泥石流基本特征值的計算
——以云南省雙廊鎮(zhèn)甸心洪溝泥石流為例

王薦霖

(成都理工大學,四川 成都 610059)

泥石流災害與人類工程活動息息相關,尤其是在中國西南地區(qū),每年因泥石流暴發(fā)造成的損失相當巨大,這使得泥石流災害的防治顯得尤為重要[1]。泥石流基本特征值作為泥石流災害防治設計的重要依據(jù),采用合理的計算方法,對其結果的安全性與可靠性有著極其重要的意義。

1 工程概況

甸心洪溝位于云南省雙廊鎮(zhèn)長育村。該泥石流溝谷中上游溝道較窄,縱坡降較陡,溝道形態(tài)呈現(xiàn)出典型的“V”字型。泥石流以沖刷為主,中下游溝道較寬,縱坡相對較小,以淤積沉積為主。

甸心洪溝溝長約5.08 km,河源高程2 850 m,最低點位于洱海邊緣地帶,高程為1 964 m,最大高差886 m,溝道平均縱坡降180‰。溝口—溝頂為陡坡地形,坡度30°～40°,局部>40°,溝口以下為堆積區(qū),為緩坡地形,地形坡度一般為5°～15°,平均縱坡降68‰,流域總面積10.57 km2。

自上世紀80年代以來,甸心洪溝多次發(fā)生泥石流災害,由于近年來在堆積區(qū)上新建居民建筑及公路對原泥石流堆積區(qū)地貌改動較大,很難調查泥石流沖出物質堆積范圍及危害區(qū)范圍信息,通過對當?shù)鼐用裨L問,其回憶最大一次泥石流導致較多房屋被沖毀,停靠路邊的拖拉機被沖入洱海,由此表明當時泥石流規(guī)模應達到中型以上,結合甸心洪溝泥石流溝道內(nèi)可移動物源非常豐富,可移動物源約14.90萬m3,極端暴雨條件下可形成中型規(guī)模泥石流。綜上所述,甸心洪溝泥石流屬溝谷型暴雨型形成期低頻稀性泥石流。

2 泥石流基本特征值計算

由于此次甸心洪溝泥石流并無監(jiān)測資料，因此，其泥石流基本特征值的計算主要以野外調查獲取的泥痕、溝道斷面等特征為參照，并結合擬設工程的需要綜合獲取[2]。需計算獲取的泥石流基本特征值包括：泥石流流體重度及固體物質密度、設計清水洪峰流量、泥石流流速、泥石流流量、一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出物總量。

2.1 泥石流流體重度及固體密度

泥石流流體重度需采用形態(tài)調查法和現(xiàn)場重度配方法,并結合量化評分綜合確定[3]?，F(xiàn)場重度配方法采用《工程地質手冊》(第四版)中的變種公式計算[4],如下:

式中:γc為泥石流重度(t/m3);Gc為配制泥漿重量(t);V為配制泥漿體積(m3)。

形態(tài)調查判定泥石流漿體為稠漿狀,容重為1.40～1.50 t/m3;現(xiàn)場重度配方法流體密度為1.44～1.49 t/m3,平均值為1.46 t/m3,由于受取樣的限制,較大碎塊石不能參與配漿試驗,所得出的試驗值偏小,本次綜合后取泥石流容重為1.50 g/cm3。考慮到該泥石流溝堆積物以粗顆粒為主,其原巖成分主要為灰?guī)r,根據(jù)經(jīng)驗,泥石流固體密度取2.60 t/m3。

2.2 設計清水洪峰流量

清水洪峰流量采用中國水利水電科學院提出的經(jīng)驗公式及大理水文法兩種方法計算地表水匯水流量。

(1) 中國水利水電科學院經(jīng)驗公式法。依據(jù)《泥石流防治工程技術》第三章中的相關公式進行計算[5]。計算結果見表1。

匯流面積F≥3 km2時,Qp=0.278φSF2/3;

匯流面積F<3 km2時,Qp=0.278φSF。

式中:QP為頻率為P的暴雨洪峰流量;φ為產(chǎn)流系數(shù);S為設計1 h降雨強度(mm/h);F為各斷面匯水面積(km2)。

表1 甸心洪溝泥石流各斷面清水洪峰流量計算結果表(中國水利水電科學院經(jīng)驗公式法)Table 1 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully

(2) 大理水文法。計算公式參照《云南省水文手冊》(表2),計算結果見表3。

表2 大理水文法計算公式Table 2 Calculation formula of Dali hydrologic method

表3 甸心洪溝泥石流各斷面清水洪峰流量計算結果表(大理水文法)Table 3 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully(Dali hydrologic method)

經(jīng)過兩種方法計算結果對比,雖然中國水利水電科學院經(jīng)驗公式法計算結果更加保守,但大理的地方計算公式更能因地制宜地說明該地區(qū)的實際情況,更符合該地區(qū)的實際現(xiàn)狀,故采用大理水文法計算清水洪峰流量。

2.3 泥石流流速

根據(jù)調查和泥石流重度計算,泥石流重度<1.6 t/m3,屬稀性泥石流。本次采用稀性泥石流流速計算公式(西南地區(qū))計算各斷面流速,即《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2016)中的公式[6]。

式中:Vc為泥石流平均流速(m/s);1/n為河床糙率系數(shù);φ為泥石流修正系數(shù);γH為泥石流固體物質密度(t/m3);R為水力半徑,一般用平均泥深Hc(m)代替;Ic為泥石流水力坡度(‰),用溝床縱坡代替。

表4 泥石流流速計算成果表Table 4 Results table of velocity calculation of debris flow

2.4 泥石流流量

2.4.1 雨洪法

根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算[6](表5)。

Qc=(1+φ)QBDc

式中:Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QB為頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s);Dc為泥石流堵塞系數(shù),根據(jù)溝谷特征查經(jīng)驗表。

2.4.2 形態(tài)調查法

根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算[6](表6)。

Qc=WcVc

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2);Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。

對比兩種方法計算結果表,采用形態(tài)調查法求得的泥石流峰值流量普遍大于雨洪法(P=3.33%降雨頻率)計算求得的結果,總體上兩種方法的計算結果是相對應的。但是,采用形態(tài)調查法計算結果沒有暴雨頻率的概念,僅能代表當次泥石流的特征值,而雨洪法則根據(jù)現(xiàn)有溝域面積進行計算,具有預測性質。因此,泥石流峰值流量采用雨洪法。

2.5 一次泥石流過流總量

根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算,一次泥石流總量Q(表7)。

表5 泥石流流量計算表(雨洪法)Table 5 Calculation table of discharge of debris flow(rain flood method)

表6 泥石流流量計算(形態(tài)調查法)Table 6 Calculation table of discharge of debris flow(morphologic investigation method)

Q=K×T×Qc

式中:當流域面積F<5 km2時,K=0.202;F=5～10 km2時,K=0.113;F=10～100 km2時,K=0.037 8;F>100 km2時,K<0.025 2;Q為一次泥石流的總量(m3);T為泥石流歷時(s);Qc為泥石流的洪峰流量(m3/s)。

表7 一次泥石流過流總量計算表Table 7 Volume table of debris flow

根據(jù)計算結果,對比降雨標準,上一次暴發(fā)泥石流時,甸心洪溝40 min降雨強度頻率近30年一遇,所以該次泥石流強度頻率為3.30%,計算甸心洪溝泥石流沖出量約16 366.0 m3。

2.6 一次泥石流固體沖出物總量

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T 0220—2016)進行計算[6](表8)。

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

式中:QH為一次泥石流沖出固體物質總量(m3);Q為一次泥石流過程總量(m3);γc為泥石流重度(t/m3);γw為水的重度(t/m3);γH為泥石流固體物質的重度(t/m3)。

根據(jù)計算,上一次暴發(fā)泥石流強度頻率按3.3%計,甸心洪溝一次泥石流沖出固體物質量約5 728.0 m3,與堆積區(qū)估算量基本一致。

表8 一次泥石流固體沖出物總量計算成果表Table 8 Results of the calculation of the total amount of solid debris flow in a debris flow

3 計算結果的設計應用

在進行泥石流災害防治設計時,經(jīng)專家探討,甸心洪溝泥石流采用以“攔擋”為主,并在下游輔以“排導、護岸”的防治思路。

在進行谷坊壩、攔擋壩結構設計時,根據(jù)泥石流流體重度、流速等相關因素確定壩身尺寸,其壩體的庫容應大于泥石流過流總量,且壩體溢流口的大小應滿足泥石流的過流;在進行下游雙邊護岸堤結構設計時,在滿足其自身結構穩(wěn)定的前提下,同樣還需滿足泥石流的過流。

4 結語

(1) 通過工程實例,采用規(guī)范公式,經(jīng)相關專家審核過后,基本特征值的計算結果具有較高的安全性及可靠性,能夠為甸心洪溝泥石流的防治設計提供重要依據(jù)。依托該計算結果,可進行可行性研究及施工圖設計,能夠保護該地區(qū)居民約3 000余人,解除泥石流災害對居民及建筑的威脅,達到明顯的減災效益。

(2) 由于現(xiàn)場試驗條件的制約、村民記憶的偏差等因素,會導致泥石流基本特征值計算結果有誤差。本文主要在于為泥石流基本特征值的計算提供思路、方法,在實際生產(chǎn)過程中,可用多次測量取平均值、多種方法對比綜合取值的方法,來盡量減小誤差。

[1] 李三明,張艷濤,湯江紅.泥石流特征值的計算與確定[J].資源環(huán)境與工程,2010,24(3):297-300.

[2] 張生祥,何明陽,謝光輝.地震災區(qū)特大型泥石流基本特征值計算與分析[J].四川地質學報,2014,34(s2):36-40.

[3] Б.С.Степанов,孟河清.泥石流特征值的計算問題[J].力學進展,1987,17(4):98-106.

[4] 常士驃,張?zhí)K民.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 王繼康.泥石流防治工程技術[M].北京:中國鐵道出版社,1996.

[6] 四川省國土資源廳.泥石流災害防治工程勘察規(guī)范:DZ/T0220—2016[S].北京:中國標準出版社，2016.