特殊地形及物源限制條件對(duì)泥石流暴發(fā)規(guī)模的影響研究
——以青海加吾礦區(qū)瑪日當(dāng)溝泥石流為例

洪 磊，王 輝，劉 坤

(1. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；(2. 中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

0 引言

加吾礦區(qū)行政區(qū)劃屬青海省同德縣巴溝鄉(xiāng)，位于西秦嶺汞-銻礦帶西段，共和—澤庫(kù)印支期汞-砷-銅-鉛-金成礦亞帶，礦藏豐富。礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于秦嶺—昆侖銜接部位，坐落于高原共和盆地內(nèi)部[1-2]。晚新生代以來(lái)，本區(qū)作為青藏高原腹地，在印度板塊NNE向推擠趨勢(shì)下，地殼形變強(qiáng)烈[3]，活動(dòng)斷裂極為發(fā)育，地震頻發(fā)；同時(shí)因氣候環(huán)境特殊，晝夜溫差明顯、地勢(shì)險(xiǎn)要等因素造成區(qū)域上崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，為孕育泥石流災(zāi)害奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。而礦區(qū)內(nèi)瑪日當(dāng)溝更是因其特殊的溝道地形和流域特征使得該流域泥石流災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重危害礦區(qū)礦產(chǎn)勘查與開(kāi)采工作，并對(duì)溝道下游縣道公路，乃至然果村居民的人身安全構(gòu)成較大危害(圖1)。因此，開(kāi)展該流域泥石流的勘察工作，有效預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生尤為重要。

探究泥石流暴發(fā)規(guī)模是指導(dǎo)泥石流災(zāi)害防治設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而其本質(zhì)在于對(duì)泥石流動(dòng)力特征的分析，國(guó)內(nèi)外有關(guān)泥石流發(fā)生規(guī)模的研究成果已相當(dāng)豐富。譬如，鄧茂林等[4](2013)在分析流域概況及泥石流形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)基本特征的基礎(chǔ)上，對(duì)客基溝形成泥石流的地形、水源、物源3個(gè)基本條件進(jìn)行深入論述，分析計(jì)算泥石流的重度、流速、流量、固體沖出量、沖壓力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，預(yù)測(cè)客基溝泥石流暴發(fā)類型屬中型暴雨型稀性泥石流。裴鉆等[5](2015)以四川安縣高川鄉(xiāng)流域泥石流為例，綜合采取現(xiàn)場(chǎng)勘查、遙感圖像分析、歷史資料對(duì)比分析等方法，分析了極震區(qū)泥石流動(dòng)力特征受地形、地層、物源等因素的影響，特別是泥石流暴發(fā)過(guò)程中深侵蝕和潰決對(duì)泥石流動(dòng)力特征的影響。甘建軍等[6](2017)以江西省修水縣盧莊溝暴雨型泥石流為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)泥石流發(fā)育特征及動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，為此類山洪災(zāi)害防治及流域水工程安全提供了很好的借鑒。盡管如此，大多數(shù)已有研究成果多是基于《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T 0220-2006》及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，而對(duì)于因受特殊地形及物源限制，且海拔高程在3000 m以上的青藏高原區(qū)內(nèi)，因受人類采礦活動(dòng)影響的礦山型稀性泥石流災(zāi)害的暴發(fā)規(guī)模的研究相對(duì)較少。本文以高原山區(qū)礦渣復(fù)合型泥石流災(zāi)害為對(duì)象，在分析前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際調(diào)查結(jié)果，依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T 0220-2006》、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式和費(fèi)祥俊等(2004)關(guān)于含有細(xì)顆粒水石流起動(dòng)條件理論對(duì)瑪日當(dāng)溝泥石流暴發(fā)規(guī)模作了詳細(xì)對(duì)比分析，以期為該區(qū)泥石流的防治工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖1 瑪日當(dāng)溝地貌及流域分區(qū)特征圖Fig.1 The terrain map showing watershed partition characteristics of Maridang gully

1 泥石流成災(zāi)背景

瑪日當(dāng)溝平面位置處于加吾礦區(qū)中部以北，溝道形似往南東向凸起的弓形，曲折迂回，總體呈NE走向，支溝發(fā)育少(圖1)，全長(zhǎng)4.20 km，流域面積6.10 km2，平均縱坡192‰，兩翼坡體陡立，角度常超過(guò)70°。下游溝口海拔約2900 m，溝道上游海拔近高程4000 m，最大高差超過(guò)1000 m。局部地形相對(duì)高差在各流域分區(qū)差異較顯著，其中，下游段因谷水切割作用地形相對(duì)高差一般40～50 m；中上游段因整體抬升，相對(duì)高差較小，一般10～20 m；流域最上游形成區(qū)山高坡陡，相對(duì)高差大于60 m。

流域內(nèi)基巖因兩側(cè)坡體剝蝕而出露地表，主要為碳質(zhì)、砂質(zhì)板巖，溝道內(nèi)主要為全新統(tǒng)松散沖洪積和殘坡積覆蓋層。碳質(zhì)板巖原巖為含碳質(zhì)泥巖或頁(yè)巖，變質(zhì)程度低，抗壓性能差，性脆易碎，且易沿含碳質(zhì)較多的夾層滑動(dòng)；砂質(zhì)板巖其礦物成分極易風(fēng)化破碎。本區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，受區(qū)域擠壓應(yīng)力作用，巖體極易產(chǎn)生碎裂。此外，松散覆蓋層未經(jīng)充分壓實(shí)，土體蓬松；礦區(qū)內(nèi)堆放了多處采礦形成的剝土與棄渣，這些構(gòu)成了泥石流豐富的物源基礎(chǔ)。

區(qū)內(nèi)為典型的高原大陸型氣候，同德縣氣象局資料表明，區(qū)內(nèi)年平均降水量300～400 mm，集中降水在5—9月份，而7—9月份降雨強(qiáng)度趨于峰值，并常伴有特大暴雨。礦區(qū)范圍主要河流為黃河，發(fā)育小規(guī)模支流水系，汛期一般在5—9月份。盡管該區(qū)年降雨量相對(duì)較少，但過(guò)于集中在7—9月份，該時(shí)期降雨量超過(guò)全年降雨量的70%。集中降雨必然導(dǎo)致降雨強(qiáng)度的增加，為區(qū)內(nèi)泥石流的發(fā)生提供了充足的水動(dòng)力。

2 泥石流動(dòng)力特征

2.1 泥石流容重

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式以及形態(tài)調(diào)查結(jié)合相關(guān)規(guī)范綜合確定等是確定泥石流容重的幾種主要方法。本文在對(duì)瑪日當(dāng)溝泥石流易發(fā)程度(表1)進(jìn)行評(píng)分的基礎(chǔ)上，計(jì)算得出數(shù)量化評(píng)分(N)值，再利用其與泥石流流體容重(γC)及(1+Φ)之間的關(guān)系對(duì)照表(表2)，確定泥石流流體的容重[7]，其中Φ為泥石流修正系數(shù)。

據(jù)表1、表2，確定瑪日當(dāng)溝泥石流的流體容重約為γC=1.710 t/m3，呈稀粥狀，為稀性泥石流或水石流。既然泥石流是地形、物源及水動(dòng)力條件綜合作用的產(chǎn)物，那么確定泥石流容重也必然要考慮水動(dòng)力條件的影響。泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T 0220-2006[7]是在引入泥石流暴發(fā)周期這一時(shí)間概念的前提下，將泥石流水動(dòng)力條件影響因素定量化，給出經(jīng)驗(yàn)公式(1)：

γ′C=γC+0.122ln10-2T。

(1)

表1 瑪日當(dāng)溝泥石流易發(fā)程度評(píng)判表Table 1 Judgment of debris flow occurrence degree in Maridang Gully

表2 數(shù)量化評(píng)分(N)值與流體容重及(1+Φ)關(guān)系對(duì)照(部分)Table 2 Relationship comparison between quantitative score and fluid bulk density

據(jù)式(1)計(jì)算得出瑪日當(dāng)溝泥石流設(shè)計(jì)容重(表3)。

表3 瑪日當(dāng)溝泥石流不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下容重值Table 3 Density of debris flow at different design outbreak frequencies in Maridang Gully

的密度；P為暴發(fā)頻率。

2.2 泥石流流速

國(guó)內(nèi)外有關(guān)泥石流流速的計(jì)算方法很多，有理論的、半理論的以及經(jīng)驗(yàn)的?，斎债?dāng)溝為典型的溝谷型稀性泥石流，同時(shí)考慮到研究區(qū)地處西北地區(qū)，故采用適合西北地區(qū)的稀性泥石流計(jì)算公式更為合理。本文選取3種不同的推薦公式[8-9](表4)，綜合確定泥石流流速。

據(jù)野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果，結(jié)合類似經(jīng)驗(yàn)，取γH=2.70 t/m3、R=H=1.25 m、J=0.192、mC=15，求得不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下泥石流流速平均值(表5)。

3 泥石流暴發(fā)規(guī)模

洪磊等[10]2017年通過(guò)調(diào)查、采樣分析等基礎(chǔ)工作，對(duì)瑪日當(dāng)溝的溝道地形與顆粒物源分級(jí)作了詳細(xì)分析。結(jié)果顯示，該泥石流溝溝床平均比降192‰，全長(zhǎng)4.20 km，溝道迂回曲折，總體呈緩坡上深之趨勢(shì)，陡坎、跌水等現(xiàn)象少發(fā)育，且坎高不大，可視為近似直線上升的溝道；與此同時(shí)該流域內(nèi)物源固體顆粒大，平均值取式(3)與式(4)求得。

表4 泥石流流速計(jì)算推薦公式Table 4 Recommended formula for debris flow velocity calculation

表5 瑪日當(dāng)溝泥石流不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下流速值Table 5 Velocity of debris flow at different design outbreak frequencies in Maridang Gully

中粗細(xì)顆粒所占的比例恰好非常接近0.8(當(dāng)取顆粒粒徑d=0.05 mm作為粗細(xì)顆粒界限分級(jí)時(shí))。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)費(fèi)祥俊等(2004)關(guān)于含有細(xì)顆粒水石流起動(dòng)條件理論成果，對(duì)瑪日當(dāng)溝泥石流起動(dòng)機(jī)理作了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，在泥石流流域特殊地形及物源限制條件下，該流域泥石流流體具有如下規(guī)律特征，即滿足流體流速VC≥5.35 m/s；容重γC≤1.511 t/m3。而根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T 0220-2006》和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨泥石流暴發(fā)周期的延長(zhǎng)，流體容重會(huì)隨之增加，流速會(huì)相應(yīng)減小，且沒(méi)有限值。

分析表明，在相同降雨條件下(達(dá)到泥石流臨界雨量值)，泥石流的容重越大，其峰值流量也越大。若再考慮相同歷時(shí)情況下，一次泥石流過(guò)程總量及沖出固體物質(zhì)總量也越大，相應(yīng)泥石流的規(guī)模亦越大，破壞性越強(qiáng)。因此，在礦區(qū)瑪日當(dāng)溝泥石流防治工作中，為安全起見(jiàn)，應(yīng)考慮臨界狀態(tài)，取泥石流流體容重γC=1.511 t/m3。

當(dāng)依據(jù)細(xì)顆粒水石流起動(dòng)條件理論取泥石流流速與容重為臨界值，即流速VC=5.35 m/s；容重γC=1.511 t/m3時(shí)，泥石流流速與容重剛好介于規(guī)范和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的10年一遇與20年一遇規(guī)模之間。因此，該泥石流溝20年及以上一遇規(guī)模的泥石流防治工程設(shè)計(jì)應(yīng)按容重及流速的臨界值計(jì)算進(jìn)行設(shè)防，這樣即能保證工程安全，又相較于按規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)防更經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

4 泥石流防治依據(jù)

1次泥石流過(guò)程總量是其固體物質(zhì)和水的總和，瑪日當(dāng)溝泥石流為暴雨沖刷型，按照單峰連續(xù)流理論進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)斷面一次泥石流的總量WC，據(jù)式(5)計(jì)算：

WC=19QCT/72

(5)

結(jié)合泥石流流體容重，確定沖出固體物質(zhì)的總量WS據(jù)式(6)計(jì)算：

(6)

式中：T為泥石流歷時(shí)(取1h)；QC為泥石流峰值流量；其余各參數(shù)意義同前。

流體沖擊力不僅是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，同時(shí)也為揭示泥石流流體結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)特征提供理論指導(dǎo)。主要涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容，即泥石流整體沖擊力和單塊最大沖擊力：

1)泥石流整體沖擊力

依據(jù)公式(7)計(jì)算：

(7)

其中：ζ為流體整體沖擊力，kPa；χC為泥石流流體重度，kN/m3；α為沖擊力作用于受力面的夾角，本文計(jì)算考慮最不利情況，取90°；λ為塊體形狀系數(shù)，圓形、似圓狀取1，矩形取1.33，方形取1.47，根據(jù)本次野外調(diào)查，取1.33代入計(jì)算；g為重力加速度，9.8 m/s2；其余各參數(shù)意義同前。

2)單塊最大沖擊力

泥石流流體中單個(gè)塊體對(duì)工程設(shè)施的破壞作用常常為建筑物損毀的主要原因，因此，必須加強(qiáng)對(duì)單個(gè)塊體沖擊力的研究。依據(jù)公式(8)計(jì)算：

(8)

其中：ε為單塊巨石沖擊力，kN；к為動(dòng)能折減系數(shù)，一般針對(duì)正面撞擊，取值0.3；M為巨石質(zhì)量，t；σ為彈性變形系數(shù)(巨石σ1、建筑物σ2)，m/kN，計(jì)算采用船筏與橋墩臺(tái)的撞擊模型(σ1+σ2=0.005)；其余各參數(shù)意義同前，計(jì)算參數(shù)的選取均為使得沖擊力最大的情形。

運(yùn)用泥石流動(dòng)力特征參數(shù)的計(jì)算方法，求得瑪日當(dāng)溝泥石流不同暴發(fā)頻率下的動(dòng)力特征參數(shù)值(表6)，并以此作為科學(xué)有效防治的重要依據(jù)。研究表明，隨著降雨匯流過(guò)程的逐漸深入，瑪日當(dāng)溝泥石流容重不斷增大，流速則不斷減小，流體沖擊力隨之減少，當(dāng)容重(或流速)達(dá)到臨界值以后，沖擊力也趨于定值。

表6 瑪日當(dāng)溝泥石流的動(dòng)力特征參數(shù)(特殊地形與物源限制條件下)Table 6 List of dynamic parameters of debris flow in Maridang Gully

值流量；QC為泥石流峰值流量；WC為一次泥石流總量；WS為沖出固體物質(zhì)總量；ζ為泥石流整體沖擊力；ε為單塊沖擊力。

5 結(jié)論

1)瑪日當(dāng)溝流域具有暴發(fā)泥石流災(zāi)害的有利地形、物源以及水動(dòng)力條件。

2)在特殊地形及物源限制條件下，由于泥石流起動(dòng)的容重與流速受限制，瑪日當(dāng)溝20年及以上一遇規(guī)模的泥石流實(shí)際暴發(fā)規(guī)模相較于規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏小。

3)瑪日當(dāng)溝20年及以上一遇規(guī)模的泥石流防治工程設(shè)計(jì)應(yīng)按容重及流速的臨界值計(jì)算進(jìn)行設(shè)防，這樣即能保證工程安全，又相較于按規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)防更經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

4)隨降雨強(qiáng)度增加(達(dá)臨界雨強(qiáng))，瑪日當(dāng)溝泥石流規(guī)模隨之增大，但流體沖擊力最終會(huì)趨于定值，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，瑪日當(dāng)溝20年及以上一遇規(guī)模的泥石流流體沖擊力為57.52 kPa。