龐　鵬，劉　威

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

阿勒泰市修配廠北泥石流災(zāi)害形成條件及動(dòng)力學(xué)特征分析

龐鵬，劉威

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

[摘要]修配廠北泥石流位于阿勒泰市區(qū)南部，該泥石流溝曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害。溝內(nèi)第四紀(jì)松散堆積物豐富，在暴雨和地震等自然因素的影響下，會(huì)有較大規(guī)模泥石流發(fā)生的可能性，將對(duì)居民安全和基礎(chǔ)設(shè)施帶來不利影響。在對(duì)研究區(qū)孕災(zāi)環(huán)境條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該泥石流的具體特征，分析研究了修配廠北泥石流的形成條件及其動(dòng)力學(xué)特征，具體包括泥石流的峰值流量、一次泥石流總量和泥石流總體沖擊壓力等參數(shù)。通過對(duì)該泥石流的形成條件和動(dòng)力學(xué)特征的分析，可以對(duì)該泥石流的防治工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]泥石流；孕災(zāi)環(huán)境；形成條件；動(dòng)力學(xué)特征；阿勒泰

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]。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]。

阿勒泰市地處歐亞大陸腹地，北部為阿爾泰山，西南部為沙吾爾山，南部是準(zhǔn)噶爾盆地，西部比較開闊，呈喇叭口形。由于阿勒泰市境內(nèi)巖層松軟破碎，崩塌嚴(yán)重，地形陡峻，溝谷堵塞嚴(yán)重，暴雨頻發(fā)且雨量集中，加之近些年來大規(guī)模的人為活動(dòng)，為泥石流的發(fā)育提供了良好條件。修配廠北泥石流位于阿勒泰市區(qū)南部郊區(qū)，距離市區(qū)2 km，交通極為便利。在暴雨和地震等自然因素的影響下，會(huì)有較大規(guī)模泥石流發(fā)生的可能性，進(jìn)而將對(duì)下游接近溝口處的亞賓駕校、溝口居民區(qū)及紅墩路構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究修配廠北泥石流的形成條件及動(dòng)力學(xué)特征，可以為后續(xù)提出防治該泥石流的有效措施提供理論依據(jù)。

1孕災(zāi)環(huán)境條件

1.1地形地貌

研究區(qū)位于斷塊上升中等切割的中山區(qū)，泥石流流域海拔在820～1 308 m，相對(duì)高差488 m；流域內(nèi)支溝較為發(fā)育，除主溝及流域上游部分支溝為“U”型谷外，大多數(shù)溝谷為“V”型谷；流域上游及下游溝谷兩側(cè)山體較為平緩，坡度15°～30°，流域中游山體較陡，坡度40°～60°，溝谷較為狹窄，有利于水及碎屑固體物質(zhì)聚集。

1.2地層巖性

研究區(qū)出露地層巖性主要有泥盆系和第四系覆蓋層。

泥盆系分布于整個(gè)研究區(qū)，巖性為一套沉積變質(zhì)巖夾變質(zhì)基性火山巖，由灰黑色黑云絹云石英片巖、黑云絹云片巖組成。山體表層基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，部分區(qū)域形成風(fēng)化破碎的碎石土覆蓋山體表層；而新生界第四系主要有上更新統(tǒng)至全更新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)至全更新統(tǒng)沖洪積層、全新統(tǒng)沖洪積層和殘坡積層。

1.3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。其中巖組為層狀較硬沉積變質(zhì)巖夾變質(zhì)基性火山巖巖組，土體為單一結(jié)構(gòu)碎石土土體。

1.4水文地質(zhì)條件

研究區(qū)主要分布有基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。其中基巖裂隙水主要分布于研究區(qū)及其附近的基巖分布區(qū)。含水層巖性為中泥盆統(tǒng)沉積變質(zhì)巖和變質(zhì)基性火山巖。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經(jīng)短途徑流至研究區(qū)后，最終排泄于克蘭河沖積層。而松散巖類孔隙水主要分布于克蘭河河床及漫灘、低階地中。含水層巖性為漂石、卵石和砂礫石，主要接受克蘭河水入滲補(bǔ)給，其次為大氣降水入滲和基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，在卵礫石孔隙中大體由北向南徑流，以側(cè)向地下徑流的方式向下游排泄。

1.5人類工程活動(dòng)

研究區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要集中在溝口的堆積區(qū)。在泥石流溝的中下游開闊地段修建有亞賓駕校訓(xùn)練場(chǎng)地，駕校的修建使泥石流溝道原有形態(tài)發(fā)生較大改變，僅在溝道一側(cè)修建有寬約4 m，長(zhǎng)760 m的排導(dǎo)渠。在溝口堆積區(qū)有一居民區(qū)，在溝口處因道路的通行，修建有兩座過水涵洞。這些人類活動(dòng)對(duì)該泥石流周邊地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響。

2泥石流形成條件

根據(jù)泥石流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將修配廠北泥石流劃分為中頻溝谷暴雨坡面侵蝕稀性水石流[2]。該泥石流溝形成區(qū)及流通區(qū)界線不明顯，災(zāi)害發(fā)生時(shí)泥石流沿溝道迅猛下泄，呈現(xiàn)流量大、流速快、含泥量低的特點(diǎn)整體呈現(xiàn)較多的洪水泥石流特征。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[3]。

2.1地形地貌條件

該泥石流形成區(qū)位于溝谷上游地段，面積約1.19 km2，占整個(gè)流域的38.6%；形成區(qū)地形起伏較大，主溝縱坡坡度134‰左右，溝谷呈U型。主溝兩側(cè)山體較為平緩，坡度15°～30°，坡面及溝道內(nèi)松散物源量較多，植被稀疏。

溝谷中上游為形成流通區(qū)，面積約1.83 km2，占整個(gè)流域的59.4%，該區(qū)域內(nèi)共發(fā)育有大小支溝9條，其中4條支溝較大，支溝均為V字型溝谷，最長(zhǎng)支溝達(dá)1 400 m。主溝縱坡坡度97.3%，溝道兩側(cè)山體坡度自南向北逐漸變陡，山體最陡處約60°。溝道兩側(cè)坡體上大量基巖出露，松散物源多分布在主溝、支溝溝道內(nèi)和溝道兩側(cè)坡腳處。

堆積區(qū)位于溝口地勢(shì)平坦處，出山口呈近喇叭口狀向南散開，形成開闊的碎屑固體物質(zhì)的堆積區(qū)，堆積體近似扇形。由于克蘭河的垂直切割，堆積扇前緣已不完整，堆積區(qū)邊界難以準(zhǔn)確劃定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合調(diào)查訪問確定堆積區(qū)扇長(zhǎng)約300 m，寬270 m，面積約0.06 km2。

2.2松散物源條件

通過對(duì)研究區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，修配廠北泥石流溝內(nèi)松散堆積物主要為主溝道及沿線各支溝內(nèi)松散堆積物，總方量約38.32萬 m3；其次為溝道兩側(cè)坡面上的殘坡積物，初步計(jì)算殘坡積物源總量為4.8萬 m3；另外在溝道中下游有少量素填土及雜填土約1.15萬 m3。修配廠北泥石流溝松散物源總量約為44.27萬 m3，松散物平均厚度0.144 m。

2.3水源條件

研究區(qū)泥石流的水源主要是大氣降水，根據(jù)研究區(qū)南側(cè)約10 km處的阿勒泰市氣象局降雨監(jiān)測(cè)資料：多年平均降水量為212.6 mm，歷年最大降水量為338.5 mm，歷年最小降水量為94.5 mm，歷年最大日降水量為41.2 mm。最大降水月份為7月，降水量主要集中在5～9月，占全年降水量的45.7%，偶爾有大雨或暴雨。由于流域內(nèi)植被稀疏，在暴雨、特大暴雨情況下，入滲系數(shù)小，大部分雨量轉(zhuǎn)化為地表徑流，迅速匯入主溝，成為泥石流形成的強(qiáng)大水動(dòng)力條件。

3泥石流動(dòng)力學(xué)特征

3.1泥石流峰值流量

泥石流的流量是防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，本次勘查泥石流峰值流量按雨洪計(jì)算，并用現(xiàn)場(chǎng)形態(tài)調(diào)查法驗(yàn)證。計(jì)算公式為[4]：

Qc=(1+φ)Qp·Dc

(1)

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(jì)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(jì)算公式：

φ=(γc-γw)/(γH-γc)

(2)

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；γw為清水重度。

在研究區(qū)氣象資料的基礎(chǔ)上，以及參考《阿勒泰地區(qū)城市防洪規(guī)劃報(bào)告》，確定修配廠北泥石流溝設(shè)計(jì)暴雨洪水洪峰流量(Qp)見表1。本次暴雨洪水計(jì)算50年一遇洪峰流量、流速和選擇斷面處洪水水位等參數(shù)，為防治工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

泥石流泥砂修正系數(shù)為0.56；泥石流堵塞系數(shù)確定為輕微堵塞，堵塞系數(shù)取1.1。

表1　設(shè)計(jì)暴雨洪水洪峰流量一覽表

將選取的各參數(shù)，代入公式(1)中，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算泥石流峰值流量=103.1 m3/s。

3.2一次泥石流總量

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[5]：

Q=KTQc

(3)

其中，當(dāng)F=5～10 km2，K=0.113由于該泥石流匯流面積為3.08 km2，因此確定K取經(jīng)驗(yàn)值0.113；根據(jù)調(diào)查訪問，2012年6月26日，阿勒泰市突降暴雨，歷時(shí)50 min，在降雨期間修配廠北爆發(fā)泥石流歷時(shí)約10 min，即T=600 s；泥石流峰值流量(Qc)為103.1 m3/s。

將以上選取的參數(shù)，代入公式(3)中進(jìn)行計(jì)算，得出一次泥石流總量Q=6 990.2 m3。

3.3泥石流總體沖擊壓力

泥石流沖擊力是攔擋壩承受的主要外力之一，它的大小直接決定了攔擋壩體的各種設(shè)計(jì)參數(shù)。具體的沖擊力值通常采用下式確定：

(4)

式中：δ為泥石流整體沖擊壓力(kPa)；g為重力加速度(m/s2)，取=9.8 m/s2；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)；γc為泥石流重度(kN/m3)；vc為泥石流流速(m/s)；λ為建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物取1.33。

根據(jù)公式(4)可得：擬建攔砂壩壩址與泥石流沖壓方向的夾角為90°；泥石流重度為15.86 kN/m3；擬建壩按照梯形考慮，建筑物系數(shù)λ取1.33；流速按泥石流平均流速vc=2.86 m/s。將以上選取的各參數(shù)，代入公式(4)中進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果為：泥石流體整體沖壓力δ=17.32 kPa。

4結(jié)語(yǔ)

(1)修配廠北泥石流嚴(yán)重威脅下游接近溝口處的亞賓駕校、溝口居民區(qū)及紅墩路，受威脅總?cè)藬?shù)約110人，受威脅財(cái)產(chǎn)約500余萬元。因此，阿勒泰開展修配廠北泥石流的勘查工作將對(duì)后續(xù)提出防治該泥石流的有效措施提供重要的理論依據(jù)。

(2)修配廠北泥石流為中頻溝谷暴雨坡面侵蝕稀性水石流。該泥石流溝形成區(qū)及流通區(qū)界線不明顯，災(zāi)害發(fā)生時(shí)泥石流沿溝道迅猛下泄，呈現(xiàn)流量大、流速快、含泥量低的特點(diǎn)整體呈現(xiàn)較多的洪水泥石流特征。

(3)根據(jù)泥石流的動(dòng)力學(xué)特征，計(jì)算得出了該泥石流的峰值流量Qc=103.1 m3/s、一次泥石流總量Q=6 990.2 m3和泥石流總體沖擊壓力δ=17.32 kPa等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而為后續(xù)對(duì)該泥石流的防治工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Study on the Formation Conditions and Dynamic Characteristics Analysis of Debris Flow in Aletai

PANGPeng，LIUWei

(No.1 Hydrological and Engineering Geology Team of Bureau of Geology Mineral Resources Exploration of Xinjiang, Rumqi 830091, China)

Abstract:The north of repair shop gully is located in the south of Aletai. A lot of evidences show that large scale debris flows ever occoured along the gully in history. The gully is affluent in the Quaternary sediments. The possibility of large scale debris flows induced by heavy rainstorms and earthquake still exists which would threaten the safety of the residents and infrastructure. In this paper, the authors analyzed the formation conditions and the dynamic characteristics of the debris flows. Some important parameters for protection design such as flow velocity, the discharge, the punching power.

Key words:Debris flow；hazard inducing environment；formation conditions；dynamic characteristics and Aletai

[收稿日期]2016-03-08

[作者簡(jiǎn)介]龐鵬(1989-)，男，四川資陽(yáng)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。

[中圖分類號(hào)]P642.33

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0208-02