楊宏偉 王杰 任光明 李冬 張濤

摘 要 受干旱區(qū)氣候及區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響，硬質(zhì)巖區(qū)泥石流發(fā)育特征較其他濕潤氣候區(qū)具有明顯的不同。本文以天山石城子流域黑石溝為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對其形成條件和發(fā)育特征展開研究，結(jié)果表明，硬質(zhì)巖在干旱環(huán)境下物理風(fēng)化強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)崩塌極為發(fā)育，為泥石流的形成提供大量松散物源；流域地形山高坡陡，溝谷狹窄，比降大，在集中強(qiáng)降雨下，形成泥石流的水動力充足，泥石流體在運(yùn)動過程中侵蝕下切劇烈，多見跌水、基巖谷及底部掏空現(xiàn)象。從堆積物特征分析，為典型稀性水石流，堆積物粘粒含量極少，與干旱區(qū)硬巖物理風(fēng)化特征相吻合。另外，該溝重現(xiàn)期達(dá)20年以上，為典型低頻泥石流，潛在危害性大。在該區(qū)進(jìn)行工程活動時(shí)，需引起高度重視。

關(guān)鍵詞 新疆 干旱區(qū) 硬質(zhì)巖 暴雨泥石流 堆積物

泥石流的形成需同時(shí)具備豐富的松散固體物質(zhì)，足夠的水源和陡峻的地形三個基本條件。對于硬質(zhì)巖層地區(qū)，由于其巖性強(qiáng)度高，風(fēng)化程度較低，為泥石流的形成提供的松散物源量少，加上西北干旱地區(qū)，降雨量少，水源條件不充足，因此通常被認(rèn)為發(fā)生泥石流的可能性較小。然而新疆卻是我國泥石流多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)之一，泥石流活動頻繁，而且大多為暴雨型泥石流，在地域上多分布于天山、阿爾泰山及東西準(zhǔn)噶爾盆地等地區(qū)。新疆獨(dú)特的地理位置及氣候條件決定了其泥石流形成條件及發(fā)育特征有別于其他地區(qū)，本文以新疆哈密天山故鄉(xiāng)河流域典型硬質(zhì)巖區(qū)泥石流溝（黑石溝）為研究對象，重點(diǎn)分析了其形成條件和泥石流發(fā)育特征，總結(jié)出了泥石流形成和發(fā)展的相關(guān)規(guī)律，為該區(qū)泥石流的預(yù)防及治理工作做一定的參考。

一、研究區(qū)泥石流概況

黑石溝位于新疆哈密天山石城子流域三道溝左岸，流域北部為哈爾里克山和伊吾—下馬崖谷地，南部為哈密盆地，屬盆地邊緣中低山區(qū)，受干旱區(qū)降雨和溫度在空間上的水平和垂直分帶特點(diǎn)影響，該地區(qū)暴雨泥石流極為發(fā)育，溝谷形成區(qū)基巖出露，以堅(jiān)硬的花崗巖為主。

二、泥石流形成條件研究

1.溝谷地形條件。黑石溝流域從溝口至后緣分水嶺全長約2.61 km，面積約2.16 km2，總體流向?yàn)镹W304°～353°，形態(tài)呈“葉脈狀”（圖1）。地勢南東高、北西低，分水嶺最高點(diǎn)高程約為2553 m，溝口高程約1 712 m，最大高差約841 m。溝口至溝底高程1850 m溝段三道溝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地發(fā)育明顯，為泥石流形成-流通區(qū)和堆積區(qū)，溝谷呈相對平緩的U型谷，溝道較為順直，其中堆積區(qū)位于Ⅰ級階地上，形成-流通區(qū)位于Ⅱ、Ⅲ級階地；溝底高程1850m至后緣分水嶺為泥石流形成區(qū)，流域三面環(huán)山，一面出口，出口段溝谷狹窄，溝道彎曲較大。受構(gòu)造剝蝕作用，形成區(qū)支溝較發(fā)育，共發(fā)育5條支溝。地勢高陡，流域溝谷切割深度大，多呈狹窄“V”型谷，寬5 m～18 m，形成區(qū)發(fā)育兩級較大跌水坎，高度6 m～8 m，泥石流啟動后經(jīng)過跌水坎的加速達(dá)到很高的速度和動能，對下游區(qū)威脅對象造成更大的破壞。流域溝床平均比降為235.3‰，其中形成-流通區(qū)、堆積區(qū)較緩，約134.5‰～180.3‰，形成區(qū)較陡，329.6‰～365‰，顯然，黑石溝流域具有發(fā)生一定規(guī)模泥石流的溝床比降條件。

圖1 黑石溝泥石流流域及分區(qū)圖

圖2 形成區(qū)（3#支溝）典型崩坡積物源特征

2.松散物源。形成區(qū)基巖為華力西期鉀長花崗巖，為典型的硬質(zhì)巖層，強(qiáng)度高，一般不易風(fēng)化剝蝕，但在長期干燥少雨，溫差大的氣候條件下，硬質(zhì)巖體脹縮、冰劈作用明顯，風(fēng)化卸荷裂隙極為發(fā)育。另外研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造活動較強(qiáng)烈，庫萊斷裂橫穿過形成流通區(qū)，形成區(qū)沿各支溝溝谷構(gòu)造裂隙較發(fā)育，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的3#支溝構(gòu)造裂隙產(chǎn)狀為295°/SW/∠78°，陡傾，加上風(fēng)化裂隙的共同作用，極易形成大量崩塌堆積體（圖2）。崩坡積物主要沿切割較深的支溝分布，由于地形高陡，大粒徑的風(fēng)化剝落塊碎石往往不易在坡表積存，在重力和地表徑流的作用下堆積于坡腳和支溝溝床內(nèi)，堆積物平均粒徑40 cm～50 cm，在遇集中強(qiáng)降雨的情況下，極易參與泥石流活動。通過現(xiàn)場調(diào)查，黑石溝崩坡積松散物源約19.96萬方，物源量豐富。

3.降水。黑石溝位于哈密石城子流域，根據(jù)駱光曉[7]等對該流域降水的分析，降水量從東北向西南遞減，由高山向盆地遞減，年降水量與高程關(guān)系密切，其相關(guān)方程y=7.9852x+543.789，相關(guān)系數(shù)R=0.993 2，其中y為高程，x為降雨量，隨地形升高100 m，降水量增加13.0 mm。因此選取離黑石溝（高程1950 m）較近的白吉水文站和板房溝雨量站降雨資料為參考，如表1所示。

表1 黑石溝流域降水量統(tǒng)計(jì)

黑石溝流域年降水量達(dá)98.6 mm～279.3 mm，平均187.1 mm，以夏季（6～8月）降水最為集中，占全年降水的60%以上，并且降雨歷時(shí)較短，一般45 min左右，降雨強(qiáng)度大，對于長期處于干燥環(huán)境下的松散物源，足以觸發(fā)暴雨泥石流的形成。

三、泥石流發(fā)育特征研究

1.泥石流活動特征分析。通過對黑石溝內(nèi)的泥痕和溝口堆積扇調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該溝泥石流活動較為強(qiáng)烈，有多期活動跡象，保留兩期較大的泥痕，從泥痕斷面厚度觀察，早期泥石流堆積厚度最大，活動最強(qiáng)，近期活動較弱。由于研究區(qū)人煙稀少，對泥石流活動記錄基本沒有，無法確定兩期泥石流的發(fā)生時(shí)間，現(xiàn)結(jié)合泥痕斷面法和雨洪法對兩期泥石流流量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，兩期泥石流流量分別為116.77 m3/s和95.63 m3/s，與1%和5%暴雨頻率下激發(fā)泥石流流量（111.187 m3/s和93.67 m3/s）相一致， 因此該溝泥石流重現(xiàn)期大概為1次（>20年），依照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（DZ/T 0220-2006）應(yīng)判定為低頻泥石流。從溝口堆積扇扇面的發(fā)展演變趨勢來看，早期泥石流堆積扇面大，近期泥石流堆積扇面較小，泥石流活動有逐漸減弱的趨勢，但綜合物源條件分析，該溝仍有暴發(fā)大規(guī)模泥石流的可能。

2.泥石流侵蝕-輸移-堆積特征。黑石溝泥石流在形成區(qū)以下切侵蝕和側(cè)方侵蝕為主，形成區(qū)物源充足，泥石流固相物質(zhì)飽和，密度大速度快，流體內(nèi)部及溝床之間碰撞、摩擦強(qiáng)烈，揭底沖刷強(qiáng)烈，溝床內(nèi)基巖裸露，下切深度大，下切的同時(shí)，在溝道兩側(cè)岸坡形成陡直的臨空面，加劇了側(cè)方侵蝕作用，裂隙發(fā)育破碎的巖體在強(qiáng)烈的下切和側(cè)蝕作用下，底部掏空，呈現(xiàn)不同規(guī)模的基巖谷和跌水坎（圖3）。在溝底高程1 905 m峽谷出口段，溝道彎曲較大，岸坡凹岸陡直，幾乎近直立，溝谷狹窄，僅3 m～6 m，溝道平緩，加上彎道上部緊接一高差近6 m的跌水坎，形成區(qū)高速流動泥石流體經(jīng)過陡坎的加速后，受離心力作用涌向凹岸，形成彎道超高堆積現(xiàn)象（圖4），彎道超高高度達(dá)2 m。泥石流沖出峽谷段進(jìn)入流通區(qū)后，溝床急劇變寬緩，摩擦阻力急劇增大，侵蝕作用明顯減弱，流體兩側(cè)失去邊界條件約束，橫向環(huán)流得到發(fā)展，逐漸發(fā)生滿床堆積，堆積物厚度2 m～3 m，溝道中部以粗顆粒為主，往兩側(cè)顆粒粒徑逐漸變小。在后期高含沙洪水的沖刷作用下，部分溝段堆積物階地發(fā)育。溝口堆積扇發(fā)育明顯，位于三道溝Ⅰ級階地之上，扇寬約130 m，縱長約70 m，坡度8°，堆積物中間厚，1 m～2 m，越往兩側(cè)及扇緣逐漸變薄。堆積扇前緣以大塊（漂）石為主，越往上游，粒徑逐漸變小，堆積體從上往下，顆粒粒徑逐漸變小，表部以大塊石為主，底部以礫石及粗砂為主，為典型的稀性泥石流堆積序列特征。

圖3 形成區(qū)跌水坎及基巖底部掏空

圖4 峽谷出口段彎道超高現(xiàn)象

3.泥石流堆積物粒度特征及流體性質(zhì)。泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運(yùn)的產(chǎn)物，它包含著大量泥石流形成、運(yùn)動、堆積的信息，其粒度特征能充分反映泥石流的搬運(yùn)介質(zhì)和運(yùn)動方式的特點(diǎn) ?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黑石溝各期次泥石流堆積物以塊（漂）碎（礫）石夾粗砂質(zhì)為主，塊石居多，粘粒含量很少，結(jié)構(gòu)松散，多呈次棱狀?，F(xiàn)場對不同時(shí)期泥石流堆積物取樣，進(jìn)行的粒度成分分析結(jié)果如圖7。堆積物中粗顆粒含量比較高，以粗粒為主，各試樣>2 mm的顆粒含量一般在89.42～98.43.10%，<2 mm的顆粒含量為1.57～10.58%，塊石粒徑最大的達(dá)130 cm，大部分塊石粒徑主要分布在30 cm～50 cm的區(qū)段內(nèi)，60 cm～130 cm的漂石相對較少，整體級配較差，間接反映出黑石溝泥石流具有搬運(yùn)速度快、容重高的特點(diǎn)。

對堆積物顆分試驗(yàn)后粒徑小于2 mm的細(xì)顆粒進(jìn)行的比重試驗(yàn)，獲得的黑石溝泥石流堆積物的顆粒比重為2.738，按水土體積比法計(jì)算泥石流容重：

式中：γC為泥石流流體容重（t/m3）；γH固體顆粒的比重；f為固體顆粒與水的體積比，其值根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的泥石流堆積物的組成特征及參照該地區(qū)對相關(guān)泥石流研究成果綜合取值為4：6。按上式計(jì)算的黑石溝泥石流容重平均值為1.695 t/m3，根據(jù)泥石流堆積物顆粒組成中的細(xì)粒含量，結(jié)合野外判別綜合評價(jià)黑石溝泥石流為稀性、水石流類，這與花崗巖組成礦物顆粒粗大（約0.5 mm～2 mm），干旱環(huán)境下以物理風(fēng)化為主，風(fēng)化產(chǎn)物中粘粒含量少且多為粗砂質(zhì)的特點(diǎn)相對應(yīng)。

四、結(jié)論

黑石溝泥石流為典型的新疆干旱區(qū)硬質(zhì)巖層暴雨泥石流，通過上述研究分析發(fā)現(xiàn)，其受氣候和巖性的影響較大，硬質(zhì)巖層物理風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體風(fēng)化裂隙極為發(fā)育，在構(gòu)造裂隙的共同作用下，崩坡積發(fā)育，松散物源充足；流域高差大，形成區(qū)溝谷狹窄陡直，匯水面積大，水動力條件強(qiáng)，泥石流侵蝕下切劇烈，基巖谷和跌水坎發(fā)育，泥石流搬運(yùn)速度快、容重高，易形成彎道超高現(xiàn)象；花崗巖物理風(fēng)化較嚴(yán)重，堆積物以粗顆粒塊石為主，粘粒含量極少，呈現(xiàn)典型稀性泥石流特征，另外，受干旱區(qū)降雨控制，泥石流多為低頻泥石流，潛在危害性大。

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