某庫壩區(qū)泥石流發(fā)育分布規(guī)律及活動特征研究

葉圣生, 梁 梁, 李會中, 王團樂

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430074)

某庫壩區(qū)泥石流發(fā)育分布規(guī)律及活動特征研究

葉圣生, 梁 梁, 李會中, 王團樂

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430074)

某庫壩區(qū)位于川滇山地,溝谷深切,坡面第四系松散物源豐富,暴雨集中,泥石流活動頻繁。通過大量的遙感解譯、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查等工作,在查明各泥石流溝基本參數(shù)及特征的基礎上,分析庫壩區(qū)泥石流的形成條件,總結(jié)240條泥石流溝的發(fā)育分布規(guī)律,并通過對典型泥石流溝的現(xiàn)場試驗、取樣分析等研究工作,分析總結(jié)其活動特征及危害性。以上總結(jié)研究旨在提高對庫壩區(qū)泥石流災害特點的整體認識,并為泥石流災害防治提供技術基礎。

泥石流;發(fā)育分布;活動特征;危害性

某水電站庫壩區(qū)位于金沙江下游云南祿勸縣—四川省攀枝花市兩省交界地段,庫壩區(qū)河道長約219 km,其中壩址以上—庫區(qū)河道長約206.7 km,壩址以下河道長約12.3 km。庫壩區(qū)地處青藏高原東南緣、川西南山地與云貴高原交接過渡地帶,山高谷深,構(gòu)造復雜,巖體破碎,植被稀少,在暴雨作用下庫壩區(qū)泥石流活動頻繁。

泥石流是庫壩區(qū)主要地質(zhì)災害之一,大規(guī)模泥石流活動可能堰塞河道,沖毀溝道附近建筑物,給水電工程建設期產(chǎn)生較大的安全影響；而在水庫運行期,泥石流活動一方面增加水庫淤積,減少庫容,另一方面由于溝道淤積,造成泥石流在支溝回水末端活動范圍擴大,影響原溝道兩側(cè)農(nóng)田或居民安全。因此本文在現(xiàn)場調(diào)查研究工作基礎之上,總結(jié)某水電站庫壩區(qū)泥石流發(fā)育分布規(guī)律及活動特征,提高對泥石流災害的整體認識。

1 形成條件

1.1 地形地貌

庫壩區(qū)地勢總體上西北高、南東低,以中山為主,局部為高中山區(qū)。山頂高程在800～3 600 m之間,局部坡度在45°以上。溝谷形態(tài)多為狹窄的“V”型谷,河流切割深度一般500～1 000 m,兩岸地形坡度一般在30°左右。根據(jù)對庫壩區(qū)各條泥石流溝谷的溝床比降統(tǒng)計表明,其比降一般在0.1～0.5之間,部分可達1.0左右,平均比降約0.3。溝床兩側(cè)岸坡坡度大、溝床整體比降大的特點為泥石流物源在溝內(nèi)移動提供了便利的地形條件,進一步促使泥石流的形成。

1.2 松散物源

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果,泥石流主要物源為第四系松散堆積體及斷層破碎帶中散體狀巖體。

1.2.1 第四系松散堆積體

庫壩區(qū)第四系松散堆積層分布廣泛,成因多種,構(gòu)成泥石流物源的主要有龍街組、馬店河組的松散堆積層以及人工棄渣等。

馬店河組松散堆積層:為全新世以來的崩坡積層或洪積層,在庫壩區(qū)兩岸溝谷中廣泛分布,多在溝口或坡腳形成陡崖,分布高程可從金沙江岸邊—高程1 300 m左右。

龍街組松散堆積層:形成于晚更新世湖相沉積環(huán)境,主要為灰白色粉土、粉質(zhì)粘土,在溝口或岸邊多因地表水流作用形成土柱和陡崖,其沉積厚度>100 m。

人工棄渣:庫壩區(qū)兩岸各類工程繁多,如礦山開采、公路開挖、廠礦興建等,這些工程活動形成了大量的工程棄渣,為近年來部分泥石流活動提供了豐富的物源。

1.2.2 斷層破碎帶

庫壩區(qū)斷裂發(fā)育,主要斷裂有磨盤山—綠汁江斷裂、湯郎—易門斷裂、銅廠溝—皎西斷裂、馬鹿塘斷裂,其中磨盤山—綠汁江斷裂、湯郎—易門斷裂為活動斷裂。這些斷裂的斷裂帶寬大、巖體破碎,呈散體狀,構(gòu)成泥石流活動主要物源。

1.3 降雨

庫壩區(qū)位于亞熱帶季風氣候區(qū),主要特點是日照時數(shù)多,蒸發(fā)量大,雨量集中,干濕季分明,氣溫年差較小、日差較大。由于區(qū)域地勢高差懸殊,氣候具有明顯的垂直變化,形成了典型的立體氣候。根據(jù)金坪子、元謀縣江邊鄉(xiāng)及攀枝花市的降雨資料,庫壩區(qū)多年平均降雨量一般在600～800 mm(圖1),6月—10月降雨量占全年降雨量的81%。區(qū)內(nèi)暴雨受地形的影響多呈帶狀分布,主要分布在高程1 000～2 500 m之間,暴雨及大暴雨主要出現(xiàn)在6月—8月,暴雨主要出現(xiàn)在夜晚,暴雨歷時6 h以內(nèi)的占暴雨次數(shù)的60%,這些降雨特征有利于松散堆積物充分飽和而減少其內(nèi)摩擦角,降低土體起動的動能要求,從而有利于形成泥石流。

圖1 庫壩區(qū)多年平均降雨量等值線圖Fig.1 Contour map of annual average rainfall in a reservoir and dam site

2 發(fā)育分布規(guī)律

庫壩區(qū)山坡型泥石流與溝谷型泥石流皆有發(fā)育,山坡型泥石流規(guī)模較小,本文只研究溝谷型泥石流。溝谷型泥石流一般溝谷狹長,泥石流物質(zhì)主要來源于溝谷、上游發(fā)育的大規(guī)模崩塌、滑坡及人類工程活動產(chǎn)生的棄渣等。通過應用2.5 m高分辨率SPOT5遙感影像及基于1∶10 000地形底圖的矢量數(shù)據(jù)制作的三維場景,對庫壩區(qū)金沙江河段兩岸凡有堆積扇或具有典型形成區(qū)與流通區(qū)特征的溝谷進行泥石流影像解譯,在解譯成果基礎上開展現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查工作,并選取庫壩區(qū)29條堆積扇明顯、活動頻繁的典型泥石流溝進行現(xiàn)場試驗和取樣分析等研究工作。經(jīng)上述工作,查明庫壩區(qū)左岸分布泥石流溝136條,右岸分布泥石流溝104條,兩岸共有泥石流溝240條[1]。

2.1 泥石流分布與地形地貌

2.1.1 與形成區(qū)平均坡度關系

對庫壩區(qū)240條泥石流溝進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)泥石流溝分布與形成區(qū)平均坡度成正態(tài)分布[2],形成區(qū)平均坡度在20°～40°分布的泥石流溝數(shù)量最多,約占總數(shù)的73.7%(圖2)。造成這種分布的主要原因是地形坡度在20°～40°時有利于第四系松散堆積物累積,在暴雨作用下容易出現(xiàn)變形破壞,為泥石流活動提供豐富的物源。地形較緩時,堆積體穩(wěn)定,提供泥石流活動的物源較少；地形較陡時,堆積層在天然狀態(tài)下就不穩(wěn)定,堆積層很薄。

圖2 泥石流分布與形成區(qū)平均坡度關系Fig.2 The relationship between debris flow distribution and average slope in formation region

2.1.2 與主溝床平均比降關系

庫壩區(qū)泥石流溝的主溝床平均比降主要集中在100‰～400‰,占泥石流溝總數(shù)的68.4%(圖3)。當溝床平均比降<100‰時,水力坡度過緩,洪流攜帶能力及沖刷能力較小,多形成洪水；當溝床平均比降>400‰時,溝床較陡,松散物質(zhì)難以堆積,泥石流活動偏少。

2.1.3 與流域面積關系

庫壩區(qū)不同流域面積發(fā)育的泥石流溝比例見表1,從表中可以看出流域面積在10 km2以內(nèi)的泥石流溝占總數(shù)的81.3%,并且集中分布在3 km2以下的流域范圍內(nèi)。隨著流域面積的增大,整體呈現(xiàn)出泥石流溝數(shù)量隨流域面積增大而減小的特點。

圖3 泥石流分布與主溝床平均比降的關系Fig.3 The relationship between distribution of debris flow and average gradient of main channel bed

表1 不同流域面積泥石流溝分布比例統(tǒng)計Table 1 The ratio of debris flow distribution in different drainage area

流域面積/km2泥石流個數(shù)百分比/%流域面積/km2泥石流個數(shù)百分比/%≤133.8≤133.81～213.81～535.42～310.85～1012.13～46.310～259.24～54.625～504.65～62.950～1002.96～73.3100～2001.37～80.8200～5000.48～105.0>5000.4

圖4 泥石流分布與流域最大相對高差的關系Fig.4 The relationship between debris flow distribution and maximum relative elevation of Watershed

2.1.4 與溝谷相對高差關系

庫壩區(qū)位于中山地貌區(qū),泥石流溝流域最大相對高差約2 250 m,從圖4可以看出以相對高差0.3～1.5 km的泥石流溝最為發(fā)育,約占總數(shù)的83.7%,其中以相對高差0.6～0.9 km的泥石流溝最為發(fā)育,約占總數(shù)的35.4%。

2.2 泥石流分布與形成區(qū)地層巖性

形成區(qū)地層巖性是指形成區(qū)基巖的主要地層巖性,組成物源的第四系松散堆積體及斷層破碎帶不參與形成區(qū)地層巖性統(tǒng)計。

2.2.1 與形成區(qū)主要巖性組關系

根據(jù)工程地質(zhì)巖組分類原則,形成區(qū)巖性組可劃分為5組(表2),庫壩區(qū)泥石流溝形成區(qū)主要巖性統(tǒng)計結(jié)果見圖5,從圖中可以看出庫壩區(qū)泥石流主要發(fā)育于碎屑巖(S)及淺變質(zhì)巖(BQ)中,兩者發(fā)育的泥石流溝約占總數(shù)的68%。

圖5 不同巖性組泥石流溝發(fā)育數(shù)量統(tǒng)計Fig.5 The ratio of debris flow distribution in different lithologic groups

庫壩區(qū)主要巖性組整體成片分布,某個巖性組中泥石流溝在金沙江河道上的分布密度也在一定程度上反應了泥石流發(fā)育程度。統(tǒng)計不同巖性組中泥石流分布密度特征(見圖6),從圖6中可以看出庫壩區(qū)變質(zhì)巖中泥石流分布密度最大,這與其經(jīng)歷長期地質(zhì)構(gòu)造等作用而導致變質(zhì)巖區(qū)巖體破碎程度高等地質(zhì)因素密切相關。

圖6 不同巖性組中泥石流溝河道分布密度統(tǒng)計Fig.6 The ratio of debris flow distribution on riverside in different lithology groups area

2.2.2 泥石流與形成區(qū)地層年代關系

庫壩區(qū)地層年代與前述巖性分類總體呈對應關系,碎屑巖為新地層,到深變質(zhì)巖地層年代更為久遠,為相對老地層。泥石流發(fā)育數(shù)量與地層年代大體呈比例關系,地層年代越久遠,泥石流發(fā)育數(shù)量越多,其主要原因是老地層經(jīng)歷多期構(gòu)造運動,巖體破碎程度高,風化強烈,表層可作為泥石流物源的松散層發(fā)育,導致泥石流發(fā)育數(shù)量多。

2.3 泥石流分布與斷裂

某庫壩區(qū)斷裂構(gòu)造主要集中在庫首及庫尾一帶,庫中部位斷裂不發(fā)育,且斷裂構(gòu)造總體呈近南北向展布,垂直金沙江或平行金沙江,少量近東西向。庫首—湯郎一帶區(qū)域性斷裂發(fā)育程度高,且多為南北向,主要斷裂有德干斷裂、馬鹿塘斷裂、銅廠溝—皎西斷裂、湯郎—易門斷裂,一般間隔10～20 km一條大型斷裂帶垂直金沙江通過；近東西向斷裂主要有落雪—通安斷裂及糖房—瓦廠田斷裂,位于金沙江北岸。庫尾龍川江河口—末端攀枝花金沙江流向近南北向,區(qū)域大斷裂磨盤山—綠汁江斷裂平行金沙江且位于江邊一帶展布。

按庫首及庫尾斷裂密集區(qū)、庫中斷裂稀疏區(qū)兩類區(qū)域?qū)δ嗍靼l(fā)育密度進行統(tǒng)計表明,順金沙江河谷斷裂密集區(qū)泥石流發(fā)育線密度為0.49條/km,斷裂稀疏區(qū)泥石流發(fā)育線密度為0.57條/km,兩者基本相當；但兩類區(qū)域內(nèi)泥石流發(fā)育面密度存在明顯差距,斷裂密集區(qū)泥石流發(fā)育面密度為12.9條/100 km2,斷裂稀疏區(qū)泥石流發(fā)育面密度為4.7條/100 km2。根據(jù)統(tǒng)計表明,在斷裂構(gòu)造密集區(qū)域內(nèi),泥石流發(fā)育程度更高,主要是在構(gòu)造作用影響下,斷裂密集區(qū)巖體破碎程度高,流域內(nèi)松散巖土體發(fā)育,構(gòu)成泥石流重要物源,在相對較小流域面積內(nèi)即可爆發(fā)泥石流活動。

3 活動特征

3.1 定性判別

根據(jù)泥石流勘查規(guī)范[3],對庫壩區(qū)240條泥石流溝發(fā)展階段、單溝活動強度進行統(tǒng)計,泥石流易發(fā)程度采用可拓學及規(guī)范評判方法進行綜合評價[4],統(tǒng)計結(jié)果見表3。從表中可以看出,庫壩區(qū)泥石流發(fā)展階段為壯年期,泥石流溝的單溝活動強度為較強—強占泥石流溝總數(shù)的96%以上,而99%以上泥石流溝的易發(fā)程度均為輕度易發(fā)—易發(fā)。

3.2 典型泥石流溝運動特征

通過對29條典型泥石流的堆積區(qū)物質(zhì)進行現(xiàn)場篩分,并采用多種方法判定泥石流的容重,經(jīng)統(tǒng)計,容重>1.6 t/m3有24條,多為粘性泥石流。

表3 泥石流基本特征定性判斷統(tǒng)計Table 3 Qualitative judgment and statistics of basic characteristics of debris flow

根據(jù)實際調(diào)查,采用形態(tài)調(diào)查法及雨洪法計算典型泥石流溝的流速、流量,不同流速、流量的泥石流溝分布比例見圖7、圖8,從圖中可以看出,流速一般為4～14 m/s,流量一般為100～1 500 m3/s。

根據(jù)固體儲量、泥痕信息、降雨量等特征推算一次泥石流最大沖出量(L1)[5],統(tǒng)計結(jié)果表明84%泥石流溝的一次泥石流最大沖出量<10萬m3,而74%的泥石流溝一次泥石流最大沖出量在2萬～8萬m3之間(圖9)。

圖7 不同流速段泥石流溝分布比例Fig.7 The ratio of debris flow distribution in different flow velocity section

圖8 不同流量段泥石流溝分布比例Fig.8 The ratio of debris flow distribution in different flow section

3.3 典型泥石流溝危害性

3.3.1 最大危險范圍統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的參數(shù),采用泥石流勘查規(guī)范計算單溝堆積區(qū)危險范圍,統(tǒng)計結(jié)果表明大部分典型泥石流溝的堆積區(qū)最大危險范圍在0.2～0.4 km2之間(圖10)。

圖9 不同一次泥石流最大沖出量段泥石流溝分布比例Fig.9 The ratio of debris flow distribution in different of the maximum discharge in a debris flow process

圖10 不同危險范圍的泥石流溝分布比例Fig.10 The ratio of debris flow distribution in different dangerous areas

3.3.2 堵江預測

根據(jù)調(diào)查,金沙江在過去200年以來未發(fā)生過泥石流堵江事件,歷史上曾發(fā)生過的堵江事件為滑坡或遠程滑坡造成的。

水庫蓄水后,泥石流溝淤積范圍主要集中在支溝回水末端,泥石流活動不會造成金沙江堵塞。水庫蓄

水前,采用陳德明等提出泥石流的堵河判別式對典型泥石流溝進行判別[6],判別結(jié)果均為不會發(fā)生堵江。

4 結(jié)語

(1) 某庫壩區(qū)位于川滇山地地帶,河流深切,岸坡陡峻,巖體破碎,坡面第四系松散物源豐富,加之降雨集中,極易引發(fā)泥石流活動。經(jīng)調(diào)查,庫壩區(qū)發(fā)育240條泥石流溝,泥石流是庫壩區(qū)主要地質(zhì)災害之一。

(2) 經(jīng)統(tǒng)計,庫壩區(qū)泥石流主要發(fā)育于碎屑巖(S)及淺變質(zhì)巖(BQ)中；受形成區(qū)地形坡度的影響,在坡度20°～40°分布的泥石流溝數(shù)量最多；在斷裂構(gòu)造密集區(qū)域內(nèi),巖體破碎,泥石流發(fā)育程度更高。

(3) 庫壩區(qū)典型泥石流溝的流速一般4～14 m/s,流量一般為100～1 500 m3/s,泥石流溝一次泥石流最大沖出量在2萬～8萬m3之間,堆積區(qū)危險范圍一般為0.2～0.4 km2,不會造成堵江。

[1] 陳劍平,王清,葉圣生,等.金沙江某水電站可行性研究階段庫壩區(qū)泥石流工程地質(zhì)研究[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,2009.

[2] 徐如閣,鄭萬模,巴仁基,等.大渡河流域泥石流發(fā)育特征研究[J].人民長江,2013(增刊):117-119.

[3] 四川省國土資源廳.泥石流災害防治工程勘查規(guī)范:DZ/T 0220—2006[S].北京:中國標準出版社,2006.

[4] 劉厚成,谷秀芝.基于可拓層次分析法的泥石流危險性評價研究[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2010,21(3):61-66.

[5] 劉希林,唐川.泥石流危險性評價[M].北京:科學出版社,2004.

[6] 陳德明,王兆印,何耘.泥石流入?yún)R對河流影響的實驗研究[J].泥沙研究,2002(3):22-28.

(責任編輯：于繼紅)

Study on the Distribution Regularities and Activity Characteristics ofDebris Flow in a Reservoir and Dam Site

YE Shengsheng, LIANG Liang, LI Huizhong, WANG Tuanle

(ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearchCo.Ltd.,Wuhan,Hubei430074)

A reservoir and dam site is located in Sichuan-Yunnan mountainous region with deep gullies; the quaternary loose source is abundant,concentrated in rainstorm and frequent in debris flow. The rainstorm is concentrated in rainy season in local areas,which cause debris flow in high frequency. In this paper,a large number of remote sensing interpretation and on-site geological survey work are carried out,on the basis of the essential parameters and characteristics of the debris flow gullies,the formation conditions of debris flow in reservoir dam area are analyzed,and the development and distribution regularities of 240 debris flow gullies are summarized. At the same time,through the field test and sampling analysis of typical debris flow ditch,the activity characteristics and harmfulness are summarized.Through the research above,the purpose is to improve the overall understanding of debris flow disaster characteristics in reservoir dam area,and to provide technical basis for debris flow disaster prevention and control.

debris flow; development distribution; activity characteristics; danger

2017-06-26;改回日期:2017-07-05

水利部“948”項目——泥石流自動監(jiān)測與預警系統(tǒng)(201510)。

葉圣生(1970-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電、地質(zhì)災害防治等工程勘察、設計、研究工作。E-mail:shenthy@163.com

P642.23

A

1671-1211(2017)04-0501-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.032

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170628.1113.004.html 數(shù)字出版日期:2017-06-28 11:13