某库坝区泥石流发育分布规律及活动特征研究

叶圣生, 梁 梁, 李会中, 王团乐

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430074)

某库坝区泥石流发育分布规律及活动特征研究

叶圣生, 梁 梁, 李会中, 王团乐

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430074)

某库坝区位于川滇山地,沟谷深切,坡面第四系松散物源丰富,暴雨集中,泥石流活动频繁。通过大量的遥感解译、现场地质调查等工作,在查明各泥石流沟基本参数及特征的基础上,分析库坝区泥石流的形成条件,总结240条泥石流沟的发育分布规律,并通过对典型泥石流沟的现场试验、取样分析等研究工作,分析总结其活动特征及危害性。以上总结研究旨在提高对库坝区泥石流灾害特点的整体认识,并为泥石流灾害防治提供技术基础。

泥石流;发育分布;活动特征;危害性

某水电站库坝区位于金沙江下游云南禄劝县—四川省攀枝花市两省交界地段,库坝区河道长约219 km,其中坝址以上—库区河道长约206.7 km,坝址以下河道长约12.3 km。库坝区地处青藏高原东南缘、川西南山地与云贵高原交接过渡地带,山高谷深,构造复杂,岩体破碎,植被稀少,在暴雨作用下库坝区泥石流活动频繁。

泥石流是库坝区主要地质灾害之一,大规模泥石流活动可能堰塞河道,冲毁沟道附近建筑物,给水电工程建设期产生较大的安全影响；而在水库运行期,泥石流活动一方面增加水库淤积,减少库容,另一方面由于沟道淤积,造成泥石流在支沟回水末端活动范围扩大,影响原沟道两侧农田或居民安全。因此本文在现场调查研究工作基础之上,总结某水电站库坝区泥石流发育分布规律及活动特征,提高对泥石流灾害的整体认识。

1 形成条件

1.1 地形地貌

库坝区地势总体上西北高、南东低,以中山为主,局部为高中山区。山顶高程在800～3 600 m之间,局部坡度在45°以上。沟谷形态多为狭窄的“V”型谷,河流切割深度一般500～1 000 m,两岸地形坡度一般在30°左右。根据对库坝区各条泥石流沟谷的沟床比降统计表明,其比降一般在0.1～0.5之间,部分可达1.0左右,平均比降约0.3。沟床两侧岸坡坡度大、沟床整体比降大的特点为泥石流物源在沟内移动提供了便利的地形条件,进一步促使泥石流的形成。

1.2 松散物源

根据现场调查成果,泥石流主要物源为第四系松散堆积体及断层破碎带中散体状岩体。

1.2.1 第四系松散堆积体

库坝区第四系松散堆积层分布广泛,成因多种,构成泥石流物源的主要有龙街组、马店河组的松散堆积层以及人工弃渣等。

马店河组松散堆积层:为全新世以来的崩坡积层或洪积层,在库坝区两岸沟谷中广泛分布,多在沟口或坡脚形成陡崖,分布高程可从金沙江岸边—高程1 300 m左右。

龙街组松散堆积层:形成于晚更新世湖相沉积环境,主要为灰白色粉土、粉质粘土,在沟口或岸边多因地表水流作用形成土柱和陡崖,其沉积厚度>100 m。

人工弃渣:库坝区两岸各类工程繁多,如矿山开采、公路开挖、厂矿兴建等,这些工程活动形成了大量的工程弃渣,为近年来部分泥石流活动提供了丰富的物源。

1.2.2 断层破碎带

库坝区断裂发育,主要断裂有磨盘山—绿汁江断裂、汤郎—易门断裂、铜厂沟—皎西断裂、马鹿塘断裂,其中磨盘山—绿汁江断裂、汤郎—易门断裂为活动断裂。这些断裂的断裂带宽大、岩体破碎,呈散体状,构成泥石流活动主要物源。

1.3 降雨

库坝区位于亚热带季风气候区,主要特点是日照时数多,蒸发量大,雨量集中,干湿季分明,气温年差较小、日差较大。由于区域地势高差悬殊,气候具有明显的垂直变化,形成了典型的立体气候。根据金坪子、元谋县江边乡及攀枝花市的降雨资料,库坝区多年平均降雨量一般在600～800 mm(图1),6月—10月降雨量占全年降雨量的81%。区内暴雨受地形的影响多呈带状分布,主要分布在高程1 000～2 500 m之间,暴雨及大暴雨主要出现在6月—8月,暴雨主要出现在夜晚,暴雨历时6 h以内的占暴雨次数的60%,这些降雨特征有利于松散堆积物充分饱和而减少其内摩擦角,降低土体起动的动能要求,从而有利于形成泥石流。

图1 库坝区多年平均降雨量等值线图Fig.1 Contour map of annual average rainfall in a reservoir and dam site

2 发育分布规律

库坝区山坡型泥石流与沟谷型泥石流皆有发育,山坡型泥石流规模较小,本文只研究沟谷型泥石流。沟谷型泥石流一般沟谷狭长,泥石流物质主要来源于沟谷、上游发育的大规模崩塌、滑坡及人类工程活动产生的弃渣等。通过应用2.5 m高分辨率SPOT5遥感影像及基于1∶10 000地形底图的矢量数据制作的三维场景,对库坝区金沙江河段两岸凡有堆积扇或具有典型形成区与流通区特征的沟谷进行泥石流影像解译,在解译成果基础上开展现场地质调查工作,并选取库坝区29条堆积扇明显、活动频繁的典型泥石流沟进行现场试验和取样分析等研究工作。经上述工作,查明库坝区左岸分布泥石流沟136条,右岸分布泥石流沟104条,两岸共有泥石流沟240条[1]。

2.1 泥石流分布与地形地貌

2.1.1 与形成区平均坡度关系

对库坝区240条泥石流沟进行统计分析,发现泥石流沟分布与形成区平均坡度成正态分布[2],形成区平均坡度在20°～40°分布的泥石流沟数量最多,约占总数的73.7%(图2)。造成这种分布的主要原因是地形坡度在20°～40°时有利于第四系松散堆积物累积,在暴雨作用下容易出现变形破坏,为泥石流活动提供丰富的物源。地形较缓时,堆积体稳定,提供泥石流活动的物源较少；地形较陡时,堆积层在天然状态下就不稳定,堆积层很薄。

图2 泥石流分布与形成区平均坡度关系Fig.2 The relationship between debris flow distribution and average slope in formation region

2.1.2 与主沟床平均比降关系

库坝区泥石流沟的主沟床平均比降主要集中在100‰～400‰,占泥石流沟总数的68.4%(图3)。当沟床平均比降<100‰时,水力坡度过缓,洪流携带能力及冲刷能力较小,多形成洪水；当沟床平均比降>400‰时,沟床较陡,松散物质难以堆积,泥石流活动偏少。

2.1.3 与流域面积关系

库坝区不同流域面积发育的泥石流沟比例见表1,从表中可以看出流域面积在10 km2以内的泥石流沟占总数的81.3%,并且集中分布在3 km2以下的流域范围内。随着流域面积的增大,整体呈现出泥石流沟数量随流域面积增大而减小的特点。

图3 泥石流分布与主沟床平均比降的关系Fig.3 The relationship between distribution of debris flow and average gradient of main channel bed

表1 不同流域面积泥石流沟分布比例统计Table 1 The ratio of debris flow distribution in different drainage area

流域面积/km2泥石流个数百分比/%流域面积/km2泥石流个数百分比/%≤133.8≤133.81～213.81～535.42～310.85～1012.13～46.310～259.24～54.625～504.65～62.950～1002.96～73.3100～2001.37～80.8200～5000.48～105.0>5000.4

图4 泥石流分布与流域最大相对高差的关系Fig.4 The relationship between debris flow distribution and maximum relative elevation of Watershed

2.1.4 与沟谷相对高差关系

库坝区位于中山地貌区,泥石流沟流域最大相对高差约2 250 m,从图4可以看出以相对高差0.3～1.5 km的泥石流沟最为发育,约占总数的83.7%,其中以相对高差0.6～0.9 km的泥石流沟最为发育,约占总数的35.4%。

2.2 泥石流分布与形成区地层岩性

形成区地层岩性是指形成区基岩的主要地层岩性,组成物源的第四系松散堆积体及断层破碎带不参与形成区地层岩性统计。

2.2.1 与形成区主要岩性组关系

根据工程地质岩组分类原则,形成区岩性组可划分为5组(表2),库坝区泥石流沟形成区主要岩性统计结果见图5,从图中可以看出库坝区泥石流主要发育于碎屑岩(S)及浅变质岩(BQ)中,两者发育的泥石流沟约占总数的68%。

图5 不同岩性组泥石流沟发育数量统计Fig.5 The ratio of debris flow distribution in different lithologic groups

库坝区主要岩性组整体成片分布,某个岩性组中泥石流沟在金沙江河道上的分布密度也在一定程度上反应了泥石流发育程度。统计不同岩性组中泥石流分布密度特征(见图6),从图6中可以看出库坝区变质岩中泥石流分布密度最大,这与其经历长期地质构造等作用而导致变质岩区岩体破碎程度高等地质因素密切相关。

图6 不同岩性组中泥石流沟河道分布密度统计Fig.6 The ratio of debris flow distribution on riverside in different lithology groups area

2.2.2 泥石流与形成区地层年代关系

库坝区地层年代与前述岩性分类总体呈对应关系,碎屑岩为新地层,到深变质岩地层年代更为久远,为相对老地层。泥石流发育数量与地层年代大体呈比例关系,地层年代越久远,泥石流发育数量越多,其主要原因是老地层经历多期构造运动,岩体破碎程度高,风化强烈,表层可作为泥石流物源的松散层发育,导致泥石流发育数量多。

2.3 泥石流分布与断裂

某库坝区断裂构造主要集中在库首及库尾一带,库中部位断裂不发育,且断裂构造总体呈近南北向展布,垂直金沙江或平行金沙江,少量近东西向。库首—汤郎一带区域性断裂发育程度高,且多为南北向,主要断裂有德干断裂、马鹿塘断裂、铜厂沟—皎西断裂、汤郎—易门断裂,一般间隔10～20 km一条大型断裂带垂直金沙江通过；近东西向断裂主要有落雪—通安断裂及糖房—瓦厂田断裂,位于金沙江北岸。库尾龙川江河口—末端攀枝花金沙江流向近南北向,区域大断裂磨盘山—绿汁江断裂平行金沙江且位于江边一带展布。

按库首及库尾断裂密集区、库中断裂稀疏区两类区域对泥石流发育密度进行统计表明,顺金沙江河谷断裂密集区泥石流发育线密度为0.49条/km,断裂稀疏区泥石流发育线密度为0.57条/km,两者基本相当；但两类区域内泥石流发育面密度存在明显差距,断裂密集区泥石流发育面密度为12.9条/100 km2,断裂稀疏区泥石流发育面密度为4.7条/100 km2。根据统计表明,在断裂构造密集区域内,泥石流发育程度更高,主要是在构造作用影响下,断裂密集区岩体破碎程度高,流域内松散岩土体发育,构成泥石流重要物源,在相对较小流域面积内即可爆发泥石流活动。

3 活动特征

3.1 定性判别

根据泥石流勘查规范[3],对库坝区240条泥石流沟发展阶段、单沟活动强度进行统计,泥石流易发程度采用可拓学及规范评判方法进行综合评价[4],统计结果见表3。从表中可以看出,库坝区泥石流发展阶段为壮年期,泥石流沟的单沟活动强度为较强—强占泥石流沟总数的96%以上,而99%以上泥石流沟的易发程度均为轻度易发—易发。

3.2 典型泥石流沟运动特征

通过对29条典型泥石流的堆积区物质进行现场筛分,并采用多种方法判定泥石流的容重,经统计,容重>1.6 t/m3有24条,多为粘性泥石流。

表3 泥石流基本特征定性判断统计Table 3 Qualitative judgment and statistics of basic characteristics of debris flow

根据实际调查,采用形态调查法及雨洪法计算典型泥石流沟的流速、流量,不同流速、流量的泥石流沟分布比例见图7、图8,从图中可以看出,流速一般为4～14 m/s,流量一般为100～1 500 m3/s。

根据固体储量、泥痕信息、降雨量等特征推算一次泥石流最大冲出量(L1)[5],统计结果表明84%泥石流沟的一次泥石流最大冲出量<10万m3,而74%的泥石流沟一次泥石流最大冲出量在2万～8万m3之间(图9)。

图7 不同流速段泥石流沟分布比例Fig.7 The ratio of debris flow distribution in different flow velocity section

图8 不同流量段泥石流沟分布比例Fig.8 The ratio of debris flow distribution in different flow section

3.3 典型泥石流沟危害性

3.3.1 最大危险范围统计

根据现场调查的参数,采用泥石流勘查规范计算单沟堆积区危险范围,统计结果表明大部分典型泥石流沟的堆积区最大危险范围在0.2～0.4 km2之间(图10)。

图9 不同一次泥石流最大冲出量段泥石流沟分布比例Fig.9 The ratio of debris flow distribution in different of the maximum discharge in a debris flow process

图10 不同危险范围的泥石流沟分布比例Fig.10 The ratio of debris flow distribution in different dangerous areas

3.3.2 堵江预测

根据调查,金沙江在过去200年以来未发生过泥石流堵江事件,历史上曾发生过的堵江事件为滑坡或远程滑坡造成的。

水库蓄水后,泥石流沟淤积范围主要集中在支沟回水末端,泥石流活动不会造成金沙江堵塞。水库蓄

水前,采用陈德明等提出泥石流的堵河判别式对典型泥石流沟进行判别[6],判别结果均为不会发生堵江。

4 结语

(1) 某库坝区位于川滇山地地带,河流深切,岸坡陡峻,岩体破碎,坡面第四系松散物源丰富,加之降雨集中,极易引发泥石流活动。经调查,库坝区发育240条泥石流沟,泥石流是库坝区主要地质灾害之一。

(2) 经统计,库坝区泥石流主要发育于碎屑岩(S)及浅变质岩(BQ)中；受形成区地形坡度的影响,在坡度20°～40°分布的泥石流沟数量最多；在断裂构造密集区域内,岩体破碎,泥石流发育程度更高。

(3) 库坝区典型泥石流沟的流速一般4～14 m/s,流量一般为100～1 500 m3/s,泥石流沟一次泥石流最大冲出量在2万～8万m3之间,堆积区危险范围一般为0.2～0.4 km2,不会造成堵江。

[1] 陈剑平,王清,叶圣生,等.金沙江某水电站可行性研究阶段库坝区泥石流工程地质研究[R].武汉:长江勘测规划设计研究有限责任公司,2009.

[2] 徐如阁,郑万模,巴仁基,等.大渡河流域泥石流发育特征研究[J].人民长江,2013(增刊):117-119.

[3] 四川省国土资源厅.泥石流灾害防治工程勘查规范:DZ/T 0220—2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

[4] 刘厚成,谷秀芝.基于可拓层次分析法的泥石流危险性评价研究[J].中国地质灾害与防治学报,2010,21(3):61-66.

[5] 刘希林,唐川.泥石流危险性评价[M].北京:科学出版社,2004.

[6] 陈德明,王兆印,何耘.泥石流入汇对河流影响的实验研究[J].泥沙研究,2002(3):22-28.

(责任编辑：于继红)

Study on the Distribution Regularities and Activity Characteristics ofDebris Flow in a Reservoir and Dam Site

YE Shengsheng, LIANG Liang, LI Huizhong, WANG Tuanle

(ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearchCo.Ltd.,Wuhan,Hubei430074)

A reservoir and dam site is located in Sichuan-Yunnan mountainous region with deep gullies; the quaternary loose source is abundant,concentrated in rainstorm and frequent in debris flow. The rainstorm is concentrated in rainy season in local areas,which cause debris flow in high frequency. In this paper,a large number of remote sensing interpretation and on-site geological survey work are carried out,on the basis of the essential parameters and characteristics of the debris flow gullies,the formation conditions of debris flow in reservoir dam area are analyzed,and the development and distribution regularities of 240 debris flow gullies are summarized. At the same time,through the field test and sampling analysis of typical debris flow ditch,the activity characteristics and harmfulness are summarized.Through the research above,the purpose is to improve the overall understanding of debris flow disaster characteristics in reservoir dam area,and to provide technical basis for debris flow disaster prevention and control.

debris flow; development distribution; activity characteristics; danger

2017-06-26;改回日期:2017-07-05

水利部“948”项目——泥石流自动监测与预警系统(201510)。

叶圣生(1970-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电、地质灾害防治等工程勘察、设计、研究工作。E-mail:shenthy@163.com

P642.23

A

1671-1211(2017)04-0501-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.032

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170628.1113.004.html 数字出版日期:2017-06-28 11:13