馬鵬輝,彭建兵,朱興華,同 霄,周 勇
(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;2. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054;3.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì),陜西 西安 710016)
陜西藍(lán)田銅鵝溝泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性分析
馬鵬輝1,2,彭建兵1,2,朱興華1,2,同 霄1,2,周 勇3
(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;2. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054;3.陜西地礦第二綜合物探大隊(duì),陜西 西安 710016)
陜西秦嶺山區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,地形險(xiǎn)要,泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生,2015年8月3日出現(xiàn)了強(qiáng)降雨,在西安市藍(lán)田縣銅鵝溝爆發(fā)了極為嚴(yán)重的泥石流。本文通過對(duì)銅鵝溝進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查,獲取了研究區(qū)泥石流溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料,分析了西安市藍(lán)田縣銅鵝溝泥石流基本特性,得知8·3泥石流屬于西北秦嶺山區(qū)典型多因共激水石流,并計(jì)算了4個(gè)有代表性的斷面流速,分別為5.96 m/s、5.77 m/s、5.15 m/s、4.84 m/s;同時(shí)以小流域降雨—徑流計(jì)算模型計(jì)算了10%、5%、2%、1%、0.5%頻率下銅鵝溝泥石流峰值流量和單次泥石流過程總量,發(fā)現(xiàn)流域遭遇20年一遇的降雨時(shí)即可形成可觀的泥石流災(zāi)害;結(jié)合野外資料采用多因子評(píng)價(jià)公式對(duì)銅鵝溝溝道進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估,得出該流域?qū)儆谀嗍鳛?zāi)害中度危險(xiǎn)區(qū)。鑒于研究區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,溝內(nèi)居住人群100多人,應(yīng)做好監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的同時(shí)盡快搬遷。
銅鵝溝泥石流;多因共激;發(fā)育特征;危險(xiǎn)性評(píng)估
泥石流是山區(qū)特有的一種地質(zhì)災(zāi)害,在狹義上一般分為泥流、粘性泥石流、稀性泥石流、水石流。近年來,由于氣候的變化,局部山區(qū)極端降雨事件偏多,陜西秦嶺山區(qū)工程地質(zhì)條件差,成為了泥石流災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)之一[1-6]。而水石流是陜西秦嶺山區(qū)泥石流的主要類型,分布面積約占秦嶺山地的一半左右[7]。對(duì)于水石流許多地質(zhì)學(xué)者做了相關(guān)研究:祁龍[8]通過對(duì)陜南9處水石流調(diào)查分析,概述了水石流的性質(zhì)和形成機(jī)理;李昭淑等[9]計(jì)算了陜西省略陽縣紀(jì)家溝水石流的流速與流量,并提出水石流的防治措施;費(fèi)祥俊[10]研究發(fā)現(xiàn)水石流中細(xì)顆粒的存在,其輸沙濃度比相同縱坡下沒有細(xì)顆粒下有很大提高,同時(shí)求得了水石流流速公式。但是由于水石流與其他泥石流不同,少有學(xué)者直接觀察到它的流動(dòng)過程和狀態(tài),而秦嶺山區(qū)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、誘發(fā)水石流的因素多樣化,總體研究處于初級(jí)階段[11]。
本文以秦嶺北麓山區(qū)為研究背景,筆者于2015年8月與2016年3月先后兩次對(duì)陜西省西安市藍(lán)田縣銅鵝溝泥石流進(jìn)行了詳細(xì)的野外調(diào)查,并結(jié)合野外調(diào)查資料,對(duì)銅鵝溝泥石流的形成、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)特征及危險(xiǎn)性進(jìn)行分析,旨在為泥石流的防治提供可靠科學(xué)依據(jù)。
1.1 地形地貌
鵝項(xiàng)溝位于西安市藍(lán)天縣東南部,地處秦嶺北緣,發(fā)育于秦嶺中低山地貌。流域呈“樹葉型”、“漏斗型”,四面環(huán)山,多條支溝交匯于主流域,主溝走向由西向東,主溝溝道寬窄不一。由于秦嶺北緣緊鄰渭河,受到切割嚴(yán)重,而且秦嶺為經(jīng)過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的褶皺斷裂山脈,導(dǎo)致溝谷兩側(cè)山體坡度較陡,山體處于高度臨空狀態(tài),應(yīng)力集中,拉張裂隙、結(jié)構(gòu)面發(fā)育,破碎帶、危巖體較多,局部不斷有崩塌、滑坡發(fā)生,形成的破碎體就會(huì)在溝道中堆積,形成局部堵塞,為泥石流提供了物源(圖1)。
圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 The regional location of the study area
1.2 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造
研究區(qū)處于東秦嶺造山帶西端,緊鄰北秦嶺山前大斷裂和臨潼-長安斷裂,屬于渭南地塹的一 部分[12-13]。溝谷兩側(cè)出露大量的燕山期巖漿巖,主要為巨斑狀二長花崗巖和中細(xì)粒二長花崗巖,此地花崗巖富水性極弱,花崗巖中多有云母、石英出露;河谷中以礫石、卵石為主,夾有砂粒,分選性差,最大粒徑5 m,磨圓度較好。此處歷史上經(jīng)歷了多期次的逆沖擠壓、走滑剪切、以及渭河斷陷盆地多次拉張裂陷活動(dòng),又因山體高聳,使得巖體產(chǎn)生構(gòu)造變形,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生(圖1)。
1.3 水文地質(zhì)條件
鵝項(xiàng)溝流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶詺夂?,四季冷暖分明,年平均氣?3.1 ℃,平均降水量720 mm,主要集中于7~9月,占全年總降雨量的55%[14]。冷暖氣流在此因山體阻隔抬升而相互切變,形成了暴雨、連陰雨的頻發(fā)區(qū),而且連陰雨和暴雨往往相伴而生[7]。再加上溝道兩側(cè)巖體開裂嚴(yán)重,降雨會(huì)沿著裂隙在低洼處以地表徑流的形式流入溝內(nèi),導(dǎo)致溝道水流湍急,為泥石流提供了較大的水動(dòng)能條件。
2.1 銅鵝溝泥石流基本特征
2015年8月3日下午陜西省藍(lán)田縣九間房鎮(zhèn)出現(xiàn)了大暴雨,不到3小時(shí)內(nèi)降雨量達(dá)111 mm,強(qiáng)降雨導(dǎo)致銅鵝溝內(nèi)河水水位暴漲,爆發(fā)山洪,進(jìn)而引發(fā)泥石流災(zāi)害。泥石流沿著溝谷沖出,沖垮溝內(nèi)河道,溝道側(cè)侵嚴(yán)重。溝道兩側(cè)居住有村民100多人,造成2人遇難,3人失蹤,由于發(fā)生時(shí)天色已黑,僅有少部分人員轉(zhuǎn)移下山,大部分被困人員無法及時(shí)撤離,大量的房屋建筑被沖毀,整個(gè)銅鵝村道路和通訊全部被損壞(圖2),現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn):(1)銅鵝溝全長約為3.7 km,溝內(nèi)基巖裸露在外、風(fēng)化嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育。溝頂高程大約2 100 m,溝口高程約為1 240 m,溝道平均溝床比降0.11,整體寬10~50 m,相對(duì)高差約850 m,溝道屬于典型的“V”型溝。走勢(shì)呈“S”型,多支溝發(fā)育,降雨下極易呈現(xiàn)“漏斗狀”匯流,以極快的速度席卷溝道中豐富的物源形成泥石流災(zāi)害。
圖2 泥石流特征圖Fig.2 The Characteristics of debris flow
(2)多因共激水石流:流域位于秦嶺北緣造山帶中,構(gòu)造活動(dòng)頻繁,斷層、褶皺大量發(fā)生,流域地形險(xiǎn)要,坡度較大,導(dǎo)致山體破碎,經(jīng)常有局部小型滑坡,溝道兩側(cè)堆有大量的坡體坍塌物,為泥石流提供了豐富的物源。而且堆積物多為粒徑較大的石塊(最大粒徑可達(dá)5 m),溝道不斷的受到流水的沖刷,粘粒一直在被運(yùn)移,含量極少,堆積物很難膠結(jié)在一起,極易被搬運(yùn),不足以形成漿體結(jié)構(gòu),暴雨激發(fā)下形成了非飽和兩相水石剪切流。
(3)局部“大肚子”淤積:溝道寬度10~50 m不等,溝道石塊粒徑較大,溝道狹窄處可見幾處由于巨石堵塞而出現(xiàn)的“大肚子”淤積。在暴雨匯集而下時(shí),溝內(nèi)物源隨即席卷而下,而水石流相比其他泥石流來說粘合程度差,導(dǎo)致粒徑較大的塊體容易在河道殘留形成堵塞。圖2(d)顯示的是溝道上游一處“大肚子”淤積,泥石流未能攜帶走一塊粒徑3.8 m的石塊。石塊的粒徑幾乎為河道寬度的三分之一,石塊屹立在河道中央,減緩了泥石流流速,導(dǎo)致泥沙淤積,形成了上游局部三角形堆積。這是因?yàn)樗魉镔|(zhì)主要為石塊和水,內(nèi)部膠結(jié)力沒有粘性泥石那么大,其運(yùn)移能量來源主要來自重力和股流沖力的聯(lián)合效應(yīng),巨大石塊因重力沿溝床的分力減小首先停留下來,實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)壅水壩[7]。
2.2 銅鵝溝泥石流分區(qū)特征
通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,可以把銅鵝溝泥石流形成區(qū)分為4個(gè)區(qū)(圖3):清水區(qū)、流通區(qū)、物源補(bǔ)給區(qū)、堆積區(qū)。
圖3 泥石流分區(qū)圖(影像源于Google Earth,2015)Fig.3 The Partition of debris flow(The Image comes from Google Earth, 2015)
2.2.1 清水區(qū)
匯水動(dòng)力區(qū)位于高程1 550~2 100 m段。從圖3可以看出多條溝交匯于主溝道,坡度較陡,匯水面積很大,約為1.52 km2。匯水區(qū)長約1.7 km,1 800~2 100 m段比降比較大,1 550~1 800 m段比降比較小,匯水區(qū)溝道的平均溝床比降為0.342,構(gòu)成了良好的地表匯水條件。
2.2.2 物源補(bǔ)給區(qū)特征
流域內(nèi)的物源主要分布在流通區(qū)(圖3),長約2 000 m,平均寬度約25 m,物源類型主要有溝坡崩塌堆積物與溝道堆積物,溝內(nèi)河道寬度4~15 m之間,平均寬度約為5 m,溝床寬度約為20 m。溝兩側(cè)坡體較陡,由于溝道的切割,坡腳遭到雨水的掏蝕作用,坍塌嚴(yán)重,在水溝兩側(cè)堆積成物源,經(jīng)過上一次發(fā)生泥石流,溝源位置水量較小, 溝道沖刷能力有限,這些物源處于穩(wěn)定狀態(tài),平均厚度約為2 m,總量約8×104m3;溝道堆積物為另一重要物源,溝道不斷的經(jīng)歷雨水的沖刷,細(xì)砂粒和粘粒在雨水沖刷中攜帶走,粒徑較大的會(huì)在河道沉積下來,堆積厚度大約0.2~4 m,平均厚度約為1.5 m,體積約為1.5×104m3;溝道內(nèi)老泥石流留下的不穩(wěn)定堆積物也十分豐富,由于流通區(qū)溝道寬度較小, 在泥石流爆發(fā)時(shí), 會(huì)加大物質(zhì)速度,而這里堆積物塊體粒徑較大, 就會(huì)引起巨石堵塞溝道的情況,在此就會(huì)有大量的殘留堆積,堆積區(qū)大約有8處(圖4),總量大約2.696×104m3(表1)。
2.2.3 流通區(qū)特征
流域流通區(qū)長度較大,大約2 000 m,溝床比降為0.11~0.20,平均比降0.13。泥石流在運(yùn)動(dòng)過程中沖蝕嚴(yán)重,兩岸坍塌松散堆積物在其流動(dòng)中被攜帶、不斷沉積;同時(shí)其對(duì)溝床的切割、沖蝕,使得溝道黏土等粒徑較小顆粒被攜帶走,進(jìn)一步切割溝床,切割深度大約0.2~2 m。為此, 經(jīng)過歷史泥石流的沖蝕, 粘土、細(xì)沙一掃而光,大粒徑石塊裸露較多(圖3)。
圖4 老泥石流留下的不穩(wěn)定堆積物源分布圖(影像源于Google Earth,2015)Fig.4 The distribution of unstable deposits of the debris flow which has occurred(the image comes from Google Earth, 2015)
物源區(qū)編號(hào)堆積面積/m2體積/m3物源總體積/×104m31289.6318.562775.561867.3443816.061468.90841132.954418.5052.6965800.81281.286374.6299.6872091.243764.23286968.26513542.877
2.2.4 堆積區(qū)特征
流域堆積區(qū)(圖3)特征不太明顯,因?yàn)榱魍▍^(qū)較長,老泥石流一般到達(dá)此處時(shí)速度已經(jīng)很慢,攜帶物基本在流通區(qū)沉積,堆積區(qū)物源方量大約1.04萬方。
3.1 泥石流容重
泥石流容重計(jì)算方法多種,本文采用經(jīng)驗(yàn)法確定,泥石流容重經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[15]為:
(1)
式中:A——坍方程度系數(shù);Ic——坍方區(qū)平均坡度/‰。
中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2017年1期