新疆伊寧克孜勒賽黃土滑坡堵潰型泥石流成災模式

邵 海，魏云杰，黃 喆，朱賽楠，莊茂國，王俊豪，石愛軍

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

0 引言

2017年4月2日凌晨10分左右，新疆伊犁州伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津布拉克牧業(yè)隊克孜勒賽溝發(fā)生黃土滑坡堵潰型泥石流災害，造成直接經(jīng)濟損失50余萬元。新疆伊犁地區(qū)黃土滑坡堵潰型泥石流發(fā)育分布廣泛，僅僅開展過一些區(qū)域滑坡分布規(guī)律與綜合防治研究，而對于黃土滑坡堵潰型泥石流成災模式研究鮮見報道。

國內(nèi)外有學者對滑坡堵潰型泥石流調(diào)查、形成條件、成災機理、靜力學和運動學特征等做了深入研究[1-3]?；露聺⑿湍嗍饕话闶且蚪涤?、冰雪消融等，由孔隙水壓的增加而引發(fā)。如果破壞時，土體飽和，則滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的可能性更大[4]。本文在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上，對滑坡堵潰型泥石流形成條件、成災機理、靜力學和運動學特征進行深入分析，總結(jié)此類地質(zhì)災害的成災模式，為我國新疆黃土地區(qū)類似滑坡堵潰型泥石流災害的科學防災減災和應急避險提供實踐經(jīng)驗和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津布拉克牧業(yè)隊，在伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)北部，距伊寧縣城40 km左右?？俗卫召悳蠈倨だ锴嗪恿饔蛞患壷Я?， 位于皮里青河流域中游，本次發(fā)生的9個滑坡均位于克孜勒賽溝左岸(圖1)。

圖1 克孜勒賽溝地理位置圖Fig. 1 The geographical location of Kezilesai Gully

區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂??；滤诘囊翆幙h多年平均降雨量為257 mm，年最大降雨量570 mm，月平均最大降水量39.3 mm，日最大降雨量為28 mm。伊寧縣降雨量時間上分布不均，其中3～7月降水量較多，月降雨量均在30 mm以上，合計占全年降雨量的50% 左右，本次發(fā)生的克孜勒賽溝滑坡即發(fā)生在降水量較多的4月份。降雪主要集中在每年10月至次年3月，在每年3月初，氣溫回暖，冰雪開始消融。伊寧縣溫差較大，多年平均氣溫為8.4 ℃，年最高氣溫41 ℃，最低氣溫為零下34.3 ℃。

區(qū)域位于伊犁中間地塊西北緣，屬剝蝕堆積塊狀隆起山前黃土丘陵區(qū)地貌。黃土丘陵呈帶狀展布，系受新構(gòu)造運動影響被抬升而形成，主要分布于山前地帶，海拔為900～1 600 m。區(qū)內(nèi)出露地層巖性由老至新為志留系巖層和第四系松散堆積層，志留系巖層主要出露于岸坡及部分溝道內(nèi)，為一套以淺海相、濱海相為主的碳酸鹽巖和陸源碎屑巖系，夾中基性火山巖和安山巖，第四系堆積層主要為風積黃土、泥石流堆積物、崩坡積物、滑坡堆積物、殘坡積物[5]，由于堆積松散，孔隙度大，穩(wěn)定性差，為易滑地層。

2 滑坡堵潰型泥石流形成條件

2.1 地形地貌

克孜勒賽溝最高點位于南側(cè)山脊坡，高程1 461 m，最低點為溝口堆積區(qū)位置，高程為1 225 m，相對高差236 m?？俗卫召悳蠝系垒^順直，溝長0.97 km，溝道縱坡比降為38‰?？俗卫召悳习镀乱远钙碌孛矠橹?，岸坡坡度30°～42°，左側(cè)岸坡為黃土堆積，坡高約為230 m，右岸岸坡多出露基巖，坡高約為200 m。克孜勒賽溝的溝谷形態(tài)不一，溝道溝谷橫斷面上游以V型谷為主，中下游以U型谷為主，溝道寬度變化較大，為8～15 m，切割深度30～150 m。

克孜勒賽溝的地形有利于降水的匯集和徑流，溝道水流對兩側(cè)岸坡侵蝕作用加強，尤其對于溝道轉(zhuǎn)彎凹岸側(cè)蝕作用更甚，掏蝕岸坡，侵蝕作用賦予泥石流強大動力，導致溝谷下切，側(cè)蝕作用增強，岸坡頻繁滑坡，在湍急水流作用下形成泥石流，并迅速下泄。

2.2 水源條件

伊寧縣的降雨主要集中在3～7月份，約占全年降雨量的50%左右，本次發(fā)生的克孜勒賽溝滑坡即發(fā)生在降雨量較多的4月份。

克孜勒賽溝為一季節(jié)性溪溝，主要接受大氣降水和冰雪融水，流量受降水量影響較大，流域內(nèi)斜坡為草場，草場覆蓋率為70%左右，為泥石流的形成和發(fā)展提供了有利條件。

2017年3月31日晚開始， 伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)出現(xiàn)降雨天氣過程，根據(jù)伊寧縣氣象臺站的雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，3月31日的雨量僅為0.2 mm，4月1日為4.1 mm，至4月2日雨量迅速增加達到8.9 mm，4月1日～3日3 d的累計降雨量達23 mm(圖2)。持續(xù)降雨入滲增加了坡體內(nèi)孔隙水壓力,誘發(fā)克孜勒賽溝滑坡發(fā)生，在坡體內(nèi)形成暫態(tài)水壓力和飽和區(qū)，阻滑力急劇下降使滑坡失去穩(wěn)定發(fā)生滑動，持續(xù)降雨是克孜勒賽溝滑坡堵潰型泥石流的激發(fā)因素?？俗卫召悳夏嗍鲗俳涤晷湍嗍?，其暴發(fā)時間和規(guī)模受降雨的控制。

2.3 物源條件

通過對克孜勒賽溝滑坡堵潰型泥石流現(xiàn)場調(diào)查分析，黃土滑坡滑動堆積能夠直接為泥石流提供大量物源，主要為溝道左側(cè)9個黃土滑坡及少量溝道堆積物。9個黃土滑坡為泥石流提供松散固體物質(zhì)物源總量為1.78×105m3(圖3和表1)。

圖2 克孜勒賽溝滑坡發(fā)生前后降雨量圖Fig. 2 Cumulative curve of rainfall prior to and after landslide occurrence in Kezilesai Gully

圖3 克孜勒賽溝黃土滑坡分布圖Fig. 3 The distribution of loess landslide in Kezilesai Gully

序號滑坡位置滑坡坐標滑坡體積(×104 m3)變形破壞模式力學機理堵潰情況說明1溝道左岸N44°8'33.98″E81°32'47.25″0.26蠕滑-拉裂推移式無堵潰2溝道左岸N44°8'33.13″E81°32'48.49″1.20蠕滑-拉裂推移式無堵潰3溝道左岸N44°8'31.03″E81°32'48.87″1.75蠕滑-拉裂推移式形成堵潰4溝道左岸N44°8'30.56″E81°32'47.17″1.24蠕滑-拉裂推移式形成堵潰5溝道左岸N44°8'31.59″E81°32'45.82″2.10蠕滑-拉裂牽引式形成堵潰6溝道左岸N44°8'26.28″E81°32'31.14″6.20蠕滑-拉裂牽引式形成堵潰7溝道左岸N44°8'24.51″E81°32'24.25″3.04蠕滑-拉裂牽引式形成堵潰8溝道左岸N44°8'24.43″E81°32'20.17″0.96蠕滑-拉裂推移式無堵潰9溝道左岸N44°8'25.09″E81°32'18.09″1.05蠕滑-拉裂推移式無堵潰

9個黃土滑坡的變形破壞模式均為蠕滑-拉裂型，除5#、6#和7#滑坡前緣受溝道轉(zhuǎn)彎凹岸側(cè)蝕作用為牽引式滑動外，其余均為推移式滑動[6]。3#和4#滑坡滑動后在同一處形成堰塞壩，5#、6#和7#滑坡分別形成堰塞壩(圖4)。

圖4 克孜勒賽溝溝道滑坡Fig. 4 Landslides in Kezilesai Gully

3 滑坡堵潰型泥石流災害成災機理分析

克孜勒賽溝于2017年3月30日開始降雨，一直持續(xù)至4月2日，在溝道內(nèi)970 m范圍內(nèi)形成1#～9#黃土滑坡。其中3#、4#、5#、6#和7#滑坡堵塞溝道形成堰塞壩，堰塞壩發(fā)生自然串聯(lián)式潰決而形成滑坡堵潰型泥石流災害，掩埋了溝口三戶牧民的羊圈，造成402只羊，5頭牛被掩埋，牧民房屋不同程度受損。黃土斜坡滑動是由黃土液化引起的，其作用機制為持續(xù)降雨形成飽和黃土層，在外力作用下飽和黃土液化，飽和黃土層強度急劇降低構(gòu)成滑坡軟弱帶，在滑體自重下滑分力作用下飽和黃土層產(chǎn)生流動，黃土斜坡失穩(wěn)滑動形成黃土滑坡。黃土滑坡堵潰型泥石流形成過程首先為黃土邊坡由飽和黃土層強度急劇降低構(gòu)成滑坡軟弱帶階段到整體失穩(wěn)滑動，滑坡滑入溝道形成堰塞壩，最后堰塞壩潰決形成泥石流[7-8](圖5)。

圖5 黃土滑坡堵潰型泥石流形成過程示意圖Fig. 5 Formation process of loess landslide-debris flow

4 泥石流靜力學和運動學特征

4.1 滑坡堰塞壩潰決洪峰流量qm

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，3#、4#、5#、6#和7#堰塞壩潰決方式為全潰。采用常用的全潰計算公式[9]，計算3#、4#、5#、6#和7#堰塞壩潰決洪峰流量(圖6)。

(1)

式中：B——壩迎水面寬度(m)；

bm——潰口寬度(m)；

H0——壩前水深(m)。

圖6 滑坡堰塞壩潰口斷面Fig.6 Breach section of landslide dam

由式(1)計算得到，3#、4#、5#、6#和7#堰塞壩潰決洪峰流量分別為5.4 m3/s、10.1 m3/s、49.5 m3/s和30.3 m3/s。

4.2 泥石流流速

采用常用的西部山區(qū)泥石流流速公式進行估算[10]。

(2)

(3)

(4)

式中：Mc——泥石流溝床粗糙系數(shù)；

a——阻力系數(shù)；

R——泥石流水力半徑(m) ，通常用泥深來代替;

Ic——泥石流水力坡度；

γs——固體容重，取1.65～1.8 g /cm3；

γc——泥石流容重。據(jù)現(xiàn)場初判，取泥石流容重1.4 g/cm3；

γw——水的容重，取1.0 g/cm3；

φc——容重系數(shù)。

由式(1)計算得到上游3#滑坡斷面處、6#滑坡斷面處、7#滑坡斷面處的泥石流流速分別為1.88 m/s、2.21 m/s、3.50 m/s(表2)。

4.3 泥石流流量

根據(jù)現(xiàn)場測量泥石流泥痕斷面，可以計算得到3#、6#和7#滑坡斷面處泥石流流量分別為4.51 m3/s、41.39 m3/s和24.85 m3/s。

4.4 泥石流危險區(qū)

由于泥石流的主要危害范圍為泥石流的堆積扇區(qū)，泥石流的堆積扇最大長度、寬度以及堆積面積與泥石流的補給總量的關系式分別為[11]。

L=12.8V0.25

(5)

B=4.44V0.32

(6)

S=38.51V0.58

(7)

式中：L——堆積扇最大長度(m)；

B——堆積扇最大寬度(m)；

S——堆積面積(m2)；

V——泥石流補給體積(m3)。

代入泥石流補給體積V=1.78×105m3，分別得到堆積扇最大長度( 順溝向)L為263.1 m，堆積扇最大寬度( 垂直溝向) B 為212.6 m，堆積扇面積為55 935.06 m2，現(xiàn)場調(diào)查泥石流堆積長度約300 m，堆積寬度約220 m，泥痕高度2 m，兩者結(jié)果較為吻合(圖7)。

表2 克孜勒賽溝溝道不同斷面泥石流流速與流量計算結(jié)果

圖7 泥石流堆積范圍Fig.7 Debris flow accumulation fan

5 防災減災建議

克孜勒賽溝在持續(xù)降雨或暴雨作用下，黃土強度降低，發(fā)生滑坡堵潰型泥石流的可能性大。建議：

(1)對滑坡后緣及滑體上裂縫進行及時封堵，并鋪設截水溝。有條件情況下采取“抗滑樁+排水”的治理措施，對滑坡體進行加固治理。

(2)在溝道兩側(cè)，尤其轉(zhuǎn)彎處加強防護，防止岸坡沖刷。同時對泥石流威脅的公路下方設置涵洞，引導泥石流物源至公路另一側(cè)，同時對溝道及時進行清淤，嚴禁侵占溝道。

(3)劃定危險區(qū)，設立警戒標志。加強群測群防，汛期時需加強巡查，險情早發(fā)現(xiàn)，最大限度地保證牧民群眾的生命財產(chǎn)安全和正常生活生產(chǎn)。

6 結(jié)論

(1)持續(xù)降雨引起的飽和黃土層液化及強度急劇降低是克孜勒賽溝滑坡堵潰型泥石流形成的主要原因。

(2)克孜勒賽溝滑坡堵潰型泥石流形成過程為：持續(xù)降雨→黃土斜坡失穩(wěn)滑動→黃土滑坡堰塞湖→堰塞壩潰決，形成泥石流。

(3)克孜勒賽溝岸坡及溝道內(nèi)還存在大量潛在物源，若遇每年3～6月份的持續(xù)降雨或暴雨，還有形成更大危害的可能性。對其提出針對性的防災減災建議，以降低滑坡堵潰型泥石流災害造成的危害。

致謝：本文得到殷躍平研究員的悉心指導和幫助?，F(xiàn)場調(diào)查得到新疆國土資源廳，新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、伊犁州國土資源局和伊寧縣國土資源局的大力支持。在此深表感謝。

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