中巴公路奧依塔克-布倫口段高寒山區泥石流特征

魏小佳, 裴向軍, 蒙明輝

(地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 成都理工大學, 四川 成都 610059)

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中巴公路奧依塔克-布倫口段高寒山區泥石流特征

魏小佳, 裴向軍, 蒙明輝

(地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 成都理工大學, 四川 成都 610059)

摘要：[目的] 掌握高寒山區泥石流的空間發育特征，進而分析泥石流的誘發機制及危害程度。[方法] 以實地調查為基礎，對中巴公路“三高”(高寒、高海拔、高烈度)地區泥石流分布特征、誘發機制進行研究。[結果] 該區晚近構造活躍，巖體結構破碎，節理裂隙發育，再加上地處高寒山區，受氣候影響，巖體凍融剝落，從而為泥石流的爆發創造物源條件。此外，天山獨特的構造特征，山頂存在數百米厚的砂卵石層，保證了物源的補給速率。同時，高陡的地形提供了足夠的運動勢能，從而集中降水和融雪作用成為泥石流暴發的直接誘因，散粒體因侵蝕揭底、坍塌堵塞、潰決形成泥石流。[結論] 高寒山區泥石流的形成主要受氣候、地形地貌、水力以及地質條件的影響。較普通降雨型泥石流有較大差異，高寒山區泥石流具有明顯的高原特性，在物源、水源和地形條件上均有體現。

關鍵詞：中巴公路； 高寒山區； 泥石流； 寒凍風化； 融雪

泥石流是山區常見的自然地質現象，其與崩塌、滑坡一同構成三大地質災害，它暴發突然，危害大，防不勝防[1-3]。調查發現，高寒、高海拔山區泥石流災害活動也非常頻繁[4-5]，但目前對其認知較少。隨著國家交通建設的發展，泥石流對“進藏入疆”公路造成較大危害。高寒高海拔山區泥石流，無論是形成條件(物源、水源)還是其形成和堆積過程，同常規泥石流相比，均存在著一定的差異性。國道G314(中巴公路)奧依塔克—布倫口段是喀什通往塔什庫爾干縣、紅其拉甫口岸的必經段，是加強中巴合作的交通要塞。該路線段山嶺重丘，多依山傍河而行，山勢險峻，公路線位最高海拔3 560 m。該區自然條件極其惡劣，地質條件復雜，再加上地處高寒、高烈度、高海拔山區，巖體結構復雜多變，寒凍風化顯著，導致崩滑流以溜砂坡等地質災害頻發，從而對公路的安全運營造成巨大的潛在威脅，其中泥石流尤為嚴重。巖體凍脹解體，提供物源；山高坡陡，具有良好的重力條件，降雨和融雪水成為其暴發的直接誘因。

本文以國道G314改建工程為依托，以實地調查為基礎，掌握泥石流的空間發育特征，進而分析泥石流的誘發機制及危害程度，為中巴公路的改建工程提供建議和意見。

1研究區概況

研究區位于天山山脈南支，屬于塔里木盆地西南的西昆侖山腹地構造單元。在強烈的新構造運動以及寒凍風化等外營力作用，形成多種地貌類型。道路沿線長約70 km，蓋孜河南北貫穿整個區域。在南部高山區，高山陡峻，河流侵蝕下切作用強烈，溝谷較深，多為“V”型，拔河高差逾越1.0 km，線路沿著蓋孜河左岸坡腳盤沿而上，崩塌、落石較為嚴重。在北部即蓋孜河下游，主要為中山地貌，溝谷寬緩，可達數百米，為典型的“U”型谷，該區段河流堆積作用明顯，物源充分，是泥石流暴發聚集地。

區段內地層結構較為復雜，從古生界至新生界地層皆有分布。K1550—K1563+200段主要為第三系砂巖、礫巖等沉積巖巖類，其余主要為侵入巖和變質巖地段，巖性主要為：花崗巖、輝綠巖、千枚巖等。構造活躍，以強烈擠壓、褶皺和隆起為主，因而形成高聳的褶皺山和斷塊山。地震活動頻繁，基本烈度為Ⅷ度，為典型的高烈度、高海拔山區。再加上強烈的凍融循環作用，促使巖體逐漸剝落，為泥石流的暴發提供了物源條件。

氣候屬暖溫帶干旱氣候：光照時間長，降雨稀少而蒸發強烈，氣溫晝夜相差大，冬季長而夏季短。年平均氣溫5.6 ℃，極端最低氣溫-27.2 ℃，極端最高氣溫32.7 ℃；年平均降水量97.2~127.5 mm，最大降水量41.7 mm(1966年)。為典型的高寒山區，其最大凍結深度為1.73 m。

2泥石流災害空間分布概況

2.1　泥石流總體分布

經現場詳細調查，中巴公路(G314)奧依塔克—布倫口段沿線地質災害類型有崩塌、泥石流、水毀、溜砂坡等，對公路建設影響嚴重或較嚴重共計237處，具體數量及比例見表1。泥石流是最主要的地質災害，所占比例為52.74%。研究區褶皺斷層異常發育，周圍山勢陡峭，巖性復雜多變且在強烈寒凍風化作用下疏松破碎，致使沿線的巖體碎裂化程度高，在外部動力、暴雨及冰凍的聯合作用下，泥石流物源極為豐富。再加上良好的溝道條件及地形高差，使研究區的泥石流活動頻繁，對公路交通安全造成了極大的威脅。

表1　公路沿線災害類型及比例

線路內段共發育泥石流共125處，沿途均有分布，分布線密度為1.78處/km，規模以中—小型為主。由于物源主要為寒凍風化形成的塊碎石和階地砂卵石成分，黏粒等細粒成分較少，以稀性泥石流為主。

2.2　泥石流特征

區內溝谷型泥石流和山坡型泥石流均有發育，所占比例相當，其中溝谷型54處，約占43.2%，山坡型71處，占56.8%。

溝谷型泥石流運移溝道狹窄多彎，寬度10～20 m不等，縱坡降約87‰～364‰。兩側山體坡度較陡，主要集中在40°～70°，岸坡高陡，為崩解性物源匯聚創造了條件。崩落的塊碎石阻塞溝道，逐漸積蓄能量，在降雨和融雪水作用下，潰決形成泥石流。溝口一般較寬緩，堆積范圍寬廣，對泥石流存在一定的緩沖效應，從而導致堆積扇平緩，坡度2°~7°。該類泥石流危害較小，危害程度一般，常采用涵洞和攔擋墻進行治理。

山坡型泥石流具有坡降大，運移路徑短的特點。由于物源主要為寒凍風化產物的塊碎石，其形成區與流通區融為一體，在水流作用下，快速運動至坡腳，形成堆積扇，堆積坡度10°～25°。該類泥石流(水石流)，爆發突然、運動速度快，危害程度較大。

總之，研究區地處高寒、高海拔山區，寒凍風化強烈，凍融崩解物源補給較快，導致大部分泥石流活動頻繁，頻率主要集中在1 a1次。規模均相對較小，一次固體物質沖出量僅幾十方到數百方不等，但由于溝口緊鄰公路，對公路安全運營造成直接威脅，危害程度較大。

3泥石流成因機制

高寒、高海拔山區泥石流，有別于低山區泥石流，具備明顯的高原特性，其在物源、水源和地形條件均有體現[6-7]。同一般泥石流相比，高寒氣候造成的寒凍風化、融雪水等因素在泥石流形成過程中，占據著重要指導作用(如圖1所示)。

圖1　高寒山區泥石流形成機制

3.1　泥石流形成條件

3.1.1氣候條件研究區屬暖溫帶干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降雨稀少，但季節性強。晝夜溫差大，極低最高氣溫32.7 ℃，最低氣溫-27.2 ℃，冬季長而夏季短。其獨特的高寒氣候對泥石流的形成具有顯著效應，主要分3個方面。(1) 受氣候影響，導致研究區寒凍風化強烈。巖體白天暴曬膨脹，夜晚寒凍收縮，反復熱脹冷縮導致其產生微裂紋，從而為雪水滲透創造了條件，加劇寒凍風化速率，巖體崩解碎落，形成較多的塊碎石，為泥石流的形成提供豐富的物源條件。(2) 高寒氣候，年平均溫度5.6 ℃，再加上降雨稀少，基巖裸露，導致植被生長困難，僅局部有零星草叢。其獨特的植被情況不僅有利于雨季產流和匯流的形成，而且失去了植被的固坡作用，散粒體更加容易啟動。(3) 夏季日照強，氣溫高，融雪快速，促使水源豐富，易爆發泥石流，因此氣溫成為泥石流爆發的直接誘因。

3.1.2重力條件重力條件是泥石流發生、發展以及運動的動力條件，其來源于地形地貌特征。高寒山區泥石流的形成與地形地貌條件密切相關。整個研究區山勢陡峻，坡度多在40°～60°之間，谷峰高差較大，逾越1 000 m。坡表沖溝為泥石流提供了良好的溝道條件，在較大溝床縱比降條件下，十分有利于水流的快速匯聚和泥石流的啟動，由此也為泥石流運動提供了充足的勢能。

3.1.3物源與補給條件調查表明，該區段各泥石流的物源形態單一，總體上可分為3種：崩落型、堆積型、侵蝕型。

(1) 崩落型。該類物源的形成來源于兩種不同的構造途徑。其一，研究區晚近構造活動強烈，巖體在構造應力和變質作用下，扭曲變形明顯，再加上高寒山區強烈的凍融風化作用，尤其是千枚巖和輝綠巖地段，導致地表巖層破碎、節理裂隙發育，崩塌、碎落等重力地質現象時有發生，從而形成較多的松散塊碎石堆積體。其二，新疆獨特的地貌特征(“三山夾兩盆”)，強烈的構造抬升作用，形成較多的階地產物，以砂卵石層為主，厚度較大，達數百米(圖2)。卵石層膠結程度較低，穩定性較差，在雨水和融雪水作用下，逐漸崩落、滑塌，為泥石流形成提供了豐富的固體物質。該類物源，補給頻率穩定，且具有長期性。

圖2　山頂卵石層

(2) 堆積型。該類物源以磂沙坡以及坡表的崩坡積、殘坡積物為主，結構松散，在長期的自重應力和雨水作用下，將直接由滑坡轉換或補給形成泥石流。該類物源規模相對加大，具有較大的毀滅性。

由圖5和表4可知，增大采樣間隔τ后，間歇采樣重復轉發干擾產生的假目標集中分布在真實目標兩側，干擾能量的分布集中至分布中心。雖然MTD所得的目標距離相比真實目標發生偏移，而速度信息仍然無偏差。與多相位分段調制干擾相比，雖然真實目標被遮蓋，但沒有形成欺騙效果。

(3) 侵蝕型。該類物源主要分布于起始段，即蓋孜河流下游。該區段以堆積作用為主，在坡腳和泥石流溝道內存在較多的塊石、卵石等散粒體。泥石流形成可分為以下幾個階段[8]：首先，水流沖刷，侵蝕揭底；其次，散粒體坍落堵塞溝道；再者，潰決形成泥石流。該類泥石流估摸相對較小，數十方上百方不等。

不同地貌特征，物源補給形態也有所差異。在南段高山峽谷區，主要以寒凍風化形成的崩落型物源為主，形成的泥石流規模較??；北段“U”型谷，堆積作用明顯，以堆積型和侵蝕型物源為主，其形成的泥石流規模相對較大，堆積扇寬緩。

3.1.4水力條件研究區年總降水量較少，年平均降水量97.2～127.5 mm，最大降雨量41.7 mm(1966年9月)。降水主要集中在夏季，即泥石流活躍期為6—8月。此外，研究區地處高寒山區，冬季因降雪致使山頂積雪豐富，夏季氣溫驟升，積雪大量而快速融化，為泥石流提供了良好的水力條件。上述條件造就了該區泥石流的獨特性，其暴發性與氣溫息息相關，天氣晴朗，氣溫升高，從而成為泥石流高發期。這點相對降雨型泥石流而言，具有顯著的差異。

獨特的氣候、地形地貌、地質以及水力等條件，構筑了中巴公路頻繁的泥石流活動。寒凍風化、坡頂卵石層滑塌保證了物源補給速率與數量，此外周期性融雪和冰川消融條件，促使泥石流活動具有一定的周期性，其頻率主要集中在每年1次，部分溝道可達到每年3~4次?；钴S期主要集中在夏季，這與夏季氣溫飆高，積雪快速融化息息相關，再加上該季節降水集中，進一步加劇了其活動頻率。

3.2　泥石流形成外因

泥石流的形成，除了受物源、水源和地形等內在自然因素控制外，還受到人類生活、生產活動的影響[9]，如：濫伐山林，改坡造田，修建交通、水利，采礦、采石棄渣等，往往造成水土流失，提供大量物源，誘發泥石流。

研究區段居住人煙稀少，無植被覆蓋，外因主要來源于修建水電站、公路過程中不合理棄渣石的影響。不當的工程活動，亂開亂挖不僅為泥石流形成提供散體物源，同時也加劇了水土流失的發展。在水電和公路施工過程中，隧洞、陡坡開挖，形成較多的棄渣，再加上堆置不當，截排水、護坡、擋墻等防護不當，極易形成棄渣泥石流。此外，沿線部分地段過水路面、涵洞等設計標準較低，過流能力較差，從而加劇了泥石流的危害程度。

3.3　典型泥石流事件分析

本次泥石流具有典型的高寒山區泥石流特征，受氣溫影響所控制。形成區上高坡陡，發育有數條沖溝；流通區為早期泥石流堆積扇，經水流沖刷形的狹窄溝道，寬約2.0~5.0 m，坡度5°~15°；堆積區為扇體前緣公路。在光照、高溫作用下，積雪與冰川消融迅速，經沖溝匯聚化形成水流，不斷侵蝕坡表和溝口松散堆積體。在沖刷作用下，散體物質滑塌，堵塞溝道，最終潰決形成泥石流。由于坡度較緩，最大運動速度約2.0 m/s。

注：圖中a,b,c,d表示泥石流暴發過程順序。下同。

圖4　第二波泥石流運動過程(位置2)

圖5　泥石流堆積情況

4結 論

(1) 崩塌、泥石流、水毀、溜砂坡等地質災害發育，總計237處，泥石流是最主要的地質災害，125處，所占比例為52.74%，沿線均有分布，分布線密度為1.78處/km。

(2) 溝谷型泥石流和山坡型泥石流均有發育，所占比例相當，其中溝谷型54處，約占43.2%，主要展布于以堆積作用為主的北段，堆積扇寬緩，緩沖距離較長，危害程度較??；山坡型71處，占56.8%，以高山峽谷區居多，山高坡陡，運動速度快，危害嚴重。

(3) 區內泥石流具有典型的高原特性，不同于降雨型泥石流，天氣晴朗，溫度越高越易誘發泥石流。暴發頻率主要集中在每年1次，部分溝道可達到每年3，4次，以夏季最為活躍。降雨稀少，氣溫飆高，主要

受到快速融雪、冰川消融作用的影響。

(4) 研究區泥石流的形成主要受氣候、地形地貌、水力以及地質條件的影響。首先晚近構造活躍，巖體破碎，寒凍風化強烈，再加上山頂存在數百米厚卵石層，提供了充足的物源保障；高陡的地形，提供了足夠的運動勢能，一旦遇見集中降水或大量融雪水作用，散粒體侵蝕揭底、坍塌堵塞、潰決形成泥石流。

[參考文獻]

[1]馬煜,余斌,吳雨夫,等.四川都江堰龍池“8·13”八一溝大型泥石流災害研究[J].四川大學學報:工程科學版,2011,43(1):92-98.

[2]唐川,梁京濤.汶川震區北川9·24暴雨泥石流特征研究[J].工程地質學報,2008,16(6):51-758.

[3]倪化勇,鄭萬模,唐業旗,等.綿竹清平8·13群發泥石流成因、特征與發展趨勢[J].水文地質工程地質,2011,38(3):129-133.

[4]馬東濤,崔鵬,楊坤,等.新藏公路新疆段泥石流災害初探[J].干旱區地理,2004,26(4):349-354.

[5]鄧養鑫.天山獨(山子)庫(車)公路北段泥石流研究[J].干旱區地理,1994,17(1):30-37.

[6]倪化勇,陳緒鈺,周維,等.高寒高海拔山原區溝谷型泥石流成因與特征：以四川省雅江縣祝桑景區為例[J].水土保持通報,2012,32(1):211-215.

[7]王景榮.帕米爾高原東北邊緣山區的冰川泥石流[J].水土保持通報,1985,5(1):51-54.

[8]何思明,吳永,李新坡.黏性泥石流溝道侵蝕啟動機制研究[J].巖土力學,2007,28(10):155-159.

[9]許強.四川省8·13特大泥石流災害特點,成因與啟示[J].工程地質學報,2010,18(5):596-608.

Characteristics of Debris Flow at Aoyitake-Bulunkou Section of Sino-Pakistan Highway in Alpine Mountains

WEI Xiaojia, PEI Xiangjun, MENG Minghui

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironment

Protection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Abstract：[Objective] To acquire the characteristics of debris flow in alpine mountain in order to analyze the mechanism and the harm degree. [Methods] Based on the field investigation, the “three high” distribution of debris flow (cold, high-altitude, high-intensity) along Sino—Pakistan highway, the inducing mechanism were researched. [Results] At this area, tectonic movement was active, rock mass structure was broken, joint fracture was developed, besides located in the alpine mountains, and affected by climate and the rock thaw to spall, thus created conditions for the outbreak of the debris flows. In addition, because of the unique structural characteristics of Tianshan Mountain, there were several hundred meters thick of sand and gravel layer to ensure the replenishment rate. High and steep terrain provided sufficient movement potential. Thereby concentrating rainfall and snowmelt role were the direct causes of the outbreak of debris flow. Erosion, collapse blocked and outburst came into being debris flow. [Conclusion] The debris flow in alpine mountain was mainly affected by climate, terrain, hydraulic power and geological conditions. With the greater difference from rainfall debris flow, it has obvious plateau characteristics, reflected in the source material, water and terrain conditions.

Keywords:Sino-Pakistan highway; alpine mountain; debris flow; frost weathering; snowmelt

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0354-05

中圖分類號：P642.23

收稿日期：2014-03-30修回日期：2014-04-19

資助項目：國土資源部公益性行業專項“突發地質災害應急響應支撐關鍵技術研究”(201211055); 西部交通建設科技項目“新疆邊防公路病害整治優化技術體系研究”(2009318797029)

第一作者：魏小佳(1990—),男(漢族),四川省大竹縣人，碩士,研究方向為工程地質及地質災害。E-mail:weixiaojiacdut@126.com。