泥石流堵塞主河試驗特征與模式

宋 志, 鄧榮貴, 陳澤碩

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081)

泥石流堵塞主河試驗特征與模式

宋 志1,2, 鄧榮貴1, 陳澤碩1

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081)

[目的] 分析泥石流入?yún)R主河后對主河的影響以及泥石流堵塞主河的模式機理。[方法] 通過泥石流堵河試驗,同時對歷史泥石流堵河案例進行調(diào)查研究和典型性深入剖析。[結(jié)果] 根據(jù)泥石流運動過程與淤積形態(tài)得出泥石流堵河的3種模式分別為頂沖堰塞堵斷模式、滲混堵塞潰決模式、束窄漸進式堵塞模式。對泥石流堵塞主河3種模式的運動與成災(zāi)機理進行了初步探索。[結(jié)論] 頂沖堰塞堵斷模式表現(xiàn)為龍頭頂沖對岸、物源塞滿主槽、脆弱區(qū)滲漏到主體垮塌的特征;滲混堵塞潰決模式表現(xiàn)為短時塞滿主槽，水流滲混堵塞，流量加大的特征;束窄漸進式堵塞模式表現(xiàn)為主槽斷面束窄、局部流量瞬時加大、漸進式局部堵塞的特征。當(dāng)前的歷史堵河事件以束窄漸進式堵塞為主,與試驗統(tǒng)計結(jié)果吻合較好。

泥石流; 堵河; 模式

泥石流驟然間將大量包含各種粒徑的泥沙輸入主河，在短時間內(nèi)改變主河水沙組成及局部邊界條件，對主河水沙特性、運動特性及演變規(guī)律等都帶來重要的影響。當(dāng)支溝泥石流與主河相關(guān)因素對比關(guān)系在某種范圍時，支溝泥石流有可能橫穿主河，完全堵斷主河水流，形成堵河堰塞壩體，在堰塞壩上游形成堰塞湖。而堰塞壩結(jié)構(gòu)性差、強度低，隨上游水位上漲壩體容易潰決而引發(fā)洪水等一系列次生災(zāi)害。

國內(nèi)學(xué)者對泥石流堵河也進行了大量的研究，提出了泥石流堵河模式及特征?？锷懈籟1]通過理論分析和試驗研究，探討了支溝泥石流到達主流匯流部后的特性。根據(jù)泥石流在匯流部的淤積堵塞狀況，將其特性大致分為如下3種類型： (1)泥石流的泥沙全部停積在匯流部； (2)支溝泥石流進入?yún)R流部后，部分泥沙淤積在匯流部而繼續(xù)流向下游； (3)支溝泥石流在匯流部不發(fā)生淤積而通過匯流部流向下游。陳德明[2]通過試驗，歸納出了泥石流與主河水流的4種作用方式，即泥石流堵河的4種模式：“部分—完全堵河模式”、“潛入模式”、“摻混并潛入模式”、“頂沖對岸模式”。陳春光等[3-4]通過室內(nèi)模型試驗，觀察到了泥石流入?yún)R主河的“潛壩壅堵”、“堰塞壩局部阻塞”、“堰塞壩全堵”3種泥石流堵河模式，并建立了局部堵河和泥石流潛壩式堵河的數(shù)學(xué)方程。劉翠容[5-6]研究了典型堵河事件，提出了泥石流堵塞大河的特點：存在全堵、壅堵和局部堵塞3種堵河模式；其中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)模式之一。本文以泥石流入?yún)R主河水槽模型試驗為基礎(chǔ)，研究泥石流堵河主河試驗特征研究與堵河模式，以期揭示泥石流與主河交匯初期相互作用機理，提出合理的泥石流堵河模式，以期為復(fù)雜山區(qū)泥石流防災(zāi)減災(zāi)提供理論與實踐依據(jù)。

1 試驗方案與裝置

通過對大量典型泥石流堵河事件的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，大部分泥石流溝平均縱坡都在90‰～300‰，也就是說大部分泥石流溝縱坡在5.1°～16.7°，如2009年8月18日，格地羅溝[7]泥石流堵塞臥羅河，格地羅溝平均縱坡為5°左右；2013年7月11日，七盤溝泥石流堵塞岷江，七盤溝[8]平均縱坡為9.6°；柳楊溝[9]平均縱坡為14.9°。對于泥石流溝與主河的交匯角，不外乎3種情況，即流向夾角呈銳角、直角和鈍角，從典型泥石流堵河事件統(tǒng)計分析來看，大部分的泥石流都是以直角或者近直角匯入主河道，也不乏銳角和鈍角入?yún)R的情況，如柳楊溝以近120°入?yún)R瓦斯河；培龍溝[10]1983—1985年泥石流分別以銳角、直角、鈍角方向入?yún)R帕隆藏布江。

泥石流堵塞主河試驗基本思路為：根據(jù)典型堵河事件統(tǒng)計分析結(jié)果，以主支槽交匯角為60°，90°，120°情況下，考慮主河物理參數(shù)的影響，選取了4°與8°不同主槽縱坡以及5°，10°，15°不同支槽縱坡來進行試驗。由于試驗條件不足，支槽泥石流流量難以控制，則通過控制不同容重、主槽流量關(guān)鍵參數(shù)，得出主支溝回水長度、潰決歷時等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最終，根據(jù)交匯區(qū)堆積與堵塞形態(tài)，建立泥石流堵河的判別指標。本文僅對60°主支槽交匯角試驗數(shù)據(jù)、試驗現(xiàn)象進行展示和分析。

試驗的方案較為簡易，其目的是由幾何規(guī)則的交匯形狀開展堵塞試驗，得出泥石流堵河普適性認識與模式。試驗的水槽為鐵皮定制，中部由橫向鐵桿支撐受力，保證鐵皮水槽的穩(wěn)定；主槽供流系統(tǒng)為水泵抽水至儲水池，用三角堰控制所需的主槽流量；支槽供流系統(tǒng)用簡易攪拌機攪拌后倒入支槽，其流量的大小與重力、沖擊力影響密切，所以支槽流量無法控制，只能通過現(xiàn)場流速計測量、泥痕反算泥石流流量，然后計算支主槽流量比，通過流量比單一變量對試驗結(jié)果進行分析；觀測系統(tǒng)由交匯區(qū)高程、豎橫刻度進行量測，通過數(shù)碼相機對支槽泥石流入?yún)R主槽全程影像采集，記錄支槽泥石流與主槽水流交匯個時刻的特征；在切斷主槽水流后，對泥石流在主槽中的堆積體物理參數(shù)進行測量以及繪制堆積體形態(tài)素描圖。泥石流堵河數(shù)據(jù)展示見表1。

2 試驗?zāi)Ｊ窖芯?/h2>

通過在I類60°主支槽交匯角大類下，劃分為Ⅱ類，及主槽縱坡為4°和8°情況，再細分為Ⅲ類情況(支槽縱坡為5°,10°,15°)下6種不同工況條件下，開展不同物質(zhì)組成(黏、粉、砂、礫石、混合土)共計30組泥石流堵河試驗。通過分析支槽泥石流入?yún)R主槽后各時刻的影像記錄、對應(yīng)的堆積體物理參數(shù)以及堵塞體寬度與主槽寬度之比來綜合確定各組試驗的堵河模式類型。本次泥石流堵河試驗的特征較為明顯，數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，可分為4種類型： (1) 頂沖堰塞堵斷模式； (2) 滲混堵塞潰決模式； (3) 束窄漸進式堵塞； (4) 未堵，其主要交匯機理如下。

2.1 頂沖堰塞堵斷模式

泥石流體在短時內(nèi)匯入主槽，完全堵斷主槽，形成典型的堰塞體，其雍水高度以14～16 cm為主，回水長度5～10 cm，潰決前多歷時5～8 s。在堵斷模式下，堵河各特征表現(xiàn)明顯：瞬時匯入主槽—龍頭頂沖對岸—物源塞滿主槽—主槽水位上漲—主支槽回水形成—堵塞體脆弱區(qū)滲漏—堵塞體主體失穩(wěn)垮塌—潰壩。

頂沖堰塞堵斷模式下的各參數(shù)表現(xiàn)為泥石流體容重大，以過渡性和黏性泥石流為主、物質(zhì)抗剪切應(yīng)力強，支主溝流量比大、主河水深不大。出現(xiàn)該模式的原因主要是泥石流沖出固體物質(zhì)總量足夠多、沉積速度較快、流量相對較大而主河的水流不能及時將運動堆積的泥石流體沖刷帶走，也無法改變泥石流的流向使之向下游運動時，入?yún)R的泥石流將會在短時間內(nèi)運動到主河對岸，堵塞河道形成暫時性的天然壩，使之?dāng)嗔?見圖1)。

表1 泥石流堵河數(shù)據(jù)

圖1 頂沖堰塞堵斷模式下沖刷淤積特征

2.2 滲混堵塞潰決模式

泥石流體匯入主河后，基本上塞滿主槽，物質(zhì)滲混主槽，形成短時的堵塞體，在交匯口主支槽水流作用強烈，水位上漲，相互作用。短時堰塞體歷時2～4 s，壅水高度以5～8 cm為主，回水長度3～8 cm。在基本堵斷模式下，特征表現(xiàn)明顯：泥石流體匯入支槽—短時塞滿主槽—水流滲混堵塞—流量加大—堵塞體主體失穩(wěn)垮塌—潰壩。滲混堵塞模式下的各參數(shù)表現(xiàn)為泥石流體容重較高，以黏性泥石流為主，支主溝流量比較大、主河水流作用較強烈。出現(xiàn)該模式的主要原因是部分泥石流的固體成分潛入主河、向?qū)Π哆\動或者沉積；另外部分泥石流的水以及較小顆粒與主河水流發(fā)生滲混現(xiàn)象。泥石流體遭到主河水流剪切與紊動作用，泥石流與水流混合，引起局部地區(qū)水體含沙量的增加，形成高含沙水流或一般挾沙水流流向下游(見圖2)。

2.3 束窄漸進式堵塞模式

泥石流體匯入主槽后，在主支槽共同水流作用下，龍頭迅速抵達對岸下游，主槽斷面被束窄，局部流量瞬時加大，主槽交匯區(qū)下游兩側(cè)形成側(cè)堤磧，堵塞主槽為漸進式推進，始終未完全堵斷主槽。特征表現(xiàn)明顯：泥石流體匯入支槽—龍頭與主槽水流作用—龍頭抵達斜下游—主槽斷面束窄—局部流量瞬時加大—漸進式局部堵塞—下游兩側(cè)側(cè)堤磧形成。半堵斷模式各參數(shù)表現(xiàn)為泥石流體容重中—高，以過渡性和稀性泥石流為主，主河水流作用較強烈。出現(xiàn)該模式主要原因是主槽兩側(cè)水流相對主槽中間水流流速較慢、水深度較淺，同時泥石流少含大粒徑，泥石流匯入主槽后，能夠達到對岸，但是于由水流對中間部位泥沙沖刷較強，位于中間部位的泥沙被沖走或至下游沉積。隨泥石流繼續(xù)匯入，兩側(cè)堤磧逐漸增寬向中心靠攏，但由于水流進一步束窄，水流的流速流量增加，后續(xù)入?yún)R泥沙未能在此處沉積，始終未完全堵斷主槽(見圖3)。

圖2 滲混堵塞潰決模式下沖刷淤積特征

圖3 束窄漸進式堵塞模式下沖刷淤積特征

2.4 未 堵

泥石流進入主槽后，堆積體未形成即被主槽水流帶走，從地貌上未有泥石流強烈的活動特征。未堵模式下，泥石流體容重低，流量比小，主槽水流作用強烈(見圖4)。

圖4 未堵模式下沖刷淤積特征

2.5 試驗統(tǒng)計分析

通過30組泥石流堵塞主河試驗，對運動過程與堆積形態(tài)分析后得出的頂沖堰塞堵斷模式、滲混堵塞潰決模式、束窄漸進式堵塞模式、未堵4種模式所占數(shù)量分別為5，7，14，4處，其中，束窄漸進式堵塞占近50%，是堵河試驗中常見的堵塞模式。

3 流量比與堵河模式

試驗中支槽泥石流流量難以控制，故采用流量比對試驗結(jié)果進行分析，流量比反映的是支流流量與主河水流流量的比例關(guān)系，是影響水位壅高以及交匯區(qū)淤積體大小的主要因素。流量比越大，支流流勢越強，泥石流對主河的作用越明顯，大流量的泥石流在有限的主河寬度方向運動不僅阻礙主河的水流運動造成主河壅水，而且將大量泥沙帶入主河，在交匯口沿橫向和縱向沉積在主河內(nèi)，甚至堵江。小流量的泥石流在主河強大的水流沖刷下沉積的泥沙也很容易被主河水流帶走，很難形成堵江。且不同流量比下的堵河形成模式也存在著明顯差異。通過對30組試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，泥石流堵塞主河的模式與主槽流量和支槽流量對比的數(shù)量存在密切關(guān)系。在不同支主槽流量比條件下泥石流堵河的不同模式如圖5所示。

注： 堵河模式：1頂沖堰塞堵斷； 2滲混堵塞潰決；3束窄漸進式堵塞； 4未堵

圖5 不同流量比條件下各堵河模式次數(shù)統(tǒng)計

從圖5中可看出，隨流量比的增加，各不同容重情況向下的試驗結(jié)果呈現(xiàn)相同的變化趨勢。表現(xiàn)為，隨流量比的增加，從束窄漸進堵塞模式向頂沖堰塞堵斷模式變化。當(dāng)流量比小于2.0時，不會出現(xiàn)頂沖堰塞模式和滲混堵塞潰決模式，也就是說此時泥石流只能不堵或者部分堵河，不會發(fā)生泥石流全堵主河；當(dāng)流量比大于2.2時，全為頂沖堰塞模式，泥石流全堵主河；當(dāng)流量比在2.0～2.2時，3種堵河模式都有發(fā)生，還受其他因素影響。

4 歷史堵河案例模式初探

復(fù)雜山區(qū)泥石流堵河事件頻繁發(fā)生，尤其，在經(jīng)歷極端天氣與特大地震，地質(zhì)條件脆弱區(qū)常常發(fā)生群發(fā)性泥石流堵河事件，例如，2013年7月4日，石棉縣特大山洪造成馬頸子溝、廣元堡后溝群發(fā)性泥石流堵河事件；2013年7月11日，汶川縣沿岷江沿線發(fā)生七盤溝等多出泥石流堵河事件。通過遙感解譯、實地調(diào)查等手段，本文選取了多處具有典型性案例進行調(diào)查研究，并對2005年7月11日，瀘定縣磨西河堵塞大渡河；2013年7月4日，石棉縣廣元堡后溝堵塞南椏河進行了深入剖析，典型案例遙感解譯見圖6—7。圖6中磨西河泥石流入?yún)R大渡河，泥石流達到大渡河對岸，龍頭撞擊對岸，但由于大渡河河靠近兩岸水深較中部淺，水流速度較慢，達到河流中部的泥石流被沖刷帶到下游，在入?yún)R口以下河流兩岸形成了長條形的側(cè)堤磧，在龍頭撞擊處附近束窄最嚴重，束窄河流過流斷面寬度，隨泥石流入?yún)R，過流斷面被進一步束窄。同樣，圖7中廣元堡后溝入?yún)R南椏河束窄南椏河過流斷面，漸進堵河。

圖6 2005年磨西河堵河遙感解譯

典型堵河事件資料顯示：磨西河平均縱坡為10.2%，也就是5.8°左右，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查計算發(fā)現(xiàn)該次泥石流堵河為50年一遇，泥石流流量和洪峰流量分別為4 083和2 722 m3/s，流量比為1.5左右[11]；廣元堡后溝主溝平均縱坡為236‰，也就是13.3°左右，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查試驗確定泥石流容重中—高，在1.60～1.80 g/cm3，50年一遇泥石流峰值流量達到了232.11 m3/s，南椏河最大洪峰流量200 m3/s，年平均流量47.7 m3/s，但是，廣元堡溝口地段地形較為開闊、平緩泥石流運動至此，其能量可以得到較大程度的釋放，多數(shù)會停積于溝口，且進入南椏河的泥石流流體一般容易被河水搬運[12]，堵河模式均以束窄漸進式堵塞為主，與試驗結(jié)果較好吻合。

圖7 2013年廣元堡后溝遙感解譯

通過歷史泥石流堵河統(tǒng)計分析，當(dāng)前泥石流堵河事件以束窄漸進式堵塞模式為主，主要的特征表現(xiàn)為主槽斷面被束窄，局部流量瞬時加大，主槽交匯區(qū)下游兩側(cè)形成側(cè)堤磧，堵塞主槽為漸進式推進，始終未完全堵斷主槽，這與西南山區(qū)主河強水動力特點有關(guān)，西南地區(qū)發(fā)生泥石流入?yún)R河流多為山谷河流，靠近兩岸水深較河流中心淺，流量流速相對河流中心小，盡管兩岸泥石流活動也很強烈，泥石流在匯入主河后能夠到達對岸，但是大量砂石在強大的主河道中心水流作用下以懸移質(zhì)的形式被水流沖走，直到相當(dāng)距離后才落淤下來；而在河流靠岸兩側(cè)水流對泥石流作用相對較小，泥石流主體在出山口處入?yún)R口形成堆積地區(qū)；最終在入?yún)R口下游兩側(cè)形成側(cè)堤磧，束窄后的河道中心水流流速流量進一步增大，使得泥石流完全堵斷主河的概率較小，從而呈現(xiàn)束窄—漸進—壅堵的特征。歷史上泥石流堵河事件與試驗結(jié)果有較好的吻合，案例與試驗得出的堵河模式均以束窄漸進式堵塞為主。

5 結(jié) 論

(1) 通過泥石流堵河試驗,根據(jù)泥石流運動過程與淤積形態(tài)得出泥石流堵河的3種模式,分別為頂沖堰塞堵斷模式、滲混堵塞潰決模式、束窄漸進式堵塞模式。

(2) 對泥石流堵塞主河3種模式的運動與成災(zāi)機理進行了初步探索。頂沖堰塞堵斷模式表現(xiàn)為龍頭頂沖對岸、物源塞滿主槽、脆弱區(qū)滲漏到主體垮塌的特征;滲混堵塞潰決模式表現(xiàn)為短時塞滿主槽、水流滲混堵塞、流量加大的特征;束窄漸進式堵塞模式表現(xiàn)為主槽斷面束窄、局部流量瞬時加大、漸進式局部堵塞的特征。

(3) 對歷史泥石流堵河案例進行調(diào)查研究和典型性深入剖析。當(dāng)前的歷史堵河事件以束窄漸進式堵塞為主,與試驗統(tǒng)計結(jié)果有較好的吻合。

(4) 不同流量比發(fā)生的堵河模式不同,堵塞主河程度也不同。當(dāng)流量比小于2.0時,此時泥石流不堵或者部分堵河;當(dāng)流量比大于2.2時,將發(fā)生泥石流全堵主河。

[1] 匡尚富.匯流部泥石流的特性和淤積過程的研究[J].泥沙研究,1995,3(1):1-15.

[2] 陳德明.泥石流與主河水流交匯機理及其河床響應(yīng)特征[D].北京:中國水利水電科學(xué)研究院,2000.

[3] 陳春光,姚令侃,楊慶華,等.基于堰流理論的泥石流堵河模型研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2012,21(6):131-135.

[4] 陳春光,姚令侃,劉翠容.泥石流堵河條件的研究[J].水利學(xué)報,2013,44(6):648-656.

[5] 劉翠容,姚令侃.泥石流堵塞大河的特點及異岸受災(zāi)判據(jù)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版,2012,44(5):93-100.

[6] Liu Cuirong, Du Cui. Characteristic and criteria of debris flow partially blocking big river [J].Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science, 2014,33(1):79-84.

[7] 王崢嶸,鄧輝,黃潤秋.格地羅溝高頻泥石流特征及成因機制研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2014,10(5):1198-1202.

[8] 曾超,崔鵬,葛永剛,等.四川汶川七盤溝“7·11”泥石流破壞建筑物的特征與力學(xué)模型[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報,2014,36(2):81-91.

[9] 彭秀紅,徐佩華.柳楊溝泥石流特征及其工程影響分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2007,15(3):374-379.

[10] 朱平一,程尊蘭,游勇,等.川藏公路培龍溝泥石流輸砂堵江成因探討[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2000,9(1):80-83.

[11] 宋志,巴仁基,劉宇杰.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[J].災(zāi)害學(xué),2010,25(3):71-73.

[12] 地礦眉山工程勘察院.四川省雅安市石棉縣廣元堡泥石流治理工程補充勘查報告[R].四川 眉山:地礦眉山工程勘察院,2011.

Expermental Characteristics and Mode of Debris Flow Blocking Main River

SONG Zhi1,2, DENG Ronggui1, CHEN Zeshuo1

(1.CollegeofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China;2.ChengduCenterofChinaGeologicalSurvey,Chengdu,Sichuan610081,China)

[Objective] The objective of this study is to analyze the impact of debris flow on the main river and the possibility of debris flow blocking the main river. [Methods] We conducted experiments for the debris flow blocked river tests, and analyzed the debris flow blocking the river cases in history. [Results] Three basic modes of debris flow blocking river were concluded according to debris flow motion and deposition morphology. These modes included top damming block mode, seepage mixed jamming burst mode and narrow beam progressive blocking mode. Based on three modes, we studied the motion and the disaster mechanism of the debris flow blocking river. [Conclusion] The top rushed damming block mode was characterized as the top leading rushed across the side bank, provenance stuffed the main channel and the fragile parts seeped to the collapsed body. The seepage mixed jamming burst mode was characterized as short-term crammed into the main channel, water permeability mixed jam and increased flow. The narrow beam progressive blockage model was characterized as based groove section of narrow beam, local flow transient increasing and gradual local blockage. The current history in the river blocking events is mainly narrow and progressive blockage, and the results agree with the experimental results.

debris flow; blocking river; mode

2015-04-02

2015-06-03

成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所青年資助項目“極端條件下泥石流堵河災(zāi)害鏈效應(yīng)與模型試驗”(所控基[2014]-05); 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室開放基金(SKLGP2014K020); 中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(12120114069501)

宋志(1982—),男(漢族),四川省宣漢縣人,博士研究生,工程師,主要從事巖土工程與泥石流研究。 E-mail:35842126@qq.com。

鄧榮貴(1960—),男(漢族),四川省自貢市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事巖土工程與地質(zhì)災(zāi)害及防治研究。 E-mail:1305118903 @qq.com。

A

1000-288X(2015)05-0100-06

P642.23