)造除常見的斜層理、剪斷、團塊、塊石含量高及磨圓度差等判據(jù)外[8-9]，尚具有一定的顯微結(jié)構(gòu)與孔隙結(jié)構(gòu)。采用掃描電鏡方法可實現(xiàn)對樣品表面的形貌進行微觀表征，用來判斷膠結(jié)類型、主要生物碎屑、孔隙類型、膠結(jié)物等。冰磧物中的石英砂在電子掃描鏡下還具有貝殼狀斷口和深坑等微形態(tài)特征。沉積物具有高孔隙比、顆粒易破碎且膠結(jié)不均勻等特征，膠結(jié)使得土的強度、密度和膠結(jié)度在較小的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的各向異性，常常出現(xiàn)強膠結(jié)層中包裹完全松散層的現(xiàn)象。

圖2 帕隆藏布流域典型冰磧地貌

2 冰磧物的物理性質(zhì)研究

2.1 物質(zhì)組構(gòu)與粒度特征

組構(gòu)和粒度是碎屑沉積物最重要的結(jié)構(gòu)特征[10]。冰磧物的粒級組成因不同的地區(qū)和不同巖性及不同的冰川類型而分布范圍很大，可以從巨大的漂礫到很細小的粘土。國內(nèi)外的研究表明[11-12]，冰磧物的粒徑分布特征對于推測區(qū)域內(nèi)冰磧物的來源、搬運路徑、形成過程及沉積環(huán)境具有良好的效果，其粒度特征具有明顯的成因標志，對于研究沉積物形成時期的沉積環(huán)境、介質(zhì)的流體動力條件有重要的意義。一方面，學者們利用三角圖、柱狀圖、頻率曲線圖、累積曲線圖及粒度參數(shù)散點圖對冰磧物組成進行初步分類，指出冰磧物的頻率曲線具有多峰型的特征，且一般為雙峰型[13]；另一方面，通過多個地區(qū)大量粒度頻率分布特征的研究，結(jié)合區(qū)域沉積環(huán)境和數(shù)學運算及粒度統(tǒng)計公式，表明冰磧物粒度頻率曲線呈多峰式[14]。Haldorsen[15]區(qū)分了顆粒形成過程中的壓碎與磨碎作用，提出了基質(zhì)指數(shù)和磨蝕指數(shù)來評價冰磧物形成過程中的壓碎程度和磨蝕程度；張振拴[16]在天山博格達峰地區(qū)對63個冰磧物樣本做了相同研究，優(yōu)化了基質(zhì)指數(shù)和磨蝕指數(shù)的計算方法，同時指出研究不同成因冰磧物用羅辛概率圖比正態(tài)分布概率圖更理想。李昌志和王裕宜[17]對比了冰磧物和冰川泥石流堆積物這2種混雜堆積體的異同點，建立起了冰磧物和泥石流堆積物的綜合判別標志。通過分析顆粒分析、電鏡掃描與區(qū)域巖土體宏觀力學參數(shù)的關(guān)系，可有效進一步分析組構(gòu)和粒級的含量對冰磧物膠結(jié)程度、裂隙發(fā)育及水敏性等影響。

2.2 冰磧物形成年代測定

在冰磧物釋光測年方面，應(yīng)用最廣的是丹麥Ris?實驗室生產(chǎn)的光釋光測量儀，也有一些實驗室使用美國生產(chǎn)的Daybreak 2200 型釋光測量儀[18]。冰磧物光釋光測年試驗方法經(jīng)過不少學者的實踐[19]，當前主要采用單片再生劑量法(single aliquot regenerative-dose, SAR)與標準生長曲線法(standardisedgrowth curve, SGC)相結(jié)合，形成SAR-SGC 法進行等效劑量(equivalent dose,De)的測定(見圖3)。

圖3 光釋光測年的計時原理與校正后回授釋光信號強度及De值測定 [18]

帕隆藏布流域典型冰磧物主要為末次冰期和倒二冰期的冰川沉積物，其中一部分冰磧物在原地釋出，另一部分則被搬運至溝道下游的河谷兩岸和溝口等部位，由于具有不同成因和不同沉積時代，冰磧物的分布規(guī)律和沉積結(jié)構(gòu)也具有不同的特征，且往往在冰川谷兩側(cè)及谷口形成高大的堆積壟。

2.3 冰磧物基本物性指標

(1)密度與顆粒級配。該區(qū)典型冰磧物天然密度值大致為1.9～2.2 g/cm3，其值與天然含水率和塊石含量密切相關(guān)；從顆分成果看，顆分曲線形態(tài)較統(tǒng)一，且均在1～2 mm段出現(xiàn)“緩坡拐點”，表明該粒組相對含量明顯較其他粒組少；不均勻系數(shù)Cu=5～25，曲率系數(shù)Cc=0.4～3.5。

冰磧物中含有的粗顆粒多，級配寬，天然密度的測試可采用現(xiàn)場探坑灌水法測定，由于測試的探坑中不含水，冰磧土中含水量極低(>0.5%)，故所測試冰磧土的密度可視作干密度，可作為地基處理時的控制密度。室內(nèi)測試中也可采用環(huán)刀法結(jié)合含水率試驗進行樣品的測試。

(2)含水率。含水率試驗的結(jié)果是否準確，關(guān)鍵在于取土的代表性，一般從取密度試驗環(huán)刀兩端余土測試，有助于了解土層的真實情況和對試驗成果的分析。該區(qū)冰磧物的含水率范圍1%～13.7%，總體偏干燥；壓縮系數(shù)av與含水率ω關(guān)系為av= 0.096e0.17ω，R2= 0.64。

(3)孔隙比與壓縮性?？紫侗葦?shù)值范圍為0.3～0.75，較其他第四系堆積物相對較低，顯示其密實度較高，固結(jié)作用強。壓縮系數(shù)0.15～0.35，為中等壓縮性土。

(4)礦物成分?？刹捎肵 射線衍射儀進行分析。X 射線衍射物相分析是礦物鑒定的最主要方法，也是最具本質(zhì)性的鑒定方法，它是基于不同礦物具有不同的晶體構(gòu)造這一基礎(chǔ)之上的。通過檢測并記錄X 射線的強度，得到X 射線衍射圖譜。通過計算機解析圖譜，對組成試樣的礦物進行定性或定量分析。

本研究采用的冰磧物物理力學參數(shù)指標測試方法見圖4。

3 工程力學性質(zhì)研究

3.1 冰磧物的土力學特征

冰磧物的來源對其粒徑分布、應(yīng)力歷史、冰磧物的沉積序列及其表面的裂隙都有重要影響，而當冰磧物堆積下來之后，后續(xù)的風化作用、烘干作用、凍融作用、重塑作用、細顆粒的滲透作用也會對冰磧物的工程地質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生影響[20-22]。冰磧物形成的特殊應(yīng)力歷史、組分特征及結(jié)構(gòu)則決定了其巖土力學特性的復(fù)雜性[23]。Atkinson等[24]用典型冰磧物的原狀土和重塑土，在考慮了冰磧物不同應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史的情況下做了不排水三軸實驗，發(fā)現(xiàn)剛度的大小同初始固結(jié)比有關(guān)。

圖4 冰磧物物理力學參數(shù)指標試驗方法框圖

Vanapalli 等[25]研究了冰磧物中非飽和抗剪強度和土水特征曲線的關(guān)系，同時指出基質(zhì)吸力與冰磧物的初始含水率有關(guān)。Allred[26]分析了美國中西部的冰磧物的裂隙發(fā)現(xiàn)，裂隙的尺寸對冰磧物的滲透系數(shù)、固結(jié)比及抗剪強度的影響極大。馮俊德等[27]對云南某鐵路的冰磧物取樣做了原狀土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰磧物大型直剪試驗發(fā)現(xiàn)，冰磧物具有一定結(jié)構(gòu)性強度，重塑冰磧物強度隨著含水率的增加而減少。

3.2 工程力學指標參數(shù)

3.2.1 承載力指標

動力觸探試驗不僅可以獲取冰磧土的承載力、變形模量，而且還可以判斷地基的均勻性。由于冰磧土動力觸探無現(xiàn)成的公式、表格可查，為此需在不同的地貌部位進行靜載荷試驗，并開展室內(nèi)固結(jié)指數(shù)試驗，以對比、修正動力觸探成果。據(jù)謝春慶等[28-30]在康定機場冰磧層開展綜合動力觸探、載荷試驗的成果，碎石土承載力標準值500～830 kPa，礫砂土承載力標準值180～250 kPa。筆者在帕隆藏布流域冰磧物中測得的4 m內(nèi)每10 cm超重型動力觸探平均錘擊數(shù)為8～15，相應(yīng)地基承載力為320～570 kPa，介于康定機場的兩種場地土之間。

3.2.2 抗剪強度及應(yīng)力應(yīng)變指標

在冰磧物地基處理中，人們最關(guān)注的是其強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性。屈智炯等[31-32]結(jié)合瀑布溝水電站工程的冰磧物，以相似級配材料模擬，對高應(yīng)力和平面應(yīng)變以及不同應(yīng)力路徑條件下的應(yīng)力-應(yīng)變、強度特性進行了室內(nèi)試驗，結(jié)果表明：(1)隨著圍壓的升高，冰磧物的強度指標降低，強度包絡(luò)線為折線式；(2)冰磧物的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在低壓時表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，而高圍壓時則為應(yīng)變硬化；(3)應(yīng)力路徑、圍壓大小、土的級配和容重等因素對冰磧物應(yīng)力-應(yīng)變及強度特性的影響顯著；(4)冰磧物的力學性質(zhì)與它的微觀結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，冰磧物產(chǎn)生區(qū)破壞和線破壞的根本原因是由于壓力增大造成的破碎、重排以及定向性。Lehane 等[33]把BRICK 模型用在超固結(jié)的都柏林含卵石粘粒冰磧物(DBC)，得到了DBC 的剛度-應(yīng)力曲線。Barański[34]在波蘭Pock 地區(qū)的正常固結(jié)冰磧物研究更進一步發(fā)現(xiàn)，冰磧物的力學性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)及其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，且提出了其一維固結(jié)公式。

3.3 冰磧物的滲透性

工程實踐中，出于穩(wěn)定性分析的需要，冰磧物的滲透特性備受關(guān)注。Daniels 等[35]在普渡大學西拉法葉校區(qū)研究人員以H3 作為示蹤劑進行實驗，得出該冰磧物的地下水補給率為3.1 cm/a，且與前人的試驗結(jié)果相符合，證明該方法是測量冰磧物地下水補給率的一種理想方法。Villholth等[36-37]在丹麥東部一塊冰磧物農(nóng)田上選取了3個1000 m2的場地進行了示蹤試驗，并用MACRO 模型分析了冰磧物含水層的滲流運動，發(fā)現(xiàn)大孔隙流發(fā)揮了重要作用。Mohanty 等[11]利用圭爾夫入滲儀、圓盤入滲儀、雙環(huán)入滲儀、速度入滲儀4 種不同的儀器開展了原位測定冰磧物的飽和滲透系數(shù)Ks，并對比室內(nèi)常水頭滲透試驗，證明樣品的大小對于滲透系數(shù)的測定具有較大的影響，指出不同風化程度的冰磧物的滲透系數(shù)可以差2～3 個數(shù)量級。謝春慶等[38]基于康定機場建設(shè)所實施的室內(nèi)土工試驗、原位試驗，研究了冰磧物的工程地質(zhì)特性及水文地質(zhì)特性，發(fā)現(xiàn)在自然條件下，場區(qū)地下、地表水可在冰磧物中形成松動的架空層。

在帕隆藏布流域冰磧物測試中，筆者通過雙環(huán)滲透試驗，測得垂直滲透系數(shù)K平均值約10-3cm/s，且隨自由膨脹率δ的增大而減小，其關(guān)系式為：K= 0.83δ2- 14.0δ+ 62.46，其相關(guān)系數(shù)R2= 0.8899，表明滲透性與其粘粒含量密切相關(guān)。

3.4 冰磧物的穩(wěn)定性

工程建設(shè)過程中，冰磧物邊坡的開挖形成臨空面，在地震、強降雨作用下失穩(wěn)，其破壞機理是學者們的關(guān)注重點。Springman等[39]在阿爾卑斯一處冰磧物坡體上做了人工降雨試驗。研究了基質(zhì)吸力降低誘發(fā)冰磧物坡體失穩(wěn)的問題。表明相對于飽和狀態(tài)，非飽和狀態(tài)時的負孔隙水壓力的提高，增強了滑動面的抗剪強度指標，但是降雨入滲可導(dǎo)致基質(zhì)吸力降低而促使斜坡滑動。袁廣祥等[7]在野外對川藏公路魯朗段冰磧物坡體考察的基礎(chǔ)上并根據(jù)其物理力學性質(zhì)，采用圓弧法對邊坡進行穩(wěn)定性分析，取得了與實際相符的結(jié)果。徐鼎平等[40-41]用ANSYS 和FLAC3D 建立工程地質(zhì)模型和數(shù)值模擬分析：通過細胞自動機模擬冰磧物的沉積動力過程，開發(fā)了冰磧物試樣程序，用FLAC3D 進行了三軸仿真試驗，求得了冰磧物土體的強度和變形參數(shù)。

冰磧物特殊的組分特征決定了其中的粘土礦物包裹聚集大顆粒的砂、礫、石塊，使其顆粒間鑲嵌完好、結(jié)構(gòu)致密。但是，在雨水、冰雪消融或其它條件下，將導(dǎo)致表層冰磧物土石塊結(jié)構(gòu)松散，形成架空結(jié)構(gòu)，入滲率增大。黃金輝[42]的試驗結(jié)果表明非飽和冰磧物抗剪強度與含水率具有顯著相關(guān)關(guān)系。其中，粘聚力隨著含水率的增加呈一階指數(shù)衰減關(guān)系，且在0%～10%粘聚力衰減迅速。而相比于粘聚力，冰磧物的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加總體趨勢是在減弱的。

筆者通過分析調(diào)查及測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)帕隆藏布流域冰磧物的穩(wěn)定性與其沉積年代、物質(zhì)組成、密實程度和地下水、地表水關(guān)系密切，值得注意的是，冰磧物在干燥狀態(tài)下可以形成近乎直立的邊坡，坡高/坡度比大，穩(wěn)定性較好，但上游地表匯水或地下滲水形成的沖刷對冰磧物的穩(wěn)定性影響較大，容易形成坡面沖溝、冰川型泥石流或冰磧滑坡(見圖5)。

4 存在問題與展望

4.1 目前存在的主要問題

(1)帕隆藏布流域的冰磧物整體分布范圍和沉積結(jié)構(gòu)特征有待繼續(xù)深入研究。目前，國內(nèi)外對于帕隆藏布主谷的冰川活動范圍、冰川到達的最低海拔位置等尚有爭議，需要進一步通過野外地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、取樣測年等手段尋找出更多證據(jù)，以綜合分析冰磧物的分布范圍與沉積特征。

圖5帕隆藏布流域典型冰磧物地質(zhì)災(zāi)害及堆積體

(2)缺乏冰磧物內(nèi)部礦物組分對膠結(jié)度和裂隙發(fā)育程度的影響研究。冰磧物的寬級配特征尤其是其中的礦物組分是其特殊物理力學性質(zhì)的內(nèi)因，如何定量分析二者的關(guān)系對于冰磧物的研究有重要的意義，也是影響冰磧物膠結(jié)度和裂隙發(fā)育程度的重要因素，進而影響其穩(wěn)定性和強度特征，尚需開展進一步深入研究。

(3)基于不同物理力學性質(zhì)的冰磧物分類及其對工程的影響研究不足。當前的成果均將冰磧物作為局部場址的特殊工程巖土進行簡單研究，區(qū)域局限性強，缺乏對不同成因類型冰磧物的物理力學性質(zhì)差異、工程表現(xiàn)等重要內(nèi)容開展針對性的研究。特別是不同類型冰磧物與其他第四系堆積物(坡積物、殘積物等)的工程力學性質(zhì)異同研究較少，典型冰磧物與泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的相關(guān)性及其控制因素尚不清晰，仍需開展進一步研究。

4.2 研究展望與建議

(1)在今后研究中應(yīng)加強冰磧物現(xiàn)場大剪試驗、典型樣品的電鏡掃描與X衍射分析、凍融作用下的力學特性變化等研究，以獲取更完整的物理力學指標體系，完善冰川型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的機制研究。

(2)該流域冰磧物的試驗成果應(yīng)與天山博格達峰、康定機場、四川貢嘎山等地的冰磧物和河流階地、泥石流堆積物、殘坡積物等其他第四紀堆積體的研究成果進行對比分析，從而提煉出藏東南高原海洋性冰川區(qū)冰磧物物理力學性質(zhì)的特殊性。

(3)在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)近一半的案例點長期受地表水的沖刷或地下水浸泡，并且在堆積體內(nèi)發(fā)現(xiàn)大面積架空塊碎石結(jié)構(gòu)。這些架空結(jié)構(gòu)和地下水、地表水是否會對堆積體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響及其影響程度，將嚴重影響其工程利用中的投資、工期等，需展開專門分析研究。