空心寨溝溝谷型泥石流動(dòng)力學(xué)特性研究

戴志清, 畢丹, 李貴朋, 石風(fēng)格, 王忠福, 王博

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司,北京 100029; 2.中油遼河工程有限公司,遼寧 盤錦 124010; 3.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046)

泥石流是一種三相混合體,由石、砂、土等固體物質(zhì)、水及氣體組成,在重力作用的驅(qū)動(dòng)下沿山坡或者溝谷運(yùn)動(dòng),是地質(zhì)災(zāi)害中常見且經(jīng)常產(chǎn)生災(zāi)難性后果的災(zāi)害之一[1-2]。泥石流通常是突發(fā)性的,具有較長(zhǎng)的運(yùn)移距離和較強(qiáng)的沖擊力,對(duì)山區(qū)的村莊和基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目造成巨大威脅[3-4]。系統(tǒng)開展泥石流的發(fā)育特征及動(dòng)力學(xué)特性分析，對(duì)泥石流的危險(xiǎn)性分析、危害范圍確定及防治工程措施制定都具有重要意義[5-6]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已對(duì)其開展了大量的研究。羅健等[7]從地形地貌、物源分布、降雨特征等方面研究了龍王溝泥石流的動(dòng)力學(xué)特征。田樹峰等[8]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及無人機(jī)航測(cè),分析了綿九—平武段高速泥石流的動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征,同時(shí)研究了其危害性及危害范圍。唐川等[9]通過衛(wèi)片解譯、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等方法,對(duì)映秀鎮(zhèn)紅椿溝泥石流的形成機(jī)制及動(dòng)力學(xué)過程特征進(jìn)行了研究。王純祥等[10]采用深度積分的二維數(shù)值模型，結(jié)合GIS模擬了泥石流的動(dòng)力學(xué)過程及危害范圍。OUYANG C J等[11-13]利用基于深度積分的Massflow數(shù)值分析方法進(jìn)行了滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)過程的數(shù)值模擬,還原了真實(shí)災(zāi)害的發(fā)生過程。倪化勇等[14]通過設(shè)計(jì)室內(nèi)物理模型試驗(yàn),利用人工降雨技術(shù)對(duì)暴雨條件下沖溝型泥石流的形成演化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)特征開展了系統(tǒng)的研究。以上研究主要集中在泥石流的動(dòng)力學(xué)特征及動(dòng)力學(xué)過程上,對(duì)泥石流的形成因素及致災(zāi)機(jī)制研究較少。

本文以四川省松潘縣岷江鄉(xiāng)新塘村空心寨溝泥石流為研究背景,采用地面調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、定性分析及定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,分析空心寨溝泥石流的基本特征,確定動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù),同時(shí)總結(jié)泥石流的形成影響因素、分布規(guī)律及致災(zāi)機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)論可為空心寨溝泥石流防治措施的選擇及設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 研究區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 地理位置

空心寨溝泥石流位于四川省松潘縣岷江鄉(xiāng)新塘村岷江右岸。泥石流分布區(qū)地理坐標(biāo)為：北緯32°26′58.1″,東經(jīng)103°40′15.2″,該處距松潘縣縣城約60 km?？招恼瘻夏嗍鳒峡谔幏植加行绿链?同時(shí)213國(guó)道通過該處,交通便利。

1.2 氣象水文

研究區(qū)域在氣候分區(qū)上屬于川西高原氣候Ⅱ區(qū)。該區(qū)域的西北部氣候寒冷干燥,東南部則相對(duì)較濕潤(rùn)溫和。氣象資料顯示,該區(qū)域多年來平均氣溫5.9 ℃,極端最高氣溫30 ℃,極端最低氣溫-21 ℃。每年5月至10月上旬降水量約占全年降水量的80%,多年平均降雨量為723.2 mm,多年平均蒸發(fā)量達(dá)1 127.1 mm,多年平均相對(duì)濕度為64%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的水文資料顯示,該區(qū)域20 min最大降水量為21.4 mm,1 h最大降水量為25.3 mm,24 h最大降水量為45.5 mm。圖1為松潘縣1971—2000年30 a間的月平均降雨量。

圖1 松潘縣1971—2000年月平均降雨量

1.3 地形地貌

空心寨溝流域總體上屬深切構(gòu)造侵蝕中山及高山地形,泥石流溝由白相房溝、中干槽溝、沙路堂溝及帽子溝匯集組成。溝域內(nèi)整體上地形陡峻,臨空地形富足,為溝域內(nèi)發(fā)育崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象提供了條件,同時(shí)為溝域內(nèi)泥石流固體物源的匯集及流通提供了有利條件。溝域形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)條形,上游寬度30～80 m,下游寬度50～200 m。溝域面積21.28 km2,主溝長(zhǎng)9.4 km。溝域分布不對(duì)稱,左側(cè)地形坡度較陡峭,分布有老滑坡體和崩塌,右側(cè)較窄且地形陡峭,可見滑坡和坡面流發(fā)育。主溝溝域內(nèi)最高點(diǎn)高程為4 321.5 m,位于西北側(cè)尼地山峰,最低點(diǎn)高程為2 657.0 m,位于空心寨溝匯入岷江河口處,相對(duì)高差達(dá)1 664.5 m。地貌分區(qū)如圖2所示。

1.4 地層巖性

研究區(qū)域主要出露的地層有第四系松散堆積層(Q4)和三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z),詳細(xì)地層巖性特征如下：

2)三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)。區(qū)域內(nèi)以三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)的鈣質(zhì)泥質(zhì)砂板巖為主,局部夾炭質(zhì)砂頁(yè)巖。因其組成物質(zhì)不同,巖層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有所區(qū)別。主要在溝道右岸山坡陡崖處以基巖露頭的形式展現(xiàn),易風(fēng)化,強(qiáng)風(fēng)化層厚度5～10 m;巖體裂隙發(fā)育,巖石整體上破碎,多呈碎塊狀。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域地處中國(guó)南北向地震帶,區(qū)域發(fā)育有岷江、雪山及虎牙3條主要的斷裂帶。區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)較頻繁,場(chǎng)地地震烈度為Ⅷ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.20g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。松潘縣的地震與活動(dòng)斷裂的受力方向基本一致,為地震多發(fā)縣,由地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害較為多見。1976年，小河強(qiáng)烈地震,引發(fā)山崩、河道堵塞,泥石流沖毀農(nóng)田、村莊等,危害嚴(yán)重。

1.6 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件,將研究區(qū)域內(nèi)地下水劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。

1)松散巖類孔隙水。多分布于斜坡及河流階地地帶,通常是指富集在第四系松散堆積物中的孔隙水,受降雨及地表水補(bǔ)給的斜坡地帶的地下水,常由高向低沿著土層內(nèi)部孔隙以及相對(duì)密實(shí)隔水層徑流,途中部分進(jìn)入基巖裂隙中參與基巖裂隙水的補(bǔ)給,部分在溝谷等地勢(shì)相對(duì)低洼處以泉的方式排泄。此類地下水具有季節(jié)性,流量受季節(jié)性影響較大,雨季后一般枯竭,分布不均,無統(tǒng)一地下水水位,水量一般較小。受降雨、地表水及河水側(cè)向補(bǔ)給的河流階地處地下水,分布相對(duì)較均勻,有統(tǒng)一的地下水位,水量較大。

2)基巖裂隙水。該類地下水主要包括構(gòu)造破碎帶裂隙水以及變質(zhì)巖裂隙水兩類,多賦存于三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)砂質(zhì)板巖、石灰?guī)r、砂頁(yè)巖裂隙中。由于研究區(qū)域處于斷層破碎帶上,巖體破碎加之裂隙發(fā)育,為地下水的賦存創(chuàng)造了有利條件,加之溶蝕溶孔、溶隙作用,可形成富水區(qū)。

1.7 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)域內(nèi)人類工程活動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)烈,主要包括村民生產(chǎn)生活開挖用地和砍伐樹林等。大量的耕種開挖用地和砍伐樹林,破壞了表層土體的原生穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及植被根系對(duì)土體的維穩(wěn)控制作用,造成土質(zhì)松散。當(dāng)遇到地表徑流時(shí),松散的土層將發(fā)生水土流失，從而給溝床輸送大量的固體物質(zhì),促進(jìn)了泥石流的發(fā)育及形成。

2 泥石流的基本特征

2.1 溝谷特征

空心寨溝位于岷江鄉(xiāng)新塘村,呈近南北向展布,由北向南流入岷江。溝系呈條帶狀,整體上溝道順直,局部有小拐彎,溝谷形態(tài)多呈“U”字形。溝道上游多為小沖溝,寬度2～3 m,深度1～2 m,呈“V”字形,植被覆蓋率85%以上?？招恼鳒衔挥诳招恼瘻嫌覀?cè),溝道長(zhǎng)9 400 m,平均縱坡降177‰,溝域內(nèi)高程分布范圍為2 657～4 321.5 m,上游寬度為30～80 m,下游寬度為50～200 m,溝道整體順直,以下切為主。泥石流平面圖如圖3所示。

圖3 泥石流平面圖

2.2 泥石流物源分布特征

空心寨溝物源結(jié)構(gòu)松散,主要來源為老滑坡堆體和泥石流堆積體。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,以上堆積體集中堆于溝底和兩岸,處于不穩(wěn)定～潛在不穩(wěn)定狀態(tài)。溝谷上游以下切作用為主,坡降較大,堆積體物源主要分布在該處,因此，啟動(dòng)泥石流的可能性較大。在遇到強(qiáng)降雨時(shí),堆積體可能發(fā)展成為空心寨溝泥石流的啟動(dòng)物源,同時(shí)靠坡腳的堆積物起動(dòng)的可能性較大。當(dāng)溝谷內(nèi)流量不斷增大時(shí),則很有可能繼續(xù)引發(fā)溝中潛在不穩(wěn)定物源啟動(dòng)成為泥石流物源。綜合以上分析,在目前條件下,一旦遇到特大或大暴雨,形成較大規(guī)模泥石流的可能性就會(huì)增加,從而威脅到新塘村的安全。

2.3 形成區(qū)特征

從地形特征上看,泥石流形成區(qū)域?yàn)橹懈呱降孛?溝谷較寬,溝道內(nèi)有泥石流暴發(fā)后停積的固體物質(zhì)。溝底高程3 110～4 170 m,最大高差為1 060 m，溝谷長(zhǎng)度約5 100 m；兩側(cè)山體較陡峭,坡度25°～54°。特殊的地形創(chuàng)造了優(yōu)良的地表匯水條件,泥石流匯水面積達(dá)13.7 km2。泥石流溝道寬度為30～50 m，總體較順直,岸坡陡峭且縱坡坡降較大,溝道多呈“V”形,以沖刷下切作用為主,側(cè)岸掏蝕為輔。溝床內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,存在多處崩坡積物,主要以碎塊石土為主,粒徑一般在0.5 m以下,部分粒徑達(dá)到1.5 m,崩坡堆積物為泥石流的補(bǔ)充物源,對(duì)引發(fā)泥石流也起到非常重要的作用。

2.4 流通區(qū)特征

泥石流流通區(qū)如圖4所示。流通區(qū)主要通過改變泥石流的動(dòng)力學(xué)參數(shù)從而對(duì)泥石流的流通運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。在流通區(qū)溝道比降較大處,泥石流下泄便會(huì)得到加速,同時(shí)泥石流的流速、沖擊力、破壞力等便會(huì)同步增大;反之，則減小。空心寨溝的泥石流流通區(qū)高程為2 702～3 440 m,最大高差達(dá)738 m,整個(gè)流通區(qū)面積約6.4 km2,溝長(zhǎng)約4 865 m,坡降為139.7‰。溝道寬20～80 m,溝道兩側(cè)坡體的自然坡度多大于70°。

圖4 泥石流流通區(qū)

泥石流過后,底部堆積物中巖塊較多；中上部為塊石體堆,黏粒含量較少;上部植被較發(fā)育,以灌木、喬木為主;表層多為植腐層。沿溝道發(fā)育有數(shù)處滑坡堆積體,方量多為1 500～50 000 m3,為泥石流的發(fā)育提供了一定物源補(bǔ)給,一旦泥石流發(fā)生,這些物質(zhì)直接參與到泥石流中。溝道底部多處形成跌水,坎落落差2～5 m。在泥石流過后,溝道泥痕稀少。

2.5 堆積區(qū)特征

作為泥石流主要泛濫場(chǎng)所的堆積區(qū),是泥石流危害最大的區(qū)域。通常,堆積區(qū)的坡度較緩,泥石流在此處所受的阻力會(huì)增大,導(dǎo)致其流速減小,并沿途不斷堆積。空心寨溝堆積區(qū)長(zhǎng)約1 000 m,寬約300 m,面積約0.3 km2,高程為2 702～2 650 m,最大高差約50 m,平均縱坡降166.7‰。空心寨溝溝口附近主要為沖洪積堆積物,兩側(cè)為岷江一級(jí)階地?？招恼瘻蠜_溝是在一級(jí)階地上改造而成的,溝內(nèi)常年流水,雨季以洪流為主。對(duì)空心寨溝堆積扇的顆粒組成進(jìn)行了大量測(cè)試,結(jié)果表明：堆積物以碎石、塊石為主；堆積物的顆粒組成中以粒徑21～40 cm的塊石為主，粒徑10～20 cm的碎石次之。泥石流堆積區(qū)如圖5所示。

圖5 泥石流堆積區(qū)

3 泥石流形成機(jī)制分析

1)豐富的松散固體物質(zhì)條件。空心寨溝所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,松潘斷裂從溝兩側(cè)斜坡通過,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升強(qiáng)烈,導(dǎo)致巖體破碎,同時(shí)第四系松散層分布范圍廣且厚度大。因此，松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)到57.1×104m3,堆積的大量松散物質(zhì)成為泥石流發(fā)生的物源基礎(chǔ)。同時(shí)，地震嚴(yán)重破壞了該區(qū)域巖土體原始的穩(wěn)定狀態(tài)。2008年“5·12”汶川特大地震疊加后續(xù)多次余震的反復(fù)作用,導(dǎo)致該區(qū)域山體及堆積體變得松散，從而引發(fā)多處山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,進(jìn)一步為泥石流的發(fā)生提供了物源。

2)適宜的地形條件。空心寨溝主流域的地形較陡,平均縱坡降177‰,特別是上游陡坡區(qū)縱比降高達(dá)212.3‰。陡峭的溝道為泥石流的形成提供了有利的勢(shì)能條件。

3)充足的水源條件。空心寨溝區(qū)域位于四川盆地西北邊緣,降雨充沛,多年平均降雨量達(dá)723.2 mm,最大年降雨量達(dá)940 mm。據(jù)松潘縣氣象資料,該區(qū)域全年降雨量的75%～80%都集中在5—10月份,并且降雨量隨地形的增高而加大。豐富的降雨為泥石流暴發(fā)提供了充足的水源條件。

4 泥石流特征值分析

4.1 泥石流流體類型

泥石流堆積物是泥石流暴發(fā)后殘留下來的松散堆積物，這些堆積物一般分布在流通區(qū)和堆積區(qū)。通過對(duì)泥石流堆積物的分析,可以判斷出泥石流的性質(zhì)。由于空心寨溝泥石流為發(fā)生過的泥石流,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用稱重法測(cè)得堆積物密度為1.90 t/m3,據(jù)此判定空心寨溝泥石流為黏性泥石流。

4.2 泥石流流速

流速是表征泥石流流動(dòng)性質(zhì)的重要參數(shù)。目前，關(guān)于泥石流流速的計(jì)算公式中，將泥石流類型主要分為兩大類,即稀性泥石流和黏性泥石流?？招恼瘻夏嗍鳛轲ば阅嗍?參考《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2006)[15],黏性泥石流的流速計(jì)算公式為：

(1)

式中：VC為泥石流的流速,m/s;nC為黏性泥石流溝床的粗糙率;R為水力半徑,m;I為泥石流的水面坡度或溝床縱坡，‰。不同頻率P下，空心寨溝泥石流流速的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同頻率下空心寨溝泥石流的流速

4.3 泥石流流量

在雨洪法中常假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生,依據(jù)水文方法計(jì)算出斷面在不同頻率下的暴雨洪峰流量,對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

QC=QP(1+φ)DC,

(2)

φ=(γC-γW)/(γH-γC),

(3)

(4)

SP=HtPtn3-1,

(5)

(6)

式中：QC為頻率P時(shí)泥石流的洪峰值流量,m3/s;QP為頻率P時(shí)暴雨洪水的設(shè)計(jì)流量,m3/s;φ為泥石流泥沙修正系數(shù);γC為泥石流的密度,t/m3;γW為清水的密度,t/m3;γH為泥石流中固體物質(zhì)的密度,t/m3;DC為泥石流堵塞系數(shù);τ為匯流時(shí)間，s;L為主溝長(zhǎng)度,km;J為溝道縱比降,‰;m為匯流參數(shù);μ為產(chǎn)流參數(shù);SP為頻率P時(shí)的雨力,mm/h;HtP為設(shè)計(jì)頻率P下最大t小時(shí)暴雨量;n、n3為暴雨參數(shù)。

不同頻率P下,空心寨溝泥石流的流量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同頻率下空心寨溝泥石流的流量

4.4 一次泥石流總量

工程中常采用計(jì)算法或?qū)崪y(cè)法來確定一次泥石流總量Q。實(shí)測(cè)法精度較高,但常受實(shí)地條件的限制。計(jì)算法主要依據(jù)泥石流歷時(shí)T和最大流量QC兩個(gè)參數(shù),計(jì)算公式如下：

Q=KTQC。

(7)

式中：Q為泥石流過流總量,m3;QC為泥石流最大流量,m3/s;T為泥石流持續(xù)時(shí)間,s;K為系數(shù),與匯水面積有關(guān),根據(jù)規(guī)范DZ/T 0220—2006中的相關(guān)規(guī)定,因空心寨溝的流域面積為21.28 km2,K取0.037 8。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH的計(jì)算公式為：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γC)。

(8)

根據(jù)上述公式計(jì)算空心寨溝一次泥石流總量及固體物質(zhì)總量，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同頻率下空心寨溝一次泥石流總量及固體物質(zhì)總量

4.5 泥石流沖擊力

泥石流整體沖壓力以及個(gè)別大塊石的沖擊力,是決定泥石流防治措施選擇及防治工程設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要參數(shù)。

4.5.1 泥石流整體沖壓力

泥石流的整體沖壓力可依據(jù)規(guī)范DZ/T 0220—2006中的推薦公式計(jì)算：

(9)

式中：δ為泥石流整體沖壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;VC為泥石流平均流速,m/s;α為泥石流沖壓力方向與受力面的夾角,(°);λ為受力體形狀系數(shù)。

不同頻率P下,空心寨溝泥石流整體沖壓力的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同頻率下空心寨溝泥石流的整體沖壓力

4.5.2 泥石流大塊石沖擊力

根據(jù)規(guī)范DZ/T 0220—2006,泥石流中大塊石的沖擊力可采用以下公式計(jì)算：

(10)

(11)

式中：F為塊石的沖擊力,kN;r為動(dòng)能折減系數(shù);VS為大塊石的流速,m/s;W為塊石的質(zhì)量,t;C1、C2分別為巨石、橋墩的彈性變形系數(shù),C1+C2=0.005;a為全面考慮摩擦系數(shù)、泥石流密度、石塊密度、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素的參數(shù);dmax為堆積物中最大塊石的粒徑,m。

通過以上相關(guān)計(jì)算,得到空心寨溝泥石流大塊石的最大速度為6.93 m/s,大塊石的沖擊力為1 148.39 kN。

4.6 泥石流最大沖起高度和爬高

泥石流最大沖起高度和爬高依據(jù)規(guī)范DZ/T 0220—2006中的公式計(jì)算：

(12)

(13)

式中：ΔH為泥石流的最大沖起高度,m;ΔHC為泥石流的爬高,m;b為泥石流迎面坡度的函數(shù)。

不同頻率P下,空心寨溝泥石流的最大沖起高度和爬高計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同頻率下空心寨溝泥石流的爬高和沖起高度

5 結(jié)論

通過利用地面調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、定性分析及定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法,分析確定了空心寨溝泥石流的基本特征和動(dòng)力學(xué)參數(shù),揭示了泥石流的形成規(guī)律及災(zāi)變機(jī)制。結(jié)論如下：

1)空心寨溝泥石流區(qū)域?qū)僦懈呱降孛?空心寨主溝近南北走向,主溝溝域內(nèi)高程為2 657～4 321.5 m,最大高差1 664.5 m,溝域由東南向西北傾斜。主要物源包括崩滑堆積物源和溝床堆積物源,具備發(fā)生泥石流的物源基礎(chǔ)。在暴雨的誘發(fā)下,存在暴發(fā)泥石流災(zāi)害的可能。

2)在對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)特征研究分析的基礎(chǔ)上,確定了泥石流的運(yùn)動(dòng)速度、沖擊力等動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù),同時(shí)系統(tǒng)研究了空心寨溝泥石流的動(dòng)力學(xué)特性,研究結(jié)果可為空心寨溝泥石流防治措施的制定及方案設(shè)計(jì)提供有力支撐。

3)經(jīng)過調(diào)查及分析,空心寨溝泥石流為中頻—暴雨—崩塌—滑坡—溝谷型黏性泥石流,推薦采取20年一遇以上的生物和工程設(shè)防措施,治理工程以攔擋為主,排導(dǎo)為輔。