典型區(qū)單溝泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

謝 營，張 健

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

泥石流在我國是常見的地質(zhì)災(zāi)害，在山區(qū)、丘陵地區(qū)易發(fā)，往往造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。研究區(qū)受不合理采礦等人類工程活動(dòng)影響，當(dāng)?shù)刂脖灰约暗乇硇螒B(tài)易被破壞并產(chǎn)生大量松散物。因此，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)極為重要。

通過對(duì)研究區(qū)泥石流溝進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，并結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，綜合考慮平臺(tái)GIS 信息及已有的降雨資料等，計(jì)算流域內(nèi)潛在泥石流的特征參數(shù)，依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)該泥石流溝進(jìn)行了危險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)以山地地形為主，由于不合理采煤，造成了嚴(yán)重的不良地質(zhì)現(xiàn)象。研究區(qū)為當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有4 條泥石流溝之一。所在村子已有部分住戶搬遷，現(xiàn)今全村仍有59 戶134 人受泥石流威脅。研究區(qū)占地總面積1.38 km2，距鄉(xiāng)政府約4 km。

1.1 地貌與地層

研究區(qū)雖屬低山丘陵地貌，但地表起伏較大，最大高差720 m。流域內(nèi)兩側(cè)山坡坡度一般在30°～60°，主溝長(zhǎng)約2.35 km，平均縱坡降約1.91%，匯水面積約1.38 km2。地形切割強(qiáng)烈，形態(tài)利于地表徑流的匯集，且流水具有較強(qiáng)的水動(dòng)力。

1.2 氣象與水文

研究區(qū)多年平均汛期降雨量580 mm，蒸發(fā)量較小，多年平均最大24 h 雨量高達(dá)110 mm，集中在6-8 月，易在局部地區(qū)形成峰高量小的兇猛洪水，易誘發(fā)泥石流。

1.3 地震活動(dòng)

據(jù)資料研究區(qū)未發(fā)生強(qiáng)震，僅受到多次遠(yuǎn)震的影響。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，研究區(qū)地震烈度7°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g。

1.4 植被覆蓋

據(jù)實(shí)地調(diào)查，上游溝源區(qū)山體以喬木為主的樹林保持良好，植被覆蓋率達(dá)80%；流通區(qū)、堆積區(qū)溝道及兩側(cè)坡腳植被受到嚴(yán)重破壞，局部碎石狀煤矸石堆積，植被覆蓋率不足30%。

2 研究區(qū)泥石流形成條件與發(fā)育特征

2.1 研究區(qū)泥石流形成條件

泥石流的形成受多方面因素影響，除上文敘述的，有利的地形條件、突發(fā)性的水動(dòng)力條件外，另一主要影響因素為松散的固體物源條件。

本研究區(qū)域泥石流溝的松散固體物質(zhì)主要來源為人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的松散物堆積，包括采礦廢棄物、切坡松散物、次生災(zāi)害松散堆積物。經(jīng)調(diào)查物源總量約21.9 萬m3，可參與泥石流活動(dòng)物源動(dòng)儲(chǔ)量約5.1 萬m3。

2.2 泥石流動(dòng)力特征

1）泥石流流體重度。采用經(jīng)驗(yàn)公式法和形態(tài)調(diào)查法計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：γc為泥石流重度，t/m3；K1為比降系數(shù)；KR為研究區(qū)巖石巖性系數(shù)；KL為形成區(qū)到源頭的溝長(zhǎng)與主溝總長(zhǎng)度的比值；KO為泥石流補(bǔ)給系數(shù)；KA為泥石流溝谷中存在的松散物源總量系數(shù)。

泥石流的容重跟爆發(fā)周期有明顯的關(guān)系，本文采用爆發(fā)頻率P（次/年）分別為1%、2%、5%、10%，進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

表1 不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流流體重度

2）泥石流峰值流量。泥石流峰值流量是影響泥石流的規(guī)模的最主要因素。由于研究區(qū)歷史上未發(fā)生過泥石流災(zāi)害，應(yīng)屬于泥石流隱患溝，本文采用雨洪修正法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：Qc為泥石流峰值流量，m3/s；Dc為堵塞系數(shù)；φ 為泥石流泥沙修正系數(shù)；QP為頻率為P的暴雨洪峰流量，m3/s；泥石流峰值流量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 泥石流流量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

3）泥石流流速。泥石流溝固體物源主要為煤矸石和碎石，以稀性泥石流和水石流為基本參照。按照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算泥石流流速：

式中：Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；R 為水力半徑，m；I 為泥石流水力坡度，一般用溝床縱坡代替；mw為河床外阻力系數(shù)。經(jīng)計(jì)算求得不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流流速見表3。

表3 不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流流速

4）一次泥石流過程總量。一次泥石流過程總量表征著流域內(nèi)泥石流的規(guī)模，計(jì)算過程總量公式為：

式中：Q 為一次泥石流過程總量，m3；T 為泥石流歷時(shí)，s；k 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Qc為泥石流峰值流量，m3/s。求得不同頻率下Q，結(jié)果見表4。

表4 不同設(shè)計(jì)頻率下一次泥石流過程總量

5）一次泥石流固體沖出物。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄I 提供的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：QH為一次泥石流固體沖出物總量，m3；Q 為一次泥石流過程總量，m3；γc為泥石流重度，t/m3；γw為水的重度，t/m3；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度，t/m3。

計(jì)算得到不同頻率下，一次泥石流固體沖出物總量，其結(jié)果見表4。

6）泥石流整體沖擊力。泥石流整體沖擊力這一參數(shù)主要用于泥石流防災(zāi)減災(zāi)的工程設(shè)計(jì)，分為流體整體沖擊力和單塊最大沖擊力。由于堆積區(qū)內(nèi)主要物源塊石粒徑為煤矸石和碎石，未發(fā)現(xiàn)有巨石故本文不計(jì)算單塊最大沖擊力。泥石流整體沖擊力計(jì)算公式為：

式中：δ 為泥石流整體沖壓力，kPa；λ 為建筑物形狀系數(shù)；g 為重力加速度，取g=9.8 m/s2。γc為泥石流重度，t/m3；Vc為泥石流平均流速，m/s；a 為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，取90°計(jì)算最嚴(yán)重時(shí)的危害沖擊力。計(jì)算得到不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流整體沖擊力，見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流整體沖擊力

7）泥石流爬高和最大沖起高度。泥石流的爬高和沖起高度決定泥石流防治工程參數(shù)，其值越大，對(duì)防治工程的要求越高。計(jì)算公式如下：

式中：ΔH 為泥石流最大沖起高度，m；ΔHc為泥石流爬高，m；Vc為泥石流平均流速，m/s。計(jì)算得到不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流最大沖起高度和泥石流爬高見表6。

表6 不同設(shè)計(jì)頻率下泥石流爬高、最大沖起高度

8）泥石流最大危險(xiǎn)區(qū)面積。結(jié)合上述數(shù)據(jù)、泥石流物源分布及當(dāng)?shù)販系老掠蔚匦蔚孛睬闆r，計(jì)算泥石流最大危險(xiǎn)區(qū)面積。

泥石流由上游沖向中游，由于溝道內(nèi)沿線物源較多，泥石流物源會(huì)得到不斷補(bǔ)充，而且由于溝道內(nèi)煤矸石堆積，造成較陡的堆積坡面，會(huì)加大泥石流的流速以及物源的匯集，導(dǎo)致最后泥石流沖出溝口，進(jìn)入下游的居民區(qū)。在P 為1%的頻率下，預(yù)測(cè)泥石流的最大堆積范圍為最大堆積長(zhǎng)度0.86 km；最大堆積寬度0.55 km；堆積輻射角51.15°，最大危險(xiǎn)范圍0.26 km2；但是由實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)可知，溝口寬度僅有0.17 km，完全達(dá)不到上述計(jì)算的0.55 km，而且泥石流扇形展開角會(huì)被兩側(cè)山體約束在44 °以內(nèi)，致使堆積長(zhǎng)度會(huì)向下游延伸。因此溝口的居民以及諸多民用建筑均受到威脅。

3 基于數(shù)量化綜合評(píng)判方法的評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)判方法

以泥石流數(shù)量化綜合評(píng)判結(jié)果反映泥石流的易發(fā)程度，其大小直接反應(yīng)泥石流危險(xiǎn)度的大小。結(jié)合《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》附錄表G“泥石流溝的數(shù)量化綜合評(píng)判及易發(fā)程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)影響泥石流發(fā)育的各項(xiàng)影響因子。逐項(xiàng)打分，最后得出總的評(píng)分結(jié)果。按照泥石流易發(fā)程度定量判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泥石流的易發(fā)程度進(jìn)行等級(jí)判定。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)上文計(jì)算出的泥石流基本特征參數(shù)，進(jìn)行逐項(xiàng)打分，最后得出本研究區(qū)易發(fā)程度評(píng)分為95 分，根據(jù)泥石流易發(fā)程度定量判別標(biāo)準(zhǔn)判別為中等易發(fā)程度。