2#沟泥石流特征分析及危险性评价

姬永尚，陈　晓

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830091）

2#沟泥石流特征分析及危险性评价

姬永尚*，陈晓

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830091）

阿尔塔什水利枢纽工程是新疆最大的水利枢纽工程，坝址左岸上游发育有2#泥石流沟，在收集工程区有关地质、气象、水文、地震及历史上泥石流发生情况的基础上进行了工程地质调查。通过勘察实践，综合评价泥石流形成条件、活动趋势、严重程度，并预测其对工程的危害程度、发生频率，提出防治措施建议。

阿尔塔什；2#泥石流沟；泥石流形成条件；泥石流基本特征；泥石流危险性分析

1　概述

阿尔塔什水利枢纽工程坝址上游左岸分布有规模较大的2#泥石流沟。2010年8月份，该沟发生了一次规模较大的泥石流，持续时间约1h。由于距离工程坝址较近，泥石流灾害所致工程影响比较敏感。通过对2#泥石流沟沟域汇水范围及堆积区等进行工程地质调查，综合评价了泥石流形成条件、活动趋势及严重程度，并预测其对工程的危害程度、发生频率，提出防治措施建议。

2　基本地质条件

2.1气象及植被条件

研究区地处欧亚大陆腹地，日照长，蒸发强烈，降水量稀少。多年平均降水量51.6mm，多年平均蒸发量2244.9mm。

2#沟流域内总体植被稀疏，沟两侧大多基岩裸露，植被覆盖率很低，约有10%左右。

2.2水系

2#沟汇水面积12.4km2，主沟长约10.05km，落差1363m，纵坡降137‰。在其沟域范围先由NW转为正N方向，主沟弯曲，向N25°E汇入叶尔羌河（图1）。沟谷中支沟不发育，只有2条切割较浅的支沟，但没有成型的沟道，均与主沟呈锐角相交，在枯水期干涸。

2#沟由三级沟道在平面上汇聚，呈羽状水网。水网密度为1.08km，径流量较大。Ⅰ级水系发育系数为0.28，故支沟对径流调解不明显。受地形控制，水系无优势发育方向。总体上，2#沟水系简单。

2.3地形地质条件

2#沟流域最高海拔3034m，地形总体上属深切割构造侵蚀高山地貌，地形较为陡峻，主沟总体沿SN向展布，总体上呈宽窄交替“U”字型。出露的地层主要是石炭系粉砂岩、砂岩、石英砂岩、夹白云质灰岩、灰岩及泥质互层；第四系堆积物主要有冲、洪积层。研究区内地质构造比较简单，岩体总体较完整，呈块状结构，不具备产生大规模滑坡和崩塌的基本地质条件。

2.4水文地质特征

2#沟为季节性冲沟，枯水季节几乎没水，雨季主要以接受大气降水补给为主，由于沟谷上游沟壁两岸边坡陡峻，不利于地表水的渗入，降雨多以地表径流的形式流入沟中，并最终汇入叶尔羌河。

3　泥石流形成条件分析

3.1地形地貌及沟道条件

2#沟整体呈长条型，沟道弯曲，沟道总体纵坡降较缓，大部分物源沿沟停积。根据泥石流形成条件、运动机制、松散固体物源分布及流域植被形态，大致将沟域划分为3个区：

①汇水物源区：汇水物源区分布在高程1928～3034m，高差1106m，该区沟谷长度5.27km，总体纵坡降187‰（图2）。由于该沟两侧基岩裸露，无植被覆盖，地表径流系数大，故十分有利于地表水的汇集，在暴雨季节，降雨可在短时间内汇入沟道中，形成洪流。沟道中总体堆积物源较多，主要在坡面及坡脚堆积，整体稳定性较好，但在山洪暴发时，由于紧邻沟道，易受流水掏蚀而局部失稳。故该区主要功能为汇集水源和提供少量松散固体物源。

②流通区：流通区高程为1928～1736m，高差192m，沟道长度约3.8km，沟道总体纵坡降51‰，流通区坡降总体较小。

该区沟谷按照地形特点可分为3段：高程1928～1860m段，呈深“V”字型峡谷地貌，两岸基岩裸露，坡度50°～60°，沟道顺直，宽度只有5～10m（图3）。该段有2～5cm粒径的碎块石堆积在沟道中，无胶结，可提供一定量松散物源；高程1860～1800m段，宽谷窄谷交替，两岸坡为陡峭裸露的基岩，坡度约55°，谷底宽约10～20m，弯道发育，出现6个大于90°的急弯，且出现“一线天”地貌，可见堰塞沉积泥痕，证明该段沟道在历史上曾出现过老泥石流堰塞迹象（图4），根据泥痕调查计算出历史爆发流量为48.24m3/s，谷底两侧有老的泥石流堆积物和崩坡积物连续分布。流通区下段分布高程1800～1736m，该段为薄层状灰岩，风化卸荷严重，沟道变宽，平均为20～30m，坡度为40°～45°。

总体而言，流通区坡度较缓，加速功能不明显，且沟道宽缓交替，且弯道发育又消减了流速，故堆积物易沿途沉积。

③堆积区：堆积区位于沟口至叶尔羌河，高程为1736～1671m，高差65m，该区沟长约1.95km，平均纵坡降为34‰，沟道宽度80～100m，有利于泥石流物质沿途堆积。堆积扇方量约9.70×104m3。由于沟口泥石流堆积扇上物质较老，只有很少一部分新的泥石流堆积物，且堆积扇表部有植被覆盖，故泥石流暴发频率相对较低。

3.2物源条件

2#沟泥石流松散固体物源较丰富，在流通区和汇水物源区都分布有较大规模的松散物源。物源主要类型为崩坡积物源，其次为坡面侵蚀物源，根据其表面植被覆盖、堆积体自身稳定性的不同，可参与泥石流不稳定物源量也不同。

据调查统计结果，流域内共计有松散固体物源量573.81×104m3，可能参与泥石流活动的不稳定物源量为107.314×104m3。

图1　流域水系图

图2　沟谷纵坡降图

3.3水源条件

第四系以来，冰川急剧退缩，冰雪融水量大幅度降低，目前2#沟的水源主要来自大气降雨。

4　泥石流基本特征

4.1历史泥石流发育特征

通过遥感解译和现场复核，自2#沟与主河交汇处的断面上，现今2#沟泥石流沟道受地形条件控制摆动到堆积扇中部与叶尔羌河交汇，新近形成的泥石流堆积扇规模、扇面高度和表部植被的生长时间、覆盖率相对老的泥石流均呈阶梯形逐渐下降。在整体上也呈后退式叠瓦堆积，而不是漫过已有沟道堆积，且沟谷两侧堆积体上均有少量灌木丛覆盖，但是由于沟谷两岸边坡较陡，沟内松散物源量较大，并发现沟内有历史泥石流堵沟堰塞后而形成的湖湘沉积层，说明历史上堵沟时间较长，后来被冲开而暴发了较大规模的泥石流，从现有的沟道条件和沟内有大量的松散物源来看，不排除该沟再次堰塞而后被冲开暴发更大规模的泥石流的可能性，因此，判断该沟处于发展期。

4.2泥石流各区段冲淤特征

（1）汇水物源区冲淤特征。汇水物源区基岩裸露，两岸边坡高陡，坡面和坡脚堆积了较多的崩坡积物。自沟缘至该区前缘整体坡降较小，地形较缓，因此大部分物源搬运距离不远，加之该地区降雨量很少，坡面上无沟水集中，坡面水流携带能力较弱，且由于该段物源主要为大粒径的块石和巨石，清水难以启动，仅部分细粒物质可被带走，该区沟床表现为以冲为主的特点。

（2）流通区冲淤特征。该沟流通区为较典型的泥石流流通区，在高程1928～1852m段，山坡坡度较陡为60°～70°，故能提高泥石流浆体的加速、搬运和侵蚀能力，该段以冲刷为主；在高程1852～1792m段，沟道变得极其弯曲，大大消减了泥石流浆体的流速，沿沟道搬运的部分松散物质停积于该段，形成了几处跌水陡坎，且沟道于此段变缓，故该段以淤为主。

4.3泥石流堆积物特征

泥石流堆积扇分布高程1691～1671m，总体呈扇型，堆积物坡度较缓，约6°～8°左右，堆积区总面积12100m2，平均厚度3～5m，堆积总方量约9.7×104m3。

（1）早期泥石流堆积物特征。早期老扇上有植被覆盖，堆积物以块石土夹粉土—亚粘土为主，其次为碎石土，块石上常见泥痕包裹，堆积体具有下部为块石土，上部为碎石土的堆积层序，局部夹有多层洪积成因的薄层或透镜状砂、砾石层，充分说明了早期泥石流为多期形成，且为流体性质为粘性。

（2）新近泥石流堆积物特征。新近泥石流多堆积于沟口左岸附近，仅在沟口处形成了一处小的堆积扇，不及早期堆积扇面积的1/4。该新近堆积扇上的堆积物主要为碎石，夹少量块石，细粒物质极少，堆积厚度1～3m，堆积方量约1.8×104m3，说明了新近暴发的泥石流流体性质为稀性，且规模较小。

4.4泥石流发生频率及规模

该泥石流沟在冰川融水丰富的地质历史时期规模较大，但在现阶段水源和物源条件下，由于没有冰雪覆盖层，降雨量很小，水源补给大幅度减少，加之堆积物结构密实，物源相对以前不易于启动，综合判定2#沟为中频泥石流，频率为5～10年一次，泥石流规模为小—中型。

4.5泥石流的成因机制和引发因素

2#沟的水源补给主要靠大气降雨，因此，2#沟泥石流诱发因素为暴雨。

2#沟主沟较长（10.05km），整体纵坡降较缓，发育成熟度较高，汇水物源区物源稳定性较好，不稳定物源很少，堆积区主体物质为冲洪积物，所以该沟不具备典型泥石流沟的特征，成因机制为暴雨沟谷型泥石流。

5　泥石流危险性分析

泥石流形成的基本条件是有利的地形地貌条件、丰富的松散固体物源和充足的水源。地质现象各要素及其组合在泥石流形成过程中起着提供位势能量、固体物质和发生场所3大主要作用。水不仅是泥石流的物质组成部分，而且是泥石流的激发因素。因此围绕地形、松散堆积物质、水源3个主要方面，针对实际调查流域内泥石流活动条件的诸因素，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）对2#沟易发程度进行数量化评价。

2#沟泥石流易发程度数量化评分总得分为70分，在易发程度等级属轻度易发。

6　泥石流危害性分析及其对工程的影响

6.1泥石流对坝址区建筑物的影响

2#沟离上坝址约723m，其泥石流泛滥可能溢过枢纽区导流洞的引渠，对导流洞会产生一定影响。根据经验公式计算泥石流泛滥自然堆积宽度和自然淤积厚度。

（1）泥石流泛滥危险性分析：

①2#沟泥石流自然堆积方式。根据2#沟各频率泥石流计算结果，对比沟口及库岸地形地貌，分析认为：2#沟20年、50年以及100年一遇的单次泥石流堆积区域均不能到达对岸，其堆积形式属于自然停淤，各期次泥石流主要以超覆形式叠加存在。

②自然堆积宽度。2#沟堆积区远离沟口区段，泥石流流体宽度与堆积宽度受地形控制，在近沟口约180m处，地形控制逐渐消失，侧向约束逐渐减小，直至出沟口，叶尔羌河静水条件下，其侧向约束近于消失。

参照泥石流流体宽度计算公式：

Bp=（1.5～3）Q0.5c

结合2#沟近沟口地形地貌及堆积特征，并利用近沟口有地形控制段所调查10年一遇流体宽度进行反演验证，2#沟出沟口流体宽度选择按上式进行计算。

在没有地形约束的情况下，泥石流的堆积宽度一般为流体宽度的6倍。由此可推算2#沟的泥石流堆积宽度。2#沟出沟口后各堆积宽度计算结果见表1。

③自然淤积厚度：泥石流在水库中的自然淤积厚度可按下式进行计算：

式中：τB——泥石流极限切应力，kN/m2；

θ——堆积区沟床斜率，（°）；

γc——泥石流密度，t/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2；

h——淤积厚度，m。

表1　2#沟泥石流不同设计概率下出沟口堆积宽度

根据历史泥石流典型淤积厚度调查和测量进行对比推导反算，可求得2#沟10年一遇泥石流入库后的自然淤积平均厚度约1.20m，其他频率以此为据按经验取值，取值结果见表2。

表2　2#沟不同频率泥石流入库后的自然淤积厚度

（2）泥石流泛滥对施工的影响。各种频率下的泥石流自然淤积形态均呈典型的喇叭状堆积，100年一遇泥石流泛滥堆积区并没有侵占河道，且该沟泥石流一次冲出的固体物质方量、流速、撞击力相对较小，导流洞影响甚微。

（3）泥石流泛滥对电站运行的影响。水库蓄水前，2#沟100年一遇泥石流泛滥堆积区并没有侵占河道，蓄水后堆积场所将急剧后退，对电站正常运营影响甚微。

6.2泥石流堵河分析

（1）定性分析。影响泥石流堵江的主要因素有主支沟流量比，2#沟100年一遇的设计泥石流峰值流量为49.56m3/s，远小于叶尔羌河设计洪水峰值流量，故很难堵河。

从目前调查分析，2#沟未来不可能发生大规模的泥石流。由沟口走访调查可知该沟所携带细粒物质较少，近50年内只有在2010年发生中小规模稀性泥石流。

（2）定量分析（据经验公式）。影响泥石流堵河的主要因素有主支沟流量比、主支沟流速比、主支沟槽宽度比、泥石流的入汇角、泥石流容重和泥石流体颗粒的标准差，依据国家基金重点项目《泥石流与主河交汇区河床演变的实验研究》，通过回归分析，理论计算和实验研究确立的泥石流堵河流量判别指标的计算模型如下：

CF=lnFR-0.883（1-cosθ）2-2.587γ＜-8.572

式中：FR=QM/QB；

QM——主河单宽流量；

QB——支槽泥石流单宽流量；

γ=γC/γM；

γC——支槽泥石流容重；

γM——主槽水流容重；

θ——主支槽夹角。

当泥石流与主河的流速、流量、入汇角和容重满足关系式时，很可能发生堵河。依据实际调查2#沟泥石流沟口的断面宽度、流量、泥石流容重参数；在汇口处断面宽度、流量及河水容重参数；泥石流沟与河流交汇的夹角等数据，将主河设计洪峰的流量与1%泥石流的流量代入泥石流堵河流量判别指标公式进行计算，计算参数及其结果见表3。

表3　2#沟泥石流堵河参数计算表

通过以上计算分析可知，2#沟理论上不具备堵江的可能，但不排除在特大暴雨作用下抬高河床的可能性。

7　结论

（1）通过调查分析，2#沟为中频泥石流沟谷，发展阶段处于发展期—衰退期，属于轻度易发，泥石流危险性等级为中等。

（2）2#沟泥石流无堵江的历史记载，定性分析及经验公式判断该沟不具备堵江的条件；沟内冲出物质主要粒径较小，直接被叶尔羌河冲走，随着水库蓄水影响，河面拓宽，不存在堵河的可能性。

（3）2#沟不具有典型的泥石流沟的地貌特征，流通区宽窄交替，坡降较小，沟道局部弯曲，大部分物质沿途沉积，携带至沟口物质较少，对沟口沟口附近枢纽建筑的影响甚微。

［1］新疆叶尔羌河阿尔塔什水利枢纽工程左岸2#泥石流沟专题调查研究报告［R］.成都理工学院东方岩土勘察公司，2011.

［2］DZ/T 0220-2006泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［3］水利水电部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［4］SL373-2007水利水电工程水文地质勘察规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［5］马东涛，祁龙.三眼峪沟泥石流灾害及其综合治理［J］.水土保持通报.

P642.23

A

1004-5716（2016）04-0157-05

2015-04-01

2015-04-02

姬永尚（1982-），男（汉族），宁夏固原人，工程师，现从事工程地质和水文地质勘察工作。