新疆沙湾县独山村泥石流形成条件及动力学特征分析

唐 捷

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)



新疆沙湾县独山村泥石流形成条件及动力学特征分析

唐 捷

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

泥石流是山区特有的一种地质灾害现象，具有突发性和危害性大的特点。在野外实地调查的基础上，对新疆沙湾县独山村泥石流的动力学特征值进行计算，并对泥石流的形成条件进行了分析。研究结果表明：该沟所处区域地质构造强烈，沟床纵坡比为150.7‰，沟道比较窄，两侧山体较陡，泥石流形成-流通区面积较大，集中强降雨以及物源类型丰富等都具备爆发泥石流的形成条件。通过计算该泥石流流速、峰值流量、一次泥石流总量以及一次泥石流冲出的固体物质总量等动力学参数。对该泥石流形成条件及动力学特征进行分析，为研究区内其它具有相似孕灾背景的泥石流形成机理的认识提供参考依据。

泥石流；地质环境；形成条件；动力学特征；沙湾县

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]。研究区地处天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，南北长，东西宽，地形南高北低，地貌大体分为山地、平原和沙漠三部分。研究位于沙湾县西戈壁镇独山村以南约10 km处，中心地理坐标为E：85°27′31″，N：43°58′36″。由沙湾县城沿沙-温公路(X814线)向温泉景区方向行约55 km即可到达，交通十分便利。在强降雨和地震作用等自然因素的影响下，将会冲毁农田，对国防公路和沙-温公路构成直接威胁。因此，在相关研究成果的基础上[2-6]，对独山村泥石流形成条件和动力学特征的研究和分析，可以为研究区内其它具有相似孕灾背景的泥石流形成机理的认识提供参考。

1 区域地质条件

1.1 地形地貌

研究区地貌为侵蚀作用强烈中山区和剥蚀作用丘陵区，泥石流沟流域总面积15.5 km2，主沟总长约11.65 km，源头最高海拔2 856 m，最低点海拔1 244 m，最大相对高差1 612 m，沟床纵坡比为150.7‰。泥石流沟沟道比较窄，两侧山体陡峭，坡度在30°～85°，泥石流形成-流通区面积较大，且支沟较发育，通过实地调查圈定研究区共发育有6条支沟，集水面积较大，总面积为9.6 km2。

1.2 地层岩性

研究区出露地层岩性主要为二叠系下二叠统阿尔巴萨依组砂岩、砾岩、粉砂岩，第四系全新统冲洪积层，第四系全新统冲积层。从老到新简述如下：

1.2.1 二叠系下二叠统阿尔巴萨依组

出露于勘查区南部中山区基岩山体。是一套陆相裂隙式火山喷发火山碎屑沉积建造，为火山活动强烈的槽型沉积。岩性为灰色砂岩，红色砂岩、砾岩、粉砂岩等。

1.2.2 第四系全新统冲洪积层

主要分布于勘查区主沟道及各支沟沟床内，地层岩性主要为角砾、圆砾层，充填物以中粗砂为主，呈次棱角状或亚圆状，母岩成分以石英、灰岩为主，下伏强风化基岩。

1.2.3 第四系全新统冲积层

主要分布于泥石流沟道两侧坡面，岩性为粉土，土黄色，干燥-稍湿，松散-中密，干强度低，韧性差，局部含有碎石，碎石含量不超过5%。表层0～1 m含植物根系。

1.3 地质构造与区域稳定性

研究区一级构造单元处于准噶尔-北天山褶皱系，二级构造单元为北天山优地槽褶皱带，三级构造单元为乌鲁木齐山前坳陷，该区域褶皱、断裂构造发育均较少。此外，研究区所在的区域新构造运动具有强烈的广泛性和继承性，构造形迹明显，保存完整，近期构造运动强烈频繁。由于强烈的构造、新构造运动，使地形地貌更加复杂，山高坡陡，河谷发育，岩体破碎，节理裂隙发育，进而为崩塌、滑坡、泥石流的发生提供了条件。

1.4 水文地质条件

研究区分布的地下水类型有基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两大类。

1.4.1 基岩裂隙水

主要分布于研究区南部的基岩分布区。含水层岩性为二叠系下二叠统阿尔巴萨依组砂岩、砾岩、粉砂岩。地下水主要接受大气降水(含冰雪融水)入渗补给，地下水沿岩石裂隙由高处向低处排泄至泥石流沟道内，最终排泄于金沟河，地表未见地下水露头。

1.4.2 松散岩类孔隙水

主要分布于泥石流沟谷潜水含水层，为单一砂砾石层，由于地表水与地下水转换较频繁，富水性各沟谷不一致，赋存全新统洪积砂砾石层潜水，水源由降雨入渗及基岩裂隙水补给，沿沟道向下游排至金沟河。

1.5 工程地质条件

研究区分布的工程地质岩组包括岩组和土体两大类。岩组为互层状较坚硬—软弱碎屑岩组，土体为砾类土单层土体，粉土与砂砾石双层土体两种。

1.5.1 互层状较坚硬—软弱碎屑岩组

分布在勘查区南部出露的基岩区，该带岩组岩性为砂岩、砾岩及粉砂岩。表层被第四系的砂砾石、黄土覆盖，厚度0～50 m不等。该岩组呈近东西向条带状展布，多呈互层结构,常见钙质硅质胶结或泥质胶结,层理清晰,钙质硅质胶结的岩石力学强度中等，属于工程地质条件一般区。在沟谷、河道易发生滑坡、崩塌、泥石流地质灾害。

1.5.2 砾类土单层土体

主要分布于金沟河沿岸，泥石流沟底部和沟槽两侧坡体、坡脚处。分布于金沟河河岸的土体岩性以漂石、卵石为主，磨圆度较好，结构松散-稍密，厚度较大且均匀，工程地质条件较好。分布于泥石流沟底部及沟槽两侧土体以冲洪积和残坡积角砾、圆砾及粗砂为主，磨圆度差或一般，结构松散，厚度0.8～7.5 m，由上游至下游厚度逐渐减小，工程地质条件一般。

1.5.3 粉土与砂砾石双层土体

主要分布于泥石流沟道两侧坡体，大部为双层结构，上部多为黄土状粉土，下伏为砂砾层。上部粉土土质疏松，多孔，柱状节理发育，局部地段经长期流水冲刷，沟谷发育，水土流失较严重。地层较为均匀，由表层向下密实度为松散-稍密-中密，总体属于工程地质条件较好区。

1.6 人类工程活动

研究区内人类工程活动主要为农田耕种、放牧及道路的修建，集中在沟口的堆积区。根据现场调查情况，泥石流堆积区沟道旁边现为农田，随着泥石流沟道的下切、加宽，农田将面临塌岸的威胁，如果后期发生较大泥石流，泥石流沟道上游的导流堤将发生淤高并掩埋现象，泥石流堆积物很可能越过该段导流堤并直接威胁下游国防公路、沙温公路的安全。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形地貌条件

泥石流沟流域总面积15.5 km2，主沟总长约11.65 km，源头最高海拔2 856 m，最低点海拔1 244 m，最大相对高差1 612 m，沟床纵坡比为150.7‰。泥石流沟沟道比较窄，两侧山体较陡，坡度在30°～85°，泥石流形成-流通区面积较大，且支沟较发育。

(1)形成-流通区：通过实地调查圈定有6条支沟，集水面积较大，总面积为9.6 km2，支沟的调查均采用追溯法调查，支沟纵横交错，支沟中有支沟，几条小支沟汇集形成一个大支沟，其中支沟1、支沟2均由2条小支沟汇集形成“∧”型支沟，其余均为上有水流汇集形成的“S”型支沟。

主沟及各支沟沟谷呈“V”型，沟道宽1～8 m，两侧谷坡较陡，山坡坡度30°～85°，较有利于水及碎屑固体物质聚集，划分为形成区。形成区基岩裸露，坡面发育稀疏的耐旱低矮灌木及草类，植被覆盖率低于5%。主沟及各支沟沟道较弯曲，呈”S”型，沟道宽度较窄，沟道内为第四系松散堆积体，据探井揭露深度，形成-流通区沟道内第四系平均厚度为2.4 m。基岩山体岩性为砂岩，表层风化作用强烈，经现场调查泥石流流域基岩山体表层风化松散层厚度取0.2 m，在雨水作用下，基岩表层松散物随雨水汇入较窄的沟道，为下游提供了丰富的松散物源。

(2)堆积区：泥石流沟由经过流通区，呈喇叭口状向北汇入金沟河，在蒙古圈子护林站处分流，形成1条主沟、1条支沟向下游堆积区堆积。堆积区面积5.9 km2，第四系松散堆积物平均厚度大于100 m。沟床纵坡逐渐变缓，主沟长度为2 326 m，相对高差127 m，平均纵坡比为54.6‰；支沟长3 078 m，相对高差183 m，平均纵坡比为59.5‰。

2.2 松散物源条件

通过本次野外工作的调查，发现泥石流沟内松散堆积物主要为流域上游坡面部分的残坡积物，其次为主沟道及沿线各支沟内松散堆积物。

2.2.1 泥石流沟道内松散物源

主沟内第四系松散堆积物分布于从沟口至S101公路一段沟道内，长度为3.1 km，沟道横剖面揭露断面平均面积为16.65 km2，沟道内施工探井揭露第四系平均深度为2.4 m，松散物源体积按横剖面揭露断面面积乘以沟道内第四系长度为5.2×104m3，即主沟沟道内松散物源体积为5.2×104m3。

2.2.2 山坡表层松散物源

沙湾县西戈壁镇独山村南泥石流灾害部分面积基岩出露，山体植被覆盖率约90%，根据地面调查山坡表层松散物源平均厚度取0.4 m，总方量等于山坡面积与平均厚度的乘积，山坡面积即形成-流通区面积约9.6 km2与形成-流通区沟道内第四系分布面积8.6 km2之差，即0.96 km2，计算方量为38×104m3。

综上，泥石流松散物源体积共为43.2×104m3。

2.3 水源条件

研究区位于剥蚀作用低山区，泥石流的水源主要为降雨，降雨较集中在4-8月，降雨多为短时大雨或暴雨。暴雨能在短时间内形成强大的地表径流，而携带松散碎屑物质起动形成泥石流。由于研究区内未设置水文站，仅收集到部分气象观测资料，水动力条件需进一步进行水文计算来确定。

3 泥石流动力学特征分析

3.1 泥石流流速

关于泥石流流速的计算，可以根据公式(1)和(2)进行计算：

(1)

(2)

式中：γH为泥石流固体物质比重，本文取2.639 t/m3；R为计算断面的水利半径，可用平均泥痕深度(水深)，本文取1.40 m；I为泥石流水力坡度，本文取102.75‰；n为泥石流沟床的糙率系数，取值为0.1；φ为泥石流泥砂修正系数，取值为0.622；γc为泥石流流体重度，本文取1.628 t/m3；γw为清水重度。

将以上选取的各参数，代入公式(1)中进行计算，经计算：研究区泥石流平均流速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设计的重要参数，本次勘查泥石流峰值流量主要采用现场形态调查法进行计算。计算公式为：

Qc=Wc·Vc

(3)

式中：Qc为泥石流洪峰值流量(m3/s)；Wc为泥石流过流断面面积(m2)，取值为14.74 m2；Vc为泥石流流速(m/s)。

将选取的各参数，代入公式(3)中进行计算，计算结果为：泥石流峰值流量=14.74 m2×2.47 m/s=36.41 m3/s。

3.3 一次泥石流总量

一次泥石流总量根据泥石流历时T(s)和最大流量(m3/s)进行计算，计算公式如下：

Q=KTQc

(4)

根据现场调查，2015年8月25日，勘查区突降大雨，历时50 min，在降雨期间爆发泥石流历时约10 min，即T=600 s；泥石流峰值流量=36.41 m3/s。

将选取的这些参数，代入公式(4)中进行计算，得出一次泥石流总量Q=4 412.89 m3。

3.4 一次泥石流冲出的固体物质总量

一次泥石流冲出的固体物质总量值通常采用下式确定：

(5)

式中：γc为泥石流流体重度，本文取1.628 t/m3；为清水重度，t/m3；为泥石流固体物质比重，本文取2.639 t/m3。将选取的各参数，代入公式(5)中进行计算，其计算结果为：一次泥石流冲出的固体物质总量=1 690.84 m3。

4 结语

研究区位于沙湾县西戈壁镇独山村南部约10 km处，地貌为侵蚀作用强烈中山区和剥蚀作用丘陵区；出露地层岩性主要为二叠系下二叠统阿尔巴萨依组砂岩、砾岩、粉砂岩，第四系全新统冲洪积层，第四系全新统冲积层；区内主要赋存松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，地下水主要接受大气降雨、冰雪融水入渗补给，沿地形由由南向北径流，以侧向径流的方式排泄；岩土体划分为岩组和土体两大类。最后对泥石流的动力学特征值进行了计算，得到泥石流特征参数：泥石流流速2.47 m/s，泥石流峰值流量36.41 m3/s；一次泥石流过程的总量4 412.89 m3，一次固体物质总量为1 690.84 m3。

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2017-02-06

唐捷(1988-)，男，新疆昌吉人，助理工程师，主要从事水文地质、工程地质及地质灾害工作。

P642.23

B

1004-1184(2017)03-0196-03