白金啟，李續(xù)續(xù)，賀根義

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庫爾勒市鐵門關(guān)水電廠泥石流形成條件及動力學特征分析

白金啟1，李續(xù)續(xù)2，賀根義2

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆 昌吉 831100)

鐵門關(guān)水電廠泥石流位于庫爾勒市區(qū)北部，該泥石流溝曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害。溝內(nèi)第四紀松散堆積物豐富，在暴雨等自然因素的影響下，會有較大規(guī)模泥石流發(fā)生的可能性，將對居民安全和基礎(chǔ)設(shè)施帶來不利影響。在對研究區(qū)環(huán)境條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該泥石流的具體特征，分析并研究了鐵門關(guān)水電廠泥石流的形成條件及其動力學特征，計算得出了N1、N2和N3等3條泥石流的流速、峰值流量、一次泥石流總量和一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量等動力學參數(shù)，通過對該泥石流的形成條件和動力學特征的分析，可以對該泥石流的防治工程設(shè)計提供理論依據(jù)。同時也為該地區(qū)類似防災(zāi)減災(zāi)工程提供科學的理論基礎(chǔ)。

泥石流；孕災(zāi)環(huán)境；形成條件；動力學特征

泥石流是山區(qū)特有的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，具有突發(fā)性的特點[1]。它是一種飽含大量泥沙、石塊以及巨礫的固液兩相液體，是地形地貌、地質(zhì)、水文氣象以及植被等自然因素和人為因素綜合作用的結(jié)果[2]。在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[3-5]，本文對庫爾勒市鐵門關(guān)水電廠泥石流災(zāi)害的形成條件以及動力學特征進行了分析，計算了該泥石流災(zāi)害流速、峰值流量、一次泥石流過程總量以及一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量等相關(guān)特征值，從而為該泥石流的防治工程提供設(shè)計參數(shù)，同時也為該地區(qū)類似防災(zāi)減災(zāi)工程提供科學的理論基礎(chǔ)。

該泥石流位于巴州庫爾勒市北郊的鐵門關(guān)水電廠，行政區(qū)劃隸屬庫爾勒市，鐵門關(guān)水電廠位于庫爾勒市境內(nèi)孔雀河上游霍拉山與庫魯克塔格山相峙的峽谷入口，距庫爾勒市約8 km，有柏油公路相通，交通十分便利。研究區(qū)以發(fā)電廠為中心，向周圍方向延伸包括所有受地質(zhì)災(zāi)害威脅的區(qū)域，其西邊界為發(fā)電廠西側(cè)大門一線，東邊界為發(fā)電廠東側(cè)沖溝中軸線，北側(cè)以崩塌災(zāi)害的山體最高處為限，南側(cè)以為河流為界，面積為0.537 km2。在暴雨等自然因素的影響下，會有較大規(guī)模泥石流發(fā)生的可能性，進而將對鐵門關(guān)電廠、道路以及行人安全構(gòu)成嚴重威脅。

1 泥石流特征概況

1.1 分布位置

鐵門關(guān)電廠周邊發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型主要以崩塌和泥石流災(zāi)害為主。本文主要選取泥石流災(zāi)害為研究對象。該研究區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害共發(fā)育有3處，均為溝谷型水石流，主要分布于研究區(qū)西側(cè)兩條溝谷和電廠開關(guān)站東側(cè)的溝谷中。其中，N1泥石流分布于研究區(qū)西側(cè)，廠區(qū)西側(cè)圍墻一帶，N2泥石流分布于K0+140-K0+180一帶，N3泥石流分布于開關(guān)站東側(cè)處的山體K0+370-K0+400一帶。

1.2 泥石流綜合特征統(tǒng)計

由于N1、N2和N3泥石流所處的巖性和地貌條件的不同，其特征也有所不同，各泥石流綜合特征統(tǒng)計情況見表1。

表1 泥石流特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

備注：根據(jù)物探成果及調(diào)查資料，泥石流匯水區(qū)巖體強風化層平均厚度為0.7m，以此計算泥石流潛在物源量。

2 孕災(zāi)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

研究區(qū)地處霍拉山中山區(qū)，孔雀河上游，地勢總體北高南低，地貌類型主要為構(gòu)造侵蝕中低山地貌和侵蝕河谷地貌。其中構(gòu)造侵蝕中低山地貌總體特征為：山體坡度在60°～80°左右，海拔高度為1 002～1 205 m，地形高差較大，最大高差在200 m左右，山坡坡面的微型小溝較為發(fā)育，為水流切割而成，多成“V”，未見其它的大型沖溝發(fā)育，山上植被不發(fā)育，山體與發(fā)電廠房處地面高差將近200 m，山體坡度在60°～80°，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面主要以構(gòu)造裂隙為主。

2.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層巖性主要有上元古界震旦系和第四系覆蓋層。

上元古界震旦系地層巖性主要為斜長角閃巖、鉀長角閃巖、混合巖組成，巨厚層狀，巖體破碎，風化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為210°～280°∠60°～65°；而新生界第四系主要有沖積物、洪積物、崩積物、坡積物以及人工堆積物。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造于一級構(gòu)造為天山地槽系，二級構(gòu)造為南天山冒地槽褶皺帶，三級構(gòu)造帶為博斯騰湖凹陷。本次勘查區(qū)內(nèi)巖層裂隙節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀分別為280°∠65°、65°∠70°、210°∠60°，裂隙類型以構(gòu)造裂隙為主，次為風化裂隙。

2.4 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)分布的工程地質(zhì)巖組主要包括巖組和土體兩大類。其中巖組為震旦系地層和侵入巖，巖石呈堅硬-較堅硬狀，巖體表面破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，土體為單一結(jié)構(gòu)碎石土土體。

2.5 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)主要分布有基巖裂隙水和第四系孔隙潛水。其中基巖裂隙水主要分布于發(fā)電廠區(qū)北側(cè)的山體，受節(jié)理裂隙控制，富水性差異較大，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，單泉流量0.5～1 L/s，大氣降水滲入是該區(qū)地下水的重要補給源，在勘查區(qū)范圍內(nèi)未見泉水出露；而第四系孔隙潛水主要分布于河流階地和沖溝內(nèi)，含水層巖性為砂礫石、角礫層，富水性較好，單位涌水量1 000～3 000 m3/d·m，地下水主要接受降雨和河流入滲補給，水質(zhì)較好，為HCO3-Ca型水，據(jù)探井資料，在勘查期間地下水埋深為3.4～3.6 m，主要接受發(fā)電廠區(qū)河水的補給，由于河水來水量受發(fā)電廠水庫控制，水位變幅為0.5～1 m。

3 泥石流形成條件

根據(jù)流域自然屬性將研究區(qū)內(nèi)3條泥石流劃分為溝谷型水石流[2]。該類型泥石流具有完全的流域形態(tài)，具體包括形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。泥石流的形成條件主要包括地表大量失穩(wěn)的松散固體物質(zhì)、充足的水源條件以及特定的地形地貌條件[6]。

3.1 地形地貌條件

泥石流形成區(qū)位于坡面上，坡面上溝谷狹短，溝床縱坡40°～50°，基本無植被分布，極利于地表徑流沖刷搬運地表松散物。流通區(qū)溝谷縱坡20°～30°，且基巖裸露，有利于松散物的快速搬運。泥石流在坡腳坡度變緩，泥石流物質(zhì)開始堆積，形成長60～100 m，寬約30～40 m的堆積區(qū)，堆積區(qū)無植被分布，其上有流水和堆積的痕跡，說明泥石流正處于發(fā)展趨勢階段。

3.2 松散物源條件

通過對研究區(qū)的現(xiàn)場勘查工作，泥石流因體碎屑物質(zhì)主要來源于坡體表面風化松散層，由巖塊、巖屑組成，平均厚度0.5 m，松散物較豐富。根據(jù)探井揭露，洪積扇前緣堆積層厚度4～5 m，其下部為沖洪積砂礫或角礫層。

3.3 水源條件

研究區(qū)泥石流的水源主要是大氣降水，根據(jù)市氣象局降雨監(jiān)測資料：研究區(qū)年平均年降水量61.26 mm，主要集中在6～8月，占全年降水量的70%，降水形式以暴雨為主，暴雨能在短時間內(nèi)形成較大的地表徑流，攜帶松散碎屑物質(zhì)而形成泥石流。

4 泥石流動力學特征

4.1 泥石流流速

該特征參數(shù)主要采用《泥石流防治指南》中粘性泥石流較為通用的公式計算[7]，其來源于不同地區(qū)的多種類型泥石流觀測資料。

(1)

式中：UC為泥石流斷面計算流速(m/s)；nc為泥石流河床糙率；Hc為計算斷面的平均泥深(m)；lc為泥石流水泥面比降，一般可用溝床縱坡代替。

根據(jù)公式(1)，將相關(guān)相關(guān)參數(shù)帶入其中，N1、N2和N3泥石流計算結(jié)果見表2。

4.2 泥石流峰值流量

泥石流的流量是防治工程設(shè)計的重要參數(shù)，本次勘查泥石流峰值流量按雨洪計算。計算公式為[8]：

Qc=(1+φ)Qp·DC

(2)

式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；Qp為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量(m3/s)；φ為泥石流泥砂修正系數(shù)； DC為泥石流堵塞系數(shù)。

泥石流泥沙修正系數(shù)計算公式：

φ=(γc-γw)/(γH-γc)

(3)

式中：γH為泥石流固體物質(zhì)比重2.63 t/m3；γc為泥石流流體重度1.586 t/m3；為清水重度。

在研究區(qū)氣象資料的基礎(chǔ)上，將選取的各參數(shù)，代入公式(2)中進行計算，N1、N2和N3泥石流計算結(jié)果見表3。

表2 泥石流溝流速計算表

表3 各頻率下泥石流峰值流量表

4.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量根據(jù)泥石流歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s)進行計算，計算公式如下[9]：

Q=KTQc

(4)

其中，根據(jù)調(diào)查訪問，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問情況，泥石流歷時約1 h左右，即T=3 600 s。

將選取的參數(shù)，代入公式(4)中進行計算，得出N1、N2和N3泥石流一次泥石流總量Q，其計算結(jié)果見表4。

4.4 一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量的計算公式為：

QH=Q·φ

(5)

式中：φ為泥石流修正系數(shù)，取0.58。

將選取的各參數(shù)，代入公式(5)中，進行計算，計算結(jié)果，一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量(QH)見表5。

5 結(jié)語

(1)該研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育有3處泥石流災(zāi)害，均為溝谷型水石流，主要分布于研究區(qū)西側(cè)兩條溝谷和電廠開關(guān)站東側(cè)的溝谷中。在暴雨等自然因素的影響下，會有較大規(guī)模泥石流發(fā)生的可能性，進而將對鐵門關(guān)電廠、道路以及行人安全構(gòu)成嚴重威脅。

(2)根據(jù)研究區(qū)內(nèi)3條泥石流的動力學特征，計算得出了N1、N2和N3等3條泥石流的流速、峰值流量、一次泥石流總量和一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量等動力學參數(shù)，為該泥石流的防治工程設(shè)計提供了理論依據(jù)，同時也為該地區(qū)類似防災(zāi)減災(zāi)工程提供科學的理論基礎(chǔ)。

表4 各頻率下一次泥石流總量(Q)計算結(jié)果表

表5 各頻率下一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量(QH)計算結(jié)果表

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P641.23

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1004-1184(2017)02-0142-03

2016-08-14

2009年自治區(qū)兩權(quán)使用費和價款項目(XJDZKC2009)

白金啟(1987-)，男，四川西充人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面的工作。