官壩河泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)

李 俊，陳寧生

（1．四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065；2．中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都610041）

25萬(wàn)km2的青藏高原東南緣內(nèi)發(fā)育有11個(gè)構(gòu)造斷陷湖［1］，這些構(gòu)造斷陷湖都不同程度地受到泥石流侵蝕帶來(lái)的泥沙淤積的影響。滇池、瀘沽湖、洱海、邛海均地處構(gòu)造活躍區(qū)，地震頻繁，人為生態(tài)破壞嚴(yán)重，使得這些區(qū)域的山洪和泥石流發(fā)育［2－9］。山洪和泥石流攜帶大量的泥沙進(jìn)入湖泊，使其呈現(xiàn)嚴(yán)重萎縮的趨勢(shì)。目前人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到僅修建河堤或排導(dǎo)槽并不能解決青藏高原東南緣湖泊的泥沙淤積問(wèn)題，還必須進(jìn)行有效的工程治理。青藏高原東南緣眾多的高原構(gòu)造斷陷湖中，邛海的泥沙淤積問(wèn)題最具有代表性。日益嚴(yán)峻的泥沙淤積使邛海面臨著生死存亡的憂患［10－11］。據(jù)調(diào)查，西昌市邛海北岸的官壩河平均每年流入邛海泥沙量為15萬(wàn)m3，并且泥沙每年平均向邛海推進(jìn)的距離為55m。同時(shí)，邛海南岸的鵝掌河將大量泥沙帶入邛海［12］，鵝掌河輸入邛海的泥沙有4．96萬(wàn)m3，并且泥沙每年平均向邛海推進(jìn)距離為2m［6］。因此，本文通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外泥石流防治工程的研究現(xiàn)狀［13］，選取治理難度較大的典型泥石流防治工程，如邛海官壩河泥石流防治工程，采用合理的方法計(jì)算其泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，并給出官壩河泥石流防治建議。以期為治理青藏高原東南緣構(gòu)造斷陷湖區(qū)域內(nèi)的山洪和泥石流提供參考。

1 官壩河流域概況

官壩河系邛海的一級(jí)支流，位于西昌市川興鎮(zhèn)東北方，屬青藏高原東南部螺髻山系，東連昭覺(jué)縣，北接喜德縣，西與著名的瀘山風(fēng)景區(qū)遙相對(duì)應(yīng)。早更新世末，沿川滇菱形斷塊的東側(cè)邊界斷裂曾發(fā)生強(qiáng)烈的拉張性斷陷活動(dòng)，并在西昌附近形成了一個(gè)北北西向的地塹地壘系，其中有大興單斷同生斷陷盆地［14］，受川滇南北向構(gòu)造作用影響，官壩河流域地形地貌較為復(fù)雜。海拔2 700m以上區(qū)域主要為中高山剝蝕地貌，約占流域總面積的27．7%；海拔高程為1 700～2 700m區(qū)域主要為深切峽谷，約占流域總面積的59．9%，溝道多呈“V”字型，滑坡、崩塌和坡面泥石流發(fā)育；海拔高程1 500～1 700m地帶斷陷盆地發(fā)育。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，推測(cè)張巴寺河上游處可能有一斷層，走向呈北西—南東向，傾角50°左右，該斷層經(jīng)過(guò)地區(qū)巖體破碎，崩塌滑坡發(fā)育，為泥石流的發(fā)生提供了大量物源。官壩河基本情況見(jiàn)表1。

官壩河物源豐富，總物源為1．2×107m3，物源動(dòng)儲(chǔ)量為1．16×106m3。動(dòng)物源主要集中于張巴寺河上游。官壩河流域上游裸地區(qū)產(chǎn)生了大量的細(xì)顆粒，經(jīng)分析認(rèn)為這些細(xì)顆粒以山洪泥石流方式進(jìn)入邛海。

表1 官壩河基本參數(shù)

2 官壩河泥石流活動(dòng)特征和邛海泥沙淤積特征

2．1 1998年官壩河泥石流特征值參數(shù)

2．1．1 容重 2010年5月調(diào)查了官壩河流域的泥石流歷史活動(dòng)（表2）。通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)三處明顯的1998－07－06官壩河泥石流洪痕，分別為1—1′，2—2′，3—3′斷面。但由于后期水流改造，難以采集到泥石流原樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)顆分實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1），采用基于黏粒含量的泥石流容重計(jì)算方法［15］和根據(jù)泥石流沉積物計(jì)算泥石流容重計(jì)算方法［16］，取這兩種計(jì)算結(jié)果的平均值作為官壩河泥石流容重值。計(jì)算結(jié)果表明，張巴寺河沿程容重逐漸降低，泥石流漿體運(yùn)動(dòng)至斷面2—2′處以后，容重值由2．33 g／cm3降低至1．69g／cm3，官壩河泥石流由黏性過(guò)渡到稀性。官壩河其他支流如麻雞窩河和新仁寺河容重值分別為1．79g／cm3和1．93g／cm3，屬于過(guò)渡性泥石流，而大蘿卜溝泥石流容重值為1．65g／cm3，屬于稀性泥石流。官壩河流域泥石流總體屬于過(guò)渡性—黏性泥石流［17］。

表2 官壩河泥石流歷史活動(dòng)情況和容重

2．1．2 流量 采用雨洪法［18］計(jì)算各斷面處的泥石流洪峰流量（表3），然后用泥石流形態(tài)調(diào)查法［18］進(jìn)行校核（表4）。

計(jì)算結(jié)果表明，雨洪法和形態(tài)調(diào)查法計(jì)算的泥石流峰值流量較為接近，官壩河泥石流的最大洪峰流量出現(xiàn)在1—1′斷面處為813．7m3／s，比斷面7—7′的泥石流洪峰流量大。分析認(rèn)為，由于1—1′斷面以下的河流為寬淺泥石流灘地，沖出出山口后斷面逐漸展寬，泥石流流速降低，泥石流漿體沿程停淤，最后導(dǎo)致泥石流在入?？谔幜髁拷档?。

圖1 官壩河各斷面處沉積物顆分曲線

2．1．3 一次泥石流固體物質(zhì)總量 目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有好的方法計(jì)算泥石流固體總量，因此采用泥石流五邊形法［18］，粗略計(jì)算了1998年7月6日官壩河斷面7—7′處一次泥石流固體物質(zhì)總量（表5）。

通過(guò)大量的實(shí)地走訪，確認(rèn)1998年7月6日官壩河泥石流為百年一遇的泥石流。計(jì)算結(jié)果表明，1998年7月6日官壩河入海口處一次泥石流固體物質(zhì)總量46．4萬(wàn)m3，另外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，官壩河入海口處1998年泥石流堆積物為69．0萬(wàn)m3，故可判斷剩余22．6萬(wàn)m3泥石流體來(lái)源于同年的其他小規(guī)模山洪泥石流和常流水期間被水流所攜帶的懸移質(zhì)。說(shuō)明1998年官壩河進(jìn)入邛海的泥沙以山洪泥石流方式運(yùn)移的泥沙總量最大，因此官壩河泥石流的工程治理對(duì)減少邛海泥沙淤積問(wèn)題具有重要意義。

表3 雨洪法計(jì)算的泥石流洪峰流量

表4 形態(tài)調(diào)查法計(jì)算的泥石流洪峰流量

表5 官壩河泥石流斷面7－7′的一次泥石流總量和一次泥石流固體物質(zhì)總量

2．2 1952—2003年邛海泥沙淤積特征

據(jù)調(diào)查與測(cè)量，邛海水面面積從1952年的31 km2減少到2003年的27．4km2，按50a計(jì)算，則邛海平均每年約減少7．2萬(wàn)m2，50a邛海面積萎縮11．6%。邛海的庫(kù)容由1952年的3．2億m3減少到2003年的2．93億m3（表6），最大水深和平均水深也由原來(lái)的34．0m和14．0m降低至2003年的18．32 m 和10．95m［12］。

表6 邛海典型年份淤積變化

據(jù)表6，邛海面積和庫(kù)容變化率為0．16%，水深和平均水深變化率分別為0．9%和0．43%，面積、庫(kù)容和水深變化都說(shuō)明邛海正在不斷地萎縮，按此變化率計(jì)算，則邛海的壽命將只有600a左右。

據(jù)調(diào)查，2010年的邛海面積為27km2，泥沙淤積現(xiàn)狀嚴(yán)重（圖2）。2003—2010年，邛海水面面積平均每年約減少5萬(wàn)m2，8a內(nèi)邛海水面面積萎縮了1．45%。近年來(lái)邛海流域在小箐溝、鵝掌河實(shí)施的水土保持工程對(duì)入海泥沙起到了一定的控制作用，其他未進(jìn)行工程治理的流域依然十分嚴(yán)重。2008—2009年官壩河河口泥沙推進(jìn)90m，高倉(cāng)河河口泥沙前進(jìn)20m。通過(guò)對(duì)邛海1952—2003年泥沙淤積特征的分析和官壩河98年百年一遇泥石流的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，僅通過(guò)修建河堤或排導(dǎo)槽并不能解決邛海的泥沙淤積問(wèn)題，還須依賴于有效的工程治理。

2．3 官壩河泥石流動(dòng)壓力和沖擊力

依據(jù)舟曲泥石流的大石塊沖擊力計(jì)算實(shí)例［19］，基于1998年7月6日官壩河泥石流動(dòng)壓力和大石塊沖擊力，分別采用鐵二院公式［20］和基于彈塑性理論的泥石流大石塊沖擊力計(jì)算方法［21］（表7），計(jì)算擬建混凝土攔砂壩的動(dòng)壓力和大石塊沖擊力?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查1998年官壩河泥石流最大石塊直徑為6m。官壩河溝道堆積大石塊巖石類型為紅砂巖，大石塊密度取2．31g／cm3。

圖2 2010年官壩河入?？谔幠嗌超F(xiàn)狀

表7 官壩河泥石流動(dòng)壓力和大石塊沖擊力

3 官壩河泥石流防治建議

總結(jié)了官壩河泥石流的活動(dòng)歷史、動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)和邛海泥沙淤積特征，建議官壩河泥石流的防治原則應(yīng)以保護(hù)官壩河上游居民和保護(hù)邛海為主，盡量減少官壩河上游滑坡和崩塌物產(chǎn)生的細(xì)顆粒進(jìn)入邛海，結(jié)合官壩河溝道地形地貌特征、物源量和動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，建議在官壩河主溝及各支溝下游處設(shè)置以攔擋細(xì)顆粒為主的攔砂壩和修建排導(dǎo)槽并定時(shí)清淤，以減少進(jìn)入邛海的泥沙。同時(shí)在主溝及各支溝上游有施工條件的地方盡量多修建谷坊，以形成谷坊壩群效應(yīng)，起到穩(wěn)固溝床，攔擋大顆粒作用，在保護(hù)官壩河上游居民的安全，同時(shí)減輕下游攔砂壩的攔擋壓力。另外考慮了地震和極端降雨情況，建議攔砂壩和谷坊采用高強(qiáng)度混凝土，確保其施工質(zhì)量。

4 討 論

官壩河泥石流容重計(jì)算采用了兩種截然不同的方法，這兩種方法在計(jì)算官壩河泥石流最大容重值時(shí)存在較大波動(dòng)，而計(jì)算其他支溝泥石流容重偏差較小。這是由于目前基于物體顆粒級(jí)配的泥石流容重計(jì)算的不成熟和青藏高原東南緣構(gòu)造斷陷湖泥石流溝的特殊性引起的結(jié)果，即泥石流搬運(yùn)的粗大顆粒堆積在溝床中，而泥石流演化成高含沙水流以后細(xì)顆粒隨洪水進(jìn)入湖中，調(diào)查中無(wú)法獲得更全面的顆分資料。因而進(jìn)一步研究青藏高原東南緣構(gòu)造斷陷湖的泥石流溝容重值變化過(guò)程存在困難。另外1998年官壩河向邛海以山洪泥石流方式運(yùn)移的泥沙總量占當(dāng)年邛海泥沙淤積總量的67．2%。說(shuō)明泥石流對(duì)邛?？沙掷m(xù)利用非常不利。最后總結(jié)了官壩河百年一遇的清水流量497m3／s與集水面積106．64km2成5倍關(guān)系，其他斷面的百年一遇清水流量與面積之比在4～7倍之間浮動(dòng)，可為計(jì)算川滇地區(qū)其他構(gòu)造斷陷湖的泥石流溝提供經(jīng)驗(yàn)估算公式。

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