青海加吾礦區(qū)瑪日當溝泥石流流域分區(qū)與動力特征分析

洪 磊，王 輝，劉 坤

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

0 引言

加吾礦區(qū)隸屬青海省同德縣巴溝鄉(xiāng)，成礦區(qū)帶上位于西秦嶺汞—銻礦帶西段之共和—澤庫印支期汞、砷、銅、鉛、金成礦亞帶之內(nèi)，礦產(chǎn)資源豐富。然而，本區(qū)大地構(gòu)造位置上處于秦昆銜接部位的共和盆地內(nèi)部[1，2]。作為青藏高原腹地，晚新生代以來，在印度板塊北北東向推擠作用下，地殼變形強烈[3]，活動斷裂極其發(fā)育，歷史地震活動頻繁；加之氣候環(huán)境特殊、地勢險要等因素造成區(qū)域上崩塌、滑坡等地質(zhì)災害效應強烈，并為孕育泥石流災害奠定了豐富的物源基礎。而礦區(qū)內(nèi)瑪日當溝因其特殊的溝道地形及流域特征使得該流域泥石流災害頻發(fā)，嚴重危害礦區(qū)礦產(chǎn)資源勘查及開采工作，并對溝道下游通往興?？h城公路及然果村落居民的人身安全形成極大隱患（圖1）。因此，開展該溝泥石流的調(diào)查工作，有效預防災害的發(fā)生顯得尤為必要。

探究泥石流動力特征是指導預防此類地質(zhì)災害發(fā)生的關(guān)鍵，國內(nèi)外有關(guān)泥石流動力特征的研究成果已相當豐富。由于對泥石流動力特征研究的現(xiàn)實意義主要落實在災害防治工作上，所以有關(guān)此領域的研究多是針對具體的泥石流災害進行的。譬如，2010 年，宋志等[4]對貢嘎山東坡雅家埂河特大型泥石流動力特征作了詳細分析，并在此基礎上反演泥石流運動過程，分析其形成機理；江岳安等[5]對四川康定江咀溝泥石流動力特征做過調(diào)查研究；張自光等[6]對都江堰市八一溝泥石流同樣獲得過動力特征方面的研究成果。盡管如此，大多數(shù)已有研究成果多局限于丘陵-低中高山地區(qū)的泥石流災害，而對于海拔在3000m 以上的青藏高原區(qū)內(nèi)因受人類采礦活動影響的礦山型泥石流災害的動力特征研究相對較少。本文以高原地區(qū)礦山型泥石流災害為對象，在分析前人研究成果資料基礎上，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)災害的實際調(diào)查結(jié)果，對礦區(qū)瑪日當溝泥石流災害的動力特征作系統(tǒng)分析，以期為該區(qū)泥石流的防治工作提供科學依據(jù)。

1 泥石流發(fā)育背景

瑪日當溝流域位于加吾礦區(qū)中部偏北，全長可達4.16km，溝道迂回曲折，總體走向北東，呈往南東向凸起的弓形展布，支溝不發(fā)育（圖1），流域面積約6.06km2，溝床平均比降192‰，兩側(cè)山體坡角多在70°以上。溝道下游溝口海拔約2900m，上游山頂海拔高度近4000m，垂直高差約達1000m。然而就局部地形而言，下游段因河水切割作用地形相對高差可達40～50m；中上游段因整體抬升，相對高差較小，約為10～20m；最上游泥石流形成區(qū)山高坡陡，相對高差超過60m。

圖1 瑪日當溝地形及流域分區(qū)特征圖Fig.1 The terrain and watershed partition characteristics of Maridang gully

流域內(nèi)地層巖性主要為碳質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖以及第四系松散堆積物，碳質(zhì)板巖原巖主要為含碳質(zhì)泥巖或頁巖，變質(zhì)程度低，抗壓性能差，性脆易破碎，含碳質(zhì)較多易沿層間滑動；砂質(zhì)板巖極易風化破碎；第四系地層未經(jīng)充分壓實，土質(zhì)疏松。此外，礦區(qū)內(nèi)人類采礦工程活動所形成的剝土及礦渣更是任意堆放，這些均為泥石流的發(fā)生提供了充分的物質(zhì)來源。

區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷拇箨懜咴?，?jù)同德縣氣象局資料，該區(qū)年平均降水量300～400mm，每年5—9 月份為主要降水期，其中在7—9 月份常有特大暴雨。礦區(qū)內(nèi)的河流主要為黃河，另有規(guī)模較小的黃河支流水系發(fā)育，汛期為5—9 月份。盡管該區(qū)年降雨量相對較少，但季節(jié)分配不均勻，過于集中在7—9 月份，該時期降雨量占全年降雨量的70%以上。如此密集程度的降雨，必然導致雨量的增加，為該地區(qū)泥石流的暴發(fā)提供了充足的水動力條件。

2 泥石流流域分區(qū)特征

2.1 形成區(qū)

瑪日當溝上游形成區(qū)為高陡的山脊圍成的“V”字型山谷，三面環(huán)山，一面出口，呈半圓弧形。該區(qū)海拔高程在3300～3560m 之間，面積約為1.41km2，主溝長約1.14km，寬度較小，在2～4m 間不等，山坡坡角可達30°～60°，溝床平均縱坡降265‰。坡面上常發(fā)育有許多沖溝，區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好，基巖裸露不明顯（圖2），僅在溝道兩側(cè)出露，巖性以砂質(zhì)板巖為主，表層風化強烈，節(jié)理裂隙和各類結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石較為破碎，易崩落滑塌。溝道內(nèi)多為風化強烈的碎石及塊石，顆粒較大，粒徑大多集中于2～8cm 之間。

圖2 瑪日當溝泥石流形成區(qū)形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of debris flow formation area at Maridang gully

2.2 流通區(qū)

瑪日當溝流通區(qū)段溝谷位于海拔高程2950～3300m 之間，面積約為2.77km2，溝長約2.75km，寬約5～15m，谷壁坡角超過60°，溝床平均縱坡坡降較之形成區(qū)明顯變緩，約為149‰。溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)主要為碎石，顆粒粒徑大多在2～8cm 之間，另有采礦棄渣及風化形成的殘坡積物，顆粒較小，粒徑小于2mm 且以砂粒居多，粉粒與粘粒亦有所發(fā)育。溝道兩側(cè)植被破壞明顯，基巖出露，巖性多為炭質(zhì)板巖與砂質(zhì)板巖，巖體風化破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。溝道局部地段坡度很大，近直立產(chǎn)出，形成4處跌水現(xiàn)象，高度在0.5～2m 之間（圖3）；另有一處卡口現(xiàn)象發(fā)育，寬度僅為1～2m（圖4）。

圖3 跌水（E）Fig.3 Waterfall（E）

圖4 卡口（W）Fig.4 Bayonet（W）

2.3 堆積區(qū)

瑪日當溝堆積區(qū)地形平緩，古泥石流堆積扇發(fā)育，位于海拔高程2930～2950m 之間，長度接近0.3km，溝床縱坡降僅為78‰。溝道兩側(cè)坡體植被破壞明顯，水土流失嚴重，出露地層以第四系為主。在距離溝口不遠處是一條通往興?？h城的公路，再往西是然果村村落以及探礦人員的營房（圖1、5）。因此，一旦暴發(fā)泥石流，不僅影響礦山的安全生產(chǎn)，而且對下游公路設施及人員的生命財產(chǎn)安全也構(gòu)成極大威脅。

圖5 瑪日當溝泥石流堆積區(qū)形態(tài)特征（W）Fig.5 Morphological characteristics of debris flow accumulation area at Maridang gully（W）

3 動力學特征

3.1 泥石流容重

現(xiàn)場調(diào)查實驗、經(jīng)驗公式以及形態(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。本文在對瑪日當溝泥石流易發(fā)程度（表1）進行評分的基礎上，計算得出數(shù)量化評分（N）值，再利用其與泥石流容重及（1+φ）之間的關(guān)系對照表（表2），確定泥石流流體的容重[7]。

表1 瑪日當溝泥石流易發(fā)程度評判表

表2 數(shù)量化評分（N）值與流體容重及（1+φ）關(guān)系對照表（部分）

據(jù)表1、2，確定瑪日當溝泥石流的流體容重約為γc=1.710t/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力條件的影響。泥石流災害防治工程勘查規(guī)范DZ/T0220-2006[7]是在引入泥石流暴發(fā)周期這一時間概念的前提下，將泥石流水動力條件影響因素定量化，給出以下經(jīng)驗公式：

其中，γc′為泥石流設計容重；T 為泥石流暴發(fā)周期。

據(jù)公式1 計算得出瑪日當溝泥石流設計容重（表3）。

表3 瑪日當溝泥石流不同設計暴發(fā)頻率下容重值

3.2 泥石流流速

國內(nèi)外有關(guān)泥石流流速的計算方法很多，有理論的、半理論的以及經(jīng)驗的。瑪日當溝為典型的溝谷型稀性泥石流，同時考慮到研究區(qū)地處西北地區(qū)，故采用適合西北地區(qū)的稀性泥石流計算公式更為合理。本文選取三種不同的推薦公式（表4） 綜合確定泥石流流速。

表4 泥石流流速計算推薦公式

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

表5 瑪日當溝泥石流不同設計暴發(fā)頻率下流速值

表6 泥石流堵塞系數(shù)Dc 值

3.3 泥石流峰值流量

本文采用雨洪修正法計算瑪日當溝不同設計暴發(fā)頻率下的泥石流峰值流量。假設泥石流暴發(fā)頻率與暴雨頻率相同，且同步發(fā)生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部變成泥石流流量。先利用水文方法《小流域暴雨洪峰流量計算》[10]計算小流域內(nèi)斷面在不同暴雨頻率下的洪水峰值流量（推理公式5），再利用東川公式（6）計算泥石流峰值流量[11]：

其中：Qp為洪水峰值流量；Qc為泥石流的峰值流量；ψ 為洪峰徑流系數(shù)；Sp表示設計頻率為P 的暴雨雨力（mm/h），即最大1h 的暴雨量；τ 為匯流時間（h）；n 為暴雨參數(shù)；F 為流域面積（km2）；Dc為堵塞系數(shù)（表6），Φ 同前；

表7 瑪日當溝泥石流峰值流量計算過程表

公式5、6 中各計算參數(shù)值依據(jù)當?shù)貧庀筚Y料與《小流域暴雨洪峰流量計算》[10]確定，瑪日當溝設計頻率下的最大暴雨量、暴雨特征參數(shù)、溝谷特征以及泥石流峰值流量計算結(jié)果如表7所示。

4 結(jié)論

（1） 瑪日當溝流域具有暴發(fā)泥石流災害的有利地形、物源以及水動力條件；

（2） 瑪日當溝為標準型泥石流溝，流域分區(qū)特征顯著；

（3） 瑪日當溝泥石流屬典型的溝谷型稀性泥石流或水石流，該流域十年一遇、二十年一遇、五十年一遇、一百年一遇以及兩百年一遇的泥石流峰值流量分別為54.19 m3/s、76.23 m3/s、129.51 m3/s、196.03 m3/s、278.86 m3/s。