2#溝泥石流特征分析及危險性評價

姬永尚，陳　曉

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830091）

2#溝泥石流特征分析及危險性評價

姬永尚*，陳曉

（新疆水利水電勘測設計研究院，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，壩址左岸上游發育有2#泥石流溝，在收集工程區有關地質、氣象、水文、地震及歷史上泥石流發生情況的基礎上進行了工程地質調查。通過勘察實踐，綜合評價泥石流形成條件、活動趨勢、嚴重程度，并預測其對工程的危害程度、發生頻率，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模較大的2#泥石流溝。2010年8月份，該溝發生了一次規模較大的泥石流，持續時間約1h。由于距離工程壩址較近，泥石流災害所致工程影響比較敏感。通過對2#泥石流溝溝域匯水范圍及堆積區等進行工程地質調查，綜合評價了泥石流形成條件、活動趨勢及嚴重程度，并預測其對工程的危害程度、發生頻率，提出防治措施建議。

2　基本地質條件

2.1氣象及植被條件

研究區地處歐亞大陸腹地，日照長，蒸發強烈，降水量稀少。多年平均降水量51.6mm，多年平均蒸發量2244.9mm。

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

2.2水系

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

2#溝由三級溝道在平面上匯聚，呈羽狀水網。水網密度為1.08km，徑流量較大。Ⅰ級水系發育系數為0.28，故支溝對徑流調解不明顯。受地形控制，水系無優勢發育方向?？傮w上，2#溝水系簡單。

2.3地形地質條件

2#溝流域最高海拔3034m，地形總體上屬深切割構造侵蝕高山地貌，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、夾白云質灰巖、灰巖及泥質互層；第四系堆積物主要有沖、洪積層。研究區內地質構造比較簡單，巖體總體較完整，呈塊狀結構，不具備產生大規?；潞捅浪幕镜刭|條件。

2.4水文地質特征

2#溝為季節性沖溝，枯水季節幾乎沒水，雨季主要以接受大氣降水補給為主，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。根據泥石流形成條件、運動機制、松散固體物源分布及流域植被形態，大致將溝域劃分為3個區：

①匯水物源區：匯水物源區分布在高程1928～3034m，高差1106m，該區溝谷長度5.27km，總體縱坡降187‰（圖2）。由于該溝兩側基巖裸露，無植被覆蓋，地表徑流系數大，故十分有利于地表水的匯集，在暴雨季節，降雨可在短時間內匯入溝道中，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，整體穩定性較好，但在山洪暴發時，由于緊鄰溝道，易受流水掏蝕而局部失穩。故該區主要功能為匯集水源和提供少量松散固體物源。

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

該區溝谷按照地形特點可分為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，無膠結，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，彎道發育，出現6個大于90°的急彎，且出現“一線天”地貌，可見堰塞沉積泥痕，證明該段溝道在歷史上曾出現過老泥石流堰塞跡象（圖4），根據泥痕調查計算出歷史爆發流量為48.24m3/s，谷底兩側有老的泥石流堆積物和崩坡積物連續分布。流通區下段分布高程1800～1736m，該段為薄層狀灰巖，風化卸荷嚴重，溝道變寬，平均為20～30m，坡度為40°～45°。

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

③堆積區：堆積區位于溝口至葉爾羌河，高程為1736～1671m，高差65m，該區溝長約1.95km，平均縱坡降為34‰，溝道寬度80～100m，有利于泥石流物質沿途堆積。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，故泥石流暴發頻率相對較低。

3.2物源條件

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

據調查統計結果，流域內共計有松散固體物源量573.81×104m3，可能參與泥石流活動的不穩定物源量為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，冰川急劇退縮，冰雪融水量大幅度降低，目前2#溝的水源主要來自大氣降雨。

4　泥石流基本特征

4.1歷史泥石流發育特征

通過遙感解譯和現場復核，自2#溝與主河交匯處的斷面上，現今2#溝泥石流溝道受地形條件控制擺動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模、扇面高度和表部植被的生長時間、覆蓋率相對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，而不是漫過已有溝道堆積，且溝谷兩側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，溝內松散物源量較大，并發現溝內有歷史泥石流堵溝堰塞后而形成的湖湘沉積層，說明歷史上堵溝時間較長，后來被沖開而暴發了較大規模的泥石流，從現有的溝道條件和溝內有大量的松散物源來看，不排除該溝再次堰塞而后被沖開暴發更大規模的泥石流的可能性，因此，判斷該溝處于發展期。

4.2泥石流各區段沖淤特征

（1）匯水物源區沖淤特征。匯水物源區基巖裸露，兩岸邊坡高陡，坡面和坡腳堆積了較多的崩坡積物。自溝緣至該區前緣整體坡降較小，地形較緩，因此大部分物源搬運距離不遠，加之該地區降雨量很少，坡面上無溝水集中，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，僅部分細粒物質可被帶走，該區溝床表現為以沖為主的特點。

（2）流通區沖淤特征。該溝流通區為較典型的泥石流流通區，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，沿溝道搬運的部分松散物質停積于該段，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，充分說明了早期泥石流為多期形成，且為流體性質為粘性。

（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，細粒物質極少，堆積厚度1～3m，堆積方量約1.8×104m3，說明了新近暴發的泥石流流體性質為稀性，且規模較小。

4.4泥石流發生頻率及規模

該泥石流溝在冰川融水豐富的地質歷史時期規模較大，但在現階段水源和物源條件下，由于沒有冰雪覆蓋層，降雨量很小，水源補給大幅度減少，加之堆積物結構密實，物源相對以前不易于啟動，綜合判定2#溝為中頻泥石流，頻率為5～10年一次，泥石流規模為小—中型。

4.5泥石流的成因機制和引發因素

2#溝的水源補給主要靠大氣降雨，因此，2#溝泥石流誘發因素為暴雨。

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

5　泥石流危險性分析

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。地質現象各要素及其組合在泥石流形成過程中起著提供位勢能量、固體物質和發生場所3大主要作用。水不僅是泥石流的物質組成部分，而且是泥石流的激發因素。因此圍繞地形、松散堆積物質、水源3個主要方面，針對實際調查流域內泥石流活動條件的諸因素，根據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220-2006）對2#溝易發程度進行數量化評價。

2#溝泥石流易發程度數量化評分總得分為70分，在易發程度等級屬輕度易發。

6　泥石流危害性分析及其對工程的影響

6.1泥石流對壩址區建筑物的影響

2#溝離上壩址約723m，其泥石流泛濫可能溢過樞紐區導流洞的引渠，對導流洞會產生一定影響。根據經驗公式計算泥石流泛濫自然堆積寬度和自然淤積厚度。

（1）泥石流泛濫危險性分析：

①2#溝泥石流自然堆積方式。根據2#溝各頻率泥石流計算結果，對比溝口及庫岸地形地貌，分析認為：2#溝20年、50年以及100年一遇的單次泥石流堆積區域均不能到達對岸，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#溝堆積區遠離溝口區段，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，側向約束逐漸減小，直至出溝口，葉爾羌河靜水條件下，其側向約束近于消失。

參照泥石流流體寬度計算公式：

Bp=（1.5～3）Q0.5c

結合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查10年一遇流體寬度進行反演驗證，2#溝出溝口流體寬度選擇按上式進行計算。

在沒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算結果見表1。

③自然淤積厚度：泥石流在水庫中的自然淤積厚度可按下式進行計算：

式中：τB——泥石流極限切應力，kN/m2；

θ——堆積區溝床斜率，（°）；

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#溝泥石流不同設計概率下出溝口堆積寬度

根據歷史泥石流典型淤積厚度調查和測量進行對比推導反算，可求得2#溝10年一遇泥石流入庫后的自然淤積平均厚度約1.20m，其他頻率以此為據按經驗取值，取值結果見表2。

表2　2#溝不同頻率泥石流入庫后的自然淤積厚度

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

（3）泥石流泛濫對電站運行的影響。水庫蓄水前，2#溝100年一遇泥石流泛濫堆積區并沒有侵占河道，蓄水后堆積場所將急劇后退，對電站正常運營影響甚微。

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年一遇的設計泥石流峰值流量為49.56m3/s，遠小于葉爾羌河設計洪水峰值流量，故很難堵河。

從目前調查分析，2#溝未來不可能發生大規模的泥石流。由溝口走訪調查可知該溝所攜帶細粒物質較少，近50年內只有在2010年發生中小規模稀性泥石流。

（2）定量分析（據經驗公式）。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、泥石流的入匯角、泥石流容重和泥石流體顆粒的標準差，依據國家基金重點項目《泥石流與主河交匯區河床演變的實驗研究》，通過回歸分析，理論計算和實驗研究確立的泥石流堵河流量判別指標的計算模型如下：

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。

當泥石流與主河的流速、流量、入匯角和容重滿足關系式時，很可能發生堵河。依據實際調查2#溝泥石流溝口的斷面寬度、流量、泥石流容重參數；在匯口處斷面寬度、流量及河水容重參數；泥石流溝與河流交匯的夾角等數據，將主河設計洪峰的流量與1%泥石流的流量代入泥石流堵河流量判別指標公式進行計算，計算參數及其結果見表3。

表3　2#溝泥石流堵河參數計算表

通過以上計算分析可知，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　結論

（1）通過調查分析，2#溝為中頻泥石流溝谷，發展階段處于發展期—衰退期，屬于輕度易發，泥石流危險性等級為中等。

（2）2#溝泥石流無堵江的歷史記載，定性分析及經驗公式判斷該溝不具備堵江的條件；溝內沖出物質主要粒徑較小，直接被葉爾羌河沖走，隨著水庫蓄水影響，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，流通區寬窄交替，坡降較小，溝道局部彎曲，大部分物質沿途沉積，攜帶至溝口物質較少，對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#泥石流溝專題調查研究報告［R］.成都理工學院東方巖土勘察公司，2011.

［2］DZ/T 0220-2006泥石流災害防治工程勘查規范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

［3］水利水電部水利水電規劃設計院.水利水電工程地質手冊［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［4］SL373-2007水利水電工程水文地質勘察規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［5］馬東濤，祁龍.三眼峪溝泥石流災害及其綜合治理［J］.水土保持通報.

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，現從事工程地質和水文地質勘察工作。