太行山區(qū)泥石流調(diào)查及計(jì)算方法探討

郭友根

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

太行山區(qū)泥石流調(diào)查及計(jì)算方法探討

郭友根

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

摘 要:通過對太行山區(qū)泥石流調(diào)查方法的整理和計(jì)算方法的比較，更接近實(shí)際地反映泥石流流量的真實(shí)狀況，為泥石流的定性定量以及后續(xù)計(jì)算提出了一點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞:太行山區(qū);泥石流調(diào)查;泥石流流量計(jì)算

泥石流是威脅山區(qū)鐵路、公路等交通設(shè)施的地質(zhì)危害之一。泥石流可直接埋沒車站，鐵路，摧毀路基、橋涵等設(shè)施，致使交通中斷，還可引起正在運(yùn)行的火車顛覆，造成重大的人身傷亡事故。有時(shí)泥石流匯入河道，引起河道大幅度變遷，間接毀壞鐵路及其它構(gòu)筑物，甚至迫使道路改線，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。建國以來，泥石流給我國鐵路造成了無法估計(jì)的巨大損失。

和順至邢臺(tái)鐵路位于山西省和順縣、左權(quán)縣及河北省邢臺(tái)地區(qū)，線路西接陽涉鐵路和順站，東接京廣鐵路邢臺(tái)站，從太行之巔的陽涉鐵路和順站至京廣鐵路邢臺(tái)站，兩接軌站高差達(dá)1 200 m，線路橫穿太行山脈，加強(qiáng)泥水石流的調(diào)查和計(jì)算對本次鐵路選線設(shè)計(jì)有重大指導(dǎo)意義。

1 泥石流的成因特點(diǎn)及類型

1.1 成因特點(diǎn)

(1)必須有豐富的松散固體物質(zhì)

泥石流之所以不同于一般水流，因?yàn)樗写罅康墓腆w物質(zhì)，巖層破碎、節(jié)理發(fā)達(dá)、出現(xiàn)斷層帶。

(2)水源

水是激發(fā)泥石流爆發(fā)的重要條件，是泥石流的組成部分和搬運(yùn)介質(zhì)。

(3)地形地貌

①形成泥石流的地形特征是陡峻和高差大，我國泥石流就多發(fā)生在具有這種特征的高原邊緣的陡峻坡面上和深切的河谷中，由于山高溝深地勢陡峻，河溝縱坡大，流域形狀便于泥石流的匯集，是泥石流的集散地，固體物質(zhì)積零為整，一待暴雨山洪激發(fā)，將溝中多年積存的固體物質(zhì)，揭底拉槽順著陡峻的溝谷沖向下游形成泥石流。

②泥石流流域的地貌，一般可劃分為三個(gè)區(qū)段:形成區(qū)位于流域上游，多為高山環(huán)抱的山間盤地，滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象很發(fā)育水土流失嚴(yán)重，山坡極不穩(wěn)定;流通區(qū)溝槽較順直、穩(wěn)定、縱坡較大、多呈峽谷地形;堆積區(qū)呈扇形、錐形或帶形。大小石塊混雜堆積，地面起伏，坎坷不平。

以上三個(gè)區(qū)段非固定不變，在泥石流發(fā)育過程中三者互相轉(zhuǎn)化，除典型的泥石流流域外，有時(shí)會(huì)缺少某一區(qū)段。

1.2 類型

(1)泥流

顆粒均勻，由粒徑小于0.005 mm的粘粒和小于0.05 mm的粉粒組成，偶夾砂和圓礫，大部分屬粘性泥流，也有稀性的。

(2)泥石流

顆粒差異大，由粘粒、粉粒、砂、圓礫、碎石塊等大小不同的粒徑組成，有粘性也有稀性危害程度大于泥流。

(3)水石流堆積物分選性強(qiáng)，有圓礫、碎塊石及沙組成，夾少量粘粒和粉粒，屬稀性泥石流。

2 調(diào)查內(nèi)容及方式方法

調(diào)查類容 調(diào)查項(xiàng)目 主要調(diào)查方法河流名稱 地形圖，流域狀況調(diào)查現(xiàn)場訪問流域面積 地形圖圈匯最大洪水流量 洪痕調(diào)查，水力學(xué)公式推算河道長度 地形圖點(diǎn)繪河道平均坡降 實(shí)測地形圖進(jìn)行計(jì)算地質(zhì)狀況 通過地質(zhì)專業(yè)描繪的地質(zhì)圖或地質(zhì)文獻(xiàn)堆積扇的調(diào)查堆積寬 地形圖點(diǎn)繪堆積長 地形圖點(diǎn)繪分散角 地形圖點(diǎn)繪堆積面積 地形圖點(diǎn)繪堆積坡度 地形圖點(diǎn)繪災(zāi)害狀況調(diào)查災(zāi)害形態(tài) 沙流泥流水石流發(fā)生的月份 現(xiàn)場訪問調(diào)查前兆現(xiàn)象記錄 現(xiàn)場訪問災(zāi)害發(fā)生后沖刷深度和沖刷量 實(shí)測周圍建筑物的破壞情況 實(shí)拍，訪問

3 計(jì)算方法

3.1 雨洪修正法

其中，Qc為泥石流流量，m3/s;QP為按一般河流計(jì)算，符合橋涵洪水頻率規(guī)定的設(shè)計(jì)流量，m3/s;Dc為泥石流堵塞系數(shù);φc為泥石流修正系數(shù)。

3.2 泥痕調(diào)查法

其中，Wc為泥石流過流斷面積，m2;υc為泥石流流速，m/s。

稀性泥石流υc值按式(3)計(jì)算:

其中，n為一般河流的河槽糙率系數(shù);R為水力半徑，m;Ic為泥石流水面(或溝底)坡度;其他符號(hào)同前。

粘性泥石流的υc公式分西北、西南地區(qū)，在勘測中曾研制如下經(jīng)驗(yàn)公式，可資參考。

西北公式

其中，hc為泥石流流深(或泥石流水力半徑Rc)，m;kc為粘性泥石流流速系數(shù)。

以上兩種方法均是基于長期泥石流調(diào)查研究過程中逐漸積累得到的經(jīng)驗(yàn)性公式。雖然能在某種程度上解決問題，但存在著計(jì)算方法粗放、計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定等問題。所得計(jì)算結(jié)果也不盡如人意，很難反映實(shí)際情況。而將數(shù)值模擬計(jì)算方法引入泥石流流量計(jì)算過程，增加能夠更詳盡描述其特性的計(jì)算因子，并提出計(jì)算模型，有助于對泥石流規(guī)模及危害程度進(jìn)行精細(xì)的量化控制，從而為線路選擇及橋涵專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作提供盡可能準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

3.3 泥石流流量的模擬計(jì)算方法

根據(jù)泥石流粘性顆粒的含量，對于粘性泥石流，通用的指數(shù)流變方程可以表示為

其中，h為水深;y為距河床的距離;u為沿水流方向的點(diǎn)流速;γm為泥石流水沙混合體的容重;μ為動(dòng)力粘滯系數(shù);η為指數(shù)方程中的粘性剪切力指數(shù)(對賓漢流體，η=1);τi為內(nèi)部剪切力;τy為屈服應(yīng)力。如果將Si表示為屈服應(yīng)力、粘性和有關(guān)水力要素的函數(shù)，可以得到

有關(guān)參數(shù)一般表示為體積含沙量的函數(shù)。一般來講，粘性泥石流要求較小的流速和較大的水深來克服水沙混合體的屈服應(yīng)力τy。此項(xiàng)技術(shù)一般適合于模擬河床比降小于(20°～30°)的泥石流。

3.4 計(jì)算方法的驗(yàn)證

太行山中某溝溝口以上流域面積F=30 km2，流域長度L=7 km，主溝槽平均坡度I=130‰，百年一遇設(shè)計(jì)流量Q1%=110 m3/s。流域內(nèi)山坡陡峻，地表松散固體物質(zhì)豐富，堆積形態(tài)各異，多為卵礫石堆狀，其中，粒徑在0.2～0.8 m之間的約占50%以上，1.0～2.5 m之間的約占30%。該溝為單一匯水溝型，無較大支流匯入，匯流時(shí)間屬短歷時(shí)，洪水陡漲陡落。按《鐵路工程地質(zhì)手冊》雨洪修正法取Qp=135 m3/s，Dc按照現(xiàn)場勘察情況取輕微值1.4，c經(jīng)估算為1.7～1.9之間，得出溝口處泥石流流量Qc=300 m3/s。

泥痕調(diào)查法計(jì)算得到的泥石流瞬時(shí)流量Qc為230 m3/s。

由模擬計(jì)算得到的溝口處泥石流瞬時(shí)流量Qc為280 m3/s。

由于模擬計(jì)算采用了更為細(xì)膩影響泥石流流量的參數(shù)，比如各種因素引起的摩阻坡降、動(dòng)力粘滯系數(shù)等等。模擬計(jì)算接近實(shí)際情況，因此結(jié)果更為可靠。

4 結(jié)語

在通過探討泥石流調(diào)查方法及流量計(jì)算的合理性，由于各種地質(zhì)，地貌情況不一樣所采取調(diào)查方式側(cè)重點(diǎn)和計(jì)算方法參數(shù)取值不一，仔細(xì)的調(diào)查和分析泥石流發(fā)生，發(fā)展的過程、機(jī)理和規(guī)律對指導(dǎo)山區(qū)鐵路大線設(shè)計(jì)具有重要的意義。在對泥石流流量的計(jì)算中，應(yīng)盡可能全面考慮其影響因子，并在建模過程中予以合理分配。在得出計(jì)算結(jié)果后，也應(yīng)該結(jié)合其他資料進(jìn)一步進(jìn)行分析，以便給出最趨合理的計(jì)算結(jié)果。

:

［1］鐵道第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1999:338-352.

［2］蘭恒星，周成虎，王小波.泥石流本構(gòu)關(guān)系及動(dòng)力學(xué)模擬研究現(xiàn)狀綜述［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，(3):22-23.

［3］工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:911.

［4］洪正修.泥石流流速公式探討［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，(1):26-33.

中圖分類號(hào):U416

C

1008-3383(2011)06-0111-02

收稿日期:2011-05-04