新疆干旱地區(qū)典型溝谷泥石流發(fā)育特征及演化趨勢分析

朱少帥，任光明，夏 敏，沈啟湘，王 飛，毛會永，劉萬林，何曉東

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川成都 610059;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710065;3.四川省蜀禹水利水電工程設(shè)計有限公司，四川成都 610072)

0 引言

泥石流是常見的山地地質(zhì)災(zāi)害類型之一，且一般發(fā)育在巖性軟弱，風(fēng)化、卸荷作用強烈，巖體破碎以及降雨量豐富而集中的地區(qū)［1］，如白龍江流域的武都—舟曲一帶是我國泥石流災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一。但新疆干旱地區(qū)也是我國泥石流多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)之一［3-6］，作者通過對新疆昌吉、哈密、克拉瑪依、阿克蘇等干旱區(qū)域內(nèi)部分溝谷泥石流發(fā)育特征的調(diào)查表明，區(qū)內(nèi)在長期干燥且溫差較大的氣候環(huán)境條件下，巖體遭受強烈溫差作用尤其是凍融、熱脹等作用，物理風(fēng)化強烈、溝谷兩岸坡面松散固體物源豐富，當(dāng)溝谷具備一定的地貌條件下，即使在硬質(zhì)巖分布區(qū)泥石流亦較發(fā)育，活動頻繁、規(guī)模大，且多為暴雨型泥石流，目前對于干旱地區(qū)的泥石流形成條件及活動特征的相關(guān)研究文獻(xiàn)甚少［2］。本文以新疆阿克蘇溫宿縣庫瑪拉克河某水電站壩址區(qū)右岸的碎石溝泥石流為例來研究干旱區(qū)溝谷泥石流的發(fā)育特征及其演化趨勢，其成果不僅為該工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義，而且對類似工程的該類泥石流的評價、防治也具有重要的理論意義。

1 溝谷基本地質(zhì)條件

1.1 溝谷的地形地貌條件

碎石溝位于新疆某水電站壩址右岸，流域形態(tài)呈櫟葉狀，總體走向為NW 320°，地勢西北高、東南低。流域長2.84 km，面積1.56 km2，分水嶺最高點高程為2710 m，最低處為溝口處，高程約1480 m。兩側(cè)溝坡陡峻，坡度一般在40°～55°。統(tǒng)計的該流域主溝不同高程、支溝的溝坡坡度及形態(tài)特征如表1。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征

表1 碎石溝地貌要素統(tǒng)計表Table 1 The geomorphology characteristic of Suishigou debris flow

從溝口至后緣山脊分水嶺出露的基巖地層依次為:泥盆系上統(tǒng)(D3)的結(jié)晶灰?guī)r、大理巖夾頁巖、砂巖;石炭系上統(tǒng)(C3)的灰?guī)r夾頁巖;構(gòu)造上處于克爾拜爾缺凱塔格褶皺東南背斜的東南翼，巖層總體呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀 NW280°-330°/SW∠45°-65°。流域內(nèi)發(fā)育有一條貫穿整個溝谷的斷裂構(gòu)造F13(圖1)，在該斷層帶附近巖體較破碎、完整性較差。

2 溝谷泥石流的形成條件

2.1 降水條件

圖1 碎石溝泥石流流域及地質(zhì)構(gòu)造Fig．1 Drainage area and geologic structure of Suishigou debris flow

降水量是泥石流形成的必要條件之一，一定地區(qū)泥石流發(fā)生的可能性、發(fā)生的數(shù)量、規(guī)模在很大程度上取決于降雨量的大小及降雨強度［7-8］。據(jù)區(qū)內(nèi)氣象資料，工程區(qū)內(nèi)年降雨量可達(dá)200～300 mm左右，且存在陣發(fā)暴雨，高于阿克蘇市多年平均降水量57 mm。結(jié)合文獻(xiàn)資料的分析表明，新疆干旱地區(qū)一般發(fā)生短而急促的陣發(fā)暴雨常誘發(fā)泥石流災(zāi)害，尤其降雨量較小也可激發(fā)泥石流(表2)，如1988年6月24日新疆阿拉溝一次性降雨達(dá)21 mm發(fā)生了泥石流，激發(fā)泥石流降雨。

表2 新疆境內(nèi)部分激發(fā)泥石流的降水特征Table 2 The geomorphology characteristic of Suishigou debris flow

2.2 溝床比降

統(tǒng)計的研究流域的溝床比降特征如圖2。流域主溝溝床比降較陡，平均為500.7‰，距溝口距離約300 m段的堆積區(qū)溝床比降為487.7‰;距溝口距離300～1400 m左右的形成流通區(qū)溝床比降為525.3‰;距溝口1400 m至后緣分水嶺的清水區(qū)溝床比降相對較緩，為492.9‰?？梢姡槭瘻暇哂邪l(fā)生一定規(guī)模泥石流的溝床比降條件。

圖2 碎石溝主溝溝床比降圖Fig．2 The gully ratio of Suishigou main gully

2.3 松散固體物源特征

現(xiàn)場調(diào)查表明，碎石溝流域固體物源豐富，主要以1585～1880 m溝段以及1880～2150 m高程局部寬谷溝床段的溝床堆積物為主(圖3、圖4)、其次為崩坡積物，總的松散固體物源量為(85～103.5)×104m3，其中:直接堆積在溝谷兩岸小規(guī)模的崩塌或滑坡堆積物量約為(17.5～28.5)×104m3;溝床堆積物方量約35×104m3;溝口堆積物方量約(25～30)×104m3(圖5)。此外，區(qū)內(nèi)物理風(fēng)化強烈，坡面的殘坡碎塊石等坡面松散物源較發(fā)育，其侵蝕物源量按區(qū)內(nèi)水力侵蝕模數(shù)為100 ～200 t/(km2·a)考慮。

3 溝谷泥石流的基本特征

3.1 泥石流活動的分區(qū)特征

圖3 1630 m高程附近溝床堆積物特征Fig．3 Characteristic of gully bed debris at El．1630 m

圖4 1680 m高程以上溝床堆積物特征Fig．4 Characteristic of gully bed debris above 1680 m

圖5 溝口的堆積區(qū)特征Fig．5 Characteristic of accumulation area at gully mouth

根據(jù)流域溝谷形態(tài)、松散固體物源、堆積物的分布特征，該流域泥石流活動具有明顯的分區(qū)特征(圖6)，各區(qū)的特征如下:

圖6 碎石溝泥石流分區(qū)圖Fig．6 Zone map of Suishigou debris flow

(1)清水動力區(qū)位于從后緣分水嶺到溝底高程約2150 m左右，該區(qū)除主溝外，還發(fā)育有2#、3#支溝，主溝平均溝床比降為492.9‰。該區(qū)物源僅為小規(guī)模、零星崩塌以及少量的溝床堆積物、坡面的殘坡積物，松散固體物源不發(fā)育，在暴雨條件下為山洪、泥石流活動提供水動力條件。

(2)形成、流通區(qū):位于高程1585～2150 m范圍，其中在1585～1880 m高程段順溝堆積的大量洪積及早期泥石流堆積、崩坡積物;高程2050～2150 m溝段右側(cè)岸坡的崩坡積物、下部的溝床堆積物。該段物源量為(60～76.5)×104m3，是泥石流發(fā)育的主要松散固體物源區(qū)。

(3)堆積區(qū):主要位于1585 m高程以下，前緣一直延伸至庫瑪拉克河邊，地貌上呈典型的扇狀堆積(圖5)，面積約0.0285 km2，扇面平均坡度約27°。堆積物物成分主要為含灰?guī)r孤塊碎石。其中早期堆積的碎塊石大多風(fēng)化成顏色較深的深灰色，而新近形成的泥石流在堆積物表面呈灰白色。從灰白色堆積物的分布范圍來看，近年來該溝泥石流規(guī)模有限。

3.2 溝谷泥石流的活動特征

現(xiàn)場調(diào)查表明，該溝谷泥石流較發(fā)育，在溝底高程1590～1620 m段溝谷兩岸一定高度的凹槽或緩坡部位均有不同時期泥石流活動殘留的部分塊碎石堆積的痕跡，調(diào)查的不同部位發(fā)育的泥石流的泥痕特征如表3，典型的泥痕特征如圖7～圖9。泥痕堆積物分布位置較低的顏色較淺、呈灰白色，塊碎石表面較新鮮(圖7、圖8);分布位置較高的堆積物風(fēng)化嚴(yán)重，塊碎石呈灰黑色(圖9)。

表3 碎石溝溝內(nèi)泥痕統(tǒng)計Table 3 The mud trace statistics of Suishigou gully debris flow

圖7 谷底高程1594 m附近右側(cè)溝坡的泥痕特征Fig．7 Mud trace of right bank at gully bed El．1594 m

根據(jù)上述泥痕的分布、泥痕堆積物顏色與碎塊石表面特征，結(jié)合區(qū)域泥石流發(fā)育特征的類比的分析表明，該溝歷史上呈發(fā)生過不同規(guī)模的泥石流，近代也有一定規(guī)模的泥石流活動。其中溝底高程1616 m泥痕對應(yīng)的泥石流為古泥石流堆積物;溝底高程1597 m、1602 m的泥痕對應(yīng)的泥石流為早期老泥石流堆積物;最新的為現(xiàn)代泥石流。此外，該流域除發(fā)育具有明顯泥痕堆積的泥石流外，據(jù)溝口堆積扇特征(圖5)，目前仍有一定規(guī)模的泥石流發(fā)育，并直接堆積于溝口扇體的中上部。

圖8 溝底高程1602 m左側(cè)溝坡的痕特征Fig．8 Mud trace of left bank at gully bed El．1602 m

3.3 溝谷泥石流的堆積物特征及泥石流的性質(zhì)

圖9 溝底高程1616 m附近右側(cè)岸坡泥痕特征Fig．9 Mud trace of right bank at gully bed El．1616 m

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碎石溝各期泥石流堆積物以塊(漂)碎(礫)石為主，塊石居多，細(xì)粒含量很少，結(jié)構(gòu)松散。對不同時期泥石流堆積物取樣試驗結(jié)果也表明，堆積物中粗顆粒含量比較高，以粗粒為主，其中＞2 mm的顆粒含量均高達(dá)80%，平均84.2%;＜2 mm的顆粒含量為13.4% ～18.0%，平均15.75%，在細(xì)粒中粉粒及粘粒組含量僅0.93% ～2.28%。碎石溝泥石流為稀性、水石流類。

3.4 溝谷泥石流活動的流速特征

結(jié)合上述泥石流泥痕調(diào)查以及現(xiàn)場相關(guān)試驗結(jié)果，綜合取固體顆粒比重2.73、泥石流容重為1.52 kN·m-3、分別采用了國土資源部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泥石流防治工程設(shè)計規(guī)范》［9］以及原鐵道部第三勘測設(shè)計院提出的干旱地區(qū)泥石流經(jīng)驗公式［9］對典型斷面泥石流流速計算結(jié)果如表4。

表4 碎石溝典型泥痕斷面處的流速特征Table4 Suishigou debris flow rate of mud marks in section

從表3可見，按兩種經(jīng)驗關(guān)系獲得的泥石流流速總體較接近，僅鐵三院經(jīng)驗公式比規(guī)范法稍偏大，說明上述經(jīng)驗關(guān)系也適合干旱地區(qū)暴雨誘發(fā)泥石流流速的評價。此外，隨溝谷的演化、泥石流的流速總體呈減少的趨勢。

4 泥石流發(fā)展趨勢及其對工程的影響

綜合前面的分析表明，碎石溝內(nèi)松散物源較豐富，且集中分布在1585 m高程以內(nèi)溝床及坡面上，而這部分物源能否直接帶到溝口發(fā)生堆積不僅與泥石流流速、性質(zhì)有關(guān)外，還受溝床條件、溝口狹窄的峽谷控制。結(jié)合前面評價的泥石流特征分析表明，溝谷歷史泥石流的規(guī)?？傮w呈減少的趨勢;堆積扇上近期呈灰白色的泥石流塊碎石堆積范圍有限，也未到達(dá)堆積扇的前緣地帶(圖5)，即1585 m高程以上的物源能夠集中帶入庫瑪拉克河床中的可能性不大。但該溝谷現(xiàn)今泥石流活動的堆積區(qū)主要位于溝口至庫瑪拉克河谷一帶，而溝口泥石流堆積扇下部高程為1498 m附近是未來工程建設(shè)進(jìn)壩交通公路必經(jīng)之地;同時，若發(fā)生大規(guī)模的泥石流有導(dǎo)致河道堵塞的可能、進(jìn)而威脅工程的施工以及未來的正常運行。因此，預(yù)測該溝泥石流活動的范圍及堵江的可能性對工程的影響具有重要意義。

根據(jù)劉希林、唐川［10-12］提出的泥石流堆積區(qū)最大危險范圍預(yù)測模型:

表5 碎石溝泥石流危害范圍的確定Table 5 The range of debris flow hazard

根據(jù)上式，預(yù)測的碎石溝泥石流活動危險范圍的相關(guān)參數(shù)如表5?？梢?，預(yù)測的泥石流危害范圍為0.701 km2，堆積的最大長度為0.806 km，最大寬度0.557 km，堆積幅角為55°。盡管碎石溝堆積扇前緣已遭受流水的侵蝕，但堆積的整體地貌特征存在，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、實地測量，碎石溝泥石流堆積扇的幅角為57°，堆積物殘留的長度約0.215 km，最大寬度0.22 km，面積為0.0285 km2。由此可見，除堆積扇的幅角與預(yù)測值基本一致外，現(xiàn)有殘留堆積物的范圍、長度、寬度均小于預(yù)測范圍，由于溝口所在部位的庫瑪拉克河河道寬70～80 m，左岸的河漫灘寬度30～90 m，由此可以判斷，未來泥石流活動發(fā)生完全堵塞河道可能性小，但對溝口附近的相關(guān)工程布置或設(shè)施存在威脅。

5 結(jié)論

綜合上述研究，可以獲得如下主要認(rèn)識與結(jié)論:

(1)碎石溝泥石流為典型的新疆干旱區(qū)溝谷泥石流，受長期熱脹、凍融等作用，溝谷兩岸巖體風(fēng)化、卸荷強烈，松散固體物緣豐富，流域內(nèi)總的松散固體物質(zhì)為(85～103.5)×104m3，其中在1585～1880 m高程段順溝堆積的大量洪積及早期泥石流堆積、崩坡積物，該段物源量達(dá)(60～76.5)×104m3。

(2)該流域泥石流具有明顯的分區(qū)特征，歷史上至少爆發(fā)3次大規(guī)模的泥石流，現(xiàn)今泥石流活動明顯。結(jié)合流域內(nèi)松散物源的分布、溝谷特征以及泥石流活動歷史的分析，認(rèn)為溝谷泥石流規(guī)?？傮w呈減少的趨勢，近期呈泥石流塊碎石堆積范圍有限，未到達(dá)堆積扇的前緣地帶。在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)評價模型，預(yù)測的泥石流危害范圍為0.701 km2，堆積的最大長度為0.806 km，得出未來泥石流活動發(fā)生完全堵塞河道的可能性小，但對溝口附近的相關(guān)工程布置或設(shè)施存在威脅。

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