新疆干旱地区典型沟谷泥石流发育特征及演化趋势分析

朱少帅，任光明，夏 敏，沈启湘，王 飞，毛会永，刘万林，何晓东

(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.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065;3.四川省蜀禹水利水电工程设计有限公司，四川成都 610072)

0 引言

泥石流是常见的山地地质灾害类型之一，且一般发育在岩性软弱，风化、卸荷作用强烈，岩体破碎以及降雨量丰富而集中的地区［1］，如白龙江流域的武都—舟曲一带是我国泥石流灾害高发区之一。但新疆干旱地区也是我国泥石流多发区和重灾区之一［3-6］，作者通过对新疆昌吉、哈密、克拉玛依、阿克苏等干旱区域内部分沟谷泥石流发育特征的调查表明，区内在长期干燥且温差较大的气候环境条件下，岩体遭受强烈温差作用尤其是冻融、热胀等作用，物理风化强烈、沟谷两岸坡面松散固体物源丰富，当沟谷具备一定的地貌条件下，即使在硬质岩分布区泥石流亦较发育，活动频繁、规模大，且多为暴雨型泥石流，目前对于干旱地区的泥石流形成条件及活动特征的相关研究文献甚少［2］。本文以新疆阿克苏温宿县库玛拉克河某水电站坝址区右岸的碎石沟泥石流为例来研究干旱区沟谷泥石流的发育特征及其演化趋势，其成果不仅为该工程建设具有指导意义，而且对类似工程的该类泥石流的评价、防治也具有重要的理论意义。

1 沟谷基本地质条件

1.1 沟谷的地形地貌条件

碎石沟位于新疆某水电站坝址右岸，流域形态呈栎叶状，总体走向为NW 320°，地势西北高、东南低。流域长2.84 km，面积1.56 km2，分水岭最高点高程为2710 m，最低处为沟口处，高程约1480 m。两侧沟坡陡峻，坡度一般在40°～55°。统计的该流域主沟不同高程、支沟的沟坡坡度及形态特征如表1。

1.2 地层岩性及地质构造特征

表1 碎石沟地貌要素统计表Table 1 The geomorphology characteristic of Suishigou debris flow

从沟口至后缘山脊分水岭出露的基岩地层依次为:泥盆系上统(D3)的结晶灰岩、大理岩夹页岩、砂岩;石炭系上统(C3)的灰岩夹页岩;构造上处于克尔拜尔缺凯塔格褶皱东南背斜的东南翼，岩层总体呈单斜构造，岩层产状 NW280°-330°/SW∠45°-65°。流域内发育有一条贯穿整个沟谷的断裂构造F13(图1)，在该断层带附近岩体较破碎、完整性较差。

2 沟谷泥石流的形成条件

2.1 降水条件

图1 碎石沟泥石流流域及地质构造Fig．1 Drainage area and geologic structure of Suishigou debris flow

降水量是泥石流形成的必要条件之一，一定地区泥石流发生的可能性、发生的数量、规模在很大程度上取决于降雨量的大小及降雨强度［7-8］。据区内气象资料，工程区内年降雨量可达200～300 mm左右，且存在阵发暴雨，高于阿克苏市多年平均降水量57 mm。结合文献资料的分析表明，新疆干旱地区一般发生短而急促的阵发暴雨常诱发泥石流灾害，尤其降雨量较小也可激发泥石流(表2)，如1988年6月24日新疆阿拉沟一次性降雨达21 mm发生了泥石流，激发泥石流降雨。

表2 新疆境内部分激发泥石流的降水特征Table 2 The geomorphology characteristic of Suishigou debris flow

2.2 沟床比降

统计的研究流域的沟床比降特征如图2。流域主沟沟床比降较陡，平均为500.7‰，距沟口距离约300 m段的堆积区沟床比降为487.7‰;距沟口距离300～1400 m左右的形成流通区沟床比降为525.3‰;距沟口1400 m至后缘分水岭的清水区沟床比降相对较缓，为492.9‰。可见，碎石沟具有发生一定规模泥石流的沟床比降条件。

图2 碎石沟主沟沟床比降图Fig．2 The gully ratio of Suishigou main gully

2.3 松散固体物源特征

现场调查表明，碎石沟流域固体物源丰富，主要以1585～1880 m沟段以及1880～2150 m高程局部宽谷沟床段的沟床堆积物为主(图3、图4)、其次为崩坡积物，总的松散固体物源量为(85～103.5)×104m3，其中:直接堆积在沟谷两岸小规模的崩塌或滑坡堆积物量约为(17.5～28.5)×104m3;沟床堆积物方量约35×104m3;沟口堆积物方量约(25～30)×104m3(图5)。此外，区内物理风化强烈，坡面的残坡碎块石等坡面松散物源较发育，其侵蚀物源量按区内水力侵蚀模数为100 ～200 t/(km2·a)考虑。

3 沟谷泥石流的基本特征

3.1 泥石流活动的分区特征

图3 1630 m高程附近沟床堆积物特征Fig．3 Characteristic of gully bed debris at El．1630 m

图4 1680 m高程以上沟床堆积物特征Fig．4 Characteristic of gully bed debris above 1680 m

图5 沟口的堆积区特征Fig．5 Characteristic of accumulation area at gully mouth

根据流域沟谷形态、松散固体物源、堆积物的分布特征，该流域泥石流活动具有明显的分区特征(图6)，各区的特征如下:

图6 碎石沟泥石流分区图Fig．6 Zone map of Suishigou debris flow

(1)清水动力区位于从后缘分水岭到沟底高程约2150 m左右，该区除主沟外，还发育有2#、3#支沟，主沟平均沟床比降为492.9‰。该区物源仅为小规模、零星崩塌以及少量的沟床堆积物、坡面的残坡积物，松散固体物源不发育，在暴雨条件下为山洪、泥石流活动提供水动力条件。

(2)形成、流通区:位于高程1585～2150 m范围，其中在1585～1880 m高程段顺沟堆积的大量洪积及早期泥石流堆积、崩坡积物;高程2050～2150 m沟段右侧岸坡的崩坡积物、下部的沟床堆积物。该段物源量为(60～76.5)×104m3，是泥石流发育的主要松散固体物源区。

(3)堆积区:主要位于1585 m高程以下，前缘一直延伸至库玛拉克河边，地貌上呈典型的扇状堆积(图5)，面积约0.0285 km2，扇面平均坡度约27°。堆积物物成分主要为含灰岩孤块碎石。其中早期堆积的碎块石大多风化成颜色较深的深灰色，而新近形成的泥石流在堆积物表面呈灰白色。从灰白色堆积物的分布范围来看，近年来该沟泥石流规模有限。

3.2 沟谷泥石流的活动特征

现场调查表明，该沟谷泥石流较发育，在沟底高程1590～1620 m段沟谷两岸一定高度的凹槽或缓坡部位均有不同时期泥石流活动残留的部分块碎石堆积的痕迹，调查的不同部位发育的泥石流的泥痕特征如表3，典型的泥痕特征如图7～图9。泥痕堆积物分布位置较低的颜色较浅、呈灰白色，块碎石表面较新鲜(图7、图8);分布位置较高的堆积物风化严重，块碎石呈灰黑色(图9)。

表3 碎石沟沟内泥痕统计Table 3 The mud trace statistics of Suishigou gully debris flow

图7 谷底高程1594 m附近右侧沟坡的泥痕特征Fig．7 Mud trace of right bank at gully bed El．1594 m

根据上述泥痕的分布、泥痕堆积物颜色与碎块石表面特征，结合区域泥石流发育特征的类比的分析表明，该沟历史上呈发生过不同规模的泥石流，近代也有一定规模的泥石流活动。其中沟底高程1616 m泥痕对应的泥石流为古泥石流堆积物;沟底高程1597 m、1602 m的泥痕对应的泥石流为早期老泥石流堆积物;最新的为现代泥石流。此外，该流域除发育具有明显泥痕堆积的泥石流外，据沟口堆积扇特征(图5)，目前仍有一定规模的泥石流发育，并直接堆积于沟口扇体的中上部。

图8 沟底高程1602 m左侧沟坡的痕特征Fig．8 Mud trace of left bank at gully bed El．1602 m

3.3 沟谷泥石流的堆积物特征及泥石流的性质

图9 沟底高程1616 m附近右侧岸坡泥痕特征Fig．9 Mud trace of right bank at gully bed El．1616 m

现场调查发现，碎石沟各期泥石流堆积物以块(漂)碎(砾)石为主，块石居多，细粒含量很少，结构松散。对不同时期泥石流堆积物取样试验结果也表明，堆积物中粗颗粒含量比较高，以粗粒为主，其中＞2 mm的颗粒含量均高达80%，平均84.2%;＜2 mm的颗粒含量为13.4% ～18.0%，平均15.75%，在细粒中粉粒及粘粒组含量仅0.93% ～2.28%。碎石沟泥石流为稀性、水石流类。

3.4 沟谷泥石流活动的流速特征

结合上述泥石流泥痕调查以及现场相关试验结果，综合取固体颗粒比重2.73、泥石流容重为1.52 kN·m-3、分别采用了国土资源部行业标准《泥石流防治工程设计规范》［9］以及原铁道部第三勘测设计院提出的干旱地区泥石流经验公式［9］对典型断面泥石流流速计算结果如表4。

表4 碎石沟典型泥痕断面处的流速特征Table4 Suishigou debris flow rate of mud marks in section

从表3可见，按两种经验关系获得的泥石流流速总体较接近，仅铁三院经验公式比规范法稍偏大，说明上述经验关系也适合干旱地区暴雨诱发泥石流流速的评价。此外，随沟谷的演化、泥石流的流速总体呈减少的趋势。

4 泥石流发展趋势及其对工程的影响

综合前面的分析表明，碎石沟内松散物源较丰富，且集中分布在1585 m高程以内沟床及坡面上，而这部分物源能否直接带到沟口发生堆积不仅与泥石流流速、性质有关外，还受沟床条件、沟口狭窄的峡谷控制。结合前面评价的泥石流特征分析表明，沟谷历史泥石流的规模总体呈减少的趋势;堆积扇上近期呈灰白色的泥石流块碎石堆积范围有限，也未到达堆积扇的前缘地带(图5)，即1585 m高程以上的物源能够集中带入库玛拉克河床中的可能性不大。但该沟谷现今泥石流活动的堆积区主要位于沟口至库玛拉克河谷一带，而沟口泥石流堆积扇下部高程为1498 m附近是未来工程建设进坝交通公路必经之地;同时，若发生大规模的泥石流有导致河道堵塞的可能、进而威胁工程的施工以及未来的正常运行。因此，预测该沟泥石流活动的范围及堵江的可能性对工程的影响具有重要意义。

根据刘希林、唐川［10-12］提出的泥石流堆积区最大危险范围预测模型:

表5 碎石沟泥石流危害范围的确定Table 5 The range of debris flow hazard

根据上式，预测的碎石沟泥石流活动危险范围的相关参数如表5。可见，预测的泥石流危害范围为0.701 km2，堆积的最大长度为0.806 km，最大宽度0.557 km，堆积幅角为55°。尽管碎石沟堆积扇前缘已遭受流水的侵蚀，但堆积的整体地貌特征存在，根据现场调查、实地测量，碎石沟泥石流堆积扇的幅角为57°，堆积物残留的长度约0.215 km，最大宽度0.22 km，面积为0.0285 km2。由此可见，除堆积扇的幅角与预测值基本一致外，现有残留堆积物的范围、长度、宽度均小于预测范围，由于沟口所在部位的库玛拉克河河道宽70～80 m，左岸的河漫滩宽度30～90 m，由此可以判断，未来泥石流活动发生完全堵塞河道可能性小，但对沟口附近的相关工程布置或设施存在威胁。

5 结论

综合上述研究，可以获得如下主要认识与结论:

(1)碎石沟泥石流为典型的新疆干旱区沟谷泥石流，受长期热胀、冻融等作用，沟谷两岸岩体风化、卸荷强烈，松散固体物缘丰富，流域内总的松散固体物质为(85～103.5)×104m3，其中在1585～1880 m高程段顺沟堆积的大量洪积及早期泥石流堆积、崩坡积物，该段物源量达(60～76.5)×104m3。

(2)该流域泥石流具有明显的分区特征，历史上至少爆发3次大规模的泥石流，现今泥石流活动明显。结合流域内松散物源的分布、沟谷特征以及泥石流活动历史的分析，认为沟谷泥石流规模总体呈减少的趋势，近期呈泥石流块碎石堆积范围有限，未到达堆积扇的前缘地带。在此基础上，采用相关评价模型，预测的泥石流危害范围为0.701 km2，堆积的最大长度为0.806 km，得出未来泥石流活动发生完全堵塞河道的可能性小，但对沟口附近的相关工程布置或设施存在威胁。

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