泥石流堵斷主河臨界條件研究進(jìn)展

宋 志

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

泥石流堵斷主河臨界條件研究進(jìn)展

宋 志

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081)

自20世紀(jì)90年代開始，泥石流堵斷主河臨界條件研究取得了較大進(jìn)展，開展了多動(dòng)態(tài)室內(nèi)模擬試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)性分析、動(dòng)量動(dòng)能的理論力學(xué)分析，取得了基于不同方法的臨界條件判別式，但對(duì)泥石流堵河的力學(xué)形成機(jī)制、堵河的數(shù)值模擬、堵河原型模擬試驗(yàn)、多時(shí)段的遙感運(yùn)用等方面的研究仍需解決和深入。前人所做的臨界條件往往對(duì)具體環(huán)境下的單溝能夠較好適應(yīng)，而對(duì)一定數(shù)量的其它泥石流堵河事件往往對(duì)比驗(yàn)證較差。對(duì)泥石流堵河臨界條件的研究需要運(yùn)用到土力學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論才能解決。作者認(rèn)為，在前人研究的基礎(chǔ)上，未來研究方向應(yīng)著重于泥石流堵河機(jī)理研究、 RS、GIS技術(shù)的應(yīng)用、原型模擬堵河試驗(yàn)及判別式研究，也許能有效地解決泥石流堵河臨界條件的科學(xué)性和正確性，為實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)。

泥石流；堵河；臨界條件；力學(xué)分析

引言

我國(guó)是一個(gè)泥石流頻發(fā)的國(guó)家，尤其在西南高山峽谷區(qū)，泥石流災(zāi)害尤為發(fā)育[1]。如果泥石流能在短時(shí)間內(nèi)將大量泥沙輸入主河，泥石流規(guī)模較大且主河水動(dòng)力條件較弱，則有可能堵塞主河。在我國(guó)西部山區(qū)常發(fā)生泥石流堵河事件，2005年8月11日，磨西河特大型泥石流匯入大渡河處形成巨大的泥石流堆積扇，并堵斷大渡河，在上游形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里的臨時(shí)水庫(kù)，積蓄了大量水體，潰決后，造成對(duì)岸沿河的400余米省道S211線連路基一起被徹底沖毀，中斷交通近半年[2]；2010年8月7日，甘肅甘南州舟曲縣出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨天氣，舟曲縣城后的三眼峪溝和羅家裕溝暴發(fā)特大規(guī)模泥石流，并形成堰塞湖，堵塞白龍江，致使舟曲縣城部分被淹，造成1364人死亡，401人失蹤的特大災(zāi)害[3]；2008年9月24日，唐家山大水溝和無名溝在遇到百年一遇的暴雨后爆發(fā)特大型泥石流 ，導(dǎo)致泄流槽堵江斷流達(dá)17小時(shí)，堰塞湖水位抬升近8m[4]；2000年4月9日20時(shí)，西藏易貢藏布支溝堵斷主河6個(gè)小時(shí)，潰壩后，沖毀下游公路近30 km，94人死亡，250萬人無家可歸，中斷印度北部7個(gè)邦的鐵路和公路聯(lián)系[3]。此外，典型的泥石流堵河事件還包括：1981年7月9日，成昆鐵路283 km處利子依達(dá)溝泥石流[3]；1919年至1968年云南東川蔣家溝泥石流[5]；1953年9月29日，西藏古鄉(xiāng)溝泥石流[6]；1976年7月25日，甘肅省宕縣化馬鄉(xiāng)一帶泥石流堵斷白龍江[7]；1985年6月20日，西藏培龍溝泥石流堵斷帕隆藏布江[8]；1974年4月12日，巴基斯坦境內(nèi)帕提巴爾溝泥石流堵斷洪扎河[8]。以上泥石流堵河潰壩后，均造成嚴(yán)重的災(zāi)害，主要表現(xiàn)為人身傷害、中斷交通、沖毀房屋、淹沒村莊。

近年來，受全球氣候變暖和極端天氣事件的影響，我國(guó)山區(qū)以特大型規(guī)模為主的泥石流災(zāi)害頻發(fā)，這類泥石流不僅淹埋民房和農(nóng)田，破壞鐵路、公路及水電站等基礎(chǔ)設(shè)施，更嚴(yán)重地會(huì)堵斷主河，形成次生災(zāi)害鏈。泥石流堵斷主河后，形成天然壩和堰塞湖，淹沒上游農(nóng)田、鐵路、公路等沿江建筑物，造成大范圍災(zāi)害。當(dāng)洪水漫過天然壩時(shí)，發(fā)生溯源沖刷，進(jìn)而導(dǎo)致天然壩潰決。而天然壩潰決產(chǎn)生的大規(guī)模潰決洪水，會(huì)對(duì)下游造成長(zhǎng)距離超常沖刷，甚至沖毀下游農(nóng)田和沿江建筑物，形成第二次災(zāi)害[2-8]。因此，開展泥石流堵斷主河臨界條件的研究，確定科學(xué)的堵河判別公式，將為山區(qū)泥石流堵河次生災(zāi)害鏈的發(fā)生提供早期識(shí)別模式，并為科學(xué)的減災(zāi)防災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

對(duì)于泥石流堵江的事件，國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展較多，國(guó)外尚未見關(guān)于泥石流堵江問題的研究，他們多集中于清水或含沙水流與主河交匯問題的研究[9]。目前，對(duì)泥石流堵斷主河的臨界條件研究主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[10-20]。

1.1 泥石流堵斷主河研究方法

泥石流堵斷主河研究，基本上集中在國(guó)內(nèi)的研究。90年代初起，周必凡等[10]提出了基于溝床條件和主河流量為主的臨界條件判別式，之后相關(guān)的研究者進(jìn)行了大量的研究工作。對(duì)泥石流堵斷主河的評(píng)價(jià)方法，現(xiàn)階段多集中于利用已發(fā)生堵河事件或水槽試驗(yàn)開展相關(guān)性的分析，進(jìn)行半定性與定量研究，如以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)來研究泥石流堵江規(guī)律，通過一系列的水槽實(shí)驗(yàn)，提出泥石流的堵江判別式。從研究方法模式上，泥石流堵河事件臨界條件研究分為3類，分別為基于多動(dòng)態(tài)條件的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M、基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)性分析、基于動(dòng)量動(dòng)能的理論力學(xué)分析。

1.1.1 基于多動(dòng)態(tài)條件的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M

泥石流堵河事件的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M較為普遍，相關(guān)學(xué)者做了大量研究。主要方法是模擬在不同交匯角的條件下，主支溝的交匯及河床響應(yīng)過程，選擇不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)(例如：流量比、容重、規(guī)模)分析得出泥石流的堵河判別式。2000年，陳德明[11-12]以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)來研究泥石流堵江規(guī)律，通過一系列的水槽實(shí)驗(yàn)，提出泥石流的堵江判別式；2000年，王協(xié)康等[13]用試驗(yàn)手段模擬泥石流堵塞壩形成和潰決的過程，并對(duì)主河河床的響應(yīng)特征進(jìn)行研究； 2004年，郭志學(xué)等[14]對(duì)影響泥石流堵江的各因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究；2006年，崔鵬等[15]在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用主支單寬臨界流量比、動(dòng)量比、泥石流密度、入?yún)R角等因素，通過多因素回歸分析，得到泥石流體密度和入?yún)R角與主支單寬臨界流量比和動(dòng)量比的回歸方程，建立了流速、流量、入?yún)R角和密度堵河判別關(guān)系式； 2009年，黨超等[16]分析了泥石流堵河的主要影響因素，對(duì)這些無量綱參數(shù)進(jìn)行了一系列的泥石流堵塞主河試驗(yàn)，對(duì)比本次研究和其他文獻(xiàn)關(guān)于泥石流堵河試驗(yàn)的變量和結(jié)果，得出無量綱化的泥石流堵塞主河的臨界條件。

1.1.2 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)性分析

該方法主要以文獻(xiàn)查閱、實(shí)地調(diào)查得到各泥石流溝的基本數(shù)據(jù)和堵河特征資料，對(duì)堵河型泥石流基本特征進(jìn)行分析總結(jié)，得出計(jì)算泥石流堵斷主河的定性或動(dòng)量的經(jīng)驗(yàn)公式。1991年，周必凡等[10]從理論的角度對(duì)泥石流堵江事件進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上提出了泥石流堵江的最小規(guī)模、扇形地泥石流溝床條件、主河流量等計(jì)算公式；2008年，張金山等[9]通過文獻(xiàn)查閱、實(shí)地調(diào)查，得出計(jì)算泥石流堵斷主河可能性大小的經(jīng)驗(yàn)公式； 2010年，宋志等[2]對(duì)泥石流一次過程總量與堵河最小規(guī)模的計(jì)算，將一次過程總量與不同頻率下的泥石流流量進(jìn)行分析，得出磨西存在50年一周期的堵河可能性；2012年，劉翠容等[3]研究了典型堵河事件，提出了泥石流堵塞大河的特點(diǎn)：存在全堵、壅堵和局部堵塞3種堵河模式。局部堵塞是最普遍的堵河形式，高速水流沖刷異岸，或迫使主河改道而成災(zāi)是泥石流局部堵塞大河的主要成災(zāi)模式。

1.1.3 基于動(dòng)量動(dòng)能的理論力學(xué)分析

該方法主要為建立起泥石流沉積及泥石流與主河水流相互作用動(dòng)力學(xué)方程組，以動(dòng)量與動(dòng)能平衡為主要切入點(diǎn)，分析得到其各自的理論解，理論分析了泥石流堵斷主河的條件。1995年，匡尚富[17]從動(dòng)量原理出發(fā)，理論分析了泥石流入?yún)R形成天然壩堵塞主流的條件； 2003年，何易平[18]研究了短時(shí)泥石流作用堵塞主河的條件，利用非線性回歸方法得到了在泥石流堵河臨界狀態(tài)下的主支單寬流量比和動(dòng)量比與上述影響因素的復(fù)式回歸方程，得到了泥石流堵河的動(dòng)量和流量判別式指標(biāo)。

1.2 泥石流堵斷主河評(píng)價(jià)參數(shù)選擇

影響泥石流堵河的因數(shù)較多，具有極大的不確定性，如區(qū)域差異、流域滑坡突發(fā)性、交匯地形溝道起伏，使得臨界條件研究的參數(shù)體系的確定極為困難。對(duì)泥石流個(gè)體來講，研究的主要參數(shù)為容重、規(guī)模、流速、流量。對(duì)泥石流與主河交匯的綜合考慮，目前的研究多集中在匯流角、流量比、輸沙規(guī)模、動(dòng)量比。對(duì)泥石流堵河研究的不同手段模式，選取了有適應(yīng)性的研究參數(shù)開展指標(biāo)分析(圖1)。

圖1 泥石流堵河研究參數(shù)選擇

Fig.1 Selection of the parameters for the river blocking by debris flows

從圖1可知，目前的泥石流堵河臨界條件研究多集中選擇一些傳統(tǒng)型的參數(shù)，存在著一些不足。未能考慮各堵河因素對(duì)泥石流堵塞主河的綜合作用，如考慮泥石流總量的系數(shù)法、考慮泥石流容重(粘度)的容重法、考慮泥石流顆粒大小的粒度法、考慮泥石流堵河堆積量和堆積形式的形態(tài)法，未能對(duì)泥石流體的物理性質(zhì)做定量的研究[9]。對(duì)泥石流堵河的參數(shù)考慮有限，多集中于傳統(tǒng)的考慮參數(shù)，比如交匯角、流量比、容重、流速比、主河寬度、主河比降等因子，并未從流體運(yùn)動(dòng)力學(xué)上進(jìn)行力學(xué)的機(jī)理分析，或者這方面的分析較為簡(jiǎn)單[19-20]。

2 未來泥石流堵河研究的方向

對(duì)泥石流堵河的臨界條件研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者取得了較大的進(jìn)展，但對(duì)泥石流堵斷主河的內(nèi)在機(jī)理研究較少，或仍不明確，主要是選取傳統(tǒng)的典型參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，且堵河臨界條件往往不具有代表性。未來泥石流堵河的研究方向主要應(yīng)集中在以下方面。

2.1 泥石流堵斷主河機(jī)理研究

目前，泥石流堵河機(jī)理研究多集中經(jīng)驗(yàn)型的公式判別。對(duì)泥石流的理論模型集中在兩相流。該兩相流理論分為兩類：第一類將漿體和粗顆粒分別用一組方程來描述，第二類是應(yīng)用土力學(xué)和流體力學(xué)相結(jié)合的庫(kù)侖顆粒流模型。與第一類不同的是，這類模型將漿體與粗顆粒的兩組方程相加，從而將漿體與粗顆粒的作用力消去[20- 22]。但是在動(dòng)力學(xué)方程中精確地描述泥石流與主河水流交匯時(shí)的相互作用可能性小，根本原因在于兩者的相互作用是基于面上的，與基于單位流“體”的動(dòng)力學(xué)方程無法協(xié)調(diào)統(tǒng)一。所以，研究泥石流堵河的機(jī)理研究應(yīng)從質(zhì)量守恒方程、動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)量動(dòng)能方程進(jìn)行公式推導(dǎo)，增加或選取關(guān)鍵性參數(shù)因子參與理論推導(dǎo)，力求在力學(xué)上建立主支溝交匯堵塞的理論方程。

2.2 RS、GIS技術(shù)的應(yīng)用

以往的泥石流堵河調(diào)查多是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的定性和半定量調(diào)查數(shù)據(jù)，只能得到堵河平面形態(tài)、平均堵河高度等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)，對(duì)堵河的全過程定量描述具有一定的局限性。同時(shí)，由于目前遙感調(diào)查存在數(shù)據(jù)更新的時(shí)滯性，難以對(duì)堵河過程進(jìn)行及時(shí)跟蹤和數(shù)據(jù)處理。在今后GIS技術(shù)普及面廣的情況下，盡可能得到及時(shí)的高精度衛(wèi)星影像和立體生成高精度數(shù)字高程模型(DEM)，其時(shí)效性盡可能還原堵河前、堵河中、堵河潰決后3個(gè)時(shí)間段的高分辨影像圖，對(duì)堵河的宏觀形態(tài)進(jìn)行全面掌握(避免實(shí)驗(yàn)堵河的人為性)、得出溝道內(nèi)松散物源的動(dòng)態(tài)變化過程和定量數(shù)據(jù)，分析泥石流堵河的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，能較好得還原歷史形態(tài)，并能為臨界條件判別式提供對(duì)比驗(yàn)證的準(zhǔn)確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 原型模擬堵河試驗(yàn)及判別式

目前的泥石流堵河室內(nèi)試驗(yàn)多集中于規(guī)則的主支槽，人為的交匯角、平滑的交匯區(qū)溝床條件，傳統(tǒng)的臨界判別參數(shù)，往往與實(shí)際堵河的環(huán)境有較大的區(qū)別。在滑坡物理模擬較為成熟的條件下，應(yīng)對(duì)泥石流堵河試驗(yàn)開展原型模擬試驗(yàn)，選取采取幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似或動(dòng)力相似進(jìn)行模型試驗(yàn)，客觀反映堵河的各要素。原型模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵要素包括主支溝交匯區(qū)地形、縱坡、流量比、顆粒級(jí)配、溝道形態(tài)、溝道阻力系數(shù)等，避免傳統(tǒng)的泥石流堵河參數(shù)選擇的單一性、隨意性、理論性。對(duì)模型試驗(yàn)得出的現(xiàn)象進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、參數(shù)修正，最后達(dá)到與客觀堵河事件的一致性。在原型模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析所選取堵河事件的形成機(jī)理，總結(jié)力學(xué)機(jī)制分析、對(duì)已發(fā)生的泥石流堵河事件進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確定臨界條件判別式。

3 結(jié)論

自20世紀(jì)90年代開始，泥石流堵斷主河臨界條件研究取得了較大進(jìn)展，開展了多動(dòng)態(tài)室內(nèi)模擬試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)性分析、動(dòng)量動(dòng)能的理論力學(xué)分析，取得了基于不同方法的臨界條件判別式，但對(duì)泥石流堵河的力學(xué)形成機(jī)制、堵河的數(shù)值模擬、堵河原型模擬試驗(yàn)、多時(shí)段的遙感運(yùn)用等方面的研究仍需解決和深入。泥石流堵河的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在其影響因素的多樣性，還表現(xiàn)為堵河的內(nèi)在機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性。前人所做的臨界條件往往對(duì)具體環(huán)境下的單溝能夠較好適應(yīng)，而對(duì)一定數(shù)量的其它泥石流堵河事件往往對(duì)比驗(yàn)證較差。對(duì)泥石流堵河臨界條件的研究需要運(yùn)用到土力學(xué)、水力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論才能解決。在前人研究的基礎(chǔ)上，開展泥石流堵河機(jī)理研究、 RS、GIS技術(shù)的應(yīng)用、原型模擬堵河試驗(yàn)及判別式，也許能有效地解決泥石流堵河臨界條件的科學(xué)性和正確性，為實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)。

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Progress in the research of the critical conditions of river blocking by debris flows

SONG Zhi

(ChengduCenter，ChinaGeologicalSurvey，Chengdu610081，Sichuan，China)

Considerable progress has been made since 1990 in the research of the critical conditions of river blocking by debris flows， including the dynamic simulation test， correlation analysis， theoretical mechanical analysis of momentum and kinetic energy leading to the presentation of various discriminant formulas for critical conditions. The author in this study contends that some aspects remain resolved concerning mechanical mechanism， numerical modeling， prototype simulation test and multiphase remote sensing application to the research of river blocking by debris flows. The techniques such as remote sensing and geographical information system， prototype simulation test and discriminant formulas should also be applied in the future research aiming at providing scientific base for the disaster prevention and reduction.

debris flow; river blocking; critical condition; mechanical analysis

1009-3850(2015)03-0109-04

2015-06-12； 改回日期： 2015-07-08

宋志(1982-)，男，工程師，在職博士研究生，主要從事巖土工程與泥石流研究。E-mail:35842126@qq.com

成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所青年基金項(xiàng)目(所控基2014-05)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120114069501)

P694

A