青河县县城北侧泥石流灾害形成条件及动力学特征研究

2017-05-19王亚璐

地下水 2017年2期

关键词：泥石流条件研究

王亚璐

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091)

青河县县城北侧泥石流灾害形成条件及动力学特征研究

王亚璐

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091)

泥石流形成条件和动力学特征是泥石流灾害风险管理的重要内容。本文在对研究区自然地理概况和区域地质环境条件分析的基础上，结合对青河县城北泥石流研究区的野外实地调查，对研究区内发育的四条泥石流的形成条件以及动力学特征进行分析和研究。通过对研究区泥石流灾害的形成条件以及动力学特征值的计算和分析，可以为该市开展泥石流地质灾害的危险性评价工作提供理论依据。

青河县；泥石流；形成条件；动力学特征

泥石流是山区特有的一种地质灾害现象，具有突发性的特点[1]。研究区位于新疆维吾尔自治区青河县县城及其北部山区，行政区划隶属于阿勒泰地区青河县。城北泥石流研究区位于环城路北侧的山沟中，自西向东分布四条泥石流主沟、三条支沟，源头位于城北调堡山低山区。泥石流沟呈近南北方向延伸，沟口位于县城环城北路附近。根据调查访问不完全统计，该泥石流沟每年均有不同规模泥石流发生。

因此，本文在对自然地理概况、区域地质、水文地质以及工程地质等研究工作的基础上，利用相关理论知识，对所收集的资料进行整理、分析，结合相关研究成果[2-5]，对青河县城北泥石流地质灾害的形成条件以及动力学特征以进行评研究，进而为该泥石流灾害的防治工作提供理论基础和科学意义。

1 研究区地质条件分析

1.1 自然地理概况

研究区地处欧亚大陆腹地，四周远离海洋，气候较干燥，属北温带大陆高原性气候。根据青河县气象站1958～2006资料，研究区多年平均气温为0.4℃，年平均气温最高为2.5℃，最低为-2.1℃，最热月份出现在7月，月平均气温18.6℃，最冷月份出现在1月。区内水系主要有大青河和小青河，分别从青河县城西侧和东侧流过，是青河县的主要农业、工业和生活用水水源，并最终在乔什尕吐别克汇合形成青格里河，在沿程分别接纳强罕沟和布尔根河等支流之后，最终流归布伦托海。

1.2 地形地貌

研究区位于青河县城以北中低山区坡脚洪坡积地带，总体地形北东高南西低，地形向西南倾斜。在地貌上属于低山丘陵与山间盆地河谷冲洪积平原的过渡地带。北东部碉堡山海拔高程1 200～1 550 m。山麓地带由部分洪积堆积物相接而成的洪积扇裙不续分布，规模大小不一，一般延伸几百米，扇宽在300～600 m之间，扇面相对平缓，局部弧形波状延伸。研究区北部低山区地形坡降较大，平均坡降20～50%。

1.3 地层岩性

研究区区域范围主要出露地层有奥陶系、第四系松散沉积物、第四系中―上更新统冲积洪积层、上更新统―全新统洪积层和残坡积层及全新统冲积层等。其中，为本区最古老的地层，主要分布于研究区北部、东北部中低山区。岩性主要为黑云母化砂岩、粉砂岩、间有千枚岩、片岩、板岩、夹大理岩化灰岩及砾岩，总体呈浅灰、灰色，上述地层岩性较硬、性脆，节理裂隙发育，风化破碎强烈。而研究区内第四系堆积物分布广泛，但主要沿小青格里河及其上游支流以及山前平原地带分布。

1.4 地质构造及新构造运动

研究区大的区域处于玛因鄂博区域断裂以北及北东的蒙古弧形构造西翼—阿尔泰弧形构造带内。在该构造带基础上，后期又发育了北西构造带―河西系构造体系，因而构造成份较为复杂。因此，本区的地质构造主要受这两大构造带的控制。然而研究区位于发震断裂海子口―卡拉先格尔断裂以东27 km左右，属其影响范围，因此工程区构造稳定性评价为较差。此外，青河县地质构造复杂，新构造运动强烈，地震频率较高，强度大，其地壳稳定性划分属于区域地壳不稳定区―次不稳定区。根据国家地震局2000年编制的地震动峰值加速度区划图，研究区地震动峰值加速度为0.2 g，属Ⅷ度地震烈度区。

1.5 水文地质条件

研究区位于中低山基岩坡脚地带，水文地质条件较为简单，地下水类型分为基岩裂隙水与第四系孔隙潜水两类，分述如下：

(1)基岩裂隙水主要储存于城区北部基岩山区的奥陶系上中统岩层中，其主要补给源为大气降水、融雪水，富水性-般贫乏，局部裂隙密集带富水性为中等，地下水水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型水。其主要排泄方式为以水平径流方式向河流及一级阶地排泄，但在洪水期地下水位较高时，一级阶地潜水又反过来补给基岩裂隙水。

(2)第四系孔隙潜水储存在研究区上更新-全新统碎石块石岩屑内，含水层厚度在1～2.5 m，随下部碎石土厚度及基岩顶面埋深而变化。其主要的补给源基岩裂隙水侧向补给和大气降水入渗补给，绝大部分时间里为透水而不含水层。其排泄方式主要有垂直蒸发排泄与地下径流水平方式向下游排泄。

1.6 工程地质条件

根据研究区内地层的分布特征，岩土体分为岩体和土体两大类。按照岩石强度、结构以及土体的粒度成分及结构，将岩土体划分为坚硬-较坚硬岩组，土体包括卵石土单层土体和碎石土单层土体两种。

1.6.1 坚硬—较坚硬岩组

分布于泥石流沟的上游北部低山区(泥石流形成区及流通区)，岀露面积较大。主要有低山区千枚岩化细―粉砂岩、千枚岩化粉砂质泥岩、千枚岩夹少量大理岩薄层组成坚硬—较坚硬岩组。

1.6.2 土体

1)卵石土单层土体

主要分布于研究区南部，漫滩和低阶地下，岩性为卵石、砂砾石等，结构松散。在低阶地上表层常履盖有厚度不大的亚砂土或含砾亚砂土，与下伏卵砾石层组成二元结构。较大的卵石可以用作建筑物地基或修建拦截泥石流谷坊和拦渣具的骨架材料。

2)碎石土单层土体

主要分布于泥石流沟底部，岩性为分选性差的片石、碎石土和亚粘土(含碎石)，碎石多为尖棱状，结构松散，工程地质条件较差，厚度不均匀，根据探进及钻孔揭露，一般在1～2.5 m，最深可达4.7 m。含土多的地段在洪水冲刷侵蚀作用下易形成坍岸，并为泥石流灾害提供物源。

2 研究区泥石流形成条件分析

2.1 地形地貌条件

研究区位于青河县城北侧，为低山丘陵地貌和山间盆地河谷冲洪积平原的山前洪积扇裙，地形由北向南倾斜，平均纵坡降6.4%～20.2%。该区域发育了多条近南北向季节性洪水冲沟，沟谷下游开阔呈宽谷状，往上游变得狭窄，呈宽“V”字型或 “U”字型。由于受新构造运动影响，沟谷内不同程度地沉积了一些松散堆积物。后期随着山体的上升，水流以溯源侵蚀的形式，不断侵蚀早期沉积在沟谷中的第四系松散堆积物，形成现在的沟槽。沟槽在上游呈“V”字型，宽度2～5 m；在中下游呈“U”字型或箱形，宽10～15 m。沟槽比较狭窄平直，下游地形相对变缓，纵坡降12.4%～24.3%，沟谷逐渐消失，使汇入沟中的水流能量集中扩散，不仅为泥石流形成提供了充足水动力条件，而且使形成泥石流能量相对集中，能起到排导泥石流并向下游输送到出山口后地形变缓处沉积的作用，为泥石流的发生提供了必要的地形、地貌条件。

2.2 碎屑固体物源条件

根据野外现场调查发现，研究区内四条泥石流沟中分布有大量的第四系松散堆积物，为泥石流形成提供了大量的碎屑固体物质。北部山区坡面堆积有松散风化岩石碎屑，相对较薄。经过现场勘查，依据井探、钻探、物探、测量资料计算各泥石流沟松散碎屑物源储量，具体计算结果见表1。根据钻孔及探井揭露地层得知，泥石流沟内松散层厚度一般为0.5～4.2 m，主沟沟床内厚度一般为0.6～1.5 m，沟道两侧一般为0.8～2.5 m。坡体上第四系厚度一般约为0.5 m。由于松散堆积层受洪水冲蚀而形成陡坎，加之被冲蚀的松散堆积物和坡积物受侧蚀作用的影响，最终为泥石流的形成提供了大量碎屑固体物源。

根据对研究区泥石流松散堆积物源计算结果看出，城北泥石流松散堆积物总方量为986 280.6 m3，其中冲洪积物松散堆积物所占比例最多，其次为沟道两岸残坡积物，堆积建筑垃圾及生活垃圾所占比例最少。由此可看出沟谷处物源条件最好，易引发泥石流。

2.3 水源条件

水既是泥石流体的重要组成部分，又是泥石流的搬运介质，同时暴雨又是泥石流形成的重要激发因素。青河县年平均降水量172.2 mm，年平均蒸发量1 397.4 mm。冬季积雪厚度在40～70 cm之间，最大积雪厚度100 cm。降水在时间上的分布变化也较大，平原区主要集中于4～7月；山区冬季降雪量大，至开春季节融化，且山区降水春末夏初占优。降水与融雪在时间上的重叠，为泥石流灾害的形成提供了充足的水动力条件。

3 研究区泥石流动力学特征分析

3.1 泥石流流体密度计算公式

根据野外实地调查得知，城北四条沟泥石流固体物质主要由粉土、角砾、风化碎石夹泥砂组成。根据室内试验的结果得知，固体颗粒相对密度取2.4～2.6 g/cm3，本次计算取2.4 g/cm3，水的密度取1 g/cm3，的取值是根据泥石流易发程度评分结果查《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)表中的值。泥石流流体密度采用下式进行计算：

(1)

式中：ρm为泥石流流体密度(t/m3)；ρw为水的密度(t/m3-取值1)；ds为固体颗粒相对密度-根据《青河县城市防洪规划》中为2.4 g/cm3；f为固体物质体积和水的体积之比。根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中取值。

3.2 泥石流流量、流速计算

采用西北地区现行公式及流量流速公式计算泥石流流速，即：

(2)

QC=Vm·W

(3)

式中：vm为泥石流断面平均流速(m/s)；a为清水河床粗糙系数，值与泥石流流体密度和固体颗粒相对密度有关；Rm为泥石流液体水力半径(m)，可近似取其泥位深度；I为泥石流流面纵坡比降(%)；W为泥石流过流断面积(m2)；QC为泥石流流量(m3/s)。

通过本次勘查确定四条沟的过流断面面积，实测值分别为：1.92 m2、0.96 m2、1.12 m2、1.9 m2；泥石流液体水力半径取1.2 m、0.8 m、0.8 m、1.0 m。泥石流流速、流量计算结果见表1。

表1 泥石流流速、流量计算成果表

3.3 一次泥石流过程总量

根据泥石流沟汇流特征、泥石流量及松散固体物可移方量等因素，按式4可推算泥石流一次过程总量。式中K值按泥石流沟汇流面积取值。根据4条沟面积F分别为 0.2 km2、0.63 km2、0.56 km2、0.19 km2看出其面积均小于5 km2，因此，K取0.202；根据2010年发生的泥石流及现场访问，泥石流历时约0.5 h，即T=1 800 s。

Q=K·T·QC

(4)

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)相关条文规定，当F<5 km2时，K=0.202；当F=5～10 km2时，K=0.113；当F=10～100 km2时，K=0.037 8；当F>100 km2时，K<0.025 2。

根据泥石流一次性过程总量，按(5)可推算泥石流固体物质总量。

WS=Q·(ρm-ρw)/(ρs-ρw)

(5)

式中：T为泥石流历时(s)；Q为一次泥石流总量 (m3)；QC为泥石流流量 (m3/s)；ρs为固体物质密度(t/m3)；Ws为固体物质总量 (m3)。

其它符号含义与式1中表示含义一样。计算结果见表2所示。

3.4 泥石流体整体冲压力计算

结合研究区实际情况，依据规范选取“沙砾泥石流冲压力公式”，

δ=4.72×105VCd

(6)