大古與街需水電站工程區(qū)泥石流基本特征及沖擊力試驗研究

孫興偉，劉云鵬

(1.福建華東巖土工程有限公司， 福建 福州 350003；2.中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

我國是受泥石流地質(zhì)災(zāi)害危害和威脅最為嚴(yán)重的國家之一，泥石流災(zāi)害不僅造成大量的生命財產(chǎn)損失，而且嚴(yán)重影響工程建設(shè)的實施和后期運營[1-3]。隨著各類工程建設(shè)向西藏地區(qū)的擴展，對特殊高原環(huán)境下泥石流地質(zhì)災(zāi)害的認識和研究越來越受到廣泛重視。由于歐亞板塊受印度板塊俯沖和推移而隆起的地殼運動影響，導(dǎo)致西藏地區(qū)地貌復(fù)雜、高原氣候突出、自然環(huán)境條件惡劣，形成了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的獨特地質(zhì)背景，有學(xué)者通過對1970年—2006年西藏泥石流、滑坡的時空分布特征與降水條件分析,得出西藏地區(qū)泥石流、滑坡主要發(fā)生在藏東地區(qū)、喜馬拉雅山南側(cè)及沿雅魯藏布江一線，且具有分布廣、發(fā)生頻率高的特點[4]。原因可以概括為：首先，由于青藏高原地殼抬升，物質(zhì)移動，生成區(qū)域斷裂，地震發(fā)生較頻繁，以至高原地區(qū)巖體較破碎，為滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)作用現(xiàn)象的發(fā)生提供了必要條件。其次，青藏高原持續(xù)抬升，雅魯藏布江的切割較迅速，然而，雅魯藏布江兩岸的支流切割速度較雅魯藏布江切割速度較緩慢，支流發(fā)育程度較差，支流縱坡降較大，發(fā)生泥石流時流速較大。西藏地區(qū)海拔較高，歷史上存在冰期及間冰期，由于冰川的作用，較高處山體的刃脊、角峰及溝谷中部的U型谷發(fā)育，在溝谷的中下部產(chǎn)生了很多的堆積物，提供了地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)來源。

針對西藏地區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的特征、分布、成因、發(fā)展趨勢和危險性分區(qū)等因素，眾多學(xué)者做了大量的研究工作[4-11]。但同西藏以外地區(qū)泥石流的對比研究并不多見。沖擊力是表征泥石流發(fā)育特征的重要參數(shù)，也是泥石流治理的關(guān)鍵指標(biāo)。一些學(xué)者通過野外測量試驗和理論計算等研究方法獲得了很多有價值的研究成果[12-17]。但對于沿江泥石流而言，當(dāng)具體到某一地區(qū)時，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況確定影響因素(如泥石流漿體重度及溝道坡度等)的沖擊力測試研究尚不曾看到。

研究區(qū)位于青藏高原、西藏山南地區(qū)桑日縣和加查縣交界部位，屬于雅魯藏布江區(qū)域(見圖1)。地勢呈北西面較高東南側(cè)較低，從西向東逐步降低，從南向北延綿起伏。山頂海拔在4 800 m以上，谷底高程3 200 m～3 300 m，相對高差1 500 m～2 000 m；雅魯藏布江以總體近東西向從研究區(qū)流過，縱坡降較大，河流切割較深，河床寬度較小，支溝相對較發(fā)育。

圖1研究區(qū)所在位置

研究區(qū)位于雅魯藏布江構(gòu)造巖石地層區(qū)，沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露，其中巖漿巖、變質(zhì)巖相對發(fā)育，未變質(zhì)的沉積巖相對較少，地層巖性復(fù)雜。第四系堆積物有沖洪積、崩坡積等，出露在河谷、沖溝及山麓斜坡等地勢低洼地帶。

本文根據(jù)西藏地區(qū)特有的自然和環(huán)境地質(zhì)條件，在現(xiàn)有勘察資料及現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)研究區(qū)17條泥石流的基本特征，包括發(fā)育特征、溝道特征、堆積特征等。同時，根據(jù)研究區(qū)不同暴發(fā)頻率下的漿體重度及常見坡度的調(diào)查結(jié)果，通過試驗的方法，建立數(shù)學(xué)模型，分析這兩種泥石流影響因子對沖擊力的影響，從而為工程防護措施提供重要依據(jù)。

1 自然環(huán)境條件

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)東南部，氣候主要受西南季風(fēng)的影響，冬半年屬風(fēng)季，境內(nèi)受西風(fēng)帶控制，降雨少而干旱；夏半年為雨季，受西南孟加拉灣暖濕氣流影響，雨水稍多。降雨集中在每年的5月—9月，由于所處地流域相對高差大，所以氣候的垂直分帶極為明顯。

同時，相比內(nèi)地氣候，高原海拔高，空氣中含氧量較低，氣壓較低，光照時間長，夜晚，熱量傳遞至空氣中，深度下降速度較快，早晚溫差大。巖石的熱脹冷縮作用顯著、風(fēng)化作用強烈。

2 泥石流基本特征

2.1 物源特征

研究區(qū)內(nèi)17條泥石流溝流域面積總和約為420 km2，泥石流不穩(wěn)定物質(zhì)儲量較多，天然不穩(wěn)定物質(zhì)儲量主要由溝道堆積物、崩坡積物、岸坡侵蝕物三種類型組成，由于泥石流上游溝谷縱坡降較小，下游溝谷縱坡降較大，物源分布的主要形式為：上游溝谷以岸坡侵蝕為主，下游溝谷以溝道堆積為主，位于溝谷岸坡及山脊分水嶺部位(見表1)。

表1 研究區(qū)各類泥石流物源統(tǒng)計表

注：V動/V總表示可參與泥石流活動的動儲量與提供物源量的比值；S總/V總面積與體積的比值。

(1) 溝道堆積物。泥石流溝谷整體坡度較大，地形較陡，固體物質(zhì)在溝床中的堆積厚度相對較薄。研究區(qū)出露的地層巖性為喜山期及燕山期侵入的黑云母花崗閃長巖，巖質(zhì)堅硬，冰川作用對溝道作用較小，切割不深，在坡降較緩部位堆積了滾石及孤石，使溝道堆積物分布位置主要集中在高程3 280 m～4 316 m，厚度以3 m～22 m為主。

(2) 崩坡積物。研究區(qū)在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，造成巖體結(jié)構(gòu)破碎，此外，晝夜溫差大，熱脹冷縮作用顯著，巖石的風(fēng)化作用強烈，這為崩坡積物源的形成提供了必要條件；并且由于海拔較高、氣候寒冷，巖石凍融作用十分強烈，所以崩坡積物源在高程3 300 m～5 000 m均有分布。但由于溝道綜合縱坡降較大，溝谷順直，在沖溝流水的影響下，粒徑較小的物質(zhì)被流水沖走，在溝谷底部堆積其它物質(zhì)，故崩坡積物儲量與溝道堆積物相比，其總量少于溝道堆積物，厚度一般為5 m～35 m。

(3) 岸坡侵蝕性物源?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)岸坡侵蝕性物源堆積較松散，巖體風(fēng)化較強烈，大多位于溝谷岸坡，容易受到暴雨沖蝕、溝水淘蝕，個別部位會有坍岸的現(xiàn)象，坡度為40°～56°，且受侵蝕的部位主要位于岸坡較陡處，這些部位植被稀少，河道縱坡降大，降水較容易集中，沿陡坎侵蝕坡角部位。研究區(qū)內(nèi)溝道岸坡侵蝕性物源主要為滾石及孤石，由于降水坡面沖刷較弱，坡度平緩，物源基本穩(wěn)定。在下游部位，坡度相對較大，岸坡侵蝕性物源主要為碎石土、混合土，僅少部分細粒土被流水作用帶走，故泥石流可活動儲量相對較少。岸坡侵蝕性物源主要位置與崩坡積物位置相差不大，發(fā)育高程高，氣候惡劣，冷熱作用交替，植被稀少，水土保持能力差。溝道岸坡坡度相對較大，故岸坡侵蝕性物源堆積于岸坡較困難，厚度一般在3 m～17 m。

2.2 溝道特征

調(diào)查表明，研究區(qū)內(nèi)泥石流溝道形態(tài)包括了“V”字型和“U”字型兩種類型。

(1) 匯水物源區(qū)：研究區(qū)泥石流匯水物源區(qū)地勢相對平坦，溝谷開闊。溝谷呈切割的“V”型，后緣山體呈半橢圓型，植被覆蓋率低，無覆蓋層，基巖出露，溝道底部切割不深，高程多為3 580 m～5 700 m，縱坡降多為118‰～578‰，相對較大，長度多為 0.87 km～17.03 km。

(2) 流通區(qū)：流通區(qū)的縱比降普遍都在500‰～700‰范圍內(nèi)，縱比降較大。所在區(qū)段分布高程3 400 m～4 680 m，溝谷長度0.40 km～6.9 km。流通區(qū)溝道切割深，呈“V”型，局部有跌坎，溝谷狹窄，為泥石流的發(fā)生提供條件。

(3) 堆積區(qū)：泥石流堆積區(qū)的縱比降范圍一般介于86‰～286‰。高程為3 270 m～3 530 m，高差較小。溝道長度一般在500 m以內(nèi)，也有個別溝谷由于地形特別開闊，匯水條件好，長度可達1 000 m以上。堆積區(qū)的溝口開闊，局部地區(qū)溝道深切狹窄，堆積扇兩側(cè)界限明顯，可見大量的塊碎石堆積于溝口。

(4) 彎道特征：泥石流溝道平順，存在陡坎，溝道彎曲部位較少。個別地段存在彎曲，及其個別存在直角轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎部位可見清晰泥痕，但由于整體溝道縱比降較大，泥石流物質(zhì)不易壅高，泥痕高度較矮，一般為3 m～5 m。

另外，研究區(qū)新構(gòu)造運動發(fā)育，泥石流溝道的侵蝕速度與雅魯藏布江切割速度相對較小，溝道的綜合坡降較大，實際上，可將研究區(qū)泥石流看成是沖溝型泥石流向溝谷型泥石流的過渡階段[18]。

2.3 堆積特征

堆積物停留于溝道前緣，形狀似扇形，堆積物坡度較平緩，堆積物植被稀少，由泥石流沖擊物及崩積物組成，泥石流沖擊物位于崩積物下部。泥石流沖擊物為滾石及塊石混合土，結(jié)構(gòu)緊密，細粒物質(zhì)充填，崩積物粒徑較大，細顆粒物質(zhì)含量較小，局部架空。

對研究區(qū)泥石流溝口典型堆積物采集探槽表層土樣進行現(xiàn)場篩分試驗統(tǒng)計(見圖2、圖3)，計算求得不同粒級顆粒重量所占百分比為：占比21%～50%的物質(zhì)粒徑為40 mm～60 mm，占比21%～35%的物質(zhì)粒徑為10 mm～40 mm，占比10%的物質(zhì)粒徑為5 mm～10 mm，占比10%的物質(zhì)粒徑為1 mm～5 mm，占比10%～15%的物質(zhì)粒徑為0.075 mm～1 mm，0.075 mm以下占5%～10%。試驗得到的不均勻系數(shù)Cu>5，曲率系數(shù)Cc多在0.20～1.50，分析結(jié)論：研究區(qū)的顆粒粒徑范圍較大，且不均勻，為級配良好土。

圖2 大古水電站工程區(qū)泥石流物源級配曲線

圖3街需水電站工程區(qū)泥石流物源級配圖

堆積物由塊石、混合土、碎石組成，次磨圓，分選性較差。研究區(qū)基巖巖性為黑云母花崗巖閃長巖，巖質(zhì)堅硬，抗風(fēng)化能力較強，變形模量高，凍脹作用剝落的巖塊堆積于溝道，形成不穩(wěn)定物源，細粒物質(zhì)較少，故堆積物中粉粒、粘粒占比小，礫石的占比較大。

在高海拔地區(qū)，植被稀少，且受凍脹作用影響，第四系堆積物中細顆粒含量相對較少，流態(tài)為紊流或者半紊流，這是造成研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)泥石流都是稀性泥石流的主要原因。

2.4 流體重度

泥石流性質(zhì)的重要指標(biāo)為重度，根據(jù)規(guī)范查表法及理論公式法計算出泥石流的重度，綜合分析提出泥石流溝的重度(見圖4)。

圖4研究區(qū)泥石流重度統(tǒng)計

根據(jù)結(jié)果，泥石流重度全部不大于1.60 t/m3，根據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范，研究區(qū)泥石流均為稀性。自然及地質(zhì)條件影響泥石流重度，且受氣候條件影響，研究區(qū)多為稀性泥石流。

3 泥石流沖擊力試驗

泥石流沖擊力試驗是研究在不同暴發(fā)頻率下重度和坡度對泥石流沖擊力的影響，組建數(shù)學(xué)模型，分析泥石流對工程的影響。

3.1 試驗方案

(1) 試驗參數(shù)。試驗級配根據(jù)原始泥石流物質(zhì)組成，參考其它泥石流形態(tài)，對比得出具體級配，完成試驗(見圖5)。

圖5試驗級配圖

試驗水槽的設(shè)計坡度根據(jù)區(qū)域調(diào)查結(jié)果確定，選取四種暴發(fā)頻率(1%，2%，5%，10%)下泥石流重度，底面糙率系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和類比工程經(jīng)驗取值。具體試驗參數(shù)(見表2)。

(2) 試驗裝置。試驗裝置包括料斗：長80 cm、寬60 cm、高70 cm，料斗連接水槽，連接處有閘門，可控制水的流量大?。焕瓌永溈筛淖儨系榔露?；模擬溝道的水槽坡度也可改變；傳感器安裝在溝口，電荷放大器連接在中部可接收電壓，通達采集儀可收集沖擊力信號，試驗裝置(見圖6)。

表2 試驗參數(shù)

圖6試驗裝置展示圖

(3) 試驗步驟。試驗在14°、18°、21°坡度條件和1%，2%，5%，10%暴發(fā)頻率下進行。首先，根據(jù)試驗參數(shù)，選取合適的顆粒土體，加水使其飽和，并充分?jǐn)嚢?。其次，根?jù)試驗裝置，調(diào)節(jié)坡度至合適位置，采用沖擊力傳感器收集信號，并用攝像機記錄。再次，選擇充分?jǐn)嚢韬玫耐馏w放至料斗，打開攝像機，并打開料斗開關(guān)；泥石流沖擊傳感器，傳感器可接收到信號，記錄沖擊力變化過程。改變溝道的坡度和重度，重復(fù)上述試驗過程。

3.2 試驗過程

在試驗溝口安裝沖擊力傳感器，通過采集儀采集沖擊信號，以沖擊峰值表征其沖擊力。本次試驗統(tǒng)計以計算機軟件為主。

對試驗結(jié)果進行分析，得到不同條件下泥石流的沖擊力，繪制成沖擊力曲線，沖擊力曲線表現(xiàn)為連續(xù)間斷起伏(見圖7)。

3.3 成果分析

根據(jù)試驗成果，得到?jīng)_擊力統(tǒng)計表(見表3)。

由表3可以看出，在重度相同的條件下，泥石流坡度和沖擊力峰值呈非線性關(guān)系，坡度越大，峰值越大。

由表3可以看出，在坡度相同的條件下，泥石流重度和沖擊力呈下降的非線性關(guān)系，重度越小，峰值越大。

圖7 沖擊力折線圖

3.4 數(shù)學(xué)模型

一次趨勢面方程為

式中：x為泥石流重度；y為泥石流坡度，相似比系數(shù)為2839。

顯著性驗算：

U=S總-Q=2168.65

故

說明線性回歸方程可以表示重度、坡度和沖擊力的關(guān)系。

將重度和坡度代入數(shù)學(xué)模型，計算結(jié)果(圖8)對比規(guī)范中單塊最大沖擊力值，從圖8可以看出，變化趨勢一致，因此，該數(shù)學(xué)模型具備在研究區(qū)內(nèi)應(yīng)用的條件。

圖8模型沖擊力比較圖

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)泥石流不穩(wěn)定物質(zhì)儲量較多，主要由溝道堆積物、崩坡積物、岸坡侵蝕物三種類型組成，由于泥石流上游溝谷縱坡降較小，下游溝谷縱坡降較大，物源分布的主要形式為：上游溝谷以岸坡侵蝕為主，下游溝谷以溝道堆積為主，位于溝谷岸坡及山脊分水嶺部位。

(2) 研究區(qū)泥石流溝發(fā)育不成熟，植被稀少，凍脹作用較強，崩坡積物和岸坡面侵蝕物源發(fā)育較多。由于新構(gòu)造運動，泥石流溝道的侵蝕速度與雅魯藏布江切割速度相對較小，溝道的綜合坡降較大。從堆積物顆粒級配來看，研究區(qū)泥石流堆積物主要表現(xiàn)在細顆粒(特別是粉粒)的嚴(yán)重缺失；而強烈的凍融風(fēng)化作用形成了大量的粗顆粒物質(zhì)，所占比重較大。

(3) 泥石流沖擊力試驗表明：在重度相同的條件下，泥石流坡度和沖擊力峰值呈非線性關(guān)系，坡度越大，峰值越大。在坡度相同的條件下，泥石流重度和沖擊力呈下降的非線性關(guān)系，重度越小，峰值越大。

在重度相同的條件下，泥石流溝道坡度越大，沖擊力峰值越大，呈上升的非線性關(guān)系。在坡度相同的條件下，泥石流重度越大，沖擊力峰值越小，整體呈下降的非線性關(guān)系。

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