阿勒泰市修配厂北泥石流灾害形成条件及动力学特征分析

庞　鹏，刘　威

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

阿勒泰市修配厂北泥石流灾害形成条件及动力学特征分析

庞鹏，刘威

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

[摘要]修配厂北泥石流位于阿勒泰市区南部，该泥石流沟曾多次发生泥石流灾害。沟内第四纪松散堆积物丰富，在暴雨和地震等自然因素的影响下，会有较大规模泥石流发生的可能性，将对居民安全和基础设施带来不利影响。在对研究区孕灾环境条件分析的基础上，结合该泥石流的具体特征，分析研究了修配厂北泥石流的形成条件及其动力学特征，具体包括泥石流的峰值流量、一次泥石流总量和泥石流总体冲击压力等参数。通过对该泥石流的形成条件和动力学特征的分析，可以对该泥石流的防治工程设计提供理论依据。

[关键词]泥石流；孕灾环境；形成条件；动力学特征；阿勒泰

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]。它是一种饱含大量泥沙、石块以及巨砾的固液两相液体，是地形地貌、地质、水文气象以及植被等自然因素和人为因素综合作用的结果[2]。

阿勒泰市地处欧亚大陆腹地，北部为阿尔泰山，西南部为沙吾尔山，南部是准噶尔盆地，西部比较开阔，呈喇叭口形。由于阿勒泰市境内岩层松软破碎，崩塌严重，地形陡峻，沟谷堵塞严重，暴雨频发且雨量集中，加之近些年来大规模的人为活动，为泥石流的发育提供了良好条件。修配厂北泥石流位于阿勒泰市区南部郊区，距离市区2 km，交通极为便利。在暴雨和地震等自然因素的影响下，会有较大规模泥石流发生的可能性，进而将对下游接近沟口处的亚宾驾校、沟口居民区及红墩路构成严重威胁。因此，研究修配厂北泥石流的形成条件及动力学特征，可以为后续提出防治该泥石流的有效措施提供理论依据。

1孕灾环境条件

1.1地形地貌

研究区位于断块上升中等切割的中山区，泥石流流域海拔在820～1 308 m，相对高差488 m；流域内支沟较为发育，除主沟及流域上游部分支沟为“U”型谷外，大多数沟谷为“V”型谷；流域上游及下游沟谷两侧山体较为平缓，坡度15°～30°，流域中游山体较陡，坡度40°～60°，沟谷较为狭窄，有利于水及碎屑固体物质聚集。

1.2地层岩性

研究区出露地层岩性主要有泥盆系和第四系覆盖层。

泥盆系分布于整个研究区，岩性为一套沉积变质岩夹变质基性火山岩，由灰黑色黑云绢云石英片岩、黑云绢云片岩组成。山体表层基岩风化强烈，部分区域形成风化破碎的碎石土覆盖山体表层；而新生界第四系主要有上更新统至全更新统冲积层、上更新统至全更新统冲洪积层、全新统冲洪积层和残坡积层。

1.3工程地质条件

研究区分布的工程地质岩组主要包括岩组和土体两大类。其中岩组为层状较硬沉积变质岩夹变质基性火山岩岩组，土体为单一结构碎石土土体。

1.4水文地质条件

研究区主要分布有基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。其中基岩裂隙水主要分布于研究区及其附近的基岩分布区。含水层岩性为中泥盆统沉积变质岩和变质基性火山岩。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经短途径流至研究区后，最终排泄于克兰河冲积层。而松散岩类孔隙水主要分布于克兰河河床及漫滩、低阶地中。含水层岩性为漂石、卵石和砂砾石，主要接受克兰河水入渗补给，其次为大气降水入渗和基岩裂隙水的侧向补给，在卵砾石孔隙中大体由北向南径流，以侧向地下径流的方式向下游排泄。

1.5人类工程活动

研究区内人类工程活动主要集中在沟口的堆积区。在泥石流沟的中下游开阔地段修建有亚宾驾校训练场地，驾校的修建使泥石流沟道原有形态发生较大改变，仅在沟道一侧修建有宽约4 m，长760 m的排导渠。在沟口堆积区有一居民区，在沟口处因道路的通行，修建有两座过水涵洞。这些人类活动对该泥石流周边地质环境产生了较大的影响。

2泥石流形成条件

根据泥石流运动状态将修配厂北泥石流划分为中频沟谷暴雨坡面侵蚀稀性水石流[2]。该泥石流沟形成区及流通区界线不明显，灾害发生时泥石流沿沟道迅猛下泄，呈现流量大、流速快、含泥量低的特点整体呈现较多的洪水泥石流特征。泥石流的形成条件主要包括地表大量失稳的松散固体物质、充足的水源条件以及特定的地形地貌条件[3]。

2.1地形地貌条件

该泥石流形成区位于沟谷上游地段，面积约1.19 km2，占整个流域的38.6%；形成区地形起伏较大，主沟纵坡坡度134‰左右，沟谷呈U型。主沟两侧山体较为平缓，坡度15°～30°，坡面及沟道内松散物源量较多，植被稀疏。

沟谷中上游为形成流通区，面积约1.83 km2，占整个流域的59.4%，该区域内共发育有大小支沟9条，其中4条支沟较大，支沟均为V字型沟谷，最长支沟达1 400 m。主沟纵坡坡度97.3%，沟道两侧山体坡度自南向北逐渐变陡，山体最陡处约60°。沟道两侧坡体上大量基岩出露，松散物源多分布在主沟、支沟沟道内和沟道两侧坡脚处。

堆积区位于沟口地势平坦处，出山口呈近喇叭口状向南散开，形成开阔的碎屑固体物质的堆积区，堆积体近似扇形。由于克兰河的垂直切割，堆积扇前缘已不完整，堆积区边界难以准确划定，根据现场调查结合调查访问确定堆积区扇长约300 m，宽270 m，面积约0.06 km2。

2.2松散物源条件

通过对研究区的现场勘查工作，修配厂北泥石流沟内松散堆积物主要为主沟道及沿线各支沟内松散堆积物，总方量约38.32万 m3；其次为沟道两侧坡面上的残坡积物，初步计算残坡积物源总量为4.8万 m3；另外在沟道中下游有少量素填土及杂填土约1.15万 m3。修配厂北泥石流沟松散物源总量约为44.27万 m3，松散物平均厚度0.144 m。

2.3水源条件

研究区泥石流的水源主要是大气降水，根据研究区南侧约10 km处的阿勒泰市气象局降雨监测资料：多年平均降水量为212.6 mm，历年最大降水量为338.5 mm，历年最小降水量为94.5 mm，历年最大日降水量为41.2 mm。最大降水月份为7月，降水量主要集中在5～9月，占全年降水量的45.7%，偶尔有大雨或暴雨。由于流域内植被稀疏，在暴雨、特大暴雨情况下，入渗系数小，大部分雨量转化为地表径流，迅速汇入主沟，成为泥石流形成的强大水动力条件。

3泥石流动力学特征

3.1泥石流峰值流量

泥石流的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按雨洪计算，并用现场形态调查法验证。计算公式为[4]：

Qc=(1+φ)Qp·Dc

(1)

式中：Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；Qp为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)；φ为泥石流泥砂修正系数；Dc为泥石流堵塞系数。

泥石流泥沙修正系数计算公式：

φ=(γc-γw)/(γH-γc)

(2)

式中：γH为泥石流固体物质比重2.63 t/m3；γc为泥石流流体重度1.586 t/m3；γw为清水重度。

在研究区气象资料的基础上，以及参考《阿勒泰地区城市防洪规划报告》，确定修配厂北泥石流沟设计暴雨洪水洪峰流量(Qp)见表1。本次暴雨洪水计算50年一遇洪峰流量、流速和选择断面处洪水水位等参数，为防治工程设计提供设计参数。

泥石流泥砂修正系数为0.56；泥石流堵塞系数确定为轻微堵塞，堵塞系数取1.1。

表1　设计暴雨洪水洪峰流量一览表

将选取的各参数，代入公式(1)中，进行计算，计算泥石流峰值流量=103.1 m3/s。

3.2一次泥石流总量

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[5]：

Q=KTQc

(3)

其中，当F=5～10 km2，K=0.113由于该泥石流汇流面积为3.08 km2，因此确定K取经验值0.113；根据调查访问，2012年6月26日，阿勒泰市突降暴雨，历时50 min，在降雨期间修配厂北爆发泥石流历时约10 min，即T=600 s；泥石流峰值流量(Qc)为103.1 m3/s。

将以上选取的参数，代入公式(3)中进行计算，得出一次泥石流总量Q=6 990.2 m3。

3.3泥石流总体冲击压力

泥石流冲击力是拦挡坝承受的主要外力之一，它的大小直接决定了拦挡坝体的各种设计参数。具体的冲击力值通常采用下式确定：

(4)

式中：δ为泥石流整体冲击压力(kPa)；g为重力加速度(m/s2)，取=9.8 m/s2；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)；γc为泥石流重度(kN/m3)；vc为泥石流流速(m/s)；λ为建筑物形状系数，矩形建筑物取1.33。

根据公式(4)可得：拟建拦砂坝坝址与泥石流冲压方向的夹角为90°；泥石流重度为15.86 kN/m3；拟建坝按照梯形考虑，建筑物系数λ取1.33；流速按泥石流平均流速vc=2.86 m/s。将以上选取的各参数，代入公式(4)中进行计算，其计算结果为：泥石流体整体冲压力δ=17.32 kPa。

4结语

(1)修配厂北泥石流严重威胁下游接近沟口处的亚宾驾校、沟口居民区及红墩路，受威胁总人数约110人，受威胁财产约500余万元。因此，阿勒泰开展修配厂北泥石流的勘查工作将对后续提出防治该泥石流的有效措施提供重要的理论依据。

(2)修配厂北泥石流为中频沟谷暴雨坡面侵蚀稀性水石流。该泥石流沟形成区及流通区界线不明显，灾害发生时泥石流沿沟道迅猛下泄，呈现流量大、流速快、含泥量低的特点整体呈现较多的洪水泥石流特征。

(3)根据泥石流的动力学特征，计算得出了该泥石流的峰值流量Qc=103.1 m3/s、一次泥石流总量Q=6 990.2 m3和泥石流总体冲击压力δ=17.32 kPa等动力学参数，进而为后续对该泥石流的防治工程设计提供了理论依据。

参考文献

[1]蒋欢欢, 邓英尔, 袁婷. 小金县夹巴沟泥石流形成条件及运动特征[J]. 地下水.2012, 34(2):149-152.

[2]潘懋,李铁峰. 灾害地质学[M].北京大学出版社.2012.

[3]张春山, 张业成, 胡景江,等. 中国地质灾害时空分布特征与形成条件[J].第四纪研究.2000, 20(6):559-566.

[4]刘德兵, 李毅, 郭洪,等. 松潘县东龙沟泥石流形成条件与动力学特征分析[J]. 工程勘察.2011, 39(6):58-63.

[5]中华人民共和国国上资源部.泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T0220-2006)[S].2006.

Study on the Formation Conditions and Dynamic Characteristics Analysis of Debris Flow in Aletai

PANGPeng，LIUWei

(No.1 Hydrological and Engineering Geology Team of Bureau of Geology Mineral Resources Exploration of Xinjiang, Rumqi 830091, China)

Abstract:The north of repair shop gully is located in the south of Aletai. A lot of evidences show that large scale debris flows ever occoured along the gully in history. The gully is affluent in the Quaternary sediments. The possibility of large scale debris flows induced by heavy rainstorms and earthquake still exists which would threaten the safety of the residents and infrastructure. In this paper, the authors analyzed the formation conditions and the dynamic characteristics of the debris flows. Some important parameters for protection design such as flow velocity, the discharge, the punching power.

Key words:Debris flow；hazard inducing environment；formation conditions；dynamic characteristics and Aletai

[收稿日期]2016-03-08

[作者简介]庞鹏(1989-)，男，四川资阳人，助理工程师，主要从事水文地质、工程地质和环境地质方面的工作。

[中图分类号]P642.33

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0208-02