寺溝泥石流沖擊力對(duì)影響因素的敏感性分析

楊尚遠(yuǎn)，趙 懷

(1.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124；2.甘肅地質(zhì)工程勘察院，甘肅張掖734000)

寺溝泥石流沖擊力對(duì)影響因素的敏感性分析

楊尚遠(yuǎn)*1，趙 懷2

(1.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124；2.甘肅地質(zhì)工程勘察院，甘肅張掖734000)

泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力對(duì)不同因素的敏感性存在明顯差異，以寺溝泥石流為例，在取得水文與環(huán)境地質(zhì)條件資料、設(shè)計(jì)頻率下的各因素基準(zhǔn)值和各因素變動(dòng)范圍基礎(chǔ)上，最終分析比較寺溝泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力對(duì)10個(gè)因素的敏感系數(shù)。據(jù)此做出相應(yīng)的治理措施建議，確定沖擊力計(jì)算中需提高精度水平的參數(shù)。

寺溝；泥石流沖擊力；影響因素；敏感系數(shù)

1 概述

中國是泥石流多發(fā)的國家，泥石流暴發(fā)造成的損失是巨大的。在泥石流危險(xiǎn)評(píng)估和防治工程設(shè)計(jì)中泥石流沖擊力是最重要的力學(xué)參數(shù)[1]，在泥石流綜合治理中如何有效地減小泥石流沖擊力變得尤為重要，比較泥石流沖擊力對(duì)各影響因素的敏感性，對(duì)在泥石流綜合治理中提出科學(xué)合理的治理措施、在防治工程設(shè)計(jì)中提高泥石流沖擊力的計(jì)算精度具有重要意義。

唐川等根據(jù)巖石的不同種類及軟硬程度對(duì)巖土體進(jìn)行分類，對(duì)巖性進(jìn)行泥石流敏感性計(jì)算[2-3]等等。本文抽取泥石流沖擊力的10個(gè)影響因素：流域面積、溝槽縱坡度、年最大24h降雨量均值、匯流參數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、泥石流密度、堵塞系數(shù)、建筑物形狀系數(shù)、受力面與沖擊力夾角、石塊質(zhì)量，引入敏感系數(shù)概念，定義敏感系數(shù)計(jì)算公式，比較各因素對(duì)泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力的敏感系數(shù)，以寺溝泥石流為例進(jìn)行敏感性比較、做出寺溝泥石流綜合治理措施建議和確定沖擊力計(jì)算中需提高精度水平的參數(shù)。

2 敏感性分析方法

泥石流沖擊力分為泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，需分別計(jì)算敏感性，如圖1所示。步聚如下：

圖1 泥石流沖擊力敏感性分析技術(shù)路線

（1）泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力受各種內(nèi)在因素和外部因素變動(dòng)的影響，諸如氣溫、降雨、巖土類型與性質(zhì)、植被、流域、泥石流溝形態(tài)、人為活動(dòng)等，抽取泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力的10個(gè)影響因素：流域面積、溝槽縱坡度、年最大24h降雨量均值、匯流參數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、泥石流密度、堵塞系數(shù)、建筑物形狀系數(shù)、受力面與沖擊力夾角、石塊質(zhì)量。

（2）選擇10個(gè)因素的基準(zhǔn)參數(shù)，計(jì)算基準(zhǔn)條件下泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，在此基礎(chǔ)上變動(dòng)其中的某一參量，其它參數(shù)固定不變，計(jì)算出該參量在其變化范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)沖擊力隨之變化的結(jié)果。

（3）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，引入敏感系數(shù)S：

式中，對(duì)于泥石流整體沖擊力，η1=， η2=；對(duì)于石塊沖擊力，η1=， η2=，ΔX為某因素的變化量，Xmax-Xmin為某因素最大變化量，Δδ、ΔG為δ、G對(duì)應(yīng)ΔX的變化量，δO、GO為δ、G的基準(zhǔn)值。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制各因素 X的Sδ-X、SG-X曲線，比較各因素基準(zhǔn)值處的敏感系數(shù)大小，分析總結(jié)，做出泥石流綜合治理措施的建議和確定沖擊力計(jì)算中需精度水平的參數(shù)。

其中，傳統(tǒng)泥石流流速是按

計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中式（2）的泥石流流速計(jì)算精確度不高[4]，所以本文應(yīng)用推理公式計(jì)算清水流理[5]（計(jì)算方法在此不贅述），據(jù)此計(jì)算泥石流流量，由于應(yīng)用推理公式計(jì)算泥石流流量計(jì)算精度較式（2）計(jì)算精度高，試采用公式（3）來計(jì)算泥石流流速：

式中：QC——泥石流流量；

A——過泥斷面面積。

3 沖擊力敏感性分析

3.1 水文與環(huán)境地質(zhì)條件

寺溝泥石流位于甘肅省隴南市武都縣玉皇鄉(xiāng)。東靠黃坪鄉(xiāng)，西鄰三河鄉(xiāng)，北連郭河鄉(xiāng)，南與琵琶鄉(xiāng)接壤，寺溝溝口位于福津河右側(cè)石家村。溝口地理坐標(biāo)東經(jīng)105°12′12″，北緯33°18′45″。其氣象條件見圖2。流域平面形態(tài)近似“殘?jiān)隆毙危饔騼?nèi)溝谷分布形態(tài)呈“桃葉”形，流域平均縱向長度約6.47km，平均寬度2.08km，流域面積13.5km2。流域最高點(diǎn)位于山尖上，海拔高度2500m，最低點(diǎn)位于寺溝與福津河交匯處，海拔高度1180m，相對(duì)高差1320m。全流域溝谷為深切割“V”型谷，具有岸坡陡峻、切割深度較大等特點(diǎn)。主溝縱長3.05km，主溝形成點(diǎn)即兩支溝交匯處高程為1800m，與溝口相對(duì)高差620m，主溝平均縱坡降203.5‰，其中上游溝段縱坡陡峻，平均縱坡360.9‰，而下游至岷江入口段縱坡略緩，縱坡150‰～180‰，且呈現(xiàn)陡緩相間的空間變化特征。溝腦兩條支溝主溝道長分別為3.58km、1.64km，左側(cè)支溝溝谷比降125‰，右側(cè)支溝溝谷比降183‰。溝槽總體上較為狹窄，形態(tài)呈“U”形，溝槽寬度20～80m，但局部地段也較為狹窄，形成寬窄相間的變化特點(diǎn)，局部形成卡口。

圖2 寺溝氣象要素圖

按照不同分類方法，寺溝為暴雨型、坡面侵蝕型、溝谷型、高頻、稀性、衰退期泥石流。

3.2 各因素參數(shù)選取與敏感性計(jì)算

寺溝泥石流治理工程按2%的設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)，10個(gè)影響因素的基準(zhǔn)值見表1，各因素最大值、最小值確定如下：

表1 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力在各因素基準(zhǔn)值處對(duì)各因素的敏感系數(shù)

（1）流域面積。根據(jù)遙感資料，我們發(fā)現(xiàn)上游左岸部分流域有可能通過工程措施使其減小，面積為Fmax=13.5km2，F(xiàn)min=12.6km2。

（2）主溝縱坡度。對(duì)寺溝調(diào)查發(fā)現(xiàn)寺溝各段溝槽縱坡度不同，上游溝段縱坡陡峻，平均縱坡度20°，下游至岷江入口段縱坡低緩，平均縱坡度8.5°,則選取βmax=20°，βmin=8.5°。

（3）年最大24h降雨量均值。對(duì)寺溝多年的降雨量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在不同年代計(jì)算出的年最大24h降雨量均值在86～93mm內(nèi)變動(dòng)，確定-H24max=93mm，-H24min= 86mm。

（4）匯流參數(shù)。因寺溝流域系數(shù)為2.71，查《匯流參數(shù)值表》可知，此流域系數(shù)下的匯流參數(shù)的變化范圍為0.2～1.3，選取mmax=1.3，mmin=0.2。

（5）降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)。查《降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)表》可知，據(jù)寺溝最大24h降雨量、流域內(nèi)土體類型可能變化情況，確定αmax=0.75，αmin= 0.6。

（6）泥石流密度。泥石流密度的下限為清水密度，上限為 1900kg/m3，則 γCmax=1900kg/m3，γCmin= 1000kg/m3。

（7）堵塞系數(shù)。查《堵塞系數(shù)表》可知堵塞系數(shù)在1～13內(nèi)取值，則DCmax=13，DCmin=1。

（8）建筑物形狀系數(shù)。圓形建筑物為1.0，矩形建筑物為1.33，方形建筑物為1.47，則λmax=1.47，λmin= 1.0。

（9）受力面與沖擊力夾角。取θmax=90°，θmin=0°。

（10）石塊質(zhì)量。此設(shè)計(jì)頻率下泥石流能夠搬運(yùn)的最大石塊質(zhì)量為Wmax=3073kg，Wmin=0kg。

按照敏感性計(jì)算步驟得出各因素不同值對(duì)應(yīng)的敏感系數(shù)，繪制敏感系數(shù)—影響因素回歸曲線，并確定曲線函數(shù)表達(dá)式，見圖3～圖12。

圖3 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—流域面積關(guān)系曲線

圖4 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—主溝縱坡度關(guān)系曲線

圖5 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—年最大24h降雨量均值關(guān)系曲線

圖6 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—匯流參數(shù)關(guān)系曲線

圖7 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—降雨歷時(shí)為24h徑流系數(shù)關(guān)系曲線

圖8 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—泥石流密度關(guān)系曲線

圖9 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—堵塞系數(shù)關(guān)系曲線

圖10 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—建筑物形狀系數(shù)關(guān)系曲線

圖11 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—受力面與沖擊力夾角關(guān)系曲線

圖12 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—石塊質(zhì)量關(guān)系曲線

圖3～圖12說明，在設(shè)計(jì)頻率下，泥石流整體沖擊力和石塊整體沖擊力對(duì)10個(gè)因素的敏感性大小有較大差異。

4 結(jié)論與建議

寺溝泥石流整體沖擊力對(duì)堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度3個(gè)因素的敏感性大，對(duì)主溝縱坡度、建筑物形狀系數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、年最大24h降雨量均值、流域面積5個(gè)因素的敏感性中等，對(duì)受力面與沖擊力夾角的敏感性小，對(duì)石塊質(zhì)量不具敏感性。

寺溝泥石流石塊沖擊力對(duì)堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量4個(gè)因素的敏感性大，對(duì)主溝縱坡度、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、年最大24h降雨量均值、流域面積4個(gè)因素的敏感性中等，對(duì)受力面與沖擊力夾角的敏感性小，對(duì)建筑物形狀系數(shù)不具敏感性。

綜述，對(duì)于寺溝泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量為敏感性大的因素，提出以下建議：

（1）由于4個(gè)因素的變化對(duì)泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力影響較大，在寺溝泥石流沖擊力計(jì)算中須提高4者的精度水平；

（2）在寺溝泥石流綜合治理過程中要控制寺溝泥石流的整體沖擊力和石塊沖擊力，關(guān)鍵在減小寺溝的堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量。開展以下措施：

①堵塞系數(shù)由流通區(qū)溝槽彎曲度、寬窄不均勻性、泥石流粘性稠度決定，治理中需排除流通區(qū)中的大石塊，平直順暢流通區(qū)，減少生活垃圾向泥石流溝的排放，減小徑流對(duì)物源區(qū)粘性土的沖蝕，在物源區(qū)積極植樹造林；

②匯流參數(shù)由雨洪特征、清水匯集溝槽特性、土壤植被、流域特征系數(shù)決定，泥石流治理時(shí)需增加清水匯集區(qū)的植被覆蓋率特別是灌土林的覆蓋率、增加形成區(qū)溝槽的大卵石、大礫石的數(shù)量、杜絕開墾梯田；

③泥石流密度由降雨量、物源區(qū)巖土類型與性質(zhì)、植被覆蓋率所影響，泥石流治理中應(yīng)增加植被覆蓋率、治理物源區(qū)的不良地質(zhì)災(zāi)害（如崩塌、滑坡、危巖體）、增加出露巖土體的強(qiáng)度減小其風(fēng)化速度；

④石塊質(zhì)量受石塊重度、石塊體積、石塊強(qiáng)度的影響，在物源區(qū)應(yīng)防止大石塊進(jìn)入流通區(qū)，排除流通溝槽的大石塊，同時(shí)對(duì)物源區(qū)的不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。

[1]費(fèi)祥俊，舒安平.泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]唐川.金沙江流域(云南境內(nèi))山地災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].山地學(xué)報(bào),2004,22(4):451-460.

[3]唐川.云南怒江流域泥石流敏感性空間分析[J].地理研究, 2005,24(2):178-185.

[4]中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.泥石流研究與防治[M].四川：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[5]葉鎮(zhèn)國.土木工程水文學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2000.

P642.23

A

1004-5716(2015)03-0019-05

2013-06-05

2014-03-31

楊尚遠(yuǎn)（1975-），男（漢族），廣西靈山人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害預(yù)測與防治工作。