青河縣縣城北側(cè)泥石流災(zāi)害形成條件及動(dòng)力學(xué)特征研究

王亞璐

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091)

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青河縣縣城北側(cè)泥石流災(zāi)害形成條件及動(dòng)力學(xué)特征研究

王亞璐

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091)

泥石流形成條件和動(dòng)力學(xué)特征是泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理的重要內(nèi)容。本文在對(duì)研究區(qū)自然地理概況和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)青河縣城北泥石流研究區(qū)的野外實(shí)地調(diào)查，對(duì)研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的四條泥石流的形成條件以及動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析和研究。通過對(duì)研究區(qū)泥石流災(zāi)害的形成條件以及動(dòng)力學(xué)特征值的計(jì)算和分析，可以為該市開展泥石流地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作提供理論依據(jù)。

青河縣；泥石流；形成條件；動(dòng)力學(xué)特征

泥石流是山區(qū)特有的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，具有突發(fā)性的特點(diǎn)[1]。研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)青河縣縣城及其北部山區(qū)，行政區(qū)劃隸屬于阿勒泰地區(qū)青河縣。城北泥石流研究區(qū)位于環(huán)城路北側(cè)的山溝中，自西向東分布四條泥石流主溝、三條支溝，源頭位于城北調(diào)堡山低山區(qū)。泥石流溝呈近南北方向延伸，溝口位于縣城環(huán)城北路附近。根據(jù)調(diào)查訪問不完全統(tǒng)計(jì)，該泥石流溝每年均有不同規(guī)模泥石流發(fā)生。

因此，本文在對(duì)自然地理概況、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)等研究工作的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)所收集的資料進(jìn)行整理、分析，結(jié)合相關(guān)研究成果[2-5]，對(duì)青河縣城北泥石流地質(zhì)災(zāi)害的形成條件以及動(dòng)力學(xué)特征以進(jìn)行評(píng)研究，進(jìn)而為該泥石流災(zāi)害的防治工作提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件分析

1.1 自然地理概況

研究區(qū)地處歐亞大陸腹地，四周遠(yuǎn)離海洋，氣候較干燥，屬北溫帶大陸高原性氣候。根據(jù)青河縣氣象站1958～2006資料，研究區(qū)多年平均氣溫為0.4℃，年平均氣溫最高為2.5℃，最低為-2.1℃，最熱月份出現(xiàn)在7月，月平均氣溫18.6℃，最冷月份出現(xiàn)在1月。區(qū)內(nèi)水系主要有大青河和小青河，分別從青河縣城西側(cè)和東側(cè)流過，是青河縣的主要農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水水源，并最終在喬什尕吐別克匯合形成青格里河，在沿程分別接納強(qiáng)罕溝和布爾根河等支流之后，最終流歸布倫托海。

1.2 地形地貌

研究區(qū)位于青河縣城以北中低山區(qū)坡腳洪坡積地帶，總體地形北東高南西低，地形向西南傾斜。在地貌上屬于低山丘陵與山間盆地河谷沖洪積平原的過渡地帶。北東部碉堡山海拔高程1 200～1 550 m。山麓地帶由部分洪積堆積物相接而成的洪積扇裙不續(xù)分布，規(guī)模大小不一，一般延伸幾百米，扇寬在300～600 m之間，扇面相對(duì)平緩，局部弧形波狀延伸。研究區(qū)北部低山區(qū)地形坡降較大，平均坡降20～50%。

1.3 地層巖性

研究區(qū)區(qū)域范圍主要出露地層有奧陶系、第四系松散沉積物、第四系中―上更新統(tǒng)沖積洪積層、上更新統(tǒng)―全新統(tǒng)洪積層和殘坡積層及全新統(tǒng)沖積層等。其中，為本區(qū)最古老的地層，主要分布于研究區(qū)北部、東北部中低山區(qū)。巖性主要為黑云母化砂巖、粉砂巖、間有千枚巖、片巖、板巖、夾大理巖化灰?guī)r及礫巖，總體呈淺灰、灰色，上述地層巖性較硬、性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化破碎強(qiáng)烈。而研究區(qū)內(nèi)第四系堆積物分布廣泛，但主要沿小青格里河及其上游支流以及山前平原地帶分布。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

研究區(qū)大的區(qū)域處于瑪因鄂博區(qū)域斷裂以北及北東的蒙古弧形構(gòu)造西翼—阿爾泰弧形構(gòu)造帶內(nèi)。在該構(gòu)造帶基礎(chǔ)上，后期又發(fā)育了北西構(gòu)造帶―河西系構(gòu)造體系，因而構(gòu)造成份較為復(fù)雜。因此，本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要受這兩大構(gòu)造帶的控制。然而研究區(qū)位于發(fā)震斷裂海子口―卡拉先格爾斷裂以東27 km左右，屬其影響范圍，因此工程區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為較差。此外，青河縣地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻率較高，強(qiáng)度大，其地殼穩(wěn)定性劃分屬于區(qū)域地殼不穩(wěn)定區(qū)―次不穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)國(guó)家地震局2000年編制的地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖，研究區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，屬Ⅷ度地震烈度區(qū)。

1.5 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于中低山基巖坡腳地帶，水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，地下水類型分為基巖裂隙水與第四系孔隙潛水兩類，分述如下：

(1)基巖裂隙水主要儲(chǔ)存于城區(qū)北部基巖山區(qū)的奧陶系上中統(tǒng)巖層中，其主要補(bǔ)給源為大氣降水、融雪水，富水性-般貧乏，局部裂隙密集帶富水性為中等，地下水水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Na型水。其主要排泄方式為以水平徑流方式向河流及一級(jí)階地排泄，但在洪水期地下水位較高時(shí)，一級(jí)階地潛水又反過來補(bǔ)給基巖裂隙水。

(2)第四系孔隙潛水儲(chǔ)存在研究區(qū)上更新-全新統(tǒng)碎石塊石巖屑內(nèi)，含水層厚度在1～2.5 m，隨下部碎石土厚度及基巖頂面埋深而變化。其主要的補(bǔ)給源基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水入滲補(bǔ)給，絕大部分時(shí)間里為透水而不含水層。其排泄方式主要有垂直蒸發(fā)排泄與地下徑流水平方式向下游排泄。

1.6 工程地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地層的分布特征，巖土體分為巖體和土體兩大類。按照巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及土體的粒度成分及結(jié)構(gòu)，將巖土體劃分為堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬巖組，土體包括卵石土單層土體和碎石土單層土體兩種。

1.6.1 堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬巖組

分布于泥石流溝的上游北部低山區(qū)(泥石流形成區(qū)及流通區(qū))，岀露面積較大。主要有低山區(qū)千枚巖化細(xì)―粉砂巖、千枚巖化粉砂質(zhì)泥巖、千枚巖夾少量大理巖薄層組成堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬巖組。

1.6.2 土體

1)卵石土單層土體

主要分布于研究區(qū)南部，漫灘和低階地下，巖性為卵石、砂礫石等，結(jié)構(gòu)松散。在低階地上表層常履蓋有厚度不大的亞砂土或含礫亞砂土，與下伏卵礫石層組成二元結(jié)構(gòu)。較大的卵石可以用作建筑物地基或修建攔截泥石流谷坊和攔渣具的骨架材料。

2)碎石土單層土體

主要分布于泥石流溝底部，巖性為分選性差的片石、碎石土和亞粘土(含碎石)，碎石多為尖棱狀，結(jié)構(gòu)松散，工程地質(zhì)條件較差，厚度不均勻，根據(jù)探進(jìn)及鉆孔揭露，一般在1～2.5 m，最深可達(dá)4.7 m。含土多的地段在洪水沖刷侵蝕作用下易形成坍岸，并為泥石流災(zāi)害提供物源。

2 研究區(qū)泥石流形成條件分析

2.1 地形地貌條件

研究區(qū)位于青河縣城北側(cè)，為低山丘陵地貌和山間盆地河谷沖洪積平原的山前洪積扇裙，地形由北向南傾斜，平均縱坡降6.4%～20.2%。該區(qū)域發(fā)育了多條近南北向季節(jié)性洪水沖溝，溝谷下游開闊呈寬谷狀，往上游變得狹窄，呈寬“V”字型或 “U”字型。由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，溝谷內(nèi)不同程度地沉積了一些松散堆積物。后期隨著山體的上升，水流以溯源侵蝕的形式，不斷侵蝕早期沉積在溝谷中的第四系松散堆積物，形成現(xiàn)在的溝槽。溝槽在上游呈“V”字型，寬度2～5 m；在中下游呈“U”字型或箱形，寬10～15 m。溝槽比較狹窄平直，下游地形相對(duì)變緩，縱坡降12.4%～24.3%，溝谷逐漸消失，使匯入溝中的水流能量集中擴(kuò)散，不僅為泥石流形成提供了充足水動(dòng)力條件，而且使形成泥石流能量相對(duì)集中，能起到排導(dǎo)泥石流并向下游輸送到出山口后地形變緩處沉積的作用，為泥石流的發(fā)生提供了必要的地形、地貌條件。

2.2 碎屑固體物源條件

根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)四條泥石流溝中分布有大量的第四系松散堆積物，為泥石流形成提供了大量的碎屑固體物質(zhì)。北部山區(qū)坡面堆積有松散風(fēng)化巖石碎屑，相對(duì)較薄。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘查，依據(jù)井探、鉆探、物探、測(cè)量資料計(jì)算各泥石流溝松散碎屑物源儲(chǔ)量，具體計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)鉆孔及探井揭露地層得知，泥石流溝內(nèi)松散層厚度一般為0.5～4.2 m，主溝溝床內(nèi)厚度一般為0.6～1.5 m，溝道兩側(cè)一般為0.8～2.5 m。坡體上第四系厚度一般約為0.5 m。由于松散堆積層受洪水沖蝕而形成陡坎，加之被沖蝕的松散堆積物和坡積物受側(cè)蝕作用的影響，最終為泥石流的形成提供了大量碎屑固體物源。

根據(jù)對(duì)研究區(qū)泥石流松散堆積物源計(jì)算結(jié)果看出，城北泥石流松散堆積物總方量為986 280.6 m3，其中沖洪積物松散堆積物所占比例最多，其次為溝道兩岸殘坡積物，堆積建筑垃圾及生活垃圾所占比例最少。由此可看出溝谷處物源條件最好，易引發(fā)泥石流。

2.3 水源條件

水既是泥石流體的重要組成部分，又是泥石流的搬運(yùn)介質(zhì)，同時(shí)暴雨又是泥石流形成的重要激發(fā)因素。青河縣年平均降水量172.2 mm，年平均蒸發(fā)量1 397.4 mm。冬季積雪厚度在40～70 cm之間，最大積雪厚度100 cm。降水在時(shí)間上的分布變化也較大，平原區(qū)主要集中于4～7月；山區(qū)冬季降雪量大，至開春季節(jié)融化，且山區(qū)降水春末夏初占優(yōu)。降水與融雪在時(shí)間上的重疊，為泥石流災(zāi)害的形成提供了充足的水動(dòng)力條件。

3 研究區(qū)泥石流動(dòng)力學(xué)特征分析

3.1 泥石流流體密度計(jì)算公式

根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查得知，城北四條溝泥石流固體物質(zhì)主要由粉土、角礫、風(fēng)化碎石夾泥砂組成。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果得知，固體顆粒相對(duì)密度取2.4～2.6 g/cm3，本次計(jì)算取2.4 g/cm3，水的密度取1 g/cm3， 的取值是根據(jù)泥石流易發(fā)程度評(píng)分結(jié)果查《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)表中的值。泥石流流體密度采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：ρm為泥石流流體密度(t/m3)；ρw為水的密度(t/m3-取值1)；ds為固體顆粒相對(duì)密度-根據(jù)《青河縣城市防洪規(guī)劃》中為2.4 g/cm3；f為固體物質(zhì)體積和水的體積之比。根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)中取值。

3.2 泥石流流量、流速計(jì)算

采用西北地區(qū)現(xiàn)行公式及流量流速公式計(jì)算泥石流流速，即：

(2)

QC=Vm·W

(3)

式中：vm為泥石流斷面平均流速(m/s)；a為清水河床粗糙系數(shù)，值與泥石流流體密度和固體顆粒相對(duì)密度有關(guān)；Rm為泥石流液體水力半徑(m)，可近似取其泥位深度；I為泥石流流面縱坡比降(%)；W為泥石流過流斷面積(m2)；QC為泥石流流量(m3/s)。

通過本次勘查確定四條溝的過流斷面面積，實(shí)測(cè)值分別為：1.92 m2、0.96 m2、1.12 m2、1.9 m2；泥石流液體水力半徑取1.2 m、0.8 m、0.8 m、1.0 m。泥石流流速、流量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 泥石流流速、流量計(jì)算成果表

3.3 一次泥石流過程總量

根據(jù)泥石流溝匯流特征、泥石流量及松散固體物可移方量等因素，按式4可推算泥石流一次過程總量。式中K值按泥石流溝匯流面積取值。根據(jù)4條溝面積F分別為 0.2 km2、0.63 km2、0.56 km2、0.19 km2看出其面積均小于5 km2，因此，K取0.202；根據(jù)2010年發(fā)生的泥石流及現(xiàn)場(chǎng)訪問，泥石流歷時(shí)約0.5 h，即T=1 800 s。

Q=K·T·QC

(4)

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)相關(guān)條文規(guī)定，當(dāng)F<5 km2時(shí)，K=0.202；當(dāng)F=5～10 km2時(shí)，K=0.113；當(dāng)F=10～100 km2時(shí)，K=0.037 8；當(dāng)F>100 km2時(shí)，K<0.025 2。

根據(jù)泥石流一次性過程總量，按(5)可推算泥石流固體物質(zhì)總量。

WS=Q·(ρm-ρw)/(ρs-ρw)

(5)

式中：T為泥石流歷時(shí)(s)；Q為一次泥石流總量 (m3)；QC為泥石流流量 (m3/s)；ρs為固體物質(zhì)密度(t/m3)；Ws為固體物質(zhì)總量 (m3)。

其它符號(hào)含義與式1中表示含義一樣。計(jì)算結(jié)果見表2所示。

3.4 泥石流體整體沖壓力計(jì)算

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，依據(jù)規(guī)范選取“沙礫泥石流沖壓力公式”，

δ=4.72×105VCd

(6)

式中：δ為泥石流體整體沖擊壓力(Pa)；d為石塊粒徑(m)；Vc為泥石流流速(m/s)。

計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表2 泥石流一次過程總量計(jì)算表

表3 泥石流整體沖擊壓力計(jì)算表

3.5 泥石流特征參數(shù)值結(jié)論可信度評(píng)價(jià)

本次計(jì)算泥石流特征參數(shù)值的可信度從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)述。首先各計(jì)算公式的選取是按規(guī)范要求進(jìn)行，公式選取正確；其次，各計(jì)算公式中的參數(shù)均為現(xiàn)場(chǎng)通過各種勘查手段獲得，因此，各參數(shù)的選取均有依據(jù)，可信度高。綜上，研究區(qū)泥石流動(dòng)力學(xué)特征值的計(jì)算結(jié)論是真實(shí)可信的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過對(duì)研究區(qū)的前人資料分析和野外實(shí)地調(diào)查得知研究區(qū)地處低山區(qū)和小山間盆地中的河谷沖洪積平原區(qū)，總體地形北東高南西低，地形向西南傾斜。地貌上屬于低山丘陵與山間盆地河谷沖洪積平原的過渡地帶。地層巖性主要以第四系松散沉積物為主，為泥石流的發(fā)育和形成提供了有利條件。

(2)通過野外實(shí)地調(diào)查和室內(nèi)計(jì)算研究區(qū)對(duì)泥石流流體密度，流量，流速，一次泥石流過程總量，泥石流體整體沖壓力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。進(jìn)而可以為后續(xù)的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和防治工程提供參考依據(jù)。

[1]潘懋,李鐵峰. 災(zāi)害地質(zhì)學(xué)[M].北京大學(xué)出版社.2012.

[2]羅守敬, 張國(guó)華, LUOShoujing,等. 北京月玉溝潛在泥石流特征及其動(dòng)力學(xué)指標(biāo)[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).2016, 27(1):44-48.

[3]楊志全, 張焜, 楊溢,等. 汶川縣麻柳溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]. 地質(zhì)科技情報(bào).2016(5):214-220.

[4]張光慶, 于賀艷, 寇紅梅. 老街新村肖家溝泥石流形成條件與動(dòng)力學(xué)特征分析[J]. 山西建筑.2015(24):71-72.

[5]劉瑞, 王家鼎, 謝婉麗,等. 延安地區(qū)泥石流災(zāi)害的特征分析[J]. 地下水.2013, 35(2):130-131.

2017-03-09

王亞璐(1989-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面工作。

P642.23

A

1004-1184(2017)02-0166-03