中兆溝泥石流特征及危害性分析

向 兵，及寶鑫

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059;2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

中兆溝泥石流特征及危害性分析

向 兵1，2，及寶鑫2

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059;2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

中兆溝為一泥石流頻發(fā)地區(qū)，曾于1989年和2008年雨季發(fā)生較大規(guī)模的泥石流，其中1989年泥石流災(zāi)情較為嚴(yán)重.本研究在現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)之上，在分析中兆溝泥石流流域分區(qū)特征的基礎(chǔ)上分別從地形、水源、物源3方面著手，計(jì)算泥石流的流體重度、流量、流速、整體沖壓力.計(jì)算結(jié)果顯示，中兆溝泥石流為易發(fā)性暴雨溝谷泥石流，存在較大危害性.

泥石流特征;靜動(dòng)力學(xué)參數(shù);危害性;中兆溝

0 引言

中兆溝位于四川阿壩州松潘縣，每年雨季或融雪季節(jié)都會(huì)爆發(fā)不同程度的泥石流，受5·12地震影響，溝域內(nèi)新產(chǎn)生了大量的碎屑物質(zhì)，為泥石流的發(fā)生提供了充足的物質(zhì)條件.由于該溝溝口泥石流堆積區(qū)泥石流的潛在危害性較大，是當(dāng)?shù)刂卮蟮刭|(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)之一.

1 中兆溝泥石流流域分區(qū)特征

根據(jù)該泥石流溝的發(fā)育現(xiàn)狀和形成特點(diǎn)，本研究將溝域劃分為泥石流清水區(qū)、泥石流物源及流通區(qū)和泥石流堆積區(qū)，其中該泥石流溝的流通區(qū)和物源區(qū)基本一致，其分區(qū)圖如圖1所示.

圖1 中兆溝泥石流分區(qū)圖

1.1 泥石流清水區(qū)特征

中兆溝分水嶺至高程約3 000 m一帶為清水區(qū).總體形態(tài)呈凹槽狀，區(qū)內(nèi)地形坡度較陡，一般為35°～45°，溝谷縱坡大，多在350% ～450%以上，匯水面積約0.57 km2.坡面植被較發(fā)育，植被覆蓋率可達(dá)50% ～60%，溝坡主要為基巖，但基巖裸露區(qū)較小.該區(qū)基本無大規(guī)模松散堆積物和不良物理地質(zhì)現(xiàn)象分布，它是構(gòu)成溝內(nèi)洪水和地表徑流的主要水源匯集區(qū).

1.2 泥石流物源形成區(qū)及流通區(qū)特征

中兆溝泥石流物源形成區(qū)及流通區(qū)位于海拔約3 000 m以下至溝口堆積區(qū)(海拔2 920 m處)，該溝道長約869 m，平均縱坡坡降為215‰，匯水面積大約0.14 km2.溝道較順直，溝道寬一般5～50 m不等，縱坡坡降較大，左側(cè)邊岸較右側(cè)邊岸陡.溝谷兩側(cè)岸坡穩(wěn)定性差，岸坡變形破壞強(qiáng)烈，谷坡前緣坡體滑塌變形破壞強(qiáng)烈，溝內(nèi)堆積的松散固體物質(zhì)較多，短歷時(shí)的強(qiáng)降雨是促發(fā)泥石流的主要?jiǎng)恿l件.

1.3 泥石流堆積區(qū)特征

中兆溝溝口至213國道外側(cè)為泥石流堆積區(qū).堆積區(qū)平面形態(tài)呈喇叭狀，為多次堆積而成.扇體縱長約0.5 km，寬約0.4 km，面積約0.03 km2，地形坡度5°～8°，成分主要為塊碎石土，大小混雜堆積，泥砂含量30%左右，粗粒成分以板巖、變質(zhì)砂巖為主，粒徑以10～30 cm為主.因村民房屋建設(shè)改造，扇狀堆積地形特征已被破壞，平均寬度、厚度和堆積量方量不易估算.但根據(jù)泥石流堆積物的分布和調(diào)查訪問，估算總堆積量達(dá)22×104m3，經(jīng)計(jì)算，1989年一次性沖出量約5 300 m3，2008年一次性沖出量約1 000 m3，規(guī)模屬小型泥石流.

目前，中兆溝溝水從堆積區(qū)中南側(cè)流過，溝道淺窄，溝平均寬0.5 m，平均深0.4 m，至國道213道路排入涵洞，最終流入岷江.經(jīng)訪問當(dāng)?shù)卮迕瘢蛑姓诇夏嗍髅磕暧昙静煌潭鹊谋l(fā)，造成其下游出口段堆積區(qū)溝道抬升已高于周圍房屋基礎(chǔ)0.5～1.5 m.

2 中兆溝泥石流形成條件

2.1 地形條件

中兆溝位于岷江左岸，溝域分布南東側(cè)較寬，西北側(cè)較窄，為典型的“V”形深切割沖溝(見圖2).溝域最高點(diǎn)位于南東側(cè)坡頂，高程3 406 m，最低點(diǎn)位于G213國道，高程2 848 m，相對(duì)高差558 m.整條溝的縱長為1.1 km，其平均縱坡坡降為216‰，平均寬度0.35 km，溝域面積0.85 km2.

中兆溝在3 000 m高程處發(fā)育2條支溝(1#支溝、2#支溝)，呈樹枝狀分布，各支溝基本特征統(tǒng)計(jì)如表1所示.

表1 中兆溝各主要支溝基本特征統(tǒng)計(jì)表

2.2 水源條件

中兆溝位于岷江左岸，溝中常年有水，踏勘測(cè)得主溝流量1 L/s左右，主要接受大氣降水及地下水補(bǔ)給，流量受降水量影響大.區(qū)內(nèi)年均降雨量728.6 mm，歷史上曾出現(xiàn)20 min最大降水量21.4 mm，1 h最大降水量25.3 mm，24 h最大降水量46 mm，暴雨強(qiáng)度大(R=5.4)，具備發(fā)生泥石流的暴雨條件.整個(gè)流域匯水面積達(dá)0.72 km2，為泥石流爆發(fā)提供了充足的水源條件.溝內(nèi)發(fā)育2條支溝，在平面上呈樹杈形狀，1號(hào)支溝為常年性沖溝，2號(hào)支溝為季節(jié)性沖溝.溝域內(nèi)沒有水庫、湖泊等其他地表水體.

2.3 物源條件

從物源分布特征上看，中兆溝溝域內(nèi)第四系堆積物最主要的是滑坡堆積()、崩坡積()、泥石流堆積)及坡面侵蝕物源和溝道堆積物源，主要沿形成區(qū)及流通區(qū)段兩岸分布，現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)有6處主要物源.

中兆溝溝區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng)，巖體破碎，溝谷兩岸第四系松散層分布范圍廣、厚度較大，溝岸不穩(wěn)定，兩岸滑坡、崩塌發(fā)育，為泥石流形成提供了充分的物源條件，具體如表2所示.

表2 中兆溝泥石流物源估算匯總統(tǒng)計(jì)表

3 泥石流靜動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.1 泥石流流體重度

由于缺乏中兆溝泥石流發(fā)生時(shí)的監(jiān)測(cè)資料，本研究采用配方法和查表法［1－3］來確定相關(guān)數(shù)據(jù).中兆溝泥石流重度按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220－2006)附錄H填寫泥石流調(diào)查表并按附錄G進(jìn)行易發(fā)程度評(píng)分，按表G.2查表確定中兆溝泥石流重度和泥沙修正系數(shù)，其結(jié)果如表3所示.

表3 中兆溝泥石流流體重度查表法結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 泥石流流量

為滿足泥石流危害評(píng)價(jià)及防治工程設(shè)計(jì)的需要，本研究在中兆溝不同溝段、擬設(shè)治理工程部位等選擇了3個(gè)典型斷面部位(圖3～圖6)進(jìn)行泥石流流量的計(jì)算.泥石流流量計(jì)算方法主要為形態(tài)調(diào)查法和雨洪法［4－5］.經(jīng)過計(jì)算結(jié)果的比較，形態(tài)調(diào)查法的計(jì)算結(jié)果要比用雨洪法求得的結(jié)果小，而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積、溝域植被發(fā)育分布情況和徑流系數(shù)等因素進(jìn)行求解，具有預(yù)測(cè)性并更加符合實(shí)際.因此，本研究對(duì)泥石流峰值流量采用雨洪法計(jì)算.

3.2.1 清水流量計(jì)算.

地表水匯水流量的計(jì)算分2種情形.

①當(dāng)匯水面積F≥3 km2時(shí)，

圖3 斷面位置圖

圖4 中兆溝泥石流計(jì)算斷面I-I’

圖5 中兆溝泥石流計(jì)算斷面Ⅱ-Ⅱ’

圖6 中兆溝泥石流計(jì)算斷面Ⅲ-Ⅲ’

式中，Qp為暴雨洪峰流量(m3/s);Ψ為暴雨徑流系數(shù);F為匯水面積(km2);S為小時(shí)雨強(qiáng)(mm/h).

據(jù)此，求得的各斷面部位暴雨洪峰流量值如表4所示.

表4 中兆溝暴雨洪峰流量計(jì)算表

3.2.2 泥石流峰值流量計(jì)算.

泥石流峰值流量計(jì)算式為，

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);φ為泥沙修正系數(shù)，采用查表法得到的結(jié)果;Qp為暴雨洪峰流量;Dc為堵塞系數(shù)，按勘查規(guī)范表確定.

據(jù)此，采用雨洪法計(jì)算得泥石流峰值流量如表5所示.

表5 中兆溝泥石流峰值流量計(jì)算表

3.3 泥石流流速計(jì)算

按前述確定雨洪法計(jì)算求得的流量計(jì)算結(jié)果采用形態(tài)調(diào)查法流量計(jì)算公式進(jìn)行反算.

式中，Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2);Vc為泥石流斷面平均流速(m/s).其計(jì)算情況及結(jié)果如表6.

表6 中兆溝泥石流流速計(jì)算表

3.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量計(jì)算式為，

式中，Q為一次泥石流過程總量(m3);T為泥石流歷時(shí)(s);Qc為泥石流最大流量(m/s).

1989年中兆溝泥石流為近期發(fā)生的規(guī)模最大的一次泥石流，對(duì)比斷面法計(jì)算結(jié)果，其流量相當(dāng)于P=5%的雨洪法計(jì)算的峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為7.22 m3/s.據(jù)訪問，泥石流歷時(shí)約1 h，即T=3 600 s，按上式計(jì)算的本次泥石流沖出量為Q=0.53 ×104m3.

3.5 泥石流整體沖壓力

泥石流整體沖壓力計(jì)算式為，

式中，P為泥石流沖壓力(kN);λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47;γc為泥石流重度(kN/m3);Vc為泥石流平均流速(m/s);α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°).

計(jì)算過程主要選擇擬布設(shè)攔擋工程部位各斷面進(jìn)行計(jì)算.建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ=1.33，本次勘查中主要篩選出3處擬選壩位，各壩位泥石流整體沖壓力計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表7所示.

表7 中兆溝泥石流整體沖壓力計(jì)算表

4 結(jié)論

中兆溝曾于1989年和2008年雨季發(fā)生較大規(guī)模的泥石流，其中1989年泥石流災(zāi)情較為嚴(yán)重，造成多間民房被摧毀.目前的泥石流威脅溝口扇區(qū)居民共計(jì)41戶住戶174人的生命財(cái)產(chǎn)安全和213國道交通安全，其潛在危險(xiǎn)性級(jí)別劃分屬中型.

中兆溝泥石流屬暴雨溝谷型泥石流，從發(fā)生頻率看屬高頻泥石流.通過野外調(diào)查和計(jì)算，在流通堆積區(qū)峰值流量為7.05～8.22 m3/s，泥石流過流總量為0.53×104m3，泥石流規(guī)模為小型.

中兆溝泥石流主要為暴雨激發(fā)，暴雨是引發(fā)泥石流的主要因素，特別是5·12地震后，溝域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象增多，松散固體物源量增大，從而使中兆溝泥石流易發(fā)程度提高，如發(fā)生集中暴雨，其形成大規(guī)模泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大.

［1］中華人民共和國國土資源部.DZ/T 0220－2006 泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006.

［2］四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)［R］.成都:四川省水利廳，1984.

［3］許強(qiáng).汶川大地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害主要類型與特征研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20(2):86 －93.

［4］康志成，李悼芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］周必凡，李德基，羅德富，等.泥石流防治指南［M］.北京:科學(xué)出版社，1991.

致 謝

本文的現(xiàn)場(chǎng)踏勘工作得到四川省地質(zhì)工程勘察院的大力支持.四川省地質(zhì)工程勘察院鐘涵翰工程師提供了許多寶貴資料.

Characteristics and Hazard Analysis of Debris Flow in Zhongzhao Gully

XIANG Bing1，2，JI Baoxin2
(1.The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China;2.Investigation and Design Research Institute of Sichuan Coalfield Geological Engineering，Chengdu 610072，China)

The Zhongzhao gully is an old debris flow gully，in which the large-scale debris flows occurred during the rainy seasons in 1989 and 2008，and the disaster in 1989 was more serious.On the basis of the above site visit，the paper analyzes the characteristics of watershed partition and discusses the topography，water source and material provenance of the Zhongzhao gully.The unit weight，flow rate，flow velocity and ram pressure of debris flows are calculated.The results show that the debris flow in Zhongzhao gully is regarded as a rainstorm dilute debris flow and has high occurrence probability，which can cause great damage.

characteristics of debris flow;static and kinetics parameters;hazard;Zhongzhao gully

P642.23

A

1004－5422(2014)01－0092－04

2014－01－03.

向 兵(1983—)，男，碩士研究生，從事巖土工程技術(shù)研究.