王應(yīng)科,張春梅

(云南地質(zhì)工程第二勘察院勘探分院,楚雄　675000)

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云南省新平縣他拉河泥石流特征及防治措施研究

王應(yīng)科,張春梅

(云南地質(zhì)工程第二勘察院勘探分院,楚雄675000)

摘要：通過現(xiàn)場勘查、調(diào)查，發(fā)現(xiàn)他拉河泥石流的發(fā)生主要受該區(qū)地形條件、物源條件和水源條件的影響。在深入分析該泥石流運動的基本特征值及其危害的基礎(chǔ)上，提出攔擋、排導(dǎo)和植物措施相結(jié)合的防治建議。

關(guān)鍵詞：他拉河；泥石流；形成機(jī)理；特征值；防治措施

1引言

他拉河泥石流位于云南省新平縣，地處紅河斷裂、哀牢山斷裂北東側(cè)，這里是地震及次生地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)。2003年6月16日凌晨2時左右，新平縣境內(nèi)普降暴雨，暴發(fā)了泥石流，對下游村民、公路造成了嚴(yán)重威脅和一定程度的破壞。在本次泥石流爆發(fā)前，2003年6月初，新平縣內(nèi)持續(xù)降雨，降雨量和降雨強(qiáng)度巨大，6月16日，當(dāng)日降雨量達(dá)到72.8 mm，激發(fā)了本次泥石流的發(fā)生，主要發(fā)生區(qū)域是他拉河流域，通過走訪當(dāng)?shù)鼐用竦弥?，此次泥石流?月16日凌晨2點發(fā)生至5點結(jié)束，歷時3 h泥石流傾瀉而下，造成村民房不同程度受損，有2幢房屋被沖倒，沖走牛3頭、豬1頭，公路受阻中斷，部分農(nóng)作物受損，直接經(jīng)濟(jì)損失約50余萬元。通過調(diào)查分析該區(qū)域發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性依然很大。

2泥石流形成條件

2.1地形條件

本次泥石流爆發(fā)的區(qū)域位于構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)。河流以下蝕作用為主，山高溝深，切割嚴(yán)重，在地形上是三面環(huán)山，溝床寬窄相間，中游彎曲，下游近南北向，較順直。他拉河泥石流發(fā)源于北東側(cè)小水井山一帶，主溝長約3.63 km，流域面積2.30 km2，相對高差800 m。平均縱坡降約220.4 ‰。平均坡度30°，近分水嶺處坡度35°～50°，由此可見，他拉河泥石流屬陡峭而強(qiáng)烈切割地形，并有較大的溝床縱坡，所以，他拉河泥石流具有泥石流發(fā)育的首要條件——有利地形。

2.2物源條件

區(qū)內(nèi)出露地層為侏羅系中統(tǒng)(J2s)石英砂巖、長石石英砂巖夾泥巖，巖層傾向北西。受區(qū)域構(gòu)造影響，巖層節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈。同時由于溝谷岸坡陡峭，縱坡降較大，具有較強(qiáng)的沖刷、裹挾能力的洪水對岸坡坡腳產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，致使岸坡巖土體發(fā)生滑坡、崩塌，如H1滑坡、B1崩塌等，從而成為他拉河泥石流最主要的物源。

他拉河上游溝谷和溝底都存在較多的松散物源，大多由碎塊石組成，期間充填泥砂，長期被水浸泡，易風(fēng)化崩解。根據(jù)泥石流近期勘查數(shù)據(jù)，利用8個橫坡面和一個總坡面分段計算，再加上中下游的1個崩塌和上游的的5個滑坡體堆積物總共物源約245.85×104m3。

2.3水源條件

他拉河流域處于高原季風(fēng)氣候區(qū)，降雨較為豐沛，年降雨量的70%左右集中在5～10月，且7～9月間多出現(xiàn)持續(xù)降雨及單點暴雨。他拉河泥石流溝水源區(qū)(主要匯水區(qū))面積占流域總面積近55%以上，使泥石流溝谷能在較短時間內(nèi)形成洪水，為泥石流的形成提供豐富的水源條件。

3泥石流特征值確定及計算

泥石流爆發(fā)時，可以表現(xiàn)出種種不同的運動方式和動力學(xué)特征，并且不同類型的泥石流所表現(xiàn)出的特征也各不相同，因此，對泥石流的動力學(xué)特征值作深入的分析研究，可以有助于更好的認(rèn)識泥石流，同時也為進(jìn)行泥石流防治工程設(shè)計提供科學(xué)合理的參數(shù)。

3.1泥石流基本物理參數(shù)確定

(1) 泥石流流體重度(ρc)

泥石流流體密度(ρc)采用形態(tài)調(diào)查法和現(xiàn)場調(diào)查試驗綜合確定。形態(tài)調(diào)查判定泥石流流體近似水石流；現(xiàn)場調(diào)查流體密度介于1.3～1.50 t/m3。建議值取1.45 t/m3。

(2) 泥石流固體顆粒密度(ρH)

他拉河泥石流堆積物以碎石、塊石、角礫等粗顆粒為主，其成分以石英砂巖、長石石英砂巖為主，根據(jù)經(jīng)驗取2.30 t/m3作為泥石流固體物密度的建議值。

3.2泥石流流量計算

采用雨洪修正法[2]對泥石流流量進(jìn)行計算。

(1) 清水流量計算

采用中國水利科學(xué)院所提出的小匯水面積計算。

計算公式：Qp=0.278r×i×F

式中，Qp為暴雨洪峰流量(m3/s)；i為暴雨徑流系數(shù),取0.8；F為匯水面積(km2)；r為小時雨強(qiáng)(mm/h)。

據(jù)可查的氣象資料顯示，2003年雨季暴雨小時雨強(qiáng)(P=2%)為72.8 mm。計算結(jié)果見表1。

表1　暴雨洪峰流量計算表

(2) 泥石流峰值流量計算

計算公式：Qc=Qp×(1+φ)×Dc

式中,Qc為泥石流峰值流量(m3/s)；Qp為清水洪峰流量(m3/s)；φ為泥石流修正系數(shù)，φ=(γc-γw)/ (γH-γc)，計算得0.529；γc為泥石流容重，γc=1.45 t/ m3；γH為 固體物質(zhì)比重，γH=2.30 t/ m3；γw為水的比重，γw=1；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，Dc=1.1。泥石流堵塞系數(shù)取值根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[1]和《工程地質(zhì)手冊》[3]第六篇第三章(泥石流)推薦的云南東川7 a中40個觀測資料驗證的值，在經(jīng)綜合分析而選取。計算結(jié)果匯總于表2。

表2　泥石流峰值流量計算表

3.3泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流運動性質(zhì)的最重要參數(shù)之一。目前泥石流計算公式仍為經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式，由于他拉河泥石流屬于稀性泥石流，采用西南地區(qū)(鐵二院)稀性泥石流計算公式。

a=(ρH·φ+1)1/2

式中,VC為泥石流平均流速(m/s)；1/n為清水河床糙率系數(shù)；a為泥石流修正系數(shù)；ρH為泥石流固體物質(zhì)密度(t/m3)，取2.3 (t/m3)；RC為水力半徑，一般用平均水深H(m)代替；Ic為泥石流水力坡度(‰)。

泥石流斷面面積是訪問當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)，根據(jù)了解當(dāng)時泥石流厚約3.5 m,經(jīng)計算得到。根據(jù)泥石流量化評分確定他拉河總得分115分，查《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[1]中的附錄G2的泥沙修正系數(shù)將他拉河1+φ為1.932，清水河床糙率系數(shù)取20,計算結(jié)果見表3。

表3　泥石流斷面流速計算結(jié)果表

3.4一次泥石流過程總量及固體物質(zhì)總量

(1) 一次泥石流過程總量

一次泥石流過程總量Q可以通過計算法和實測發(fā)確定。實測發(fā)精度較高，但往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算，所以按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[1](DT/T0220-2006)附錄I提供的計算公式進(jìn)行計算：

Q=KTQc

式中,Q為一次泥石流過程總量(m3)；T為泥石流歷時(s)；Qc為泥石流最大流量(m/s)；當(dāng)F<5 km2，K=0.202；當(dāng)F=5～10 km2，K=0.113；當(dāng)F=10～100 km2，K=0.037 8；當(dāng)F>100 km2，K<0.025 2；他拉河泥石流回水面積2.3 km2,小于5 km2,故取0.202。

根據(jù)實地走訪調(diào)查回憶，2003年他拉河發(fā)生泥石流時，歷時約10 800 s；按上式計算的一次泥石流過程總量Q=6.35×104m3。計算過程見表4。

表4　泥石流一次過程總量計算表

(2) 一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量計算

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災(zāi)害治理工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006)附錄I提供的計算公式進(jìn)行計算：

式中,QH為泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量(m3)；Q為一次泥石流過程總量(m3)；γc為泥石流重度(t/m3)；γw為水的重度(t/m3)；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度(t/m3)。

利用上面計算的一次泥石流過程沖出量，據(jù)此計算得泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量Q=2.19×104m3。計算過程見表5。

表5　泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量計算表

3.5泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計的重要參數(shù)。泥石流沖擊力計算包括整體沖壓力和單個大石塊沖擊力計算。

(1) 泥石流整體沖壓力計算公式

式中,Fδ為泥石流整體沖壓力(Pa)；γc為泥石流重度(kN/m3)；Vc為泥石流流速(m/s)；g為重力加速度，9.8 m/s2；α為受力面與泥石流沖壓力方向所夾的角，取90°；λ為受力體形狀系數(shù)，圓形、尖端、圓端形建筑物為1.0，矩形建筑物為1.33，方形建筑物為1.47。該溝受力面主要為矩形，取1.33。據(jù)此，計算得泥石流整體沖壓力F=5.98 Pa。

(2) 單個大石塊沖擊力計算公式

Fs=γ×Vc×sinα×W/(C1+C2)

式中,Fs為單塊巨石的撞擊力(N)；Vc為泥石流流速(m/s)取3.04 m/s；γ為動能折減系數(shù)，正面撞擊時取0.3；α為受力面與泥石流撞擊面撞擊角，取90°；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)，若采用船筏與橋墩臺的撞擊系數(shù)，C1+C2=0.005；W為巨石重量(kg),他拉河泥石流中大塊石的重量一般為50 t左右。

撞擊力計算均考慮成最危險情況，即有關(guān)參數(shù)采用沖擊力最大的數(shù)值，并只考慮正面撞擊，計算得泥石流當(dāng)個大塊石沖擊力Fs=9 120 N。

4防治建議

為了避免和減少泥石流再次發(fā)生所帶來的威脅，通過對他拉河泥石流性質(zhì)、規(guī)模、危害等方面綜合研究，結(jié)合附近已有泥石流治理經(jīng)驗綜合確定治理方案。他拉河泥石流防治措施主要采取工程和植物措施相結(jié)合的綜合防治措施。

(1) 工程措施

采取以排為主、以攔為輔的工程措施。即在下游溝口村莊段，為了防止泥石流對村莊的危害，在堆積區(qū)設(shè)置東川槽，利用東川槽將泥石流引入主河埡差沖河，在中上游設(shè)谷坊壩將他拉河溝谷內(nèi)大量大顆粒固體物源進(jìn)行攔擋，起到反壓坡腳，穩(wěn)固溝床岸坡，降低溝床縱坡，減少水流對溝岸的側(cè)蝕，使東川槽發(fā)揮最大功效。

(2) 植物措施

主要是在整個流域進(jìn)行植被恢復(fù)，禁止亂砍濫伐。通過植物措施的實施，將使流域的森林植被得到保護(hù)和恢復(fù)，提高森林植被覆蓋率，形成一個多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)體，發(fā)揮其涵養(yǎng)水源、保水固土的作用，從而起到攔截降水、保護(hù)坡面、調(diào)節(jié)徑流、削減洪峰、減小地表侵蝕、增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性和抗蝕能力的作用，使區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境得以改善，從惡性循環(huán)過渡到良性循環(huán)。

5結(jié)語

(1) 他拉河泥石流主溝長約3.63 km，流域面積2.30 km2，相對高差800 m。平均縱坡降約220.4 ‰。平均坡度30°，近分水嶺處坡度35°～50°，他拉河泥石流屬陡峭而強(qiáng)烈切割地形，并有較大的溝床縱坡。

(2) 他拉河泥石流流域物源豐富，大約245.85×104m3。該區(qū)降雨較為豐沛，年降雨量的70%左右集中在5～10月，且7～9月間多出現(xiàn)持續(xù)降雨及單點暴雨。他拉河泥石流溝水源區(qū)(主要匯水區(qū))面積占流域總面積近55%以上，使泥石流溝谷能在較短時間內(nèi)形成洪水，最終導(dǎo)致了他拉河泥石流的發(fā)生。

(3) 該泥石流為稀性泥石流，通過對泥石流特征值計算可得，該次泥石流流速為3.04 m/s，泥石流峰值流量為62.63 m3/s，一次泥石流物源總量為2.19×104m3，其中固體物質(zhì)總量為245.85×104m3，泥石流整體沖壓力5.98 Pa，大塊石沖擊力為9 120 N，該泥石流發(fā)生后他拉河上游依然存在大量物源，在降雨等不利工況下仍有發(fā)生泥石流的可能。

(4) 他拉河泥石流防治措施主要采取工程和植物措施相結(jié)合的綜合防治措施。

工程措施：采取以排為主，以攔為輔的工程措施。即在下游溝口村莊段，為了防止泥石流對村莊的危害，在堆積區(qū)設(shè)置東川槽，利用東川槽將泥石流引入主河埡差沖河，在中上游設(shè)谷坊壩將他拉河溝谷內(nèi)大量大顆粒固體物源進(jìn)行攔擋，起到反壓坡腳，穩(wěn)固溝床岸坡，降低溝床縱坡，減少水流對溝岸的側(cè)蝕，使東川槽發(fā)揮最大功效。

植物措施：主要是在整個流域進(jìn)行植被恢復(fù)，禁止亂砍濫伐。通過植物措施的實施，將使流域的森林植被得到保護(hù)和恢復(fù)，提高森林植被覆蓋率，形成一個多層結(jié)構(gòu)的有機(jī)體，發(fā)揮其涵養(yǎng)水源、保水固土的作用，從而起到攔截降水、保護(hù)坡面、調(diào)節(jié)徑流、削減洪峰、減小地表侵蝕、增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性和抗蝕能力的作用，使區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境得以改善，從惡性循環(huán)過渡到良性循環(huán)。

參考文獻(xiàn)

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[3]工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊(第4版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006:563.

E-mail:383179679@qq.com

XINPING COUNTY HE RIVER IN YUNNAN PROVINCE DEBRIS FLOW CHARACTERISTICS AND CONTROL MEASURES

WANG Ying-ke,ZHANG Chun-mei

(Yunnan geological engineering and the second survey Chuxiong exploration branch，Chuxiong675000,China)

Abstract:Site survey, the survey found that the river he pulled landslides occurred mainly due to topography the region, the impact of the source material conditions and water conditions. On the basis of in-depth analysis of the basic characteristics of the debris flow hazards on the value of its proposed Landang, discharge prevention recommendations guide and plant a combination of measures.

Key words：Terah River; debris flow; formation mechanism; eigenvalue; prevention measures

文章編號：1006-4362(2016)02-0015-04

收稿日期：2016-02-01改回日期：2016-03-20

中圖分類號：P642.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王應(yīng)科(1981-)，男，云南人，本科，環(huán)境地質(zhì)專業(yè)，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察、設(shè)計工作。