甘肅武都泥石流動力學特征參數(shù)計算及防治建議

黃 琦

（重慶交通大學 河海學院，重慶 400074）

甘肅省是我國泥石流最發(fā)育的地區(qū)之一，雨季集中在每年的6、7、8月份，地質(zhì)災害活動在雨季頻繁發(fā)生，是我國四大泥石流密集區(qū)之一[1-2]。

2020年8月，甘肅省隴南市武都區(qū)接連出現(xiàn)強降雨，引發(fā)了百年一遇的暴洪、群發(fā)性泥石流災害，據(jù)統(tǒng)計，8月17日21 時，強降雨致武都區(qū)內(nèi)共發(fā)生泥石流災害153 處，截至8月18日24 時，泥石流災害造成的直接經(jīng)濟損失達81.86 億元，可見此次泥石流災害的爆發(fā)范圍、數(shù)量以及規(guī)模都是空前的。

本文作者獲取了大量災后泥石流溝的相關資料，以王溝、小水溝、燕兒溝等溝為研究對象，結(jié)合相關資料對本次群發(fā)性泥石流溝口的流速、流量、沖擊力進行了分析和計算，并依據(jù)本次群發(fā)泥石流的特征參數(shù)計算結(jié)果提出了避免構(gòu)筑物受到群發(fā)性泥石流作用而破壞的防災減災對策。

1 泥石流流速計算

泥石流流速計算公式見表1。

表1 泥石流流速計算公式

1.1 流速計算方法

式1 和式2 皆由武都火燒溝、柳灣溝、泥灣溝泥石流統(tǒng)計分析113 次得來，適合用于武都區(qū)黏性泥石流的流速計算。式3 適用于低阻型泥石流，具有陣性流特征。這類泥石流流體十分均勻，流體內(nèi)的物料較均一，并充填有黏稠的泥漿體，運動過程中粗顆粒之間為光滑摩擦。式4 計算出的泥石流流速與實際流速相比，誤差較小，可運用于計算武都區(qū)黏性泥石流流速[6]。

1.2 流速計算結(jié)果

災后調(diào)查時，對區(qū)內(nèi)王溝、小水溝、燕兒溝等溝做了測量、記錄以及繪制溝口斷面圖，得到了各溝計算斷面的平均泥深，并通過影像解譯得到了各流域的主溝長度、流域面積、高差、水力坡降等參數(shù)，各溝物理參數(shù)值及流速計算結(jié)果見表2。

表2 泥石流流速計算結(jié)果

表中由各計算方法所得到的泥石流流速計算結(jié)果之間存在一定的差異，其主要原因是野外測量得到的計算斷面平均泥深Hc與實際相比存在較大誤差，再加上河床縱比降這一數(shù)據(jù)是利用DEM 進行計算得到的結(jié)果，其準確率無法保證，最終在以上兩個原因的作用下影響了流速計算結(jié)果的準確性。

通過對比各公式計算結(jié)果與流速均值的差異，得出式3 更適用于本次群發(fā)性泥石流的流速計算。

2 泥石流流量計算

2.1 泥石流流量計算方法

泥石流爆發(fā)具有突發(fā)性，活動時間較短，再加上泥石流運動時的復雜性和溝谷的差異性[6-7]，在野外直接測得泥石流流量具有一定的難度，故選取配方法計算王溝、小水溝、燕兒溝等溝的流量，然后用形態(tài)調(diào)查法對雨洪法計算結(jié)果進行校核，具體方法見表3。

表3 泥石流流量計算公式

2.2 泥石流流量計算結(jié)果

利用配方法并以100年一遇的重現(xiàn)周期計算各溝的泥石流流量，并利用形態(tài)調(diào)查法做校核，當兩者誤差較小時，取平均值作為流量計算結(jié)果，否則，以形態(tài)調(diào)查法的計算結(jié)果為準計算，結(jié)果見表4。

表4 泥石流流量計算結(jié)果

泥石流的活動具有突發(fā)性、短暫性，且危險性極大，在第一時間內(nèi)無法測得泥石流動力特征參數(shù)計算所涉及的部分物理參數(shù)，多是以調(diào)查走訪村民的形式去獲得各溝的物理參數(shù)，導致燕兒溝利用配方法和形態(tài)調(diào)查法計算得到的流量存在極大差異，王溝、石門溝、杜家陰溝、樊家壩溝、文家溝、米倉溝的差異相對而言較小。

3 沖擊力計算

3.1 計算方法選取

泥石流沖擊力計算公式見表5。

表5 泥石流沖擊力計算公式

3.2 計算結(jié)果

3 種方法計算結(jié)果見表6，式8 以Hertz 接觸理論的彈塑性碰撞理論為依據(jù)，計算結(jié)果遠小于另2 種方法的計算結(jié)果，故取式7 和式9 的均值作為隴南泥石流中大石塊沖擊力的計算結(jié)果。

表6 泥石流沖擊力計算公式

4 防災減災建議

通過對以上11 條溝的分析與計算，得到了各條溝的流速、流量和沖擊力計算結(jié)果。根據(jù)動力參數(shù)分析與計算結(jié)果，對甘肅武都區(qū)泥石流災害治理提出以下防災減災建議。

（1）考慮到武都區(qū)的沿溝道路路基在每年的雨季容易受到泥石流的沖刷，可采用砌石防護法來避免或減少泥石流對道路路基的沖刷，進而增強道路路基的穩(wěn)定性；修建排導槽并合理地調(diào)整排導槽橫斷面、坡度、肋檻等參數(shù)，用于降低泥石流流速，達到減小泥石流對路基沖刷破壞的目的。

（2）針對泥石流沖毀橋梁、護岸這一常見破壞模式，建議考慮采用聯(lián)合防護的防治措施對溝道中的橋墩、護岸進行保護，即聯(lián)合采用截水溝、格柵壩、橡膠表面防護3 種防治措施進行治理。利用截水溝控制泥石流啟動區(qū)形成泥石流所需的水源，從而降低泥石流的規(guī)模，減小泥石流對橋墩、護岸的破壞性；利用格柵壩攔截泥石流所攜帶的大石塊，降低大石塊對下游橋墩、護岸進行沖擊進而破壞的可能性；在橋墩表面附上橡膠，減緩泥石流沖擊力對橋梁的作用。

（3）坡面泥石流的防治措施主要有兩類：一是及早清除坡面松散物質(zhì)這類主動防護措施，盡可能讓松散物穩(wěn)定下來；二是考慮攔擋墻、導流堤、排導槽等被動防護措施，修建多級攔擋墻，將坡面泥石流攔截在受威脅建筑物區(qū)域外；利用導流堤、排導槽等措施將坡面泥石流引出構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)。