甘肅省南部泥石流運動規(guī)律的分析與研究
——以甘肅舟曲三眼峪溝為例*

舒和平，韓　拓，齊　識，馬金珠

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

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甘肅省南部泥石流運動規(guī)律的分析與研究
——以甘肅舟曲三眼峪溝為例*

舒和平，韓拓，齊識，馬金珠

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

摘要:以相似性原理為基礎(chǔ)，選擇恰當?shù)谋瘸?，在甘肅省隴南市武都區(qū)野外構(gòu)建泥石流物理模型，重現(xiàn)了舟曲“8·8”特大泥石流災(zāi)害發(fā)生過程。通過物理實驗?zāi)M，測得泥石流運動的平均流速為0.741 7 m/s，沖擊力為1.99 N，最大堆積厚度為6.1 cm，堆積面積達3.64 m2,并勾勒出堆積形態(tài)。選取經(jīng)驗公式，將實測值與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相比較，驗證了物理模型的合理性，進一步分析了泥石流的運動規(guī)律。根據(jù)泥石流形成的要素提取危險度評價因子,結(jié)果表明三眼峪為高度危險泥石流溝，這為泥石流災(zāi)害防治工程提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:三眼峪；泥石流；模型；危險度；沖擊力；流速；甘肅舟曲

泥石流是一種廣泛分布于高寒、溫暖濕潤山區(qū)及干旱半干旱山區(qū)的常見自然現(xiàn)象，常發(fā)生于山區(qū)溝谷和坡地，是山區(qū)溝谷和坡地地貌的外在營力，是山地環(huán)境退化、生態(tài)平衡失調(diào)的產(chǎn)物，具有流量大、容重大、流動速度快、歷時短暫和破壞性大的特點[1-4]。我國是世界上遭受泥石流災(zāi)害最嚴重的國家之一，尤其是甘肅省南部位于新生代亞洲印度板塊碰撞邊界，新構(gòu)造運動頻繁；加之該區(qū)生態(tài)脆弱、降雨頻繁集中，且多暴雨，因此該區(qū)成為我國地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一。三眼峪溝位于甘肅省南部舟曲縣，自1823年以來,該溝就曾爆發(fā)過約11次大型泥石流, 以2010年的“8.8”舟曲特大泥石流災(zāi)害最為嚴重[5]。因此，針對具有代表性的舟曲泥石流，研究其發(fā)生機理、運動及堆積規(guī)律，具有很強的現(xiàn)實意義,可為泥石流災(zāi)害防治工程提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

為了研究泥石流的運動規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做過不少的模擬實驗[6-9]。日本泥沙所高橋保教授做了水槽實驗,并首次在實驗中測量了縱向速度分布[10]；王光謙等[11]在云南東川蔣家溝泥石流觀測研究站現(xiàn)場進行了粘性泥石流現(xiàn)場模擬實驗，構(gòu)建出了泥石流堆積模型，并進行了不同堆積坡度的模擬，驗證出了泥石流團模型的準確性；劉麗和陳洪凱[12]首次提出了“通過實測泥石流運動速速，利用頻率分析，建立泥石流流速譜、沖擊力譜等重要參數(shù)”，進而準確分析泥石流運動規(guī)律；陳中學(xué)等[13]在室內(nèi)通過顆粒級配篩選出9種不同量級的土體，并設(shè)計出邊坡模型，模擬了在雨強為85 mm/s下的降雨實驗。但這些模型適用范圍較窄，對泥石流的運動過程研究不夠全面[14-16]。因此，選取具有代表性的舟曲泥石流溝，建立物理模型，進行運動過程模擬，實測流速、沖擊力及沖淤范圍等運動因素，另外將理論經(jīng)驗公式計算結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析，并驗證模型的合理性，分析其運動規(guī)律，為當?shù)叵嚓P(guān)政府部門在防治減災(zāi)過程中提供建議，從而盡量減少泥石流災(zāi)害對人民生產(chǎn)生活的危害和影響。

1研究區(qū)概況

舟曲縣位于甘肅省南部甘南藏族自治州，地理坐標是105°51′39″～104°45′31″E，33°13′06″～34°01′00″N。它地處青藏高原東緣，西秦嶺西翼與岷山山脈交匯地區(qū)，屬構(gòu)造、侵蝕山地, 舟曲縣河流屬長江流域嘉陵江水系，主要發(fā)育河流有白龍江、拱壩河等。舟曲縣屬北亞熱帶向北溫帶的過渡區(qū)，受大氣環(huán)流和地形影響，具有垂直氣候分帶明顯和干濕季分明兩大特點。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為435.8 mm，日最大降雨量為63.3 mm，小時最大降雨量為47.0 mm，降雨以連陰雨和暴雨形式出現(xiàn)，降水主要集中在6-9月。氣溫變化較小，晝夜溫差不大，多年平均氣溫12.9 ℃，最熱7月平均氣溫23.0 ℃[17]。

舟曲縣城依白龍江而建，夾于南北兩山之間，依山傍河，地域狹窄，主城區(qū)建于三眼峪溝、羅家峪溝、寨子溝、硝水溝等泥石流堆積扇上。三眼峪溝流域位于舟曲縣城北側(cè)，屬白龍江一級支流，流域面積24.1 km2(圖1)。區(qū)域上該處為西秦嶺南帶印支期冒地槽褶皺帶西段白龍江復(fù)式背斜北翼，整個流域處在兩條北西走向的區(qū)域性斷裂帶所夾的斷塊之間，與區(qū)域性斷裂走向一致的兩條正斷層、一條逆斷層分別橫穿溝谷的中段和前段[18]。斷裂兩側(cè)巖層破碎，褶曲強烈。流域內(nèi)出露的前第四紀地層以二疊系為主，分布于流域中、上游，巖性主要為厚層塊狀灰?guī)r、中到薄層硅質(zhì)條帶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r及白云巖化鮞狀灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀192°～210°∠68°～ 72°。流域下游，即出山口一帶，出露中泥盆統(tǒng)古道嶺組，巖性為炭質(zhì)板巖、千枚巖夾薄層灰?guī)r及砂巖，巖層產(chǎn)狀234°∠54°。流域內(nèi)第四系廣泛分布，其成因類型復(fù)雜，主要有風(fēng)積黃土、殘坡積、沖洪積及崩塌、滑坡堆積物等[19]。

圖1　研究區(qū)位置圖

2實驗方法

通過調(diào)查泥石流災(zāi)情和災(zāi)害特征，獲取泥石流運動規(guī)律的基本要素，總結(jié)以往發(fā)生泥石流災(zāi)害發(fā)生事件和技術(shù)方法，統(tǒng)計分析后，建立了泥石流運動規(guī)律研究技術(shù)路線，最后計算出泥石流災(zāi)害發(fā)生危險程度，具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　技術(shù)路線圖

(1)野外構(gòu)建物理模型，重現(xiàn)舟曲“8·8”特大泥石流災(zāi)害發(fā)生過程；

(2)通過物理實驗?zāi)M，得到流速、流量、沖擊力、堆積形態(tài)、堆積面積、堆積厚度等多組數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析；

(3)選取經(jīng)驗公式，計算流速、流量、沖擊力；

(4)通過對比實測實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗計算數(shù)據(jù)，驗證物理模型的合理性。

(5)針對物理模型模擬時泥石流運動形成的堆積扇，分析其堆積面積、堆積形態(tài)、堆積厚度；

(6)根據(jù)泥石流形成的要素提取危險度評價因子,劃分危險度等級。

3實驗設(shè)計

3.1模型構(gòu)建

模型建立是實驗的關(guān)鍵，既要保證微地形和地物同原型相似，又要確保模型實驗?zāi)軠蚀_反映原型的演變情況，因此在嚴格相似有困難的地方，就要合理進行簡化和理想化。按原型區(qū)實測地形圖和野外調(diào)查資料，并參照錄像和照片，進行模型制作。因此在甘肅省隴南市武都區(qū)典型泥石流溝段河壩溝建立了物理模擬實驗平臺，實驗平臺的平面示意圖及全景圖如圖3和圖4所示。

表1　評價因子表

表2　泥石流危險評級因子分級、評分表

(1)泥石流補給箱，為四棱錐體，邊長為120 cm，底部設(shè)置正方形供給孔，邊長為 20 cm，實驗時，泥石流的補給由閘板開關(guān)控制。

(2)泥石流流通槽，形態(tài)呈矩形，其內(nèi)寬 40 cm，內(nèi)高 40 cm，有效流動長度為500 cm。

(3)泥石流堆積板，為平面鐵板，其寬 200 cm，長 300 cm，以斜口方式將其與流通槽以平整形式銜接，模擬時可隨意調(diào)節(jié)其坡度。

通過記錄堆積扇在鋼質(zhì)米格板上的分布，勾勒出堆積形態(tài)，以數(shù)格子的形式推算堆積面積，并測量出扇緣、扇中、扇尾堆積厚度?？蛇M一步分析一次泥石流過程后的堆積形態(tài)及堆積量，為以后危險度的劃分提供了依據(jù)。

圖3　實驗平臺平面圖

圖4　實驗全景圖

3.2經(jīng)驗公式

在泥石流運動規(guī)律分析、危險性評價和泥石流預(yù)防過程中，平均流速、流量以及沖擊力的研究是十分重要的[20-22]。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的數(shù)學(xué)建模，總結(jié)出了許多計算平均流速和沖擊力的經(jīng)驗公式[23]。因此在研究三眼峪溝運動規(guī)律過程中，選取了通過顆粒級配、溝床比降、過水斷面面積等水力學(xué)參數(shù)的計算方法來計算[24-25]，該方法所需參量簡便易得，計算簡單。它不僅使我們對泥石流災(zāi)害有更深入的認識，并且對于以后的防災(zāi)減災(zāi)也有重大的現(xiàn)實意義[26]。

泥石流斷面平均流速[25]：

(1)

泥石流流量：

Q=V×S。

(2)

泥石流沖擊力[27]：

F=Adρdv1vd。

(3)

式中：γ為水力半徑(m)；S為過水斷面面積(m2)；i為溝床比降(%)；g為重力加速度9.81(m/s2)；R50為泥沙顆粒中百分比小于50%的顆粒粒徑(mm)；R10為泥沙顆粒中百分比小于10%的顆粒粒徑(mm)；C為泥石流的容重(t/m3)；t為泥石流持續(xù)時間(s)；Ad為石塊與被撞物體接觸面積；ρd為石塊密度；v1為縱波波速；vd為石塊運動速度(視為與泥石流體速度相等)。

3.3危險度評價

危險度的劃分采用了簡單直觀的模型賦值法，這種方法有三種模型：分級評分模型、分級賦值模型和函數(shù)賦值模型。由于研究的區(qū)域為三眼峪，因此選用了符合單溝泥石流危險度評價模型中的分級評分模型，其具體劃步驟如下所示。

(1) 根據(jù)實地情況選取泥石流危險度評價因子。我們共選取了7個評價因子，分別是：流域面積p1，主溝比降p2，相對高差p3，主溝長p4，松散固體物質(zhì)儲量p5，植被覆蓋率p6，24h最大降雨量p7,各參量數(shù)值如表1所示。

(2) 依據(jù)一定的原理方法和測度(如關(guān)聯(lián)度)，確定各危險度評價因子的權(quán)重和權(quán)數(shù)。

(3) 根據(jù)一定分級評分方法確定單溝泥石流危險度查找表(如表2所示), 然后計算各危險因子的分數(shù)。

(4) 計算各危險因子在危險度查找表中的評分總和, 即為單溝泥石流危險度, 其危險度W計算公式可表達為：

(4)

式中:Pi為第i個評價因子在危險度查找表中的評分；n為評價因子總個數(shù)。

(5)根據(jù)表3的危險度劃分區(qū)間確定泥石流溝危險等級。

表3　危險度劃分區(qū)間表

4實驗結(jié)果

4.1參數(shù)律定

實驗?zāi)Ｐ湍康氖菫槟嗍鳛?zāi)害整治工程提供可靠的設(shè)計依據(jù)。首先將三眼峪溝道原型概化為實物模型，并在模型上重演與原型條件相似的流體運動。再將實驗?zāi)Ｐ统晒麘?yīng)用到原型上，因而要求模型與原型之間應(yīng)滿足一定的相似條件。此次實驗要求實驗流體與原型流體的水動力學(xué)特征值相似，原型與模型流體的容重相等且所含固體顆粒組成相似并遵守模擬邊界條件，模型流體與原型流體的弗勞德數(shù)相等。實驗采用正態(tài)動床模型，根據(jù)實驗?zāi)康囊蠛湍Ｐ蛨龅卮笮l件，模型和原型之間各物理量相似比尺如表4所示。

表4　各物理量相似比尺

4.2流速和流量計算

4.2.1經(jīng)驗計算值

根據(jù)舟曲縣三眼峪溝相關(guān)地形參數(shù)(5)和水動力參數(shù)(6)，然后利用經(jīng)驗公式進行流速計算。

將相關(guān)地形參數(shù)及水動力學(xué)參數(shù)分別帶入式(1)和式(2)，即得到斷面平均流速v和流量Q的理論計算值，即：v=8.025 m/s；Q= 410.48 m3/s。

4.2.2實驗值

把上述所得數(shù)據(jù)用相似性比尺處理，得到實際參量、模型參量及比尺對照表(表7)。

流通區(qū)流速及泥位測量采用LDM41型激光測距儀觀測。激光測距傳感器采用相位比較原理來測定出傳感器激光發(fā)射點與物源之間的距離。實驗所選用的激光測距儀為10 Hz，即每秒記錄10個距離h0，將儀器端口到流通槽的距離設(shè)為H，則得到泥位Δh=H-h0。將流通槽底部寬度設(shè)為a，則斷面平均流量q為a×h，進而單位時間斷面平均流量為a×h,即斷面瞬時流速v為40×a×h。其中，已知H=1.4 m，a=0.4m。具體流速和流量如表8所示。

表5　三眼峪相關(guān)地形參數(shù)

表6　三眼峪溝水動力學(xué)參數(shù)

表7　實際參量、模型參量及比尺對照表

表8　流速和流量表

4.3沖擊力

4.3.1經(jīng)驗計算值

基于表2和表3的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并參考相關(guān)參數(shù)：由遙感地質(zhì)圖可知，研究區(qū)以灰?guī)r為主，其密度約為2.74 g /cm3；通過查閱“巖性密度縱波波速測試表”得到，該區(qū)縱波波速為4 614 m/s；石塊與被撞物體的接觸面積按堆積扇上最大石塊的中、短徑所在平面面積的10%計算[28]；經(jīng)文獻查閱及實地調(diào)查，該區(qū)泥石流體流速約為5.4 m/s。將相關(guān)參數(shù)代入式(3)中，得到?jīng)_擊力：F=19 784 t 。

4.3.2實驗值

實驗中，沖擊力的測量采用光柵傳感分析儀，SA-1系列光柵傳感分析儀是采用掃描激光技術(shù)的光纖光柵傳感解調(diào)分析儀器。在流通槽上、中、下部3個斷面分別布設(shè)圓餅狀壓力傳感器FX-FBG-P-0004、FX-FBG-P-0005、FX-FBG-P-0006，再將壓力傳感器與調(diào)節(jié)儀相連，最后連入電腦。當泥石流體流過傳感器時會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，力以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)在電腦上,具體實驗數(shù)據(jù)如表9所示。

圖5　應(yīng)力變化趨勢圖

三個測點的應(yīng)力總體呈現(xiàn)下降趨勢。其中測點1應(yīng)力變化平緩；測點2應(yīng)力先變小再變大，最后減??；測點3應(yīng)力變化幅度也相對較小。經(jīng)過計算可知：實驗沖擊力為1.99 N，換算成質(zhì)量為0.204 kg，而實際沖擊力為19 784 t，進而算得相似性比尺約為1:96 000 000，符合相似性標準。

表9　實測沖擊力數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.4堆積結(jié)果

鋼質(zhì)米格板由150的小正方形組成，每小格邊長20 cm，通過堆積形態(tài)圖分析可知：堆積物所占格數(shù)約為91格，總格數(shù)為150格,占鋼板總面積的60.67%。堆積形態(tài)呈梨形。最高泥位出現(xiàn)在縱向第5格和第6格之間、橫向第2格交匯處，最大泥位深度為6.1 cm。具體堆積形態(tài)如圖6所示。

圖6　實測堆積形態(tài)分布圖

將圖6中最上面第一條橫線設(shè)為橫0線，第二條橫線設(shè)為橫1線，以此類推，最下面一條橫向線則為橫15線；同理，將左數(shù)第一條縱向線設(shè)為縱0線，則右端最后一條縱向線為縱10線。其交點以坐標形式記錄，則部分交點泥位深度表如表10所示。

表10　堆積區(qū)堆積深度統(tǒng)計表　cm

根據(jù)表10可以得出如下幾個結(jié)論。

(1) 縱5線為泥石流堆積體的軸線，最大堆積厚度就出現(xiàn)在軸線尾部，且在軸線后部堆積厚度明顯高于左右兩側(cè)。

(2) 在扇尾，堆積厚度明顯高于扇中及扇緣。

(3) 在扇中，左側(cè)堆積厚度略高于右側(cè)；在扇緣，右側(cè)堆積厚度則高于左側(cè)。

(4) 軸線在扇緣堆積厚度較淺，且低于左右兩側(cè)。

4.5危險度

5結(jié)論

通過對舟曲三眼峪溝泥石流運動相關(guān)參數(shù)進行分析，依據(jù)相似性原理，選擇恰當?shù)谋瘸?，在隴南市武都區(qū)野外構(gòu)建了泥石流模型，然后進行模擬實驗，測出流速、沖擊力，并將模型實測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式計算值對比分析，通過堆積面積、堆積厚度、堆積形態(tài)劃分危險度。得出的主要結(jié)論如下。

(1) 舟曲泥石流形成區(qū)面積達22.64km2，占流域總面積的94%。形成方式有支溝雨洪匯流型和主溝沖蝕型兩類，為“8.8”舟曲特大泥石流災(zāi)害提供了豐富的物源；流通區(qū)位于大小眼峪交匯處至峪門口溝段,占流域總面積的2.4%，徑流通道對泥石流的形成及流速、流量、沖淤情況等起著控制作用；三眼峪口至白龍江之間為泥石流的堆積區(qū)，占流域總面積的1.7%。

(2) 通過公式計算出流速為8.025m/s、流量410.48m3/s、沖擊力為19 784t。經(jīng)過相似比尺計算，在誤差允許范圍內(nèi)與實測值吻合，驗證了模型的合理性。

(3) 構(gòu)建物理模型，概化后完全遵循相似性原理，對泥石流模型進行調(diào)節(jié)，旨在保證模型實驗的合理性和科學(xué)性，從而再現(xiàn)“8·8”特大災(zāi)害性泥石流發(fā)生時的情形；經(jīng)過實驗測試得到平均流速為0.741 7m/s，沖擊力為1.99N，最大堆積厚度為6.1cm。

(4) 對泥石流體以及堆積扇的堆積面積、堆積形態(tài)、堆積厚度進行了詳細的分析研究，根據(jù)泥石流形成要素提取危險度評價因子,計算得到危險度值為71，確定三眼峪溝為重度危險泥石流溝。

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*收稿日期：2016-01-28修回日期：2016-03-07

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2011BAK12B05)

第一作者簡介：舒和平(1989-),男,瑤族,湖南溆浦縣人,博士研究生,主要從事水文過程與泥石流災(zāi)害方面的研究. E-mail: shuhp15@lzu.edu.cn

中圖分類號：S157.8; X43

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)03-0119-07

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.03.020

Analysis and Research on the Law of Motion of Debris Flows in Southern Gansu Province——A Case Study of Sanyanyu Gully in Zhouqu of Gansu Province

SHU Heping, HAN Tuo, QI Shi and MA Jinzhu

(KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentSystemsoftheMinitryofEducation,CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou73000,China)

Abstract:Based on the similarity principle, we chose the appropriate scale to construct a debris flow model in Wudu district of Longnan City in the southern Gansu Province, it can rebuilt the “8.8” catastrophic debris flow in Zhouqu. Through physical simulation experiment, we can know the average velocity was 0.7417 m/s, the impact force is 1.99N, the thickness of the accumulation is 6.1 cm and the accumulation area is 3.64 m2. At the same time, we have also draw accumulation form. In addition, empirical formulas were selected to calculate debris flows dynamic values which are compared with the experimental data, and they can verify the accuracy of the model. Meanwhile, the motion law of debris flows is further analyzed. According to the elements of debris flow formation, hazard assessment factors are extracted. The result showed that Sanyanyu gully is a high hazard debris flow gully. This result can provide reliable scientific basis for debris flow disaster prevention project.

Key words:Sanyanyu gully; debris flow; model; hazard; impact force; flow velocity; Zhouqu of Gansu Province

舒和平，韓拓，齊識，等. 甘肅省南部泥石流運動規(guī)律的分析與研究——以甘肅舟曲三眼峪溝為例[J].災(zāi)害學(xué), 2016,31(3):119-124,137.[SHU Heping, HAN Tuo, QI Shi,et al.Analysis and Research on the Law of Motion of Debris Flows in Southern Gansu Province——A Case Study of Sanyanyu Gully in Zhouqu of Gansu Province[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(3)：119-124,137.]