新疆伊宁克孜勒赛黄土滑坡堵溃型泥石流成灾模式

邵 海，魏云杰，黄 喆，朱赛楠，庄茂国，王俊豪，石爱军

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

0 引言

2017年4月2日凌晨10分左右，新疆伊犁州伊宁县喀拉亚尕奇乡潘津布拉克牧业队克孜勒赛沟发生黄土滑坡堵溃型泥石流灾害，造成直接经济损失50余万元。新疆伊犁地区黄土滑坡堵溃型泥石流发育分布广泛，仅仅开展过一些区域滑坡分布规律与综合防治研究，而对于黄土滑坡堵溃型泥石流成灾模式研究鲜见报道。

国内外有学者对滑坡堵溃型泥石流调查、形成条件、成灾机理、静力学和运动学特征等做了深入研究[1-3]。滑坡堵溃型泥石流一般是因降雨、冰雪消融等，由孔隙水压的增加而引发。如果破坏时，土体饱和，则滑坡转化为泥石流的可能性更大[4]。本文在现场调查的基础上，对滑坡堵溃型泥石流形成条件、成灾机理、静力学和运动学特征进行深入分析，总结此类地质灾害的成灾模式，为我国新疆黄土地区类似滑坡堵溃型泥石流灾害的科学防灾减灾和应急避险提供实践经验和理论依据。

1 研究区地质环境条件

研究区位于伊宁县喀拉亚尕奇乡潘津布拉克牧业队，在伊宁县喀拉亚尕奇乡北部，距伊宁县城40 km左右。克孜勒赛沟属皮里青河流域一级支流， 位于皮里青河流域中游，本次发生的9个滑坡均位于克孜勒赛沟左岸(图1)。

图1 克孜勒赛沟地理位置图Fig. 1 The geographical location of Kezilesai Gully

区域属温带大陆性半干旱气候。滑坡所在的伊宁县多年平均降雨量为257 mm，年最大降雨量570 mm，月平均最大降水量39.3 mm，日最大降雨量为28 mm。伊宁县降雨量时间上分布不均，其中3～7月降水量较多，月降雨量均在30 mm以上，合计占全年降雨量的50% 左右，本次发生的克孜勒赛沟滑坡即发生在降水量较多的4月份。降雪主要集中在每年10月至次年3月，在每年3月初，气温回暖，冰雪开始消融。伊宁县温差较大，多年平均气温为8.4 ℃，年最高气温41 ℃，最低气温为零下34.3 ℃。

区域位于伊犁中间地块西北缘，属剥蚀堆积块状隆起山前黄土丘陵区地貌。黄土丘陵呈带状展布，系受新构造运动影响被抬升而形成，主要分布于山前地带，海拔为900～1 600 m。区内出露地层岩性由老至新为志留系岩层和第四系松散堆积层，志留系岩层主要出露于岸坡及部分沟道内，为一套以浅海相、滨海相为主的碳酸盐岩和陆源碎屑岩系，夹中基性火山岩和安山岩，第四系堆积层主要为风积黄土、泥石流堆积物、崩坡积物、滑坡堆积物、残坡积物[5]，由于堆积松散，孔隙度大，稳定性差，为易滑地层。

2 滑坡堵溃型泥石流形成条件

2.1 地形地貌

克孜勒赛沟最高点位于南侧山脊坡，高程1 461 m，最低点为沟口堆积区位置，高程为1 225 m，相对高差236 m。克孜勒赛沟沟道较顺直，沟长0.97 km，沟道纵坡比降为38‰。克孜勒赛沟岸坡以陡坡地貌为主，岸坡坡度30°～42°，左侧岸坡为黄土堆积，坡高约为230 m，右岸岸坡多出露基岩，坡高约为200 m。克孜勒赛沟的沟谷形态不一，沟道沟谷横断面上游以V型谷为主，中下游以U型谷为主，沟道宽度变化较大，为8～15 m，切割深度30～150 m。

克孜勒赛沟的地形有利于降水的汇集和径流，沟道水流对两侧岸坡侵蚀作用加强，尤其对于沟道转弯凹岸侧蚀作用更甚，掏蚀岸坡，侵蚀作用赋予泥石流强大动力，导致沟谷下切，侧蚀作用增强，岸坡频繁滑坡，在湍急水流作用下形成泥石流，并迅速下泄。

2.2 水源条件

伊宁县的降雨主要集中在3～7月份，约占全年降雨量的50%左右，本次发生的克孜勒赛沟滑坡即发生在降雨量较多的4月份。

克孜勒赛沟为一季节性溪沟，主要接受大气降水和冰雪融水，流量受降水量影响较大，流域内斜坡为草场，草场覆盖率为70%左右，为泥石流的形成和发展提供了有利条件。

2017年3月31日晚开始， 伊宁县喀拉亚尕奇乡出现降雨天气过程，根据伊宁县气象台站的雨量监测数据，3月31日的雨量仅为0.2 mm，4月1日为4.1 mm，至4月2日雨量迅速增加达到8.9 mm，4月1日～3日3 d的累计降雨量达23 mm(图2)。持续降雨入渗增加了坡体内孔隙水压力,诱发克孜勒赛沟滑坡发生，在坡体内形成暂态水压力和饱和区，阻滑力急剧下降使滑坡失去稳定发生滑动，持续降雨是克孜勒赛沟滑坡堵溃型泥石流的激发因素。克孜勒赛沟泥石流属降雨型泥石流，其暴发时间和规模受降雨的控制。

2.3 物源条件

通过对克孜勒赛沟滑坡堵溃型泥石流现场调查分析，黄土滑坡滑动堆积能够直接为泥石流提供大量物源，主要为沟道左侧9个黄土滑坡及少量沟道堆积物。9个黄土滑坡为泥石流提供松散固体物质物源总量为1.78×105m3(图3和表1)。

图2 克孜勒赛沟滑坡发生前后降雨量图Fig. 2 Cumulative curve of rainfall prior to and after landslide occurrence in Kezilesai Gully

图3 克孜勒赛沟黄土滑坡分布图Fig. 3 The distribution of loess landslide in Kezilesai Gully

序号滑坡位置滑坡坐标滑坡体积(×104 m3)变形破坏模式力学机理堵溃情况说明1沟道左岸N44°8'33.98″E81°32'47.25″0.26蠕滑-拉裂推移式无堵溃2沟道左岸N44°8'33.13″E81°32'48.49″1.20蠕滑-拉裂推移式无堵溃3沟道左岸N44°8'31.03″E81°32'48.87″1.75蠕滑-拉裂推移式形成堵溃4沟道左岸N44°8'30.56″E81°32'47.17″1.24蠕滑-拉裂推移式形成堵溃5沟道左岸N44°8'31.59″E81°32'45.82″2.10蠕滑-拉裂牵引式形成堵溃6沟道左岸N44°8'26.28″E81°32'31.14″6.20蠕滑-拉裂牵引式形成堵溃7沟道左岸N44°8'24.51″E81°32'24.25″3.04蠕滑-拉裂牵引式形成堵溃8沟道左岸N44°8'24.43″E81°32'20.17″0.96蠕滑-拉裂推移式无堵溃9沟道左岸N44°8'25.09″E81°32'18.09″1.05蠕滑-拉裂推移式无堵溃

9个黄土滑坡的变形破坏模式均为蠕滑-拉裂型，除5#、6#和7#滑坡前缘受沟道转弯凹岸侧蚀作用为牵引式滑动外，其余均为推移式滑动[6]。3#和4#滑坡滑动后在同一处形成堰塞坝，5#、6#和7#滑坡分别形成堰塞坝(图4)。

图4 克孜勒赛沟沟道滑坡Fig. 4 Landslides in Kezilesai Gully

3 滑坡堵溃型泥石流灾害成灾机理分析

克孜勒赛沟于2017年3月30日开始降雨，一直持续至4月2日，在沟道内970 m范围内形成1#～9#黄土滑坡。其中3#、4#、5#、6#和7#滑坡堵塞沟道形成堰塞坝，堰塞坝发生自然串联式溃决而形成滑坡堵溃型泥石流灾害，掩埋了沟口三户牧民的羊圈，造成402只羊，5头牛被掩埋，牧民房屋不同程度受损。黄土斜坡滑动是由黄土液化引起的，其作用机制为持续降雨形成饱和黄土层，在外力作用下饱和黄土液化，饱和黄土层强度急剧降低构成滑坡软弱带，在滑体自重下滑分力作用下饱和黄土层产生流动，黄土斜坡失稳滑动形成黄土滑坡。黄土滑坡堵溃型泥石流形成过程首先为黄土边坡由饱和黄土层强度急剧降低构成滑坡软弱带阶段到整体失稳滑动，滑坡滑入沟道形成堰塞坝，最后堰塞坝溃决形成泥石流[7-8](图5)。

图5 黄土滑坡堵溃型泥石流形成过程示意图Fig. 5 Formation process of loess landslide-debris flow

4 泥石流静力学和运动学特征

4.1 滑坡堰塞坝溃决洪峰流量qm

现场调查发现，3#、4#、5#、6#和7#堰塞坝溃决方式为全溃。采用常用的全溃计算公式[9]，计算3#、4#、5#、6#和7#堰塞坝溃决洪峰流量(图6)。

(1)

式中：B——坝迎水面宽度(m)；

bm——溃口宽度(m)；

H0——坝前水深(m)。

图6 滑坡堰塞坝溃口断面Fig.6 Breach section of landslide dam

由式(1)计算得到，3#、4#、5#、6#和7#堰塞坝溃决洪峰流量分别为5.4 m3/s、10.1 m3/s、49.5 m3/s和30.3 m3/s。

4.2 泥石流流速

采用常用的西部山区泥石流流速公式进行估算[10]。

(2)

(3)

(4)

式中：Mc——泥石流沟床粗糙系数；

a——阻力系数；

R——泥石流水力半径(m) ，通常用泥深来代替;

Ic——泥石流水力坡度；

γs——固体容重，取1.65～1.8 g /cm3；

γc——泥石流容重。据现场初判，取泥石流容重1.4 g/cm3；

γw——水的容重，取1.0 g/cm3；

φc——容重系数。

由式(1)计算得到上游3#滑坡断面处、6#滑坡断面处、7#滑坡断面处的泥石流流速分别为1.88 m/s、2.21 m/s、3.50 m/s(表2)。

4.3 泥石流流量

根据现场测量泥石流泥痕断面，可以计算得到3#、6#和7#滑坡断面处泥石流流量分别为4.51 m3/s、41.39 m3/s和24.85 m3/s。

4.4 泥石流危险区

由于泥石流的主要危害范围为泥石流的堆积扇区，泥石流的堆积扇最大长度、宽度以及堆积面积与泥石流的补给总量的关系式分别为[11]。

L=12.8V0.25

(5)

B=4.44V0.32

(6)

S=38.51V0.58

(7)

式中：L——堆积扇最大长度(m)；

B——堆积扇最大宽度(m)；

S——堆积面积(m2)；

V——泥石流补给体积(m3)。

代入泥石流补给体积V=1.78×105m3，分别得到堆积扇最大长度( 顺沟向)L为263.1 m，堆积扇最大宽度( 垂直沟向) B 为212.6 m，堆积扇面积为55 935.06 m2，现场调查泥石流堆积长度约300 m，堆积宽度约220 m，泥痕高度2 m，两者结果较为吻合(图7)。

表2 克孜勒赛沟沟道不同断面泥石流流速与流量计算结果

图7 泥石流堆积范围Fig.7 Debris flow accumulation fan

5 防灾减灾建议

克孜勒赛沟在持续降雨或暴雨作用下，黄土强度降低，发生滑坡堵溃型泥石流的可能性大。建议：

(1)对滑坡后缘及滑体上裂缝进行及时封堵，并铺设截水沟。有条件情况下采取“抗滑桩+排水”的治理措施，对滑坡体进行加固治理。

(2)在沟道两侧，尤其转弯处加强防护，防止岸坡冲刷。同时对泥石流威胁的公路下方设置涵洞，引导泥石流物源至公路另一侧，同时对沟道及时进行清淤，严禁侵占沟道。

(3)划定危险区，设立警戒标志。加强群测群防，汛期时需加强巡查，险情早发现，最大限度地保证牧民群众的生命财产安全和正常生活生产。

6 结论

(1)持续降雨引起的饱和黄土层液化及强度急剧降低是克孜勒赛沟滑坡堵溃型泥石流形成的主要原因。

(2)克孜勒赛沟滑坡堵溃型泥石流形成过程为：持续降雨→黄土斜坡失稳滑动→黄土滑坡堰塞湖→堰塞坝溃决，形成泥石流。

(3)克孜勒赛沟岸坡及沟道内还存在大量潜在物源，若遇每年3～6月份的持续降雨或暴雨，还有形成更大危害的可能性。对其提出针对性的防灾减灾建议，以降低滑坡堵溃型泥石流灾害造成的危害。

致谢：本文得到殷跃平研究员的悉心指导和帮助。现场调查得到新疆国土资源厅，新疆地质环境监测院、伊犁州国土资源局和伊宁县国土资源局的大力支持。在此深表感谢。

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