唐 捷

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091)

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新疆沙灣縣獨(dú)山村泥石流形成條件及動(dòng)力學(xué)特征分析

唐 捷

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091)

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)性和危害性大的特點(diǎn)。在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆沙灣縣獨(dú)山村泥石流的動(dòng)力學(xué)特征值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)泥石流的形成條件進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：該溝所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，溝床縱坡比為150.7‰，溝道比較窄，兩側(cè)山體較陡，泥石流形成-流通區(qū)面積較大，集中強(qiáng)降雨以及物源類型豐富等都具備爆發(fā)泥石流的形成條件。通過計(jì)算該泥石流流速、峰值流量、一次泥石流總量以及一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。對(duì)該泥石流形成條件及動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，為研究區(qū)內(nèi)其它具有相似孕災(zāi)背景的泥石流形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)提供參考依據(jù)。

泥石流；地質(zhì)環(huán)境；形成條件；動(dòng)力學(xué)特征；沙灣縣

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(diǎn)[1]。研究區(qū)地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，南北長(zhǎng)，東西寬，地形南高北低，地貌大體分為山地、平原和沙漠三部分。研究位于沙灣縣西戈壁鎮(zhèn)獨(dú)山村以南約10 km處，中心地理坐標(biāo)為E：85°27′31″，N：43°58′36″。由沙灣縣城沿沙-溫公路(X814線)向溫泉景區(qū)方向行約55 km即可到達(dá)，交通十分便利。在強(qiáng)降雨和地震作用等自然因素的影響下，將會(huì)沖毀農(nóng)田，對(duì)國(guó)防公路和沙-溫公路構(gòu)成直接威脅。因此，在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[2-6]，對(duì)獨(dú)山村泥石流形成條件和動(dòng)力學(xué)特征的研究和分析，可以為研究區(qū)內(nèi)其它具有相似孕災(zāi)背景的泥石流形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)地貌為侵蝕作用強(qiáng)烈中山區(qū)和剝蝕作用丘陵區(qū)，泥石流溝流域總面積15.5 km2，主溝總長(zhǎng)約11.65 km，源頭最高海拔2 856 m，最低點(diǎn)海拔1 244 m，最大相對(duì)高差1 612 m，溝床縱坡比為150.7‰。泥石流溝溝道比較窄，兩側(cè)山體陡峭，坡度在30°～85°，泥石流形成-流通區(qū)面積較大，且支溝較發(fā)育，通過實(shí)地調(diào)查圈定研究區(qū)共發(fā)育有6條支溝，集水面積較大，總面積為9.6 km2。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層巖性主要為二疊系下二疊統(tǒng)阿爾巴薩依組砂巖、礫巖、粉砂巖，第四系全新統(tǒng)沖洪積層，第四系全新統(tǒng)沖積層。從老到新簡(jiǎn)述如下：

1.2.1 二疊系下二疊統(tǒng)阿爾巴薩依組

出露于勘查區(qū)南部中山區(qū)基巖山體。是一套陸相裂隙式火山噴發(fā)火山碎屑沉積建造，為火山活動(dòng)強(qiáng)烈的槽型沉積。巖性為灰色砂巖，紅色砂巖、礫巖、粉砂巖等。

1.2.2 第四系全新統(tǒng)沖洪積層

主要分布于勘查區(qū)主溝道及各支溝溝床內(nèi)，地層巖性主要為角礫、圓礫層，充填物以中粗砂為主，呈次棱角狀或亞圓狀，母巖成分以石英、灰?guī)r為主，下伏強(qiáng)風(fēng)化基巖。

1.2.3 第四系全新統(tǒng)沖積層

主要分布于泥石流溝道兩側(cè)坡面，巖性為粉土，土黃色，干燥-稍濕，松散-中密，干強(qiáng)度低，韌性差，局部含有碎石，碎石含量不超過5%。表層0～1 m含植物根系。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域穩(wěn)定性

研究區(qū)一級(jí)構(gòu)造單元處于準(zhǔn)噶爾-北天山褶皺系，二級(jí)構(gòu)造單元為北天山優(yōu)地槽褶皺帶，三級(jí)構(gòu)造單元為烏魯木齊山前坳陷，該區(qū)域褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育均較少。此外，研究區(qū)所在的區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)烈的廣泛性和繼承性，構(gòu)造形跡明顯，保存完整，近期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈頻繁。由于強(qiáng)烈的構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使地形地貌更加復(fù)雜，山高坡陡，河谷發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，進(jìn)而為崩塌、滑坡、泥石流的發(fā)生提供了條件。

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)分布的地下水類型有基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類。

1.4.1 基巖裂隙水

主要分布于研究區(qū)南部的基巖分布區(qū)。含水層巖性為二疊系下二疊統(tǒng)阿爾巴薩依組砂巖、礫巖、粉砂巖。地下水主要接受大氣降水(含冰雪融水)入滲補(bǔ)給，地下水沿巖石裂隙由高處向低處排泄至泥石流溝道內(nèi)，最終排泄于金溝河，地表未見地下水露頭。

1.4.2 松散巖類孔隙水

主要分布于泥石流溝谷潛水含水層，為單一砂礫石層，由于地表水與地下水轉(zhuǎn)換較頻繁，富水性各溝谷不一致，賦存全新統(tǒng)洪積砂礫石層潛水，水源由降雨入滲及基巖裂隙水補(bǔ)給，沿溝道向下游排至金溝河。

1.5 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)分布的工程地質(zhì)巖組包括巖組和土體兩大類。巖組為互層狀較堅(jiān)硬—軟弱碎屑巖組，土體為礫類土單層土體，粉土與砂礫石雙層土體兩種。

1.5.1 互層狀較堅(jiān)硬—軟弱碎屑巖組

分布在勘查區(qū)南部出露的基巖區(qū)，該帶巖組巖性為砂巖、礫巖及粉砂巖。表層被第四系的砂礫石、黃土覆蓋，厚度0～50 m不等。該巖組呈近東西向條帶狀展布，多呈互層結(jié)構(gòu),常見鈣質(zhì)硅質(zhì)膠結(jié)或泥質(zhì)膠結(jié),層理清晰,鈣質(zhì)硅質(zhì)膠結(jié)的巖石力學(xué)強(qiáng)度中等，屬于工程地質(zhì)條件一般區(qū)。在溝谷、河道易發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

1.5.2 礫類土單層土體

主要分布于金溝河沿岸，泥石流溝底部和溝槽兩側(cè)坡體、坡腳處。分布于金溝河河岸的土體巖性以漂石、卵石為主，磨圓度較好，結(jié)構(gòu)松散-稍密，厚度較大且均勻，工程地質(zhì)條件較好。分布于泥石流溝底部及溝槽兩側(cè)土體以沖洪積和殘坡積角礫、圓礫及粗砂為主，磨圓度差或一般，結(jié)構(gòu)松散，厚度0.8～7.5 m，由上游至下游厚度逐漸減小，工程地質(zhì)條件一般。

1.5.3 粉土與砂礫石雙層土體

主要分布于泥石流溝道兩側(cè)坡體，大部為雙層結(jié)構(gòu)，上部多為黃土狀粉土，下伏為砂礫層。上部粉土土質(zhì)疏松，多孔，柱狀節(jié)理發(fā)育，局部地段經(jīng)長(zhǎng)期流水沖刷，溝谷發(fā)育，水土流失較嚴(yán)重。地層較為均勻，由表層向下密實(shí)度為松散-稍密-中密，總體屬于工程地質(zhì)條件較好區(qū)。

1.6 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為農(nóng)田耕種、放牧及道路的修建，集中在溝口的堆積區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，泥石流堆積區(qū)溝道旁邊現(xiàn)為農(nóng)田，隨著泥石流溝道的下切、加寬，農(nóng)田將面臨塌岸的威脅，如果后期發(fā)生較大泥石流，泥石流溝道上游的導(dǎo)流堤將發(fā)生淤高并掩埋現(xiàn)象，泥石流堆積物很可能越過該段導(dǎo)流堤并直接威脅下游國(guó)防公路、沙溫公路的安全。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形地貌條件

泥石流溝流域總面積15.5 km2，主溝總長(zhǎng)約11.65 km，源頭最高海拔2 856 m，最低點(diǎn)海拔1 244 m，最大相對(duì)高差1 612 m，溝床縱坡比為150.7‰。泥石流溝溝道比較窄，兩側(cè)山體較陡，坡度在30°～85°，泥石流形成-流通區(qū)面積較大，且支溝較發(fā)育。

(1)形成-流通區(qū)：通過實(shí)地調(diào)查圈定有6條支溝，集水面積較大，總面積為9.6 km2，支溝的調(diào)查均采用追溯法調(diào)查，支溝縱橫交錯(cuò)，支溝中有支溝，幾條小支溝匯集形成一個(gè)大支溝，其中支溝1、支溝2均由2條小支溝匯集形成“∧”型支溝，其余均為上有水流匯集形成的“S”型支溝。

主溝及各支溝溝谷呈“V”型，溝道寬1～8 m，兩側(cè)谷坡較陡，山坡坡度30°～85°，較有利于水及碎屑固體物質(zhì)聚集，劃分為形成區(qū)。形成區(qū)基巖裸露，坡面發(fā)育稀疏的耐旱低矮灌木及草類，植被覆蓋率低于5%。主溝及各支溝溝道較彎曲，呈”S”型，溝道寬度較窄，溝道內(nèi)為第四系松散堆積體，據(jù)探井揭露深度，形成-流通區(qū)溝道內(nèi)第四系平均厚度為2.4 m。基巖山體巖性為砂巖，表層風(fēng)化作用強(qiáng)烈，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查泥石流流域基巖山體表層風(fēng)化松散層厚度取0.2 m，在雨水作用下，基巖表層松散物隨雨水匯入較窄的溝道，為下游提供了豐富的松散物源。

(2)堆積區(qū)：泥石流溝由經(jīng)過流通區(qū)，呈喇叭口狀向北匯入金溝河，在蒙古圈子護(hù)林站處分流，形成1條主溝、1條支溝向下游堆積區(qū)堆積。堆積區(qū)面積5.9 km2，第四系松散堆積物平均厚度大于100 m。溝床縱坡逐漸變緩，主溝長(zhǎng)度為2 326 m，相對(duì)高差127 m，平均縱坡比為54.6‰；支溝長(zhǎng)3 078 m，相對(duì)高差183 m，平均縱坡比為59.5‰。

2.2 松散物源條件

通過本次野外工作的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泥石流溝內(nèi)松散堆積物主要為流域上游坡面部分的殘坡積物，其次為主溝道及沿線各支溝內(nèi)松散堆積物。

2.2.1 泥石流溝道內(nèi)松散物源

主溝內(nèi)第四系松散堆積物分布于從溝口至S101公路一段溝道內(nèi)，長(zhǎng)度為3.1 km，溝道橫剖面揭露斷面平均面積為16.65 km2，溝道內(nèi)施工探井揭露第四系平均深度為2.4 m，松散物源體積按橫剖面揭露斷面面積乘以溝道內(nèi)第四系長(zhǎng)度為5.2×104m3，即主溝溝道內(nèi)松散物源體積為5.2×104m3。

2.2.2 山坡表層松散物源

沙灣縣西戈壁鎮(zhèn)獨(dú)山村南泥石流災(zāi)害部分面積基巖出露，山體植被覆蓋率約90%，根據(jù)地面調(diào)查山坡表層松散物源平均厚度取0.4 m，總方量等于山坡面積與平均厚度的乘積，山坡面積即形成-流通區(qū)面積約9.6 km2與形成-流通區(qū)溝道內(nèi)第四系分布面積8.6 km2之差，即0.96 km2，計(jì)算方量為38×104m3。

綜上，泥石流松散物源體積共為43.2×104m3。

2.3 水源條件

研究區(qū)位于剝蝕作用低山區(qū)，泥石流的水源主要為降雨，降雨較集中在4-8月，降雨多為短時(shí)大雨或暴雨。暴雨能在短時(shí)間內(nèi)形成強(qiáng)大的地表徑流，而攜帶松散碎屑物質(zhì)起動(dòng)形成泥石流。由于研究區(qū)內(nèi)未設(shè)置水文站，僅收集到部分氣象觀測(cè)資料，水動(dòng)力條件需進(jìn)一步進(jìn)行水文計(jì)算來確定。

3 泥石流動(dòng)力學(xué)特征分析

3.1 泥石流流速

關(guān)于泥石流流速的計(jì)算，可以根據(jù)公式(1)和(2)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中：γH為泥石流固體物質(zhì)比重，本文取2.639 t/m3；R為計(jì)算斷面的水利半徑，可用平均泥痕深度(水深)，本文取1.40 m；I為泥石流水力坡度，本文取102.75‰；n為泥石流溝床的糙率系數(shù)，取值為0.1；φ為泥石流泥砂修正系數(shù)，取值為0.622；γc為泥石流流體重度，本文取1.628 t/m3；γw為清水重度。

將以上選取的各參數(shù)，代入公式(1)中進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算：研究區(qū)泥石流平均流速Vc=2.47 m/s。

3.2 泥石流峰值流量

泥石流的峰值流量是防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，本次勘查泥石流峰值流量主要采用現(xiàn)場(chǎng)形態(tài)調(diào)查法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

Qc=Wc·Vc

(3)

式中：Qc為泥石流洪峰值流量(m3/s)；Wc為泥石流過流斷面面積(m2)，取值為14.74 m2；Vc為泥石流流速(m/s)。

將選取的各參數(shù)，代入公式(3)中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為：泥石流峰值流量=14.74 m2×2.47 m/s=36.41 m3/s。

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量(m3/s)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Q=KTQc

(4)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，2015年8月25日，勘查區(qū)突降大雨，歷時(shí)50 min，在降雨期間爆發(fā)泥石流歷時(shí)約10 min，即T=600 s；泥石流峰值流量=36.41 m3/s。

將選取的這些參數(shù)，代入公式(4)中進(jìn)行計(jì)算，得出一次泥石流總量Q=4 412.89 m3。

3.4 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)總量值通常采用下式確定：

(5)

式中：γc為泥石流流體重度，本文取1.628 t/m3；為清水重度，t/m3；為泥石流固體物質(zhì)比重，本文取2.639 t/m3。將選取的各參數(shù)，代入公式(5)中進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為：一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量=1 690.84 m3。

4 結(jié)語

研究區(qū)位于沙灣縣西戈壁鎮(zhèn)獨(dú)山村南部約10 km處，地貌為侵蝕作用強(qiáng)烈中山區(qū)和剝蝕作用丘陵區(qū)；出露地層巖性主要為二疊系下二疊統(tǒng)阿爾巴薩依組砂巖、礫巖、粉砂巖，第四系全新統(tǒng)沖洪積層，第四系全新統(tǒng)沖積層；區(qū)內(nèi)主要賦存松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水主要接受大氣降雨、冰雪融水入滲補(bǔ)給，沿地形由由南向北徑流，以側(cè)向徑流的方式排泄；巖土體劃分為巖組和土體兩大類。最后對(duì)泥石流的動(dòng)力學(xué)特征值進(jìn)行了計(jì)算，得到泥石流特征參數(shù)：泥石流流速2.47 m/s，泥石流峰值流量36.41 m3/s；一次泥石流過程的總量4 412.89 m3，一次固體物質(zhì)總量為1 690.84 m3。

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2017-02-06

唐捷(1988-)，男，新疆昌吉人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害工作。

P642.23

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1004-1184(2017)03-0196-03