清水溝泥石流堆積扇范圍及堵河高度預(yù)測

劉萬林 吳 軍

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710021)

清水溝泥石流堆積扇范圍及堵河高度預(yù)測

劉萬林1吳 軍2

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 2.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710021)

對清水溝泥石流工程地質(zhì)特征進行了介紹，運用劉希林一次泥石流堆積范圍模型，結(jié)合清水溝泥石流實際情況及相關(guān)參數(shù)室內(nèi)外試驗結(jié)果，推測出了清水溝泥石流暴發(fā)后的堆積形態(tài)及范圍，可為后期泥石流的危險范圍預(yù)測提供依據(jù)，最后提出了泥石流的防治建議。

泥石流，工程地質(zhì)，堆積范圍，形態(tài)預(yù)測

0 引言

泥石流是暴雨或者地震后連續(xù)降雨后產(chǎn)生的一種破壞性巨大的地質(zhì)災(zāi)害。國內(nèi)對于泥石流的研究相對豐富。洪磊等[1]基于現(xiàn)場調(diào)查資料結(jié)合有細顆粒水石流啟動條件法對泥石流的啟動機理進行了詳細研究，進而可為后期危險性評估提供參考。楊小鳳等[2]使用不同方法對四川汶川七盤溝泥石流危險性進行評估，結(jié)果可為應(yīng)急預(yù)警提供參考依據(jù)。周仲禮等[3]基于決策樹理論對泥石流的危險性進行評估，發(fā)現(xiàn)與實際結(jié)果吻合性較好。此外，眾多學者通過物理模型等方法對于泥石流的形成過程進行模擬分析，樂茂華等[4]基于固液兩相流模型對泥石流速度在垂向上的分布進行研究，發(fā)現(xiàn)泥石流中的固相參數(shù)與本構(gòu)關(guān)系中的模型參數(shù)有聯(lián)系。室內(nèi)等比例物理模型研究表明，泥石流的濃度以及流量比對其后期的堵江問題影響較大[5]。其中泥石流流動方向與河道的交會角、主河流速以及泥石流含水量等因素對于其堵江的影響較大[6]。泥石流龍頭高度是反映泥石流規(guī)模的重要指標之一，研究發(fā)現(xiàn)泥石流的龍頭與溝道物質(zhì)級配、坡度以及流量之間均有一定聯(lián)系，可根據(jù)以上因素對泥石流龍頭高度建立更深的認識[7]。

泥石流研究中，除發(fā)生機理外，泥石流發(fā)生后堆積物形態(tài)及破壞范圍對于泥石流的危險性評估也是至關(guān)重要的因素?；诂F(xiàn)場調(diào)查結(jié)合劉希林一次泥石流堆積模型對清水溝泥石流的堆積形態(tài)和范圍進行預(yù)測，可為后期泥石流的危險范圍預(yù)測提供依據(jù)。

1 工程概況

清水溝流域(如圖1所示)總體呈南北走向，溝道彎曲，流域形態(tài)呈上寬下窄的扇形。溝谷內(nèi)植被稀少，僅在下游溝床內(nèi)有若干棵孤樹。兩側(cè)山坡及上游溝床基巖裸露，且表層巖體風化嚴重。該流域全長約6.79 km，面積約23.7 km2，四季流水。最高點

高程3 750 m，入開都河處高程1 780 m，最大高差1 970 m，平均溝床縱比降283.6‰。

清水溝泥石流形成區(qū)有4條支溝，支溝的溝床比降特征為：

1號支溝：位于主溝左側(cè)，總體走向與主溝上段近似平行。溝道長約4.56 km，支溝口最低高程2 090 m，后緣分水嶺高程約3 750 m，垂直高差約1 660 m。支溝兩側(cè)岸坡平均坡度30°～35°，溝谷呈不對稱V型。該支溝平均溝床比降約367.7‰。

2號支溝：位于主溝右側(cè)，總體走向與主溝上段近似平行。溝道長約4.22 km，支溝口最低高程2 130 m，后緣分水嶺高程約3 700 m，垂直高差約1 570 m。支溝兩側(cè)岸坡平均坡度30°～35°，溝谷呈不對稱V型。該支溝平均溝床比降約358.5‰。

3號支溝：位于主溝右側(cè)，總體走向與主溝上段近似平行。溝道長約3.21 km，支溝口最低高程2 300 m，后緣分水嶺高程約3 600 m，垂直高差約1 300 m。支溝兩側(cè)岸坡平均坡度30°～35°，溝谷呈不對稱V型。該支溝平均溝床比降約404.9‰。

4號支溝：位于主溝右側(cè)，總體走向與主溝上段近似平行。溝道長約3.24 km，支溝口最低高程2 400 m，后緣分水嶺高程約3 500 m，垂直高差約1 100 m。支溝兩側(cè)岸坡平均坡度30°～35°，溝谷呈不對稱V型。該支溝平均溝床比降約332.3‰。

2 工程地質(zhì)特性

清水溝溝道總體較彎曲，兩側(cè)岸坡陡峭，溝谷形態(tài)呈“V”字型。谷底高程2 100 m以上段，溝道內(nèi)植被稀少，溝床寬約10 m～30 m，兩側(cè)山坡為碎石土覆蓋，偶見巨石。谷底高程2 100 m以下段，縱坡降較大，兩側(cè)山坡近直立，且溝道較窄，谷底寬約5 m～10 m；溝道內(nèi)有若干樹木，兩側(cè)山坡基巖裸露，溝床內(nèi)以粒徑50 cm左右的大塊石堆積為主，可見最大塊石直徑達8 m。溝谷出口溝床內(nèi)主要為大塊石堆積，細粒物質(zhì)含量較少；溝道兩側(cè)堆積少量泥石流側(cè)向堆積物，主要為大塊碎石，含少量粘土；由于此溝谷縱坡降較大，形成的泥石流堆積扇大部分堆積于開都河河道內(nèi)。

清水溝兩側(cè)山體出露的基巖地層為泥盆系中統(tǒng)纖閃石綠簾石巖、砂質(zhì)凝灰?guī)r以及志留系上統(tǒng)的灰?guī)r；溝道兩側(cè)及溝坡大量堆積第四系全新統(tǒng)崩坡積塊石、碎石土，磨圓度較差；溝道底部兩側(cè)堆積少量第四系全新統(tǒng)洪積塊碎石。

3 堆積扇范圍及堵河高度預(yù)測

本次研究運用劉希林的一次泥石流堆積(危險范圍)范圍模型，結(jié)合清水溝泥石流現(xiàn)場調(diào)查實際情況及相關(guān)參數(shù)室內(nèi)外試驗結(jié)果，推測清水溝泥石流暴發(fā)后的堆積形態(tài)及范圍。計算公式如下[8]：

a=0.493 5×l2

(1)

(2)

(3)

式中：a——一次泥石流堆積面積，m2；

l——最大堆積長度，m;

d——一次泥石流最大堆積厚度，m；

V——一次松散固體物質(zhì)最大補給量，m3；

G——堆積區(qū)坡度，(°)；

rc——泥石流重度，g/cm3。

適用條件，當rc=1和G=0時模型不能使用。

預(yù)測精度為：a的平均相對誤差為11.83%；l的平均相對誤差為9.5%；d的平均相對誤差為7.8%。

運用該模型對清水溝一次泥石流堆積范圍進行預(yù)測時，一次松散固體物質(zhì)可能補給量取前面的一次泥石流最大沖出固體物質(zhì)總量的計算結(jié)果，G取堆積區(qū)的平均縱坡坡度，對清水溝泥石流堆積扇現(xiàn)場勘測，縱坡坡度為4.0°，取其平均縱坡坡度為4.0°，容重取1.359 g/cm3。將各頻率下的參數(shù)值代入上式，即可求出各頻率下一次泥石流堆積范圍參數(shù)。清水溝各計算參數(shù)及堆積范圍計算結(jié)果見表1。

建議在工程興建期及今后工程運行期加強對與工程密切相關(guān)的泥石流溝谷進行現(xiàn)場巡視工作，設(shè)立降雨監(jiān)測站以及泥石流的報警站，預(yù)報可能發(fā)生較大規(guī)模泥石流對人員及其工程造成的危害。為了防止大的孤、塊石對溝口的道路或構(gòu)(建)筑物的危害，建議采用樁林、鋼格柵支撐，還可以充分利用大的孤塊石形成的阻擋功能，也不影響水及細小顆粒的流出。在溝口附近修建排導(dǎo)槽，將溝谷沖下來的物質(zhì)直接向下游引排。

表1 設(shè)計頻率計算參數(shù)值及堆積范圍計算結(jié)果

由于清水溝流域面積大，松散固體物質(zhì)來源豐富，植被覆蓋率較低，發(fā)生堵河泥石流的概率大，但是即使100年一遇的泥石流也不會影響廠房的安全，建議在堵河期間進行疏浚。

4 結(jié)語

通過對清水河泥石流溝的現(xiàn)場調(diào)查，對泥石流區(qū)域的工程地質(zhì)特征進行分析。在此基礎(chǔ)上，利用劉希林模型對于清水溝泥石流堆積物的范圍及堵河高度進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)清水溝泥石流發(fā)生的危險性較高。對此，提出了泥石流的防治對策以及建議。

[1] 洪 磊,馬潤勇,章曉余.青海加吾礦區(qū)瑪日當溝泥石流啟動機理研究[J].工程地質(zhì)學報,2017,25(2):472-479.

[2] 楊小鳳,朱 軍,曹云剛,等.基于不同方法的泥石流危險性評價對比分析——以四川汶川七盤溝泥石流為例[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報,2017,28(1):22-29.

[3] 周仲禮,張乾榮,曹賽男.基于決策樹理論的泥石流危險性評價研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2017,36(4):76-80.

[4] 樂茂華,韓其為,方春明.基于固液兩相流模型的泥石流流速垂向分布研究[J].水利學報,2017,48(2):168-174.

[5] 宋 志,鄧榮貴,陳澤碩,等.磨西河泥石流堵斷大渡河物理模擬與早期識別[J].吉林大學學報(地),2017(1):163-170.

[6] 朱大鵬,秦糧凱,何其多.基于物理模擬試驗的泥石流匯江效應(yīng)初步研究[J].巖石力學與工程學報,2016,35(S2):3680-3688.

[7] 王 洋,崔 鵬,王兆印,等.泥石流龍頭的形成及特征研究[J].水利學報,2017,48(4):473-479.

[8] 劉希林,唐 川.泥石流危險性評價[M].北京：科學出版社,1995.

The deposit range and hight prediction of debris flow in Qingshuigou river

Liu Wanlin1Wu Jun2

(1.XibeiEngineeringCo.,Ltd,PowerConstructionCorporationofChina，Xi’an710065，China;2.Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710021,China)

The engineering geological characteristics of Qingshuigou were introduced based on the field investigation. Combining practical situation testing data and the related parameters of indoor test results with Liuxilin model to calculate the range and height of deposit. It has provided some quidance for predicting post debris flow hazard scope, and finally puts forward debris flow preventing suggestions.

debris flow, engineering geology, accumulation scope, morphology prediction

1009-6825(2017)21-0054-02

2017-05-19

劉萬林(1980- )，男，工程師； 吳 軍(1979- )，男，高級工程師

P642.23

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