磨西河特大型泥石流堵塞大渡河分析＊——以一次泥石流規(guī)模、不同頻率雨洪法流量定量計算

宋 志,巴仁基,劉宇杰

(成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,四川成都 610081)

1 磨西河流域環(huán)境地質(zhì)條件與堵河災(zāi)害概況

磨西河流域位于大渡河右岸,四川省甘孜藏族自治州瀘定縣西南部,流域面積923 km2。地理坐標(biāo)為29°31′07″～29°55′45″N;101°49′40″～102°10′19″E。省道211線從流域東側(cè)經(jīng)過,磨榆公路從流域中部穿過,流域內(nèi)交通便利。

該區(qū)位于貢嘎山東側(cè),處于川西高原與四川盆地的交接帶上,地勢總體呈東西兩側(cè)和北面高、中部和東南部低。區(qū)內(nèi)海拔最高點貢嘎山山峰7 556 m;最低為磨西河與大渡河的匯口,海拔976 m,高差達6 580 m;區(qū)域內(nèi)嶺谷高差一般1 500～3 000 m。西側(cè)山峰的主體為近SN走向的大雪山脈,5 000 m以上的區(qū)域終年積雪不化,分布著現(xiàn)代冰川,第四系冰磧物和崩坡積物十分豐富[1]。

由于青藏板塊和揚子板塊的擠壓作用,并于印支-燕山時期產(chǎn)生了一系列的南北向構(gòu)造帶,從而使區(qū)內(nèi)主要山脈、河流相間排列,呈南北走向,加上在冰川作用下河流的巨大下切作用,使地表切割破碎,形成嶺谷高差巨大而陡峭的高山峽谷地貌。

本區(qū)域主要受東南季風(fēng)和來自四川盆地的暖濕氣流的影響,具有亞熱帶季風(fēng)氣候色彩。工作區(qū)磨西河為大渡河支流,磨西河支流有26條,干流全長43 km,首尾落差約3 000 m,比降51.3‰,年均流量23.62 m3/s,枯水流量9 m3/s。水能理論蘊藏量4 600 kW。

2005年8 月,磨西河流域群發(fā)性泥石流,匯合后磨西河形成了特大規(guī)模泥石流。泥石流進入大渡河后,形成了巨大的堆積扇,于11日晚21時左右曾一度堵斷了大渡河,使大渡河的河水向上回淤至彩虹橋,回淤長度約3 km,并淤埋了兩岸的大片農(nóng)田[2]。

根據(jù)附近老鄉(xiāng)描述,此次磨西河泥石流洪峰流量持續(xù)時間為2.5 h,堵斷大渡河的持續(xù)時間大約為10～20 min。大渡河水潰決后,沖毀了下游2 km處的沿江公路。在大渡河水的沖刷下,泥石流堆積物向下游移動,形成了長約1 500 m的石壟,上大下小。在堆積扇上隨處可見漂木(圖1)。

圖1 磨西河泥石流堵河事件

2 磨西河泥石流堵河最小一次規(guī)模定量計算

泥石流堵塞其匯入的主河,常常釀成巨大災(zāi)害。堵塞處上游造成淹沒災(zāi)害,一旦堵塞潰決又會對下游造成大的洪水或泥石流災(zāi)害。

磨西河泥石流是否可能堵塞大渡河,選用一次性泥石流規(guī)模進行分析。

設(shè)泥石流溝與主河正交(圖2)。主河寬度為Bw,主河水深為Hw,主河底坡一般很小,可視為水平,堵塞體上游坡度較陡,應(yīng)滿足該種土體在飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角φ,堵塞體下游坡度可采用河床物質(zhì)發(fā)生水石流的起始坡度,取14°,則堵塞主河需要土體方量Vcs為[3]:

磨西河泥石流為低容重的稀性泥石流,由于水土易分離,砂粒及其以下的細顆粒被主河水流帶走,堵塞體僅為砂粒以上的粗顆粒,取虛、實方體積折算系數(shù)為0.7,則一次泥石流在匯口斷面堵塞主河的規(guī)模為:

式中:Vc為一次泥石流在匯口斷面堵塞主河所需的總量(m3);Ps為泥石流中砂粒及其以下的土體顆粒重量百分比,由泥石流土體顆粒大小分配曲線查得。

根據(jù)大渡河(磨西河溝口)實測典型斷面,可得知大渡河Bw為220 m,Hw取最高水位為20 m,φsw為25°,Cv為0.45,CvPs為0.225。由上式計算所得,磨西河堵塞大渡河的最小一次泥石流規(guī)模[4-6]為84.26萬m3。

3 磨西河泥石流不同頻率下的流量與一次過程總量

在泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生,計算斷面的暴雨洪水設(shè)計流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量的假設(shè)下建立計算方法。其計算步驟是先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量(計算方法查閱水文手冊),然后選用堵塞系數(shù),按下式計算泥石流流量。

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為泥石流泥沙修正系數(shù);DC為泥石流堵塞系數(shù)。

首先,計算磨西河流域內(nèi)泥石流溝洪水流量Qp。取暴雨時的最大洪峰流量,按推理公式

式中:Sp為某頻率的雨力(mm/h)。其計算式為:Sp=Htp·tn-1,Htp為設(shè)計頻率最大t小時暴雨量;n為暴雨參數(shù);τ為匯流時間(h);F為流域面積(km2);μ為產(chǎn)流參數(shù)(mm/h)。

一次泥石流總量Qw可通過計算法和實測法確定。實測法精度高,但因往往不具備測量條件,只能是一個粗略的概算。根據(jù)泥石流的歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s),按泥石流暴漲暴落的特點,將過程概化成五角形,按下式計算:

式中:K值隨流域面積(F)的大小變化,當(dāng)F＜5 km2,K=0.202,F=5～10 km2,K=0.113,F=10～100 km2,K=0.037 8。

磨西河流域面積為923 km2,主溝長度為42.5 km,主溝縱坡為10.2%,堵塞系數(shù)根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)確定為1.5。2005年8月11日特大型泥石流洪峰流量持續(xù)2.5 h,可以類比為在不同頻率下的泥石流歷時[7-8]。

通過參數(shù)確定與定量計算,磨西河不同頻率下的泥石流特征值見表1。

表1 磨西河不同頻率下的泥石流特征值

通過一次過程總量與堵河最小規(guī)模的計算,磨西河泥石流堵塞大渡河最小的一次過程總量為84.26萬m3。在不同頻率下的泥石流一次過程總量計算中,當(dāng)P=2%(50年一遇),一次過程總量為83萬m3,發(fā)生堵河的可能性較大[9]。

4 幾點認識

(1)利用雨洪法,間接確定不同頻率下泥石流一次過程總量,反推出磨西河特大型泥石流堵河可能事件為50年一遇。

(2)特大型泥石流堵河事件機理復(fù)雜、影響因素多,本文力圖利用理想狀態(tài)下的模型進行定量分析,可能有些偏差。

(3)由于磨西河泥石流爆發(fā)時間在晚上,周圍居民較少,泥石流持續(xù)時間是通過老鄉(xiāng)訪問的形式,根據(jù)響聲、震動等方式確定的,存在一定的誤差。

(4)本文對特大型泥石流堵河事件的可能性進行初步分析,并用一套理論盡可能對重現(xiàn)率提供依據(jù),達到減災(zāi)防災(zāi)的目的。

[1] 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心.四川瀘定縣地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告[R].成都:成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所,2008.

[2] 陳曉清,崔鵬,陳斌如,等.050811特大泥石流災(zāi)害及減災(zāi)對策[J].水土保持學(xué)報.2006,26(3):122-125.

[3] 周必凡,李得基,呂儒仁,等.泥石流防治指南[M].北京:科學(xué)出版社,1993.

[4] 黨超,程尊蘭,劉晶晶.泥石流堵塞潰決模式實驗[J].災(zāi)害學(xué).2008,23(3):15-19.

[5] 程尊蘭,田金昌,張正波,等.西藏江河堵潰災(zāi)害及成災(zāi)環(huán)境分析[J].災(zāi)害學(xué).2009,24(1):26-30.

[6] 柳金峰,歐國強,游勇,等.不同出口山腳約束的泥石流淤埋實驗研究[J].災(zāi)害學(xué).2009,24(3):7-10.

[7] 四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊[S].成都:四川省水利廳,1984.

[8] 國土資源部.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[9] 田連權(quán),吳積善,康志成,等.泥石流侵蝕搬運與堆積[M].成都:成都地圖出版社,1993.