工程地质分析思路在泥石流评价中的应用

王小群 沈军辉 游 敏

(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),成都610059;2.安徽建筑工业学院 土木工程学院,合肥 230022)

在山区基础设施建设中泥石流是危害程度较大的一种地质灾害。关于泥石流形成条件的研究主要包括:水动力条件、物源条件、地形地貌条件等。本文采用工程地质分析方法重点对泥石流沟谷沿岸可能物源的稳定性进行了分析,并将分析结果纳入泥石流综合评价中,从而得到可靠的预测结果。所谓工程地质分析思路,就是在泥石流研究中除了传统的泥石流研究思路外更注重流域岸坡的稳定性分析,该稳定性分析直接关系到泥石流形成的一个极为重要的条件——物源。本项研究涉及到的阎王曲沟泥石流位于马尔康县东部鹧鸪山西侧,大渡河支流梭磨河左岸,距马尔康约45 km,距成都市约300 km。鹧鸪山隧道的西侧出口正好位于阎王曲沟谷内的泥石流堆积体中(图1),因此对该泥石流危险性进行评价预测具有重要的工程实际意义。

1 自然地理及地质环境条件

1.1 自然地理

1.1.1 气象

图1 隧道西口位于泥石流堆积体中Fig.1 West side tunnel lies in debris flow accumulation

鹧鸪山隧道区属北温带川西北高原大陆季风气候区。该地区历年平均气温3.3～3.8℃,最高气温28.2℃,极端最低气温-31.1℃。历年平均降水量910～938 mm,历年平均蒸发量565～587 mm。最大冻结深度1.01 m,最大积雪深度47～100 cm。历年最多风向SSW-SW、SE-SSE,历年平均风速1.7 m/s,历年最大风速24 m/s。

区内气候垂直变化明显,在2.18～2.5 km的海拔高度为暖温带,2.5～3.3 km为温带,3.3～4.0 km为寒温带,4.0～4.5 km为亚寒带,4.5～5.3 km为冰雪寒带。

1.1.2 水文

阎王曲属大渡河支流梭磨河左岸的次级支沟。梭磨河发源于四川省红原县壤口乡文部沟,系长江流域源头河流,主流总长182.5 km,流域面积3 015.6 km2。

1.1.3 植被及人类活动

阎王曲流域内森林较茂密,鹧鸪山西隧道口以上区域少有人类活动,植被良好;因隧道施工及公路开挖,在隧道口一带植被已有一定扰动。

1.2 地质条件

1.2.1 地层岩性及其分布

阎王曲流域内出露地层岩性主要为:三叠系新都桥组(T3x)的千枚岩、变质细砂岩、粉砂岩以及凝灰岩;侏倭组(T3zh)的变质砂岩、千枚岩;第四系的冲洪积、冰积、泥石流堆积、坡残积等。

1.2.2 地质构造及地震

阎王曲在米亚罗断裂西侧。区内地层总体上为一个NNW向展布的新生沟倒转向斜,其西侧为钻金楼倒转背斜,东侧紧邻刷马路口向斜(图2)。

图2 研究区区域地质简图[1]Fig.2 Regional geological map of study area

新生沟倒转向斜在阎王曲流域NW沿纳龙沟至新生沟分布,往SE延入阎王曲。核部地层为新都桥组,主要分布于阎王曲中下游沟床及右侧谷坡下部一带;翼部地层为侏倭组,分布于流域上游及两侧谷坡。

研究区东侧的米亚罗断裂为中更新世以来的活动断裂,隧道及阎王曲泥石流区50年内超越概率10%的条件下,其最大可能遭遇的地震烈度为Ⅶ度。

2 泥石流的发育分布特征

2.1 泥石流沟谷的形态特征

2.1.1 沟谷总体特征

阎王曲沟总体呈NNW流向,沟域形态弯曲,向NEE凸出,地势南高北低,其中上游沟床呈SN流向,中游以上呈NNW流向,下游支沟呈近EW流向(图3)。源头的海拔高度为4 635 m,沟口的海拔高度为3 160 m,最大高差为1 475 m。流域长6.83 km,平均宽度2.739 km,流域面积15.292 km2。

图3 阎王曲沟泥石流工程地质图Fig.3 Engineering geological plan of the Yanwangqu debris flow

阎王曲沟为一古冰川沟谷。阎王曲沟域内,两岸发育多条支沟,两岸支沟在海拔高度4 150～4 300 m以上部位多呈古冰斗地貌,次级支沟的沟口多有洪积或泥石流堆积(图3)。

2.1.2 沟谷形态与沟床结构

阎王曲主沟呈 “U”形谷,宽360～102 m,两岸次级支沟较发育,沟床平均纵比降216‰。按沟床的形态结构可划分为以下5个沟段。

a.海拔高度4 km以上的沟源地段

为阎王曲沟沟源地带,沟谷呈近SN流向,总体形态呈漏斗状,为古冰斗地貌,斜坡陡峻。沟谷内堆积有一定量的冰碛物。

b.海拔高度3.8～4 km的冰碛物堆积段

本段沟谷呈近SN流向,沟谷总长1.15 km,宽达160～300 m,沟床平均纵比降364‰。沟床中堆积有大量的冰川堆积物,两侧陡壁之下可见大量的崩积物覆于冰川堆积物之上。

c.海拔高度3.48～3.8 km段

本段沟谷呈SN-NNW走向,沟谷总长2.12 km,宽度200～300 m,沟床平均纵比降222‰。沟床中普遍覆有一定厚度的由冲洪积形成的块碎石土。宽谷沟谷两侧斜坡可见一定量的崩坡积物及冰川堆积物;两岸发育多条支沟,支沟在海拔高度4.15～4.3 km以上多呈古冰斗地貌。古冰斗中物理风化作用形成的碎屑物较发育,一些古冰斗支沟的沟口发育有规模较大的泥石流、洪冲积堆积扇(图3)。沟谷内植被发育,为茂密的乔木,谷肩古冰斗一带多为灌木,谷肩局部基岩裸露。沟床一带多为灌木,局部为乔木,可见直径较大(50～60 cm)的松树树桩。

d.海拔高度3.35～3.48 km的泥石流堆积段

主要位于二支沟的沟口上游与一支沟的沟口之间,沟谷呈 NNW-NW 走向,沟谷总长0.65 km,谷宽约200 m,沟床平均纵比降141‰,沟谷两侧支沟发育。由于沟床开阔,沟床纵比降相对较小,所以本沟段是泥石流的主要堆积场所。本段右岸支沟的沟口发育一规模较大的泥石流扇体,使阎王曲现代沟床向左岸偏移,致使现代沟床较狭窄(图3)。

e.海拔高度3.35 km以下至沟口相对峡谷段

本段位于一支沟的沟口下游至沟口,沟谷近EW流向,沟谷总长1.86 km,沟谷相对狭窄,沟床纵比降176‰。

2.2 泥石流发育分布特征

2.2.1 主沟泥石流基本特征

a.沟谷两侧支沟发育,支沟源头多呈古冰斗地貌,流域内多条支沟的沟口均有一定规模的泥石流或洪积扇发育,最典型的如二支沟的沟口泥石流。

b.阎王曲沟主沟曾发生过洪流或稀性泥石流,是一条稀性泥石流沟谷。但主沟现代沟床一带树木直径较大,估计其最大直径可达50～60 cm,树龄应在数十年以上,说明阎王曲主沟至少已有数十年未暴发较大规模的泥石流或洪流。

c.阎王曲沟谷形态及结构特征的分段明显,按泥石流发育特征及分区特征可将其划分为:清水区、物源区、流通区和堆积区。

清水区:位于海拔高度4 km以上区域,为阎王曲主要汇水区,汇水面积较大,主体呈冰斗地貌。下部沟床中分布有大量的冰川堆积物,堆积体较宽缓,堆积物块度大,含泥少,架空现象明显,稳定性较好。沟水以潜流的形式下流。除少量碎屑物质可以下移外,整体上堆积物处于稳定状态,不构成泥石流的主要物源。调查表明,冰碛物整体保存较好,未曾发生大规模的失稳破坏。

物源区:海拔高度在4～3.65 km的沟谷段。沟谷两侧多条支沟曾发生过规模相对较大的泥石流,并在宽谷中堆积,甚至发生过沟事件,使现代沟床发生偏移。在该段沟谷两侧斜坡中物理风化形成的倒石堆等也较发育,此外,局部还可见古滑坡,是主沟泥石流的物源区。

流通区:海拔高度3.65 km以下至二支沟的沟口上游。该段沟谷沟床比降相对较大,物源相对较少。

堆积区:二支沟的沟口上游至一支沟的沟口一带,是主沟泥石流堆积的主要场所,也是二支沟的沟口泥石流堆积场所。

d.主沟泥石流与二支沟泥石流堆积体混杂堆积,泥石流结构复杂。

2.2.2 二支沟泥石流的基本特征

二支沟位于阎王曲沟右岸,为一老泥石流冲沟,沟口一带发育有一规模较大的泥石流、洪积扇。鹧鸪山隧道出口即位于二支沟的沟口下游约380 m处的泥石流、冲洪积堆积体中。

二支沟为一常年流水的支沟,总体流向N82°W,流域面积1.032 km2,流域内海拔高度最高为4.35 km,支沟出口处阎王曲沟海拔高度为3.4 km,沟长2.165 km,沟床平均坡度27°。二支沟泥石流具有明显的 3个分区(图3):物源区(汇水区)、流通区和堆积区。

物源区(汇水区):为海拔高度在4.05 km以上区域。二支沟沟源一带海拔高度在4.1 km以上为古冰斗地貌,斜坡坡度平均为29.5°。古冰斗中植被发育程度相对较差,物理风化形成的碎屑流发育,是泥石流的主要物源区,也是二支沟泥石流形成的主要汇水区。海拔高度在4.05～4.15 km一带地形相对平缓,为碎屑流物质积聚的场所(图3),是二支沟泥石流的主要物源区。

流通区:海拔高度约4.05 km至沟口为流通区。该区沟谷较狭窄,流通区沟床坡度约为29°(555‰)。

堆积区:该区主要位于二支沟的沟口,阎王曲主沟在该段开阔宽缓,为泥石流的主要堆积区。堆积区表面坡度为 8°～18°。支沟沟口泥石流、冲洪积堆积体规模较大,堆积体整体呈锥状堆积于阎王曲开阔主沟床中,使现代的阎王曲主沟向左侧偏移。泥石流堆积体在隧道口上下一带厚度约为16～24 m,并具有扇套扇的特征,证明该沟泥石流具有多期暴发的特征。二支沟为其提供了丰富的物源,另外也夹杂阎王曲主沟的堆积物。泥石流堆积体成分主要为碎石土和块碎石土,含泥质较少,主要为稀性泥石流。

3 泥石流的形成条件分析

3.1 地质环境条件

3.1.1 地层岩性及物源

阎王曲流域内出露的主要岩性为千枚岩,岩性软弱,有利于岩体发生风化、剥蚀,形成碎屑物质。沟域内第四系松散堆积层较为发育,堆积物规模较大。在主沟中上游流域堆积有规模巨大的冰碛物,并可见大量的崩积物覆于冰川堆积物之上;主沟中游一带,沟床中可见厚度较大的冲洪积物,各支沟的沟口多分布有不同规模的泥石流堆积体,两侧斜坡上也可见大量的由物理风化作用形成的崩坡积物。二支沟的沟源冰斗一带发育有大量的碎屑流,并汇聚在冰斗底部相对平缓部位堆积。这些松散堆积物为泥石流的发育提供了充裕的物源条件,而能否暴发泥石流则取决于其稳定性和可启动程度。

3.1.2 构造条件

阎王曲位于米亚罗断裂西侧,紧邻米亚罗断裂。地层褶皱强烈,甚至倒转,表明本区经受过强烈的构造活动的改造,地层中岩体较破碎,有利于斜坡岩体发生风化、剥蚀,形成碎屑物质。流域内地层总体上呈一NNW向展布的向斜构造,右侧(东侧)斜坡主要为层状结构反倾坡,有利于发生倾倒变形破坏;左侧(西侧)斜坡主要为层状结构顺向坡,有利于岩层发生滑移弯曲变形破坏。

3.1.3 地貌条件

影响泥石流发育的地貌条件,主要有沟床平均纵坡降、沟坡坡度、集水面积、沟谷形态等。

阎王曲平均纵坡降 216‰(12.2°),其主沟的沟源地带总体呈向北开口的围椅状,为古冰斗地貌,上陡下缓,有利于碎屑物质的堆积。该处斜坡陡峻,陡崖发育,上部基岩裸露,物理风化作用较强,堆积有一定量的冰碛物。二支沟为一常年流水的支沟,沟床平均纵坡降 509‰(平均坡度27°),属于易产生沟谷泥石流的范围。沟坡坡度多在 30°～50°之间,其沟源一带海拔高度在 4.1 km以上为古冰斗地貌,古冰斗中植被发育程度相对较差,物理风化形成的碎屑流发育;4.05～4.15 km一带地形相对平缓,有利于碎屑流物质的积聚。

3.1.4 气候及降雨

根据区内气象资料显示,区内降水丰富,为泥石流形成提供了丰富的水源。流域地处高寒地带,垂直气候变化显著,流域内物理风化作用明显,容易形成大量的碎屑物质。

3.1.5 人类工程活动

阎王曲沟植被保护较好,尤其是中上游区植被几无破坏;隧道口一带植被已受到一定程度破坏,并在隧道口一带有一定的弃渣堆积,可能会对下游泥石流发育创造条件。

3.2 沟坡岩土体稳定性分析

为了进一步加强对物源的启动条件的分析,本次研究采用工程地质分析方法对沟谷沿岸的可能物源进行了稳定性分析。

3.2.1 主沟流域斜坡岩土体稳定性

沟域内斜坡局部发育古滑坡堆积体,但斜坡新近发生破坏的迹象不明显,加之流域内植被发育,目前斜坡总体上较为稳定。

流域上游沿宽缓沟床堆积有分布较广、规模较大的冰碛物,且其上堆积有大量的崩积物。堆积物块度较大,架空现象明显,表面坡度较小,总体上稳定性较好,不会发生大规模的失稳破坏。

主沟的沟床中堆积有厚度较大的冲洪积层,但由于主沟的沟床较宽,且堆积物块度较大,在一般情况下不易启动。

沟域两侧次级支沟发育,次级支沟的沟源多呈冰斗地貌,古冰斗中发育有一定量的固体碎屑物质,且冰斗内植被相对较差,物理风化作用明显,形成一些固体碎屑物质在冰斗中堆积。当碎屑物质堆积一定程度后,可在暴雨的作用下发生失稳破坏,形成支沟泥石流。

3.2.2 二支沟流域斜坡岩土体稳定性

二支沟的沟源一带为古冰斗地貌,斜坡的坡度平均为29.5°,其中古冰斗侧缘一带斜坡的坡度可达40°左右;斜坡主要为反向坡,容易形成倾倒变形;冰斗区植被覆盖较差,容易形成较多的碎屑流,这些物质就堆积在古冰斗中相对较平缓地段。当这些堆积物堆至一定程度后,在暴雨作用下,可引起斜坡失稳。冰斗下游流通区,沟道较窄,为横向谷斜坡,坡度多在35°～50°间,较为稳定。

4 泥石流风险评价

本项研究对泥石流危险性评价分别采用易发程度和单沟泥石流危险度两种方法。易发程度是指泥石流发生可能性的严重程度,主要根据泥石流沟判别条件综合评判的一种方法;危险度主要是根据区域环境质量现状综合评价。

4.1 易发程度评价

根据地形、松散堆积物质、水源3个要素,结合区内泥石流活动的各因素,将15项具有代表性的因素采取了量化分析,以此来界定泥石流沟和对泥石流沟易发程度进行评价。15项得分在40分以上的均可视为泥石流沟,在40分以下的则不作为泥石流沟来评价。

根据泥石流沟诸因素的综合评分结果并结合灾害评估等级要求(灾害等级分为大、中、小),泥石流的易发程度可划分成3级。

a.极易发(严重)程度:各因素活跃性高,对周边工程或设施有非常严重的威胁,15项总分≥114分。

b.中等易发(中等)程度:各因素有一定的活跃性,其中有个别因素活跃性显著,对周边工程或设施有较严重的威胁,15项总分为80～114分。

c.轻度易发(轻度)程度:各因素活跃性很小,无重大突发因素影响不会发生泥石流,15项总分为40～80分。

根据泥石流易发程度评价,对阎王曲主沟和二支沟天然状况下诸因素得分进行综合评价,其评分值分别为85和102(表1,评分值见表2),属中等易发程度。总体考虑各种影响要素,按照泥石流易发程度评价,认为该泥石流的易发程度介于中等易发与极易发之间。

表1 阎王曲泥石流严重程度评判表Table 1 Severity evaluation of the Yanwangqu debris flow

4.2 危险度评价

泥石流危险度的评价方法很多,这里采用单沟泥石流危险度评价方法[7]。该评价方法选取7个评价因子(表3),其中主要因子(内因)为泥石流规模m和发生频率 f,主要环境因子(外因)有:流域面积(s1)、主沟长度(s2)、流域相对高差(s3)、流域切割容重(s6)以及不稳定沟床比例(s9)等。5个环境因子从流域地形图上可以比较准确地获得。

单沟泥石流危险度计算公式[6]为:

式中 :M 、F 、S1 、S2、S3、S6、S9 分别为 m 、f、s1 、s2、s3、s6、s9的转化值。按照单沟泥石流危险度评价因子的转换函数(表4)计算可得相应的转换值。

根据表4,采用(1)式进行计算,得到阎王曲主沟和二支沟泥石流的危险度分别为0.52和0.50。

根据单沟泥石流危险度判别标准(表5)并结合表6的评分可知:阎王曲主沟和二支沟泥石流的危险性属于中度危险。

表2 泥石流严重程度数量化评分表[7]Table 2 Quantitative severity score sheet about the debris flow

表3 单沟泥石流危险度评价因子的权重系数[6]Table 3 Weight coefficient of each single debris flow hazard assessment factor

表4 危险度评价因子和转换函数及其转换值[6]Table 4 Risk evaluation factors,the transfer function and their conversion value

表5 单沟泥石流危险度分级标准[6]Table 5 Grading standards of single debris flow risk

表6 阎王曲泥石流危险度评价因子及评价结果Table 6 Risk assessment factors and evaluation results of the Yanwangqu debris flow

4.3 泥石流危险性预测

将地质分析与泥石流易发程度、危险度等泥石流风险评价相结合,对泥石流趋势及危险性进行了评价预测。

阎王曲主沟曾暴发过稀性泥石流,未来可能暴发小规模泥石流,其易发程度属于中等偏轻度易发,危险度属于中度。

二支沟泥石流及冲洪积堆积物具有多期次暴发特征,主要属稀性泥石流。该沟未来暴发泥石流的可能性较大,其易发程度属于中等偏极易发,危险度属于中度。

从易发性评价结果分析,二支沟泥石流易发性要强于主沟,但危险度评价中2沟的危险度基本持平。其原因是由于易发程度评价方法中所采用的相关评判因子较多,对影响泥石流形成的因素有比较全面的把握,因此其结果应该更接近于实际情况。

5 结论

a.本项研究将沟坡岩土体稳定性分析纳入泥石流的形成条件分析中,更科学地评价了泥石流暴发的可能性。

b.阎王曲主沟泥石流为一稀性泥石流沟,分为清水区、物源区、流通区和堆积区等功能区。二支沟为老泥石流沟,为稀性泥石流,具有多期次暴发特征,分为物源区(汇水区)、流通区及堆积区。

c.采用地质过程演化机制分析与泥石流风险评价方法预测评价,认为阎王曲主沟仍有暴发泥石流的可能,其最有可能的方式是中上游流域支沟泥石流的暴发引起主沟泥石流的发生。主沟泥石流属中等易发偏轻度易发程度,属中度危险泥石流沟。二支沟再次暴发泥石流的可能性较大,属中等易发偏极易发等级,属中度危险泥石流沟。

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