魏小佳, 裴向軍, 蒙明輝

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué), 四川 成都 610059)

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中巴公路奧依塔克-布倫口段高寒山區(qū)泥石流特征

魏小佳, 裴向軍, 蒙明輝

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué), 四川 成都 610059)

摘要：[目的] 掌握高寒山區(qū)泥石流的空間發(fā)育特征，進(jìn)而分析泥石流的誘發(fā)機(jī)制及危害程度。[方法] 以實(shí)地調(diào)查為基礎(chǔ)，對(duì)中巴公路“三高”(高寒、高海拔、高烈度)地區(qū)泥石流分布特征、誘發(fā)機(jī)制進(jìn)行研究。[結(jié)果] 該區(qū)晚近構(gòu)造活躍，巖體結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，再加上地處高寒山區(qū)，受氣候影響，巖體凍融剝落，從而為泥石流的爆發(fā)創(chuàng)造物源條件。此外，天山獨(dú)特的構(gòu)造特征，山頂存在數(shù)百米厚的砂卵石層，保證了物源的補(bǔ)給速率。同時(shí)，高陡的地形提供了足夠的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能，從而集中降水和融雪作用成為泥石流暴發(fā)的直接誘因，散粒體因侵蝕揭底、坍塌堵塞、潰決形成泥石流。[結(jié)論] 高寒山區(qū)泥石流的形成主要受氣候、地形地貌、水力以及地質(zhì)條件的影響。較普通降雨型泥石流有較大差異，高寒山區(qū)泥石流具有明顯的高原特性，在物源、水源和地形條件上均有體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：中巴公路； 高寒山區(qū)； 泥石流； 寒凍風(fēng)化； 融雪

泥石流是山區(qū)常見的自然地質(zhì)現(xiàn)象，其與崩塌、滑坡一同構(gòu)成三大地質(zhì)災(zāi)害，它暴發(fā)突然，危害大，防不勝防[1-3]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高寒、高海拔山區(qū)泥石流災(zāi)害活動(dòng)也非常頻繁[4-5]，但目前對(duì)其認(rèn)知較少。隨著國(guó)家交通建設(shè)的發(fā)展，泥石流對(duì)“進(jìn)藏入疆”公路造成較大危害。高寒高海拔山區(qū)泥石流，無(wú)論是形成條件(物源、水源)還是其形成和堆積過(guò)程，同常規(guī)泥石流相比，均存在著一定的差異性。國(guó)道G314(中巴公路)奧依塔克—布倫口段是喀什通往塔什庫(kù)爾干縣、紅其拉甫口岸的必經(jīng)段，是加強(qiáng)中巴合作的交通要塞。該路線段山嶺重丘，多依山傍河而行，山勢(shì)險(xiǎn)峻，公路線位最高海拔3 560 m。該區(qū)自然條件極其惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，再加上地處高寒、高烈度、高海拔山區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，寒凍風(fēng)化顯著，導(dǎo)致崩滑流以溜砂坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，從而對(duì)公路的安全運(yùn)營(yíng)造成巨大的潛在威脅，其中泥石流尤為嚴(yán)重。巖體凍脹解體，提供物源；山高坡陡，具有良好的重力條件，降雨和融雪水成為其暴發(fā)的直接誘因。

本文以國(guó)道G314改建工程為依托，以實(shí)地調(diào)查為基礎(chǔ)，掌握泥石流的空間發(fā)育特征，進(jìn)而分析泥石流的誘發(fā)機(jī)制及危害程度，為中巴公路的改建工程提供建議和意見。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈南支，屬于塔里木盆地西南的西昆侖山腹地構(gòu)造單元。在強(qiáng)烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及寒凍風(fēng)化等外營(yíng)力作用，形成多種地貌類型。道路沿線長(zhǎng)約70 km，蓋孜河南北貫穿整個(gè)區(qū)域。在南部高山區(qū)，高山陡峻，河流侵蝕下切作用強(qiáng)烈，溝谷較深，多為“V”型，拔河高差逾越1.0 km，線路沿著蓋孜河左岸坡腳盤沿而上，崩塌、落石較為嚴(yán)重。在北部即蓋孜河下游，主要為中山地貌，溝谷寬緩，可達(dá)數(shù)百米，為典型的“U”型谷，該區(qū)段河流堆積作用明顯，物源充分，是泥石流暴發(fā)聚集地。

區(qū)段內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，從古生界至新生界地層皆有分布。K1550—K1563+200段主要為第三系砂巖、礫巖等沉積巖巖類，其余主要為侵入巖和變質(zhì)巖地段，巖性主要為：花崗巖、輝綠巖、千枚巖等。構(gòu)造活躍，以強(qiáng)烈擠壓、褶皺和隆起為主，因而形成高聳的褶皺山和斷塊山。地震活動(dòng)頻繁，基本烈度為Ⅷ度，為典型的高烈度、高海拔山區(qū)。再加上強(qiáng)烈的凍融循環(huán)作用，促使巖體逐漸剝落，為泥石流的暴發(fā)提供了物源條件。

氣候?qū)倥瘻貛Ц珊禋夂颍汗庹諘r(shí)間長(zhǎng)，降雨稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫晝夜相差大，冬季長(zhǎng)而夏季短。年平均氣溫5.6 ℃，極端最低氣溫-27.2 ℃，極端最高氣溫32.7 ℃；年平均降水量97.2~127.5 mm，最大降水量41.7 mm(1966年)。為典型的高寒山區(qū)，其最大凍結(jié)深度為1.73 m。

2泥石流災(zāi)害空間分布概況

2.1　泥石流總體分布

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)查，中巴公路(G314)奧依塔克—布倫口段沿線地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、泥石流、水毀、溜砂坡等，對(duì)公路建設(shè)影響嚴(yán)重或較嚴(yán)重共計(jì)237處，具體數(shù)量及比例見表1。泥石流是最主要的地質(zhì)災(zāi)害，所占比例為52.74%。研究區(qū)褶皺斷層異常發(fā)育，周圍山勢(shì)陡峭，巖性復(fù)雜多變且在強(qiáng)烈寒凍風(fēng)化作用下疏松破碎，致使沿線的巖體碎裂化程度高，在外部動(dòng)力、暴雨及冰凍的聯(lián)合作用下，泥石流物源極為豐富。再加上良好的溝道條件及地形高差，使研究區(qū)的泥石流活動(dòng)頻繁，對(duì)公路交通安全造成了極大的威脅。

表1　公路沿線災(zāi)害類型及比例

線路內(nèi)段共發(fā)育泥石流共125處，沿途均有分布，分布線密度為1.78處/km，規(guī)模以中—小型為主。由于物源主要為寒凍風(fēng)化形成的塊碎石和階地砂卵石成分，黏粒等細(xì)粒成分較少，以稀性泥石流為主。

2.2　泥石流特征

區(qū)內(nèi)溝谷型泥石流和山坡型泥石流均有發(fā)育，所占比例相當(dāng)，其中溝谷型54處，約占43.2%，山坡型71處，占56.8%。

溝谷型泥石流運(yùn)移溝道狹窄多彎，寬度10～20 m不等，縱坡降約87‰～364‰。兩側(cè)山體坡度較陡，主要集中在40°～70°，岸坡高陡，為崩解性物源匯聚創(chuàng)造了條件。崩落的塊碎石阻塞溝道，逐漸積蓄能量，在降雨和融雪水作用下，潰決形成泥石流。溝口一般較寬緩，堆積范圍寬廣，對(duì)泥石流存在一定的緩沖效應(yīng)，從而導(dǎo)致堆積扇平緩，坡度2°~7°。該類泥石流危害較小，危害程度一般，常采用涵洞和攔擋墻進(jìn)行治理。

山坡型泥石流具有坡降大，運(yùn)移路徑短的特點(diǎn)。由于物源主要為寒凍風(fēng)化產(chǎn)物的塊碎石，其形成區(qū)與流通區(qū)融為一體，在水流作用下，快速運(yùn)動(dòng)至坡腳，形成堆積扇，堆積坡度10°～25°。該類泥石流(水石流)，爆發(fā)突然、運(yùn)動(dòng)速度快，危害程度較大。

總之，研究區(qū)地處高寒、高海拔山區(qū)，寒凍風(fēng)化強(qiáng)烈，凍融崩解物源補(bǔ)給較快，導(dǎo)致大部分泥石流活動(dòng)頻繁，頻率主要集中在1 a1次。規(guī)模均相對(duì)較小，一次固體物質(zhì)沖出量?jī)H幾十方到數(shù)百方不等，但由于溝口緊鄰公路，對(duì)公路安全運(yùn)營(yíng)造成直接威脅，危害程度較大。

3泥石流成因機(jī)制

高寒、高海拔山區(qū)泥石流，有別于低山區(qū)泥石流，具備明顯的高原特性，其在物源、水源和地形條件均有體現(xiàn)[6-7]。同一般泥石流相比，高寒氣候造成的寒凍風(fēng)化、融雪水等因素在泥石流形成過(guò)程中，占據(jù)著重要指導(dǎo)作用(如圖1所示)。

圖1　高寒山區(qū)泥石流形成機(jī)制

3.1　泥石流形成條件

3.1.1氣候條件研究區(qū)屬暖溫帶干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降雨稀少，但季節(jié)性強(qiáng)。晝夜溫差大，極低最高氣溫32.7 ℃，最低氣溫-27.2 ℃，冬季長(zhǎng)而夏季短。其獨(dú)特的高寒氣候?qū)δ嗍鞯男纬删哂酗@著效應(yīng)，主要分3個(gè)方面。(1) 受氣候影響，導(dǎo)致研究區(qū)寒凍風(fēng)化強(qiáng)烈。巖體白天暴曬膨脹，夜晚寒凍收縮，反復(fù)熱脹冷縮導(dǎo)致其產(chǎn)生微裂紋，從而為雪水滲透創(chuàng)造了條件，加劇寒凍風(fēng)化速率，巖體崩解碎落，形成較多的塊碎石，為泥石流的形成提供豐富的物源條件。(2) 高寒氣候，年平均溫度5.6 ℃，再加上降雨稀少，基巖裸露，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)困難，僅局部有零星草叢。其獨(dú)特的植被情況不僅有利于雨季產(chǎn)流和匯流的形成，而且失去了植被的固坡作用，散粒體更加容易啟動(dòng)。(3) 夏季日照強(qiáng)，氣溫高，融雪快速，促使水源豐富，易爆發(fā)泥石流，因此氣溫成為泥石流爆發(fā)的直接誘因。

3.1.2重力條件重力條件是泥石流發(fā)生、發(fā)展以及運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力條件，其來(lái)源于地形地貌特征。高寒山區(qū)泥石流的形成與地形地貌條件密切相關(guān)。整個(gè)研究區(qū)山勢(shì)陡峻，坡度多在40°～60°之間，谷峰高差較大，逾越1 000 m。坡表沖溝為泥石流提供了良好的溝道條件，在較大溝床縱比降條件下，十分有利于水流的快速匯聚和泥石流的啟動(dòng)，由此也為泥石流運(yùn)動(dòng)提供了充足的勢(shì)能。

3.1.3物源與補(bǔ)給條件調(diào)查表明，該區(qū)段各泥石流的物源形態(tài)單一，總體上可分為3種：崩落型、堆積型、侵蝕型。

(1) 崩落型。該類物源的形成來(lái)源于兩種不同的構(gòu)造途徑。其一，研究區(qū)晚近構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖體在構(gòu)造應(yīng)力和變質(zhì)作用下，扭曲變形明顯，再加上高寒山區(qū)強(qiáng)烈的凍融風(fēng)化作用，尤其是千枚巖和輝綠巖地段，導(dǎo)致地表巖層破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌、碎落等重力地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，從而形成較多的松散塊碎石堆積體。其二，新疆獨(dú)特的地貌特征(“三山夾兩盆”)，強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升作用，形成較多的階地產(chǎn)物，以砂卵石層為主，厚度較大，達(dá)數(shù)百米(圖2)。卵石層膠結(jié)程度較低，穩(wěn)定性較差，在雨水和融雪水作用下，逐漸崩落、滑塌，為泥石流形成提供了豐富的固體物質(zhì)。該類物源，補(bǔ)給頻率穩(wěn)定，且具有長(zhǎng)期性。

圖2　山頂卵石層

(2) 堆積型。該類物源以磂沙坡以及坡表的崩坡積、殘坡積物為主，結(jié)構(gòu)松散，在長(zhǎng)期的自重應(yīng)力和雨水作用下，將直接由滑坡轉(zhuǎn)換或補(bǔ)給形成泥石流。該類物源規(guī)模相對(duì)加大，具有較大的毀滅性。

由圖5和表4可知，增大采樣間隔τ后，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生的假目標(biāo)集中分布在真實(shí)目標(biāo)兩側(cè)，干擾能量的分布集中至分布中心。雖然MTD所得的目標(biāo)距離相比真實(shí)目標(biāo)發(fā)生偏移，而速度信息仍然無(wú)偏差。與多相位分段調(diào)制干擾相比，雖然真實(shí)目標(biāo)被遮蓋，但沒有形成欺騙效果。

(3) 侵蝕型。該類物源主要分布于起始段，即蓋孜河流下游。該區(qū)段以堆積作用為主，在坡腳和泥石流溝道內(nèi)存在較多的塊石、卵石等散粒體。泥石流形成可分為以下幾個(gè)階段[8]：首先，水流沖刷，侵蝕揭底；其次，散粒體坍落堵塞溝道；再者，潰決形成泥石流。該類泥石流估摸相對(duì)較小，數(shù)十方上百方不等。

不同地貌特征，物源補(bǔ)給形態(tài)也有所差異。在南段高山峽谷區(qū)，主要以寒凍風(fēng)化形成的崩落型物源為主，形成的泥石流規(guī)模較?。槐倍巍癠”型谷，堆積作用明顯，以堆積型和侵蝕型物源為主，其形成的泥石流規(guī)模相對(duì)較大，堆積扇寬緩。

3.1.4水力條件研究區(qū)年總降水量較少，年平均降水量97.2～127.5 mm，最大降雨量41.7 mm(1966年9月)。降水主要集中在夏季，即泥石流活躍期為6—8月。此外，研究區(qū)地處高寒山區(qū)，冬季因降雪致使山頂積雪豐富，夏季氣溫驟升，積雪大量而快速融化，為泥石流提供了良好的水力條件。上述條件造就了該區(qū)泥石流的獨(dú)特性，其暴發(fā)性與氣溫息息相關(guān)，天氣晴朗，氣溫升高，從而成為泥石流高發(fā)期。這點(diǎn)相對(duì)降雨型泥石流而言，具有顯著的差異。

獨(dú)特的氣候、地形地貌、地質(zhì)以及水力等條件，構(gòu)筑了中巴公路頻繁的泥石流活動(dòng)。寒凍風(fēng)化、坡頂卵石層滑塌保證了物源補(bǔ)給速率與數(shù)量，此外周期性融雪和冰川消融條件，促使泥石流活動(dòng)具有一定的周期性，其頻率主要集中在每年1次，部分溝道可達(dá)到每年3~4次?；钴S期主要集中在夏季，這與夏季氣溫飆高，積雪快速融化息息相關(guān)，再加上該季節(jié)降水集中，進(jìn)一步加劇了其活動(dòng)頻率。

3.2　泥石流形成外因

泥石流的形成，除了受物源、水源和地形等內(nèi)在自然因素控制外，還受到人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)的影響[9]，如：濫伐山林，改坡造田，修建交通、水利，采礦、采石棄渣等，往往造成水土流失，提供大量物源，誘發(fā)泥石流。

研究區(qū)段居住人煙稀少，無(wú)植被覆蓋，外因主要來(lái)源于修建水電站、公路過(guò)程中不合理?xiàng)壴挠绊憽２划?dāng)?shù)墓こ袒顒?dòng)，亂開亂挖不僅為泥石流形成提供散體物源，同時(shí)也加劇了水土流失的發(fā)展。在水電和公路施工過(guò)程中，隧洞、陡坡開挖，形成較多的棄渣，再加上堆置不當(dāng)，截排水、護(hù)坡、擋墻等防護(hù)不當(dāng)，極易形成棄渣泥石流。此外，沿線部分地段過(guò)水路面、涵洞等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，過(guò)流能力較差，從而加劇了泥石流的危害程度。

3.3　典型泥石流事件分析

本次泥石流具有典型的高寒山區(qū)泥石流特征，受氣溫影響所控制。形成區(qū)上高坡陡，發(fā)育有數(shù)條沖溝；流通區(qū)為早期泥石流堆積扇，經(jīng)水流沖刷形的狹窄溝道，寬約2.0~5.0 m，坡度5°~15°；堆積區(qū)為扇體前緣公路。在光照、高溫作用下，積雪與冰川消融迅速，經(jīng)沖溝匯聚化形成水流，不斷侵蝕坡表和溝口松散堆積體。在沖刷作用下，散體物質(zhì)滑塌，堵塞溝道，最終潰決形成泥石流。由于坡度較緩，最大運(yùn)動(dòng)速度約2.0 m/s。

注：圖中a,b,c,d表示泥石流暴發(fā)過(guò)程順序。下同。

圖4　第二波泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程(位置2)

圖5　泥石流堆積情況

4結(jié) 論

(1) 崩塌、泥石流、水毀、溜砂坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，總計(jì)237處，泥石流是最主要的地質(zhì)災(zāi)害，125處，所占比例為52.74%，沿線均有分布，分布線密度為1.78處/km。

(2) 溝谷型泥石流和山坡型泥石流均有發(fā)育，所占比例相當(dāng)，其中溝谷型54處，約占43.2%，主要展布于以堆積作用為主的北段，堆積扇寬緩，緩沖距離較長(zhǎng)，危害程度較小；山坡型71處，占56.8%，以高山峽谷區(qū)居多，山高坡陡，運(yùn)動(dòng)速度快，危害嚴(yán)重。

(3) 區(qū)內(nèi)泥石流具有典型的高原特性，不同于降雨型泥石流，天氣晴朗，溫度越高越易誘發(fā)泥石流。暴發(fā)頻率主要集中在每年1次，部分溝道可達(dá)到每年3，4次，以夏季最為活躍。降雨稀少，氣溫飆高，主要

受到快速融雪、冰川消融作用的影響。

(4) 研究區(qū)泥石流的形成主要受氣候、地形地貌、水力以及地質(zhì)條件的影響。首先晚近構(gòu)造活躍，巖體破碎，寒凍風(fēng)化強(qiáng)烈，再加上山頂存在數(shù)百米厚卵石層，提供了充足的物源保障；高陡的地形，提供了足夠的運(yùn)動(dòng)勢(shì)能，一旦遇見集中降水或大量融雪水作用，散粒體侵蝕揭底、坍塌堵塞、潰決形成泥石流。

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Characteristics of Debris Flow at Aoyitake-Bulunkou Section of Sino-Pakistan Highway in Alpine Mountains

WEI Xiaojia, PEI Xiangjun, MENG Minghui

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironment

Protection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Abstract：[Objective] To acquire the characteristics of debris flow in alpine mountain in order to analyze the mechanism and the harm degree. [Methods] Based on the field investigation, the “three high” distribution of debris flow (cold, high-altitude, high-intensity) along Sino—Pakistan highway, the inducing mechanism were researched. [Results] At this area, tectonic movement was active, rock mass structure was broken, joint fracture was developed, besides located in the alpine mountains, and affected by climate and the rock thaw to spall, thus created conditions for the outbreak of the debris flows. In addition, because of the unique structural characteristics of Tianshan Mountain, there were several hundred meters thick of sand and gravel layer to ensure the replenishment rate. High and steep terrain provided sufficient movement potential. Thereby concentrating rainfall and snowmelt role were the direct causes of the outbreak of debris flow. Erosion, collapse blocked and outburst came into being debris flow. [Conclusion] The debris flow in alpine mountain was mainly affected by climate, terrain, hydraulic power and geological conditions. With the greater difference from rainfall debris flow, it has obvious plateau characteristics, reflected in the source material, water and terrain conditions.

Keywords:Sino-Pakistan highway; alpine mountain; debris flow; frost weathering; snowmelt

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0354-05

中圖分類號(hào)：P642.23

收稿日期：2014-03-30修回日期：2014-04-19

資助項(xiàng)目：國(guó)土資源部公益性行業(yè)專項(xiàng)“突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)支撐關(guān)鍵技術(shù)研究”(201211055); 西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“新疆邊防公路病害整治優(yōu)化技術(shù)體系研究”(2009318797029)

第一作者：魏小佳(1990—),男(漢族),四川省大竹縣人，碩士,研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害。E-mail:weixiaojiacdut@126.com。