呂喬森,董瑋瑋
(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆地質(zhì)工程勘察院,新疆 烏魯木齊 830091;3.新疆烏魯木齊市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
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阿圖什市稀性泥石流成災(zāi)特性研究
呂喬森1,2,董瑋瑋3
(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆地質(zhì)工程勘察院,新疆 烏魯木齊 830091;3.新疆烏魯木齊市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)
新疆南部山區(qū)泥石流災(zāi)害發(fā)育程度高,災(zāi)害暴發(fā)頻發(fā),以南疆阿圖什市為例,對(duì)成災(zāi)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析,闡明稀性泥石流災(zāi)害賦存的地質(zhì)環(huán)境條件與基本特征,對(duì)致災(zāi)三大要素——地形地貌特征、泥石流物源與水源條件進(jìn)行分析研究,結(jié)果表明,該市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的破面侵蝕溝谷型稀性泥石流,爆發(fā)頻率及規(guī)模為中型。厘清成災(zāi)特性,為后續(xù)的防治工程設(shè)計(jì)奠定研究基礎(chǔ)。
地質(zhì)災(zāi)害;稀性泥石流;成災(zāi)特性;重度
泥石流是我國(guó)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》中規(guī)定的六大災(zāi)種之一,主要發(fā)育在山區(qū)溝谷,由暴雨、冰川、地震等外界因素誘發(fā),通過(guò)水體混合并裹攜大量泥沙、石塊、土體形成特殊洪流,是介于崩塌、滑坡等塊體運(yùn)動(dòng)和高含沙水流運(yùn)動(dòng)之間的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象,具有暴發(fā)突然、致災(zāi)性強(qiáng)、破壞性大、防治難度高等特點(diǎn)[1-3]。新疆存在廣袤的山區(qū)溝谷地貌,且多植被稀疏、基巖風(fēng)化嚴(yán)重,為泥石流災(zāi)害的發(fā)育提供了良好的地質(zhì)條件,嚴(yán)重制約地方城市建設(shè)發(fā)展。
阿圖什市位于新疆西南部克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?以下簡(jiǎn)稱“克州”)中部,下轄6鄉(xiāng)1鎮(zhèn)。該市是克州州府所在地,是新亞歐大陸橋上重要的節(jié)點(diǎn)。由于地處博孜塔格山脈區(qū)域,該市泥石流災(zāi)害發(fā)育程度高,災(zāi)害暴發(fā)頻仍,成災(zāi)特征典型,業(yè)已對(duì)市區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重的不良影響。如2001年8月23日,由于克州地區(qū)突降暴雨,阿圖什市遭受洪水泥石流災(zāi)害,整個(gè)市區(qū)被厚度30 cm左右的泥石流沖出物質(zhì)掩埋,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6 300萬(wàn)元。因此,亟需研究分析阿圖什市代表性的泥石流災(zāi)害,厘清其成災(zāi)特性[4-5],為阿圖什市乃至其他南疆地區(qū)相似的泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1.1 氣象水文條件
阿圖什市地處中緯度歐亞大陸腹地,屬典型的暖溫帶大陸性干旱氣候,主要表現(xiàn)為四季分明,日照充足,干旱少雨,無(wú)霜期長(zhǎng),氣溫晝夜變幅大。市區(qū)年平均氣溫13.7℃,平均最高氣溫33.6℃,極端最高氣溫41.2℃,平均最低氣溫-5.3℃,極端最低氣溫-24.4℃。年最大降水量165.5 mm,最小降水量18.3 mm,多年平均降水量78.0 mm。多年平均日照時(shí)長(zhǎng)2 785.6 h,最大凍土深度68 cm,多年平均風(fēng)速2.1 m/s,最大風(fēng)速為22 m/s。
阿圖什市土地遼闊、河網(wǎng)密布,較大水系為博古孜河和恰克瑪克河。城區(qū)處于博古孜河下游,屬平原游蕩性河流,河床寬淺,河灘密布,主流位置不定,具有淺、寬、亂的特點(diǎn)。根據(jù)水文資料顯示,歷年最大洪峰流量發(fā)生以7~9月最高,其次為5、6月份,與泥石流災(zāi)害集中暴發(fā)時(shí)間相吻合。
1.2 地形地貌條件
阿圖什市地處天山西南坡博孜塔格山一側(cè),總體地勢(shì)北高南低,海拔1 350~1 650 m。該市南部為山前沖洪積傾斜平原,海拔1 300~1 350 m,平原地帶地表覆蓋人工種植植被,覆蓋率約70%~80%;北部為山區(qū),山區(qū)溝谷中基巖裸露,上覆少量第四系殘坡積物,植被極稀疏。
1.3 地層巖性條件
1.3.1 二疊系下統(tǒng)卡侖達(dá)爾組(P1k)
主要分布在北部中低山丘陵區(qū),巖性為海相較細(xì)碎巖夾少量灰?guī)r。其下部為黃色、灰綠色鈣質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層夾泥質(zhì)灰?guī)r;上部為絳紅色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)中細(xì)粒長(zhǎng)石富巖屑砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖不均勻互層夾砂巖、粉砂巖。
1.3.2 第三系上新統(tǒng)阿圖什組(N2a)
主要分布在北部的低山丘陵區(qū),巖性主要為泥巖、砂巖和礫巖,呈紅褐色~淺棕色,礫巖主要由塊石、碎石、砂膠結(jié)形成。
1.3.3 第四系(Q)
第四系(Q)在阿圖什市內(nèi)廣泛分布,主要分布于泥石流溝谷、坡腳及山坡坡面,主要為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)沖洪積物(Q3-4apl)、全新統(tǒng)殘坡積物(Q4dl+el)與第四系全新統(tǒng)崩積物(Q4col)等,是構(gòu)成泥石流物源的重要組成部分。
1.4 水文地質(zhì)條件
研究區(qū)溝谷內(nèi)第四系為透水不含水層,地下水主要分布于溝谷的沖洪積扇部位,地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水。含水巖組巖性為第四系砂、礫石,單井涌水量為20~200 m3/d,富水性中等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取水樣簡(jiǎn)分析結(jié)果,地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca,礦化度0.446~1.301 g/L,屬淡水-弱礦化水,體現(xiàn)沉積巖地區(qū)淺層溶濾水的特征。地下水補(bǔ)給方式一則為山區(qū)洪流的入滲補(bǔ)給,二則為汛期博古孜河河水的側(cè)向補(bǔ)給。主要排泄方式一種為枯水期向東南側(cè)的博古孜河排泄,另一種是以蒸發(fā)或蒸騰的方式排泄。
1.5 研究區(qū)泥石流災(zāi)害基本特征
基于研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以得出,阿圖什市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的坡面侵蝕溝谷型稀性泥石流,暴發(fā)頻率一般為中頻,暴發(fā)規(guī)模一般為中型。其中,以市區(qū)北部吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村泥石流災(zāi)害最為典型。該泥石流災(zāi)害處于發(fā)展期(壯年期),易發(fā)程度綜合量化評(píng)價(jià)結(jié)果為87分,處于“易發(fā)”狀態(tài),泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)小~中型,泥石流潛在危險(xiǎn)性等級(jí)中型,受災(zāi)體處于災(zāi)變的臨界狀態(tài),須警惕成災(zāi)可能性。
如上所述,發(fā)育于該市北部吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村的泥石流規(guī)模大、致災(zāi)強(qiáng)、威脅廣,具有重要的研究意義。因此,以其為研究對(duì)象,對(duì)成災(zāi)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析。
圖1 泥石流區(qū)域劃分示意圖
2.1 地形地貌特征
研究區(qū)整體屬中低山區(qū),地勢(shì)北高南低,呈“箕”形,其中北、西、東部三面為山體環(huán)繞,朝南開(kāi)口,溝口堆積有大量較完整的扇形松散堆積物,主溝在“箕”形當(dāng)中大致呈北西-南東向延伸。地貌類型包括中山、構(gòu)造剝蝕丘陵、山前沖洪積傾斜平原等,最高點(diǎn)平均海拔1 871.6 m,最低點(diǎn)平均海拔1 630.8 m,主溝最長(zhǎng)約2.81 km??瓶怂敬迥嗍髁饔蚩偯娣e約為4.54 km2。溝谷整體呈樹(shù)杈狀,共5條支溝、1條主溝,溝谷平均縱坡約55.0‰,溝道寬2~140 m。其中一號(hào)、二號(hào)支溝呈“V”型,三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)支溝及主溝呈寬“U”型,如圖1所示。
2.1.1 形成區(qū)
將最下游處的五號(hào)支溝與主溝交匯處以上的流域范圍劃分為泥石流的形成區(qū),其溝谷流域面積約2.35 km2,發(fā)育支溝5條,各支溝縱坡坡率、溝道形態(tài)、物理地質(zhì)特征如表1所示。
形成區(qū)北部為陡峻山體,坡度一般35°~80°,坡體基巖裸露,無(wú)植被覆蓋,巖性主要為礫巖,微~中風(fēng)化,由塊石、碎石和砂組成,鈣質(zhì)或泥鈣質(zhì)膠結(jié);巖體堅(jiān)硬,錘擊有回彈,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)~Ⅳ級(jí)偏強(qiáng)。工程地質(zhì)條件良好至一般。形成區(qū)東西兩側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化基巖,巖性主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r,大部基巖表層全風(fēng)化成泥質(zhì),厚度0.3~0.8 m,坡度一般25°~65°,植被極稀疏,基本喪失固土保水能力;該部分巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)偏弱~Ⅴ級(jí),局部發(fā)育傾倒~墜落式崩塌,工程地質(zhì)條件較差。形成區(qū)的一號(hào)與二號(hào)支溝溝道狹窄且多急灣,呈“V”型,存在大量陡坎與跌水,溝內(nèi)堆積物主要為沖洪積形成的碎石、角礫,以及一些大粒徑的塊石、漂石,堵塞程度嚴(yán)重;三號(hào)~五號(hào)支溝寬敞,呈寬“U”型,溝道較短,溝內(nèi)堆積物較多,主要為沖洪積形成碎石、角礫,有零星植被;其中四號(hào)與五號(hào)支溝溝頭一帶存在大量崩塌堆積物,塊徑極大,但基本不參與泥石流形成。
綜上所述,該段區(qū)域內(nèi)陡峻的地形地貌有利于匯集周圍山坡上的水流,坡面松散固體物質(zhì)易在水流作用下啟動(dòng)。
2.1.2 流通區(qū)
從五號(hào)支溝與主溝匯集處至泥石流溝口劃分為流通區(qū),其溝谷流域面積約為0.56 km2,主溝平均縱坡約為45‰,溝道寬180~310 m,呈寬“U”形。
流通區(qū)溝谷兩側(cè)出露強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥質(zhì)灰?guī)r,巖性變化過(guò)渡復(fù)雜,整體呈逆沖推覆體接觸,其中砂質(zhì)泥巖風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,大部基巖表層全風(fēng)化成泥質(zhì),厚度0.3~0.6 m,坡度一般25°~55°,植被極稀疏,基本喪失固土保水能力;該部分巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)~Ⅴ級(jí),東側(cè)山體于溝口位置發(fā)育傾倒式崩塌,工程地質(zhì)條件較差。流通區(qū)東側(cè)一帶可見(jiàn)殘留泥位,西側(cè)一帶可見(jiàn)沖擊侵蝕痕跡。
流通區(qū)溝道堆積物較多,主要為沖洪積形成的角礫層,含少量碎石、圓礫,骨架顆粒間以礫砂、中粗砂、少量粉土充填為主,中密~密實(shí),干燥~稍濕,主要母巖成分為砂巖、凝灰?guī)r等。流通區(qū)溝道較順直,但縱坡較緩,易于泥石流固相物質(zhì)的沉淀,但由于區(qū)內(nèi)堵塞程度一般~輕微,水體流動(dòng)暢通,因此可直泄下游,對(duì)堆積區(qū)的扇體產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷與掏蝕。
2.1.3 堆積區(qū)
從泥石流溝口至博古孜河西岸一側(cè)劃分為堆積區(qū)及其影響區(qū),面積約1.63 km2,沖積扇長(zhǎng)約900 m,寬約1 500 m,擴(kuò)散角約100°,平均縱坡33‰。
泥石流堆積區(qū)為泥石流物質(zhì)的停積場(chǎng)所,位于山口外,地形較平緩。由于地形豁然開(kāi)闊平坦,泥石流動(dòng)能急劇變小,最終停積下來(lái)形成近似扇形的堆積體(洪積扇)。由于存在多次泥石流暴發(fā)堆積,溝口以南區(qū)域形成了巨厚堆積層,角礫層厚度大于80 m,扇形相對(duì)較完整,且沖淤變幅明顯。堆積區(qū)東西兩側(cè)發(fā)育多條沖溝,寬度0.8~2.0 m不等,深度0.3~0.6 m。堆積區(qū)地層主要為角礫,灰黃~雜色,分選性較差,級(jí)配良好,顆粒呈次棱角-次圓狀,含少量碎石,骨架顆粒間以礫砂、中粗砂、少量粉土充填為主,母巖成分主要為砂巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r等,中密~密實(shí),干燥~稍濕。
2.2 泥石流物源組成
科克塔木村泥石流的松散堆積物主要由兩部分組成:主要來(lái)源為流域范圍內(nèi)各溝道沖洪積所形成的堆積物,其他來(lái)源為溝道兩側(cè)山體直面上風(fēng)化形成的殘積物、坡積物、少量崩積物及泥石流沖擊掏蝕坡腳產(chǎn)生的塌岸物質(zhì)。
對(duì)于形成、流通區(qū)山體坡面上風(fēng)化形成的殘積物、坡積物、少量崩積物而言,降雨入滲后,松散殘坡積物吸水產(chǎn)生蠕變,并與水體充分摻混,強(qiáng)度衰減,誘發(fā)物質(zhì)啟動(dòng)。物質(zhì)啟動(dòng)后,一邊侵蝕不穩(wěn)定土層一邊滑行,最終匯入溝道成為物源。
對(duì)于溝道內(nèi)沖洪積所形成的松散堆積物而言,降雨匯集后裹攜大小粒徑石塊順坡降徑流,形成強(qiáng)烈紊動(dòng)固液混合相紊流,龍頭聚集大顆粒卵石形如一座緩慢推進(jìn)的石壩,沖刷力較強(qiáng)。在泥漿挾帶下部卵石運(yùn)動(dòng)中,卵石周圍的液相通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)把能量傳遞給卵石顆粒,同時(shí)上部泥漿流借助于紊動(dòng)擴(kuò)散作用不斷把動(dòng)能傳遞到下層,使下部液相物質(zhì)可維持不斷推動(dòng)卵石運(yùn)動(dòng),并持續(xù)地沖刷揭底溝床。當(dāng)泥漿深度提升到一定程度后,高黏性遏制了紊動(dòng),加之泥石流運(yùn)動(dòng)至溝口一帶后,地形陡然開(kāi)闊,流速迅速下降,紊流漸次轉(zhuǎn)化為層流,大顆粒固相物質(zhì)逐步停止并沉淀,龍頭消逝,僅剩下洪流及少量細(xì)顆粒固相物質(zhì)繼續(xù)向下游排泄,
綜上所述,科克塔木村泥石流物源以沖溝侵蝕為主、淺層坍塌為輔,動(dòng)力學(xué)特征主要體現(xiàn)為水力作用導(dǎo)致的溝床起底掏蝕。在形成區(qū)與流通區(qū)上游,其流體性質(zhì)以稀性為主,在流通區(qū)中下游則黏性略有提高。
2.3 水源條件
2.3.1 植被條件
研究區(qū)內(nèi)基巖山體表層植被極稀疏,植被覆蓋率不足1%,生態(tài)環(huán)境極其脆弱。泥石流溝道內(nèi)生長(zhǎng)有零星植株,主要為一年生耐旱草本植物,多為梭梭柴,覆蓋率小于5%。因此,植被穩(wěn)固坡面松散物的能力十分有限,可忽略不計(jì)。
2.3.2 降雨影響
降雨具有構(gòu)成泥石流重要組成部分和搬運(yùn)介質(zhì)雙重意義,特大暴雨是泥石流爆發(fā)的基本動(dòng)力條件??瓶怂敬迥嗍鳒瞎人诘闹猩郊皠兾g丘陵形成的匯水區(qū)域?yàn)槟嗍鞯陌l(fā)育提供了水動(dòng)力條件,同時(shí)也成為水流的流通通道。
如前所述,研究區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給,大氣降水多集中在5~9月,尤以7~8月為甚,多呈連續(xù)數(shù)日的大雨或短時(shí)間的暴雨。降雨的集中出現(xiàn)形成強(qiáng)大的地表徑流,沖刷裹攜固體物質(zhì)形成泥石流。據(jù)走訪調(diào)查,最近一次較大規(guī)模的泥石流爆發(fā)于2012年7月。當(dāng)時(shí)泥石流的沖起高度約0.4 m,泥砂淤積厚度0.1 m,對(duì)村內(nèi)新建牧民安居房造成了較大的危害。
(1)通過(guò)闡明阿圖什市氣象水文條件、地形地貌條件、地層巖性條件、水文地質(zhì)條件,明確了阿圖什市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的坡面侵蝕溝谷型稀性泥石流,暴發(fā)頻率一般為中頻,暴發(fā)規(guī)模一般為中型。
(2)以吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村泥石流災(zāi)害為研究對(duì)象,通過(guò)分析其形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)的地形地貌特征,物源組成,水源條件等,基本厘清了泥石流災(zāi)害的成災(zāi)特性,為后續(xù)的泥石流防治對(duì)策研究奠定了理論基礎(chǔ)。
[1]吳積善,田連權(quán),康志成,等. 泥石流及其綜合治理[M]. 北京:科學(xué)出版社.1993.
[2]崔鵬,韋方強(qiáng),謝洪,等. 中國(guó)西部泥石流及其減災(zāi)對(duì)策[M].第四紀(jì)研究.2003.23(2):142-151.
[3]劉希林. 我國(guó)“地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)要求”中的有關(guān)問(wèn)題—以泥石流災(zāi)害為例[M].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).2013.24(2):8-15.
[4]余斌. 根據(jù)泥石流沉積物計(jì)算泥石流容重的方法研究[J].沉積學(xué)報(bào).2008.26(5):789-796.
[5]余斌. 稀性泥石流容重計(jì)算的改進(jìn)方法[J].山地學(xué)報(bào).2009.27(1):70-75.
2017-03-14
呂喬森(1986-),男,福建古田人,工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治方面的研究。
P642.23
B
1004-1184(2017)03-0217-03