十户窑村泥石流地质灾害形成机制研究_邱曼.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-07-24修回日期 2020-09-02 作者简介 邱曼 （1981-） ， 女 （汉族） ， 山东陵县人， 工程师， 现从事地质灾害防治、 地质信息化等方面的工作。 十户窑村泥石流地质灾害形成机制研究 邱曼* （新疆生产建设兵团地质勘查中心， 新疆 乌鲁木齐 830002） 摘要 十户窑村位于天山北麓、 准噶尔盆地南缘， 石河子市北东向18km， 行政区划隶属新疆生产建 设兵团石河子市石河子镇。区内发育的主要地质灾害为泥石流， 目前， 最严重的是1996年7月的泥 石流灾害， 冲毁农田40亩， 房屋多栋， 直接经济损失200余万元。据现场调查， 泥石流灾害隐患主要 威胁沟口洪积扇上的省道、 砂石料厂、 十户窑村43户居民及农田等， 潜在经济损失1000万元。在调 查、 收集研究区已有工作成果及研究资料基础上， 对十户窑村泥石流的形成机制、 危险程度和活动强 度进行了研究分析， 并提出以治为主、 以防为辅的防治建议， 为下一步地质灾害治理设计及施工提供 了技术依据。 关键词 兵团； 泥石流地质灾害； 形成机制； 危险程度； 活动强度 中图分类号 P642 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0013-03 1工程地质环境条件 1.1地形地貌 研究区地貌由西向东呈阶梯状分布， 分为构造剥 蚀低山丘陵地貌和山前冲洪积平原地貌。构造剥蚀低 山丘陵分布于泥石流沟顶部， 为玛纳斯背斜断褶隆起 山地， 山体基岩裸露， 冲沟发育。山前冲洪积平原分布 于玛纳斯河两侧、 低山丘陵以东区域， 为一串由东向西 倾斜冲洪积扇相连的砾质或细土平原， 呈南北向展布， 主要分布第四系冲洪积物。 1.2地层岩性及地质构造 研究区出露地层主要有新生界新近系和第四系。 新近系分布在玛纳斯背斜南翼， 岩性为黄褐色泥岩、 砾 岩， 呈互层状， 上部以砾岩为主， 下部以泥岩为主， 出露 厚度约1800m。第四系主要分布于泥石流沟谷、 坡脚 及山坡坡面， 第四系上更新统全新统洪积物岩性为 角砾， 含卵砾石、 砾砂、 中粗砂及少量粉土等， 第四系全 新统残坡积物岩性为含砾亚砂土、 碎石、 泥化千枚岩 等， 第四系全新统崩积物岩性为砾岩或泥质灰岩， 泥钙 质胶结。 研究区位于北天山优地槽褶皱带的玛纳斯凹陷北 缘， 构造形迹为一系列近东西向展布的褶皱和断裂， 主 要发育有玛纳斯背斜山前断裂、 霍尔果斯达里亚断裂、 玛纳斯背斜、 玛纳斯向斜等。 1.3工程地质及水文地质条件 研究区分为层状、 互层状较坚硬较软弱碎屑岩 岩组和砾质土体。碎屑岩岩组岩性为砾岩、 泥岩、 粘土 岩夹炭质页岩、 砂砾岩， 风化程度较高， 节理裂隙十分 发育， 有利于崩塌、 滑坡灾害的发育； 砾质土体由第四 系上更新统洪积的漂砾、 卵石、 砾石组成， 主要分布山 前冲洪积平原， 属稳定基本稳定区域， 工程地质条件 较差。 研究区主要分布有玛纳斯河、 塔西河两大水系， 两 水系多年径流量变化不大， 但年内分配很不均匀， 2003 年资料显示， 玛纳斯河多年平均径流量12.39108m3， 塔 西河多年平均径流量2.350108m3。地下水主要分布于 沟谷的冲洪积扇部位， 地下水类型为第四系松散岩类 孔隙潜水， 补给方式为山区洪流入渗补给和汛期玛纳 斯河河水的侧向补给， 排泄方式为蒸发蒸腾及枯水期 向玛纳斯河排泄。 2泥石流形成机制 2.1地形地貌条件 研究区流域总面积1.9km2， 整体属中低山区丘陵 区， 地势呈 “箕” 形， 其中北、 西、 南部三面为山体环绕， 朝东开口， 沟口堆积有大量较完整的扇形松散堆积物， 区内发育有1条主沟及6条支沟， 主沟在 “箕” 形当中大 致呈北西南东向延伸， 总长约4.434km。1、 4、 5、 6号 13 2020年第10期西部探矿工程 支沟沟道狭窄且切割较深， 呈 “V” 型， 存在陡坎与跌水， 沟内堆积物主要为冲洪积形成卵石、 漂石； 2、 3号支沟 沟道呈宽 “U” 型， 沟道较长， 沟内堆积物较多， 主要为冲 洪积形成粉土、 圆砾土局部夹少量卵石土。 2.2物源条件 泥石流物源以冲沟侵蚀为主、 浅层坍塌为辅， 动力 学特征主要体现为水力作用导致的沟床起底掏蚀。对 于沟道内冲洪积所形成的松散堆积物而言， 降雨汇集 后裹携大小粒径石块顺坡降径流， 形成强烈紊动固液 混合相紊流， 龙头聚集大颗粒卵石形如一座缓慢推进 的石坝， 冲刷力较强， 在泥浆挟带下部卵石运动中， 卵 石周围的液相通过相对运动把能量传递给卵石颗粒， 同时上部泥浆流借助于紊动扩散作用不断把动能传递 到下层， 使下部液相物质可维持不断推动卵石运动， 并 持续地冲刷揭底沟床。当泥浆深度提升到一定程度 后， 高粘性遏制了紊动， 加之泥石流运动至沟口一带 后， 地形陡然开阔， 流速迅速下降， 紊流渐次转化为层 流， 大颗粒固相物质逐步停止并沉淀， 龙头消逝， 仅剩 下洪流及少量细颗粒固相物质继续向下游排泄。对山 体坡面上风化形成的残积物、 坡积物、 少量崩积物而 言， 降雨入渗后， 松散残坡积物吸水产生蠕变， 并与水 体充分掺混， 强度衰减， 诱发物质启动。物质启动后， 一边侵蚀不稳定土层一边滑行， 最终汇入沟道成为物 源， 方量约为130.108104m3。此外， 区内基岩山体表层 植被覆盖率不足1， 沟道内零星植株覆盖率不足5， 植被稳固坡面及沟道松散物的能力极其有限， 甚至可 以忽略不计。 2.3水源条件 研究区属暖温带大陆性干旱气候， 主要接受大气 降水补给， 降水多年平均值417.63mm， 年平均蒸发量 1550.6mm， 每年6～8月为雨季， 多以阵雨、 暴雨形式降 落。泥石流沟谷所在的低山及剥蚀丘陵形成的汇水区 域不但为泥石流的发育提供了水动力条件， 同时也成 为水流的流通通道。连续数日的大雨或短时间的暴雨 易形成强大的地表径流， 冲刷裹携固体物质形成泥石 流。 总之， 研究区自西向东逐渐由低山丘陵地貌过渡 为冲洪积平原地貌， 泥石流流域绝对高差387m， 主沟 纵坡87.2‰， 利于各支沟冲出物的堆积。泥石流沟松 散物源较多， 沟道内无常年性流水， 在暴雨、 特大暴雨 及春季融雪情况下， 入渗系数小， 大部分雨量及融雪水 转化为地表径流， 迅速汇入主沟， 易形成泥石流灾害。 3泥石流灾害活动强度 3.1暴雨强度指标 雨强度指标R的计算公式 RK[H24/H24DH1/H1DH1/6/H1/6D] 式中K前期降雨量修正系数， 无前期降雨时K1； 有前期降雨时K＞1； 现阶段可暂时假定K1.13； H2424h最大降雨量， mm； H11h最大降雨量， mm； H1/610min最大降雨量， mm。 根据气象资料， 区内历年24h最大降雨量39.2mm， 1h 最大降雨量 16.4mm， 10min 最大降雨量 5.7mm。 H24 （D）、H1 （D）、H1/6 （D）分别取25mm、 15mm及5mm； 计算得 暴雨强度指标R4.30。见表1。 3.2泥石流活动强度 活动 强度 强 堆积扇 规模 较大 主河河 型变化 微弯 主流偏 移程度 偏移 泥沙补给长度比 （） 60～30 松散物贮量 （104m3/km2） 10～5 松散体 变形量 较大 暴雨强度指标 R 4.2～10 表2泥石流活动强度判别表 年均降雨分区 ＜500mm H24 （D） 25mm H1 （D） 15mm H1/6 （D） 5mm 代表地区 （以当地统计结果为准） 青海、 新疆、 西藏及甘肃、 宁夏省区的黄河以西地区 表1可能发生泥石流的H24 （D）、 H1 （D）、 H1/6 （D）的界限值表 研究区泥石流堆积扇规模较大， 主河河型无变化， 主流无偏移， 泥沙补给长度比约30～60， 松散物贮 量1～5104m3/km2， 松散体变形量较小或无， 暴雨强 度指标为4.30， 判定泥石流活动强度为 “强” 。见表2。 （下转第19页） 14 2020年第10期西部探矿工程 基沉降的调节能力强， 在核心筒或荷载较大的柱底易 通过改变筏板的截面高度和调整配筋来满足设计要 求， 同时板钢筋布置简单、 施工难度较小 （超厚度板施 工的温度控制除外） 、 施工工期短等特点， 而且可满足 地下空间 （如地下停车场、 地下商场等） 的要求， 对周边 环境干扰小、 造价低。 根据本次勘察结果， 强风化砂岩层承载力和变形 指标能够满足天然地基筏板基础设计条件， 但是强风 化砂岩天然地基变截面筏板基础对防水要求较高， 在 地基基础施工时须采取相应的保护措施， 最大限度地 减少施工对地基持力层的扰动。 6.2桩筏联合基础 场地内强风化砂岩层承载力和变形指标能够满足 天然地基筏板基础设计条件， 但若在核心筒及柱网底 部增加桩基础， 采用桩筏联合基础， 能保证在承担上 部结构荷载的同时， 可以降低建筑物沉降量， 降低塔楼 与裙楼间沉降差， 不产生过大的不均匀沉降， 较好地达 到控制变形的目的。桩筏联合中的桩基础采用泥浆 护壁钻孔灌注桩， 基桩进入中风化砂岩层中一定深度， 由桩、 筏板、 地基土三部分共同作用， 因此桩筏联合 基础承载力更高、 稳定性更好、 沉降稳定快、 沉降量更 小， 此外还能承受一定的上拔力和水平荷载 （如风荷 载、 地震荷载等） ， 缺点是造价较高， 不经济。 6.3超高层采用桩筏联合基础， 高层和多层裙房采 用变截面筏板基础型式 超高层采用桩筏联合基础， 高层和多层裙房采 用变截面筏板基础型式可以有对建筑物有针对性地选 用不同基础型式， 兼顾筏板基础和桩筏联合基础优 缺点， 经济造价介于上两种方案之间。 6.4本项目地基基础方案建议 根据各拟建建筑物基础埋深、 基底压力、 地层分布 情况， 住宅楼 （高层） 及裙楼 （多层） 建议采用持力层为 强风化砂岩的天然地基筏板基础， 办公楼 （超高层） 建 议采用持力层为强风化砂岩的天然地基筏板基础， 依 据载荷试验结果确定。 7结语 （1） 采用钻探、 原位测试和室内岩石试验等多种手 段分析了各层地基土的物理力学性质， 提供了各层地 基土承载力、 抗剪强度及变形指标等地基基础设计、 基 坑支护设计与施工有关的参数。 （2） 多年来， 兰州地区的勘察设计单位对风化砂岩 的承载力取值较低。通过对第三系风化砂岩的工程特 性进行系统研究， 将承载力提高至1200kPa以上， 可直 接作为本工程超高层的天然地基持力层， 充分发掘承 载力潜力， 具有重要的意义。 （3） 建议在基坑开挖后进行载荷试验， 复核勘察报 告中所提地基承载力、 变形指标及基础方案选择， 为工 程的设计和使用提供可靠依据。 参考文献 [1]张森安.第三系风化砂岩地基的评价[J].工程勘察，19956 11-16. 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