泥石流災(zāi)害特征值計算探討

(新疆地質(zhì)工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830091)

泥石流是山區(qū)較為常見的地質(zhì)災(zāi)害。在中國西南地區(qū)，每年因泥石流地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā)，造成的損失相當(dāng)巨大，泥石流災(zāi)害的防治顯得非常重要。作為泥石流防治工程的重要設(shè)計參數(shù)，泥石流的特征值在防治工程設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可信性及安全可靠性方面是關(guān)鍵的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阿勒泰地區(qū)青河縣塔克什肯鎮(zhèn)薩爾布拉村的薩爾布拉克溝。研究區(qū)為一個涵蓋泥石流形成-流通區(qū)、堆積區(qū)以及泥石流災(zāi)害影響區(qū)的區(qū)域，通過水文分析，薩爾布拉克溝流域集水面積579 km2(包括蒙古范圍內(nèi)流域)。年平均氣溫最高2.5℃(1998年)，多年平均降雨量約為172.2 mm。薩爾布拉克泥石流溝為布爾根河支流，主要補給源為泉水、大氣降水補給，為一常年性流水溝，年均流量為0.85 m3/s，流域平均寬度11.6 km，河道縱坡27.95‰，50 a一遇的洪水流量為35.4 m3/s。

研究區(qū)地貌上屬于低山丘陵地貌，總體地勢北高南低，東高西低，高程在1 110～1 600 m，相對高差490 m左右，地形向南傾斜?？辈閰^(qū)北部，地形坡降較為陡，平均坡降10%～20%；勘查區(qū)南部，地形坡降較為平緩，平均坡降3.0%～7.0%；縱觀整個勘查區(qū)域，類似向南傾斜的“箕”形。溝谷整體呈樹枝狀，坡降約1.6%，泥石流溝主溝上游呈“U”型、中游呈“V”型、下游為寬溝谷；是泥石流的主要流通通道，呈近南北走向,總長約23.5 km，寬70.0～300.0 m不等；主溝兩側(cè)支溝較發(fā)育，支溝為水源和物源的提供區(qū)，支溝大多東西向展布，溝長800～7 000 m不等，寬5～20 m之間，縱坡在2.5%～13%之間，支溝兩側(cè)基本無松散堆積物覆蓋，僅在支溝溝谷中分布有松散殘坡積物，厚約0.2～1.8 m。主溝中有常年性流水，在溝中呈串珠狀分布，水量不大，支溝只在降水及冰雪融水時有洪水?？辈閰^(qū)出露地層主要為奧陶系、石炭系和第四系。研究區(qū)泥石流類型主要為：冰川型、坡面侵蝕型、溝谷型、低頻、水石型泥石流、稀性泥石流。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流流速

為了給泥石流防治工程提供所必須設(shè)計參數(shù)，根據(jù)水分析計算報告，結(jié)合本次勘查野外試驗成果對泥石流的流速(Vc)進(jìn)行計算。

計算方法

(1)

φ=(γC-γW)/(γH-γC)

(2)

式中：γH為泥石流固體物質(zhì)比重；R為計算斷面的水利半徑，可用平均泥痕深度(水深)；I為泥石流水力坡度；n為泥石流溝床的糙率系數(shù)；φ為泥石流泥砂修正系數(shù)；γC為泥石流流體重度；γW為清水重度(該公式適用于稀性泥石流流速的計算)。

2.1.1 泥石流流體重度(γC)、泥石流固體物質(zhì)比重(γH)

根據(jù)泥石流災(zāi)害史調(diào)查、現(xiàn)場泥石流特征調(diào)查、收集到的以往泥石流發(fā)生照片資料分析以及現(xiàn)場天然密度實驗結(jié)果確定泥石流固體物質(zhì)比重(γH)為2.49 t/m3(見表1)；結(jié)合《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》表G.2數(shù)量化評分(N)與重度、(1+φ)關(guān)系對照表的經(jīng)驗數(shù)值，確定泥石流流體重度(γC)為1.53 t/m3；根據(jù)泥石流流體稠度特征表(見表2)，說明薩爾布拉克村泥石流溝泥石流呈稠漿狀。

表1 泥石流中固體物質(zhì)天然密度試驗統(tǒng)計表

表2 泥石流流體稠度特征表

2.1.2 平均泥深(R)和泥石流水力坡度(I)參數(shù)的選取

本次勘查,主溝內(nèi)共完成泥痕剖面測量7處，經(jīng)過分析，選取自泥石流溝流通區(qū)至下游選擇代表性6處，根據(jù)泥痕剖面測量結(jié)果及泥石流主溝縱溝溝道剖面測量，計算泥深、泥石流水力坡度及過流斷面面積(見表3)。

表3 泥痕剖面參數(shù)一覽表

注：各泥痕斷面處水力坡度均由泥石流主溝縱溝溝道剖面測量得出。

2.1.3 泥石流溝床的糙率系數(shù)(n)參數(shù)的選取

根據(jù)科學(xué)出版社出版的《農(nóng)田水利工程》中的相關(guān)規(guī)定。河道彎曲，溝床內(nèi)無草樹，河岸較陡，溝床為礫石、卵石等地層時，糙率系數(shù)取值范圍為0.03

2.1.4 泥石流泥砂修正系數(shù)(φ)參數(shù)的選取

通過前述泥石流災(zāi)害史調(diào)查、訪問、現(xiàn)場泥石流特征并結(jié)合《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》確定的經(jīng)驗數(shù)值：泥石流流體重度γC =1.53 g/cm3及泥石流固體物質(zhì)比重γH=2.49 t/m3代入泥石流泥砂修正系數(shù)公式1-2中計算得出，泥石流泥砂修正系數(shù)(φ)為0.55。

為了驗證前述泥石流體重度及泥石流固體物質(zhì)比重所取經(jīng)驗值的可靠性，將泥石流數(shù)量化評分(N)77分，泥石流流體重度1.53 g/cm3和泥石流泥砂修正系數(shù)0.55代入《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)附錄表G.2中，查出對照表中泥石流固體物質(zhì)比重γH=2.492 t/m3與所取經(jīng)驗值γH=2.49 t/m3，數(shù)值基本一致，說明取值較可靠。

將選取的各參數(shù)，代入公式1中進(jìn)行計算，計算得出泥石流流速為Vc，計算結(jié)果見表4。

表4 泥石流流速計算一覽表

2.2 泥石流峰值流量計算方法

2.2.1 現(xiàn)場形態(tài)調(diào)查法

在泥石流溝道中選擇幾個測流斷面。斷面選在溝道順直、斷面變化不大、無阻塞、無回旋、上下溝槽無沖淤變化、具有清晰泥痕的溝段。仔細(xì)查找泥石流過境后留下的痕跡，然后確定泥位，最后測量這些斷面上的泥石流流面比降，泥位高度和泥石流過流斷面面積等參數(shù)。用相應(yīng)的流速計算公式，求出斷面平均流速后，即可求出泥石流斷面的峰值流量。

Qc=Wc·Vc

(3)

式中：Qc為泥石流峰值流量；Wc為泥石流過流斷面面積；Vc為泥石流流速。

2.2.2 雨洪計算法

Qc=(1+φ)Qp·DC

(4)

式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；Qp為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量(m3/s)；φ為泥石流泥砂修正系數(shù)(2)；DC為泥石流堵塞系數(shù)(按表5確定)。

表5 泥石流堵塞系數(shù)Dc值

2.2.3 現(xiàn)場形態(tài)調(diào)查法

薩爾布拉克溝泥石流防治工程以攔擋50 a一遇的泥石流進(jìn)行設(shè)計，因此，泥石流計算按50年一遇選取參數(shù)，泥石流過流斷面面積按6條泥痕剖面來計算。

2.2.4 雨洪計算法

本次暴雨洪水計算選擇(1-1＇至6-6＇泥痕剖面)進(jìn)行，計算50 a一遇洪峰流量、流速和選擇斷面處洪水水位等參數(shù)，為防治工程設(shè)計提供設(shè)計參數(shù)。根據(jù)《新疆青河縣塔克什肯鎮(zhèn)薩爾布拉克溝水文分析計算報告(詳見附件)》，設(shè)計暴雨洪水洪峰流量(Qp)見表6。

泥石流泥砂修正系數(shù)為0.55；根據(jù)表8結(jié)合泥石流主溝實際情況，薩爾布拉克溝全長23.5 km，溝道彎曲度中等，坡度不大，泥石流形成-流通區(qū)河道比較順直；形成區(qū)不集中。因此確定為薩爾布拉克溝溝為堵塞情況一般，泥石流堵塞系數(shù)取經(jīng)驗值1.7。

表6 設(shè)計洪水洪峰流量一覽表

說明：由于薩爾布拉布拉克溝泥石流災(zāi)害類型為冰雪融水型，經(jīng)過分析比較，水文比擬法計算出的洪峰流量與實際情況最接近，因此選35.4 m3/s。

2.2.5 現(xiàn)場形態(tài)調(diào)查法

將選取的各參數(shù)，代入公式3中進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表7。泥石流峰值流量(Qc)為8.53～92.26 m3/s，泥痕剖面的位置都選擇在形成-流通區(qū)下部約2 km長的溝道中，按照理想狀態(tài)，峰值流量應(yīng)呈現(xiàn)為從上游到下游流量逐漸增大的趨勢，但是通過計算得出的峰值流量無規(guī)律可循，分析原因主要為：(1)該泥石流溝最近一次發(fā)生泥石流是在2010年4月，而勘查工作是在2013年7月進(jìn)行的，泥石流的痕跡隨著時間的推移，已經(jīng)比較模糊，不易準(zhǔn)確的判斷；(2)該泥石流溝為塔克什肯鎮(zhèn)與薩爾布拉村之間的交通要道，在2010年發(fā)生泥石流災(zāi)害后，鎮(zhèn)政府對溝中損毀的道路進(jìn)行的簡易的修補，破壞了泥石流沖毀后的地形特征，造成了泥痕調(diào)查中的誤差。

因泥石流屬于冰雪融水性泥石流，在計算水量時，可以用面積作為水量的比較參數(shù)，在選取的6條泥痕剖面中，最上游和最下游的泥痕位置處的流域面積相差1.7%，說明流量相差也在1.7%左右，防治工程位置就在這6條剖面之間，所以流量的計算參數(shù)近似取同一值。

綜合上述因素，為保證防治工程的安全性，考慮將峰值最大值作為本次泥石流防治的工程參數(shù)進(jìn)行計算。

表7 泥石流峰值計算一覽表

2.2.6 雨洪計算法

將選取的各參數(shù)，代入公式4中進(jìn)行計算，泥石流峰值流量(Qc)，計算結(jié)果見表8。

表8 泥石流峰值流量(Qc)計算結(jié)果一覽表

通過形態(tài)調(diào)查法和雨洪法兩種方法對50 a一遇泥石流峰值流量進(jìn)行計算，計算結(jié)果分別為92.26 m3/s、93.2 m3/s，由此可見，兩種計算方法所求結(jié)果基本一致，說明計算結(jié)論真實可靠。

最終，泥石流峰值流量(Qc)取值為93.2 m3/s。

2.3 一次泥石流總量計算

一次泥石流總量根據(jù)泥石流歷時T(s)和最大流量(m3/s)進(jìn)行計算，計算公式如下：

Q=KTQc

(5)

當(dāng)10 km2

F=5～10 km2，K=0.113；

F=10～100 km2，K=0.037 8；

F>100 km2，K<0.025 2。

參數(shù)的選取。根據(jù)泥石流匯流面積579 km2，確定K=0.025 2；根據(jù)調(diào)查訪問情況，2010年4月19日，青河縣氣溫上升高，冰雪融化進(jìn)入高峰期，薩爾布拉克溝所在流域爆發(fā)洪水，洪水從早晨11點左右，一直持續(xù)到下午4點30分左右，泥石流歷時按330分鐘，即T=19 800 s；泥石流峰值流量(Qc)為93.2 m3/s。

計算結(jié)果。將選取的各參數(shù)，代入公式5中進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表9。

表9 一次泥石流總量(Q)計算結(jié)果一覽表

2.4 一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量

2.4.1 計算方法

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(6)

式中：γC為泥石流重度(t/m3)；γW為清水的重度(t/m3)；γH為泥石流固體物質(zhì)比重(t/m3)。

2.4.2 參數(shù)的選取

泥石流流體重度(γC)為1.53 t/m3；泥石流固體物質(zhì)比重(γH)為2.49 t/m3；清水重度(γW)為1.0 t/m3，一次泥石流總量(Q)為46 503 m3。

2.4.3 計算結(jié)果

將選取的各參數(shù)，代入公式6中進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表10。

表10 一次沖出的固體物質(zhì)總量(QH)計算結(jié)果一覽表

2.5 泥石流中石塊運動速度

2.5.1 計算方法

(7)

式中：Vs為泥石流中大石塊的移動速度(m/s)；dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑(m)；a為全面考慮的摩擦系數(shù)，3.5

2.5.2 參數(shù)的選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，泥石流堆積物中最大石塊的粒徑為0.35 m；摩擦系數(shù)(a)取4.0。

2.5.3 計算結(jié)果

將選取的各參數(shù)，代入公式7中進(jìn)行計算，計算結(jié)果為：

2.6 泥石流整體沖擊壓力

2.6.1 計算方法

(8)

式中：δ為泥石流整體沖擊壓力(Kpa)；g為重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)；為泥石流重度(KN/m3)；Vc為泥石流流速(m/s)；λ為建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物取1.33。

2.6.2 參數(shù)的選取

泥石流對擬建壩的整體沖壓力按攔擋壩進(jìn)行計算，按擬建攔砂壩壩體與泥石流沖壓方向的夾角為90°；泥石流重度為14.6 KN/m3；擬建壩按矩形考慮，建筑物系數(shù)取1.33，流速按各泥痕剖面處流速進(jìn)行分別計算。

2.6.3 計算結(jié)果

將選取的各參數(shù)，代入公式8中進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表11，泥石流體整體沖壓力δ為4.76～26.68 KPa。

2.7 泥石流最大沖起高度

2.7.1 計算公式

(9)

式中：△H為泥石流最大沖起高度(m)；Vc為泥石流流速(m/s)，其它參數(shù)含義同前。

2.7.2 參數(shù)的選取

流速按各泥痕剖面處流速進(jìn)行分別計算。

2.7.3 計算結(jié)果

將選取的各參數(shù)，代入公式9中進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表11，由計算結(jié)果可知：泥石流最大沖起高度△H為0.12～0.69 m。

3 泥石流特征值結(jié)論可信度評價

本次計算泥石流特征值的可信度從以下幾個方面進(jìn)行評述。首先各計算公式的選取是按規(guī)范要求進(jìn)行，公式選取正確；泥石流流量(泥石流特征值中的主要參數(shù))計算采用兩種方法進(jìn)行相互驗證，且結(jié)果基本吻合，可信度高；其次，各計算公式中的參數(shù)均為現(xiàn)場通過各種手段獲得，如：泥石流固體物質(zhì)重度通過現(xiàn)場重度試驗獲得、泥石流溝縱坡通過地形測量獲得、泥痕高度和泥石流過流斷面根據(jù)現(xiàn)場測量獲得、泥石流發(fā)生歷時根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問獲得，因此，各參數(shù)選取依據(jù)充分，可信度高。綜上，泥石流特征值的計算結(jié)論是真實可信的。

表11 泥石流峰值計算一覽表

4 結(jié)語

研究區(qū)位于青河縣塔克什肯鎮(zhèn)薩爾布拉克溝中，布爾根河北側(cè)，薩爾布拉克村泥石流溝地貌單元為低山丘陵區(qū)；區(qū)內(nèi)主要賦存基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。對薩爾布拉克村泥石流溝布設(shè)七條泥痕剖面，選取六條作為水文計算斷面，通過計算，得到泥石流特征參數(shù)：暴雨洪峰流量35.4 m3/s，泥石流流速3.67 m/s，泥石流峰值流量92.26 m3/s；一次泥石流過程的總量46 503 m3，一次固體物質(zhì)總量為16 541 m3。

[1]新疆水文水資源局.額爾齊斯河地表水評價報告.2006.2.

[2]新疆水文水資源局.工程水文分析計算.2003.2.

[3]泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T0220-2006).

[4]泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范(DZ/T0239-2004).

[5]巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)(GB50021-2009).

[6]工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266-1999).

[7]水利學(xué).中國建筑工業(yè)出版社.

[8]農(nóng)田水利工程.科學(xué)出版社.