新疆天山硬質巖區暴雨泥石流發育特征研究

楊宏偉 王杰 任光明 李冬 張濤

摘 要 受干旱區氣候及區域地質環境的影響，硬質巖區泥石流發育特征較其他濕潤氣候區具有明顯的不同。本文以天山石城子流域黑石溝為研究對象，通過現場調查和室內實驗，對其形成條件和發育特征展開研究，結果表明，硬質巖在干旱環境下物理風化強烈，區內崩塌極為發育，為泥石流的形成提供大量松散物源；流域地形山高坡陡，溝谷狹窄，比降大，在集中強降雨下，形成泥石流的水動力充足，泥石流體在運動過程中侵蝕下切劇烈，多見跌水、基巖谷及底部掏空現象。從堆積物特征分析，為典型稀性水石流，堆積物粘粒含量極少，與干旱區硬巖物理風化特征相吻合。另外，該溝重現期達20年以上，為典型低頻泥石流，潛在危害性大。在該區進行工程活動時，需引起高度重視。

關鍵詞 新疆 干旱區 硬質巖 暴雨泥石流 堆積物

泥石流的形成需同時具備豐富的松散固體物質，足夠的水源和陡峻的地形三個基本條件。對于硬質巖層地區，由于其巖性強度高，風化程度較低，為泥石流的形成提供的松散物源量少，加上西北干旱地區，降雨量少，水源條件不充足，因此通常被認為發生泥石流的可能性較小。然而新疆卻是我國泥石流多發區和重災區之一，泥石流活動頻繁，而且大多為暴雨型泥石流，在地域上多分布于天山、阿爾泰山及東西準噶爾盆地等地區。新疆獨特的地理位置及氣候條件決定了其泥石流形成條件及發育特征有別于其他地區，本文以新疆哈密天山故鄉河流域典型硬質巖區泥石流溝（黑石溝）為研究對象，重點分析了其形成條件和泥石流發育特征，總結出了泥石流形成和發展的相關規律，為該區泥石流的預防及治理工作做一定的參考。

一、研究區泥石流概況

黑石溝位于新疆哈密天山石城子流域三道溝左岸，流域北部為哈爾里克山和伊吾—下馬崖谷地，南部為哈密盆地，屬盆地邊緣中低山區，受干旱區降雨和溫度在空間上的水平和垂直分帶特點影響，該地區暴雨泥石流極為發育，溝谷形成區基巖出露，以堅硬的花崗巖為主。

二、泥石流形成條件研究

1.溝谷地形條件。黑石溝流域從溝口至后緣分水嶺全長約2.61 km，面積約2.16 km2，總體流向為NW304°～353°，形態呈“葉脈狀”（圖1）。地勢南東高、北西低，分水嶺最高點高程約為2553 m，溝口高程約1 712 m，最大高差約841 m。溝口至溝底高程1850 m溝段三道溝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地發育明顯，為泥石流形成-流通區和堆積區，溝谷呈相對平緩的U型谷，溝道較為順直，其中堆積區位于Ⅰ級階地上，形成-流通區位于Ⅱ、Ⅲ級階地；溝底高程1850m至后緣分水嶺為泥石流形成區，流域三面環山，一面出口，出口段溝谷狹窄，溝道彎曲較大。受構造剝蝕作用，形成區支溝較發育，共發育5條支溝。地勢高陡，流域溝谷切割深度大，多呈狹窄“V”型谷，寬5 m～18 m，形成區發育兩級較大跌水坎，高度6 m～8 m，泥石流啟動后經過跌水坎的加速達到很高的速度和動能，對下游區威脅對象造成更大的破壞。流域溝床平均比降為235.3‰，其中形成-流通區、堆積區較緩，約134.5‰～180.3‰，形成區較陡，329.6‰～365‰，顯然，黑石溝流域具有發生一定規模泥石流的溝床比降條件。

圖1 黑石溝泥石流流域及分區圖

圖2 形成區（3#支溝）典型崩坡積物源特征

2.松散物源。形成區基巖為華力西期鉀長花崗巖，為典型的硬質巖層，強度高，一般不易風化剝蝕，但在長期干燥少雨，溫差大的氣候條件下，硬質巖體脹縮、冰劈作用明顯，風化卸荷裂隙極為發育。另外研究區區域構造活動較強烈，庫萊斷裂橫穿過形成流通區，形成區沿各支溝溝谷構造裂隙較發育，現場統計的3#支溝構造裂隙產狀為295°/SW/∠78°，陡傾，加上風化裂隙的共同作用，極易形成大量崩塌堆積體（圖2）。崩坡積物主要沿切割較深的支溝分布，由于地形高陡，大粒徑的風化剝落塊碎石往往不易在坡表積存，在重力和地表徑流的作用下堆積于坡腳和支溝溝床內，堆積物平均粒徑40 cm～50 cm，在遇集中強降雨的情況下，極易參與泥石流活動。通過現場調查，黑石溝崩坡積松散物源約19.96萬方，物源量豐富。

3.降水。黑石溝位于哈密石城子流域，根據駱光曉[7]等對該流域降水的分析，降水量從東北向西南遞減，由高山向盆地遞減，年降水量與高程關系密切，其相關方程y=7.9852x+543.789，相關系數R=0.993 2，其中y為高程，x為降雨量，隨地形升高100 m，降水量增加13.0 mm。因此選取離黑石溝（高程1950 m）較近的白吉水文站和板房溝雨量站降雨資料為參考，如表1所示。

表1 黑石溝流域降水量統計

黑石溝流域年降水量達98.6 mm～279.3 mm，平均187.1 mm，以夏季（6～8月）降水最為集中，占全年降水的60%以上，并且降雨歷時較短，一般45 min左右，降雨強度大，對于長期處于干燥環境下的松散物源，足以觸發暴雨泥石流的形成。

三、泥石流發育特征研究

1.泥石流活動特征分析。通過對黑石溝內的泥痕和溝口堆積扇調查發現，該溝泥石流活動較為強烈，有多期活動跡象，保留兩期較大的泥痕，從泥痕斷面厚度觀察，早期泥石流堆積厚度最大，活動最強，近期活動較弱。由于研究區人煙稀少，對泥石流活動記錄基本沒有，無法確定兩期泥石流的發生時間，現結合泥痕斷面法和雨洪法對兩期泥石流流量進行對比發現，兩期泥石流流量分別為116.77 m3/s和95.63 m3/s，與1%和5%暴雨頻率下激發泥石流流量（111.187 m3/s和93.67 m3/s）相一致， 因此該溝泥石流重現期大概為1次（>20年），依照泥石流災害防治工程勘查規范（DZ/T 0220-2006）應判定為低頻泥石流。從溝口堆積扇扇面的發展演變趨勢來看，早期泥石流堆積扇面大，近期泥石流堆積扇面較小，泥石流活動有逐漸減弱的趨勢，但綜合物源條件分析，該溝仍有暴發大規模泥石流的可能。

2.泥石流侵蝕-輸移-堆積特征。黑石溝泥石流在形成區以下切侵蝕和側方侵蝕為主，形成區物源充足，泥石流固相物質飽和，密度大速度快，流體內部及溝床之間碰撞、摩擦強烈，揭底沖刷強烈，溝床內基巖裸露，下切深度大，下切的同時，在溝道兩側岸坡形成陡直的臨空面，加劇了側方侵蝕作用，裂隙發育破碎的巖體在強烈的下切和側蝕作用下，底部掏空，呈現不同規模的基巖谷和跌水坎（圖3）。在溝底高程1 905 m峽谷出口段，溝道彎曲較大，岸坡凹岸陡直，幾乎近直立，溝谷狹窄，僅3 m～6 m，溝道平緩，加上彎道上部緊接一高差近6 m的跌水坎，形成區高速流動泥石流體經過陡坎的加速后，受離心力作用涌向凹岸，形成彎道超高堆積現象（圖4），彎道超高高度達2 m。泥石流沖出峽谷段進入流通區后，溝床急劇變寬緩，摩擦阻力急劇增大，侵蝕作用明顯減弱，流體兩側失去邊界條件約束，橫向環流得到發展，逐漸發生滿床堆積，堆積物厚度2 m～3 m，溝道中部以粗顆粒為主，往兩側顆粒粒徑逐漸變小。在后期高含沙洪水的沖刷作用下，部分溝段堆積物階地發育。溝口堆積扇發育明顯，位于三道溝Ⅰ級階地之上，扇寬約130 m，縱長約70 m，坡度8°，堆積物中間厚，1 m～2 m，越往兩側及扇緣逐漸變薄。堆積扇前緣以大塊（漂）石為主，越往上游，粒徑逐漸變小，堆積體從上往下，顆粒粒徑逐漸變小，表部以大塊石為主，底部以礫石及粗砂為主，為典型的稀性泥石流堆積序列特征。

圖3 形成區跌水坎及基巖底部掏空

圖4 峽谷出口段彎道超高現象

3.泥石流堆積物粒度特征及流體性質。泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運的產物，它包含著大量泥石流形成、運動、堆積的信息，其粒度特征能充分反映泥石流的搬運介質和運動方式的特點 。現場調查發現，黑石溝各期次泥石流堆積物以塊（漂）碎（礫）石夾粗砂質為主，塊石居多，粘粒含量很少，結構松散，多呈次棱狀。現場對不同時期泥石流堆積物取樣，進行的粒度成分分析結果如圖7。堆積物中粗顆粒含量比較高，以粗粒為主，各試樣>2 mm的顆粒含量一般在89.42～98.43.10%，<2 mm的顆粒含量為1.57～10.58%，塊石粒徑最大的達130 cm，大部分塊石粒徑主要分布在30 cm～50 cm的區段內，60 cm～130 cm的漂石相對較少，整體級配較差，間接反映出黑石溝泥石流具有搬運速度快、容重高的特點。

對堆積物顆分試驗后粒徑小于2 mm的細顆粒進行的比重試驗，獲得的黑石溝泥石流堆積物的顆粒比重為2.738，按水土體積比法計算泥石流容重：

式中：γC為泥石流流體容重（t/m3）；γH固體顆粒的比重；f為固體顆粒與水的體積比，其值根據現場調查的泥石流堆積物的組成特征及參照該地區對相關泥石流研究成果綜合取值為4：6。按上式計算的黑石溝泥石流容重平均值為1.695 t/m3，根據泥石流堆積物顆粒組成中的細粒含量，結合野外判別綜合評價黑石溝泥石流為稀性、水石流類，這與花崗巖組成礦物顆粒粗大（約0.5 mm～2 mm），干旱環境下以物理風化為主，風化產物中粘粒含量少且多為粗砂質的特點相對應。

四、結論

黑石溝泥石流為典型的新疆干旱區硬質巖層暴雨泥石流，通過上述研究分析發現，其受氣候和巖性的影響較大，硬質巖層物理風化強烈，巖體風化裂隙極為發育，在構造裂隙的共同作用下，崩坡積發育，松散物源充足；流域高差大，形成區溝谷狹窄陡直，匯水面積大，水動力條件強，泥石流侵蝕下切劇烈，基巖谷和跌水坎發育，泥石流搬運速度快、容重高，易形成彎道超高現象；花崗巖物理風化較嚴重，堆積物以粗顆粒塊石為主，粘粒含量極少，呈現典型稀性泥石流特征，另外，受干旱區降雨控制，泥石流多為低頻泥石流，潛在危害性大。

參考文獻

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