姬永尚，陳　曉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830091）

2#溝泥石流特征分析及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

姬永尚*，陳曉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830091）

阿爾塔什水利樞紐工程是新疆最大的水利樞紐工程，壩址左岸上游發(fā)育有2#泥石流溝，在收集工程區(qū)有關(guān)地質(zhì)、氣象、水文、地震及歷史上泥石流發(fā)生情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查。通過(guò)勘察實(shí)踐，綜合評(píng)價(jià)泥石流形成條件、活動(dòng)趨勢(shì)、嚴(yán)重程度，并預(yù)測(cè)其對(duì)工程的危害程度、發(fā)生頻率，提出防治措施建議。

阿爾塔什；2#泥石流溝；泥石流形成條件；泥石流基本特征；泥石流危險(xiǎn)性分析

1　概述

阿爾塔什水利樞紐工程壩址上游左岸分布有規(guī)模較大的2#泥石流溝。2010年8月份，該溝發(fā)生了一次規(guī)模較大的泥石流，持續(xù)時(shí)間約1h。由于距離工程壩址較近，泥石流災(zāi)害所致工程影響比較敏感。通過(guò)對(duì)2#泥石流溝溝域匯水范圍及堆積區(qū)等進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，綜合評(píng)價(jià)了泥石流形成條件、活動(dòng)趨勢(shì)及嚴(yán)重程度，并預(yù)測(cè)其對(duì)工程的危害程度、發(fā)生頻率，提出防治措施建議。

2　基本地質(zhì)條件

2.1氣象及植被條件

研究區(qū)地處歐亞大陸腹地，日照長(zhǎng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量稀少。多年平均降水量51.6mm，多年平均蒸發(fā)量2244.9mm。

2#溝流域內(nèi)總體植被稀疏，溝兩側(cè)大多基巖裸露，植被覆蓋率很低，約有10%左右。

2.2水系

2#溝匯水面積12.4km2，主溝長(zhǎng)約10.05km，落差1363m，縱坡降137‰。在其溝域范圍先由NW轉(zhuǎn)為正N方向，主溝彎曲，向N25°E匯入葉爾羌河（圖1）。溝谷中支溝不發(fā)育，只有2條切割較淺的支溝，但沒(méi)有成型的溝道，均與主溝呈銳角相交，在枯水期干涸。

2#溝由三級(jí)溝道在平面上匯聚，呈羽狀水網(wǎng)。水網(wǎng)密度為1.08km，徑流量較大。Ⅰ級(jí)水系發(fā)育系數(shù)為0.28，故支溝對(duì)徑流調(diào)解不明顯。受地形控制，水系無(wú)優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?？傮w上，2#溝水系簡(jiǎn)單。

2.3地形地質(zhì)條件

2#溝流域最高海拔3034m，地形總體上屬深切割構(gòu)造侵蝕高山地貌，地形較為陡峻，主溝總體沿SN向展布，總體上呈寬窄交替“U”字型。出露的地層主要是石炭系粉砂巖、砂巖、石英砂巖、夾白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及泥質(zhì)互層；第四系堆積物主要有沖、洪積層。研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，巖體總體較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，不具備產(chǎn)生大規(guī)?；潞捅浪幕镜刭|(zhì)條件。

2.4水文地質(zhì)特征

2#溝為季節(jié)性沖溝，枯水季節(jié)幾乎沒(méi)水，雨季主要以接受大氣降水補(bǔ)給為主，由于溝谷上游溝壁兩岸邊坡陡峻，不利于地表水的滲入，降雨多以地表徑流的形式流入溝中，并最終匯入葉爾羌河。

3　泥石流形成條件分析

3.1地形地貌及溝道條件

2#溝整體呈長(zhǎng)條型，溝道彎曲，溝道總體縱坡降較緩，大部分物源沿溝停積。根據(jù)泥石流形成條件、運(yùn)動(dòng)機(jī)制、松散固體物源分布及流域植被形態(tài)，大致將溝域劃分為3個(gè)區(qū)：

①匯水物源區(qū)：匯水物源區(qū)分布在高程1928～3034m，高差1106m，該區(qū)溝谷長(zhǎng)度5.27km，總體縱坡降187‰（圖2）。由于該溝兩側(cè)基巖裸露，無(wú)植被覆蓋，地表徑流系數(shù)大，故十分有利于地表水的匯集，在暴雨季節(jié)，降雨可在短時(shí)間內(nèi)匯入溝道中，形成洪流。溝道中總體堆積物源較多，主要在坡面及坡腳堆積，整體穩(wěn)定性較好，但在山洪暴發(fā)時(shí)，由于緊鄰溝道，易受流水掏蝕而局部失穩(wěn)。故該區(qū)主要功能為匯集水源和提供少量松散固體物源。

②流通區(qū)：流通區(qū)高程為1928～1736m，高差192m，溝道長(zhǎng)度約3.8km，溝道總體縱坡降51‰，流通區(qū)坡降總體較小。

該區(qū)溝谷按照地形特點(diǎn)可分為3段：高程1928～1860m段，呈深“V”字型峽谷地貌，兩岸基巖裸露，坡度50°～60°，溝道順直，寬度只有5～10m（圖3）。該段有2～5cm粒徑的碎塊石堆積在溝道中，無(wú)膠結(jié)，可提供一定量松散物源；高程1860～1800m段，寬谷窄谷交替，兩岸坡為陡峭裸露的基巖，坡度約55°，谷底寬約10～20m，彎道發(fā)育，出現(xiàn)6個(gè)大于90°的急彎，且出現(xiàn)“一線天”地貌，可見(jiàn)堰塞沉積泥痕，證明該段溝道在歷史上曾出現(xiàn)過(guò)老泥石流堰塞跡象（圖4），根據(jù)泥痕調(diào)查計(jì)算出歷史爆發(fā)流量為48.24m3/s，谷底兩側(cè)有老的泥石流堆積物和崩坡積物連續(xù)分布。流通區(qū)下段分布高程1800～1736m，該段為薄層狀灰?guī)r，風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，溝道變寬，平均為20～30m，坡度為40°～45°。

總體而言，流通區(qū)坡度較緩，加速功能不明顯，且溝道寬緩交替，且彎道發(fā)育又消減了流速，故堆積物易沿途沉積。

③堆積區(qū)：堆積區(qū)位于溝口至葉爾羌河，高程為1736～1671m，高差65m，該區(qū)溝長(zhǎng)約1.95km，平均縱坡降為34‰，溝道寬度80～100m，有利于泥石流物質(zhì)沿途堆積。堆積扇方量約9.70×104m3。由于溝口泥石流堆積扇上物質(zhì)較老，只有很少一部分新的泥石流堆積物，且堆積扇表部有植被覆蓋，故泥石流暴發(fā)頻率相對(duì)較低。

3.2物源條件

2#溝泥石流松散固體物源較豐富，在流通區(qū)和匯水物源區(qū)都分布有較大規(guī)模的松散物源。物源主要類型為崩坡積物源，其次為坡面侵蝕物源，根據(jù)其表面植被覆蓋、堆積體自身穩(wěn)定性的不同，可參與泥石流不穩(wěn)定物源量也不同。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，流域內(nèi)共計(jì)有松散固體物源量573.81×104m3，可能參與泥石流活動(dòng)的不穩(wěn)定物源量為107.314×104m3。

圖1　流域水系圖

圖2　溝谷縱坡降圖

3.3水源條件

第四系以來(lái)，冰川急劇退縮，冰雪融水量大幅度降低，目前2#溝的水源主要來(lái)自大氣降雨。

4　泥石流基本特征

4.1歷史泥石流發(fā)育特征

通過(guò)遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，自2#溝與主河交匯處的斷面上，現(xiàn)今2#溝泥石流溝道受地形條件控制擺動(dòng)到堆積扇中部與葉爾羌河交匯，新近形成的泥石流堆積扇規(guī)模、扇面高度和表部植被的生長(zhǎng)時(shí)間、覆蓋率相對(duì)老的泥石流均呈階梯形逐漸下降。在整體上也呈后退式疊瓦堆積，而不是漫過(guò)已有溝道堆積，且溝谷兩側(cè)堆積體上均有少量灌木叢覆蓋，但是由于溝谷兩岸邊坡較陡，溝內(nèi)松散物源量較大，并發(fā)現(xiàn)溝內(nèi)有歷史泥石流堵溝堰塞后而形成的湖湘沉積層，說(shuō)明歷史上堵溝時(shí)間較長(zhǎng)，后來(lái)被沖開(kāi)而暴發(fā)了較大規(guī)模的泥石流，從現(xiàn)有的溝道條件和溝內(nèi)有大量的松散物源來(lái)看，不排除該溝再次堰塞而后被沖開(kāi)暴發(fā)更大規(guī)模的泥石流的可能性，因此，判斷該溝處于發(fā)展期。

4.2泥石流各區(qū)段沖淤特征

（1）匯水物源區(qū)沖淤特征。匯水物源區(qū)基巖裸露，兩岸邊坡高陡，坡面和坡腳堆積了較多的崩坡積物。自溝緣至該區(qū)前緣整體坡降較小，地形較緩，因此大部分物源搬運(yùn)距離不遠(yuǎn)，加之該地區(qū)降雨量很少，坡面上無(wú)溝水集中，坡面水流攜帶能力較弱，且由于該段物源主要為大粒徑的塊石和巨石，清水難以啟動(dòng)，僅部分細(xì)粒物質(zhì)可被帶走，該區(qū)溝床表現(xiàn)為以沖為主的特點(diǎn)。

（2）流通區(qū)沖淤特征。該溝流通區(qū)為較典型的泥石流流通區(qū)，在高程1928～1852m段，山坡坡度較陡為60°～70°，故能提高泥石流漿體的加速、搬運(yùn)和侵蝕能力，該段以沖刷為主；在高程1852～1792m段，溝道變得極其彎曲，大大消減了泥石流漿體的流速，沿溝道搬運(yùn)的部分松散物質(zhì)停積于該段，形成了幾處跌水陡坎，且溝道于此段變緩，故該段以淤為主。

4.3泥石流堆積物特征

泥石流堆積扇分布高程1691～1671m，總體呈扇型，堆積物坡度較緩，約6°～8°左右，堆積區(qū)總面積12100m2，平均厚度3～5m，堆積總方量約9.7×104m3。

（1）早期泥石流堆積物特征。早期老扇上有植被覆蓋，堆積物以塊石土夾粉土—亞粘土為主，其次為碎石土，塊石上常見(jiàn)泥痕包裹，堆積體具有下部為塊石土，上部為碎石土的堆積層序，局部夾有多層洪積成因的薄層或透鏡狀砂、礫石層，充分說(shuō)明了早期泥石流為多期形成，且為流體性質(zhì)為粘性。

（2）新近泥石流堆積物特征。新近泥石流多堆積于溝口左岸附近，僅在溝口處形成了一處小的堆積扇，不及早期堆積扇面積的1/4。該新近堆積扇上的堆積物主要為碎石，夾少量塊石，細(xì)粒物質(zhì)極少，堆積厚度1～3m，堆積方量約1.8×104m3，說(shuō)明了新近暴發(fā)的泥石流流體性質(zhì)為稀性，且規(guī)模較小。

4.4泥石流發(fā)生頻率及規(guī)模

該泥石流溝在冰川融水豐富的地質(zhì)歷史時(shí)期規(guī)模較大，但在現(xiàn)階段水源和物源條件下，由于沒(méi)有冰雪覆蓋層，降雨量很小，水源補(bǔ)給大幅度減少，加之堆積物結(jié)構(gòu)密實(shí)，物源相對(duì)以前不易于啟動(dòng)，綜合判定2#溝為中頻泥石流，頻率為5～10年一次，泥石流規(guī)模為小—中型。

4.5泥石流的成因機(jī)制和引發(fā)因素

2#溝的水源補(bǔ)給主要靠大氣降雨，因此，2#溝泥石流誘發(fā)因素為暴雨。

2#溝主溝較長(zhǎng)（10.05km），整體縱坡降較緩，發(fā)育成熟度較高，匯水物源區(qū)物源穩(wěn)定性較好，不穩(wěn)定物源很少，堆積區(qū)主體物質(zhì)為沖洪積物，所以該溝不具備典型泥石流溝的特征，成因機(jī)制為暴雨溝谷型泥石流。

5　泥石流危險(xiǎn)性分析

泥石流形成的基本條件是有利的地形地貌條件、豐富的松散固體物源和充足的水源。地質(zhì)現(xiàn)象各要素及其組合在泥石流形成過(guò)程中起著提供位勢(shì)能量、固體物質(zhì)和發(fā)生場(chǎng)所3大主要作用。水不僅是泥石流的物質(zhì)組成部分，而且是泥石流的激發(fā)因素。因此圍繞地形、松散堆積物質(zhì)、水源3個(gè)主要方面，針對(duì)實(shí)際調(diào)查流域內(nèi)泥石流活動(dòng)條件的諸因素，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220-2006）對(duì)2#溝易發(fā)程度進(jìn)行數(shù)量化評(píng)價(jià)。

2#溝泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分總得分為70分，在易發(fā)程度等級(jí)屬輕度易發(fā)。

6　泥石流危害性分析及其對(duì)工程的影響

6.1泥石流對(duì)壩址區(qū)建筑物的影響

2#溝離上壩址約723m，其泥石流泛濫可能溢過(guò)樞紐區(qū)導(dǎo)流洞的引渠，對(duì)導(dǎo)流洞會(huì)產(chǎn)生一定影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泥石流泛濫自然堆積寬度和自然淤積厚度。

（1）泥石流泛濫危險(xiǎn)性分析：

①2#溝泥石流自然堆積方式。根據(jù)2#溝各頻率泥石流計(jì)算結(jié)果，對(duì)比溝口及庫(kù)岸地形地貌，分析認(rèn)為：2#溝20年、50年以及100年一遇的單次泥石流堆積區(qū)域均不能到達(dá)對(duì)岸，其堆積形式屬于自然停淤，各期次泥石流主要以超覆形式疊加存在。

②自然堆積寬度。2#溝堆積區(qū)遠(yuǎn)離溝口區(qū)段，泥石流流體寬度與堆積寬度受地形控制，在近溝口約180m處，地形控制逐漸消失，側(cè)向約束逐漸減小，直至出溝口，葉爾羌河靜水條件下，其側(cè)向約束近于消失。

參照泥石流流體寬度計(jì)算公式：

Bp=（1.5～3）Q0.5c

結(jié)合2#溝近溝口地形地貌及堆積特征，并利用近溝口有地形控制段所調(diào)查10年一遇流體寬度進(jìn)行反演驗(yàn)證，2#溝出溝口流體寬度選擇按上式進(jìn)行計(jì)算。

在沒(méi)有地形約束的情況下，泥石流的堆積寬度一般為流體寬度的6倍。由此可推算2#溝的泥石流堆積寬度。2#溝出溝口后各堆積寬度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

③自然淤積厚度：泥石流在水庫(kù)中的自然淤積厚度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：τB——泥石流極限切應(yīng)力，kN/m2；

θ——堆積區(qū)溝床斜率，（°）；

γc——泥石流密度，t/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2；

h——淤積厚度，m。

表1　2#溝泥石流不同設(shè)計(jì)概率下出溝口堆積寬度

根據(jù)歷史泥石流典型淤積厚度調(diào)查和測(cè)量進(jìn)行對(duì)比推導(dǎo)反算，可求得2#溝10年一遇泥石流入庫(kù)后的自然淤積平均厚度約1.20m，其他頻率以此為據(jù)按經(jīng)驗(yàn)取值，取值結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　2#溝不同頻率泥石流入庫(kù)后的自然淤積厚度

（2）泥石流泛濫對(duì)施工的影響。各種頻率下的泥石流自然淤積形態(tài)均呈典型的喇叭狀堆積，100年一遇泥石流泛濫堆積區(qū)并沒(méi)有侵占河道，且該溝泥石流一次沖出的固體物質(zhì)方量、流速、撞擊力相對(duì)較小，導(dǎo)流洞影響甚微。

（3）泥石流泛濫對(duì)電站運(yùn)行的影響。水庫(kù)蓄水前，2#溝100年一遇泥石流泛濫堆積區(qū)并沒(méi)有侵占河道，蓄水后堆積場(chǎng)所將急劇后退，對(duì)電站正常運(yùn)營(yíng)影響甚微。

6.2泥石流堵河分析

（1）定性分析。影響泥石流堵江的主要因素有主支溝流量比，2#溝100年一遇的設(shè)計(jì)泥石流峰值流量為49.56m3/s，遠(yuǎn)小于葉爾羌河設(shè)計(jì)洪水峰值流量，故很難堵河。

從目前調(diào)查分析，2#溝未來(lái)不可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流。由溝口走訪調(diào)查可知該溝所攜帶細(xì)粒物質(zhì)較少，近50年內(nèi)只有在2010年發(fā)生中小規(guī)模稀性泥石流。

（2）定量分析（據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式）。影響泥石流堵河的主要因素有主支溝流量比、主支溝流速比、主支溝槽寬度比、泥石流的入?yún)R角、泥石流容重和泥石流體顆粒的標(biāo)準(zhǔn)差，依據(jù)國(guó)家基金重點(diǎn)項(xiàng)目《泥石流與主河交匯區(qū)河床演變的實(shí)驗(yàn)研究》，通過(guò)回歸分析，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究確立的泥石流堵河流量判別指標(biāo)的計(jì)算模型如下：

CF=lnFR-0.883（1-cosθ）2-2.587γ＜-8.572

式中：FR=QM/QB；

QM——主河單寬流量；

QB——支槽泥石流單寬流量；

γ=γC/γM；

γC——支槽泥石流容重；

γM——主槽水流容重；

θ——主支槽夾角。

當(dāng)泥石流與主河的流速、流量、入?yún)R角和容重滿足關(guān)系式時(shí)，很可能發(fā)生堵河。依據(jù)實(shí)際調(diào)查2#溝泥石流溝口的斷面寬度、流量、泥石流容重參數(shù)；在匯口處斷面寬度、流量及河水容重參數(shù)；泥石流溝與河流交匯的夾角等數(shù)據(jù)，將主河設(shè)計(jì)洪峰的流量與1%泥石流的流量代入泥石流堵河流量判別指標(biāo)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)及其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　2#溝泥石流堵河參數(shù)計(jì)算表

通過(guò)以上計(jì)算分析可知，2#溝理論上不具備堵江的可能，但不排除在特大暴雨作用下抬高河床的可能性。

7　結(jié)論

（1）通過(guò)調(diào)查分析，2#溝為中頻泥石流溝谷，發(fā)展階段處于發(fā)展期—衰退期，屬于輕度易發(fā)，泥石流危險(xiǎn)性等級(jí)為中等。

（2）2#溝泥石流無(wú)堵江的歷史記載，定性分析及經(jīng)驗(yàn)公式判斷該溝不具備堵江的條件；溝內(nèi)沖出物質(zhì)主要粒徑較小，直接被葉爾羌河沖走，隨著水庫(kù)蓄水影響，河面拓寬，不存在堵河的可能性。

（3）2#溝不具有典型的泥石流溝的地貌特征，流通區(qū)寬窄交替，坡降較小，溝道局部彎曲，大部分物質(zhì)沿途沉積，攜帶至溝口物質(zhì)較少，對(duì)溝口溝口附近樞紐建筑的影響甚微。

［1］新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程左岸2#泥石流溝專題調(diào)查研究報(bào)告［R］.成都理工學(xué)院東方巖土勘察公司，2011.

［2］DZ/T 0220-2006泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］水利水電部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院.水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［4］SL373-2007水利水電工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［5］馬東濤，祁龍.三眼峪溝泥石流災(zāi)害及其綜合治理［J］.水土保持通報(bào).

P642.23

A

1004-5716（2016）04-0157-05

2015-04-01

2015-04-02

姬永尚（1982-），男（漢族），寧夏固原人，工程師，現(xiàn)從事工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘察工作。