米林比定溝泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

何夏裕 劉蕾 王勇智

收稿日期：2023-12-10

作者簡(jiǎn)介：何夏裕（1999—），男，浙江紹興人，主要從事地質(zhì)工程研究。#通信作者：劉蕾 ，E-mail：769245865@qq.com。

摘 要：泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是對(duì)米林比定村段內(nèi)活動(dòng)人員和公路等設(shè)施安全的重要依據(jù)。為了研究比定溝對(duì)區(qū)域內(nèi)的影響，采用實(shí)地勘察、室內(nèi)試驗(yàn)、遙感分析等相結(jié)合的方法，分析了泥石流溝運(yùn)動(dòng)參數(shù)和危害特點(diǎn)，對(duì)溝道進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為米林的災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泥石流；運(yùn)動(dòng)參數(shù)；危險(xiǎn)性

中圖分類號(hào)：P642.23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

米林位于西藏東南地區(qū)，是我國泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，這與其特殊的地理、氣候和地質(zhì)條件密不可分[1]。位于雅魯藏布江中段、念青唐古拉山與喜馬拉雅山交匯處，由于地震活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致該區(qū)域地質(zhì)巖層較為破碎。同時(shí)，因?yàn)樵摰貐^(qū)降雨量較為豐富，而泥石流作為一種具有突發(fā)性、高度破壞性、淤積性等特性的自然災(zāi)害，給國家?guī)砭薮蟮膿p失，甚至威脅人民的生命安全[2]。目前，許多專家先后提出過一些泥石流危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法，如模糊數(shù)學(xué)法、投影追蹤法

等[3-4]?；谏鲜龇椒ǖ难芯?，以米林市比定溝作為研究對(duì)象，借用熵理論并選取一定的評(píng)價(jià)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為比定溝后期治理提供依據(jù)[5]。

1 研究區(qū)概況

1.1 位置與地形地貌

比定溝流域位于西藏自治區(qū)米林市比定村向西1.8 km處，溝口坐標(biāo)為94°5′41.140"E，29°11′38.806"N

（圖1）。該流域整體由西南—北東向展布，山體被深而長(zhǎng)的縱谷所切割，地勢(shì)陡峭，地形崎嶇，屬于復(fù)合山地地貌和河谷地貌，溝谷形態(tài)呈“I”字形。該流域面積0.635 km2，主溝長(zhǎng)度為1.978 km，流域內(nèi)高差為1 155 m，

地勢(shì)南高北低，縱坡降為584‰，平均坡度為38°，低坡度主要集中在溝槽和分水嶺地帶，而高坡度主要集中分布在山坡兩岸不同的高度帶上。

1.2 地質(zhì)及氣候水文條件

在構(gòu)造條件上該區(qū)域位于南迦巴瓦楔形構(gòu)造的西側(cè)，并從附近露出的地層可以得到，該區(qū)域地層巖性為新元古界—中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組（Pt2-3b）的片巖，及第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層（Q4heol）。片巖主要分布于流域的主支溝溝道內(nèi)；風(fēng)積層主要分布于流域溝口山體斜坡地帶，多為塊石與顆粒物。

在氣候上屬于高原溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)為降水集中，雨熱同季，蒸發(fā)量大。因溝道與米林市距離較近，因此引用米林氣象站1987—2020年的降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，降雨多集中在6—9月，年平均氣溫8.6 ℃，平均年降水量為702 mm，年降雨量最高為891.9 mm。

該流域內(nèi)蒸發(fā)量大、水汽充沛，夏季雨水集中，在干濕交替的作用下，容易使得土體失去穩(wěn)定性，從而變得松散，加大泥石流的物源量。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算

2.1 泥石流容重

泥石流容重的大小直接反映了泥石流對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，同時(shí)也反映了泥石流混合物中含有固體物質(zhì)的數(shù)量。鑒于比定溝沒有相關(guān)的歷史紀(jì)錄，且時(shí)間跨度較長(zhǎng)，根據(jù)黏粒含量計(jì)算泥石流容重和泥石流溝的易發(fā)程度進(jìn)行數(shù)值評(píng)估，以便更精確地測(cè)定泥石流的容重[6]。通過現(xiàn)場(chǎng)采集到的樣品，并進(jìn)行篩分，并利用馬爾文激光粒度儀器測(cè)量樣品中黏粒含量，結(jié)果見圖2。

rc=-1.32×103x7-5.13×102x6+8.91×102x5-55x4+34.6x3-67x2+12.5x+1.55（1）

式（1）中，rc為泥石流容重g/cm3；x為泥石流土樣中黏粒占的含量。

比定溝根據(jù)計(jì)算得出：黏粒含量為83.99%，對(duì)應(yīng)容重為1.651 g/cm3；綜合得分為98分，對(duì)應(yīng)容重為1.676 g/cm3。因土樣在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期受到雨水的影響，容易導(dǎo)致樣品中黏粒含量的減少，與實(shí)際容重存在偏差。故選取較大的值作為泥石流容重的最終值，泥石流容重為1.676 g/cm3。

2.2 暴雨洪峰流量

根據(jù)條件分析，該溝道為暴雨型泥石流溝。由于比定溝泥石流發(fā)生時(shí)間過于久遠(yuǎn)，已經(jīng)無法準(zhǔn)確確定。因選用“小流域暴雨洪峰流量計(jì)算方法”算出暴雨洪峰流量，通過米林氣象站1987—2020年的數(shù)據(jù)分析所得年最大日降雨量均值（H24）和變差系數(shù)（H6），再利用P-Ⅲ曲線理論的相關(guān)方法可確定工作區(qū)1 h和6 h最大降雨量均值（H1和H6）和變差系數(shù)（CV1和CV6）。計(jì)算結(jié)果見表1。

QP=0.278ψF（2）

式（2）中，QP為暴雨洪水設(shè)計(jì)流量（m3/s）；ψ為洪峰徑流系數(shù)；s為暴雨雨力；τ為匯流時(shí)間（h）；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積。

2.3 泥石流峰值流量

該溝采用雨拱法，根據(jù)不同頻率下的暴雨洪峰流量，選用合適的溝道堵塞系數(shù)，計(jì)算出泥石流峰值流量。考慮到溝槽彎道發(fā)育但曲率不大，溝道寬度有一定變化，局部有陡坎、卡口分布，還聚集著較豐富的松散堆積物源，并對(duì)溝道造成一定程度的堵塞，因此確定溝床堵塞情況為中等，取值2.0～2.5。

QC=（1+φ）QP·DC（3）

φ=（γC -γW）/（γH -γC）（4）

利用式（3）和式（4），計(jì)算比定溝100年一遇的峰值流量，φ為泥沙修正系數(shù)取0.51；γH為固體物質(zhì)比重取26.5 kN/m3；γW為清水重度9.8 kN/m3；DC為流堵塞系數(shù)取2.41，經(jīng)計(jì)算得出比定溝百年一遇的泥石流峰值流量為16.93 m3/s。

2.4 一次泥石流總量和沖出固體物質(zhì)

基于固體物質(zhì)總量和泥石流峰值流量統(tǒng)計(jì)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、五邊形法和依?jù)流域面積增加系數(shù)的修正五邊形法估算，公式如下：

WC=0.264TQC（5）

WS=（γC -γW）WC/（γH -γW）（6）

式（5）中，WC為一次泥石流總量；T為泥石流歷時(shí)取1 200 s。經(jīng)計(jì)算，比定溝泥石流一次總量為0.54萬m3，

固體物質(zhì)總量為0.22萬m3。

2.5 泥石流流速

由以上數(shù)據(jù)可知，該流域?yàn)橄⌒阅嗍鳒?，道?nèi)較為粗糙，現(xiàn)場(chǎng)可見多個(gè)由于大顆粒聚集而形成的陡坎，通用計(jì)算公式如下。

VC=R2/3IC1/2（7）

式（7）中，VC為斷面平均流速（m/s）；R為水力半徑；IC為流域比降為0.095；泥沙深度取3 m；φC為泥沙修正系數(shù)0.65；n為粗糙系數(shù)7.8，根據(jù)式（7）可得泥石流斷面流速為3.03 m/s。

2.6 泥石流最大沖起高度與沖壓力

鑒于比定溝沒有相關(guān)的歷史記錄，且時(shí)間跨度較長(zhǎng)無法核實(shí)，故按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》提供的計(jì)算公式計(jì)算泥石流動(dòng)力學(xué)特征，得到最大沖起高度和整體沖壓力。

?HC=（8）

δ=λV 2C sinα（9）

式（8）和式（9）中，?HC為最大沖起高度（m）；δ為整體沖壓力（Pa）；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，取90°；λ為建筑物形狀系數(shù)，矩形取1.33。 計(jì)算結(jié)果表明，比定溝的最大沖起高度0.47 m、沖擊力為20.46 kPa。

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

泥石流的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，而在泥石流的形成過程中，其影響因素較多，這些因素在不同的時(shí)空條件下，它的影響程度又大不相同。將危險(xiǎn)度作為一個(gè)定量，系統(tǒng)地借助了熵理論用以表達(dá)各因子的效用價(jià)值，以此準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泥石流的危險(xiǎn)性。

在劉希林等[7]提出的泥石流危險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)

上，選用容重、流域面積、主溝長(zhǎng)度、單位面積物源量、泥石流整體沖壓力、流域相對(duì)高差、流域切割密度、不穩(wěn)定溝床比例8個(gè)因素作為危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子，其中，泥石流規(guī)模按照100年一遇取值（表2）。

采用熵值法對(duì)泥石流溝的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，因熵值法的系數(shù)K需要2個(gè)以上對(duì)象時(shí)才能計(jì)算，故將比定溝相鄰的雙溪溝和牌林溝參與運(yùn)算[8-10]。

3.1 評(píng)價(jià)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理，達(dá)到消除量綱的目的。本文以大者為優(yōu)的指標(biāo)。

γij=（10）

式（10）中，γij為量綱化處理后的數(shù)據(jù)；min（ j）為某項(xiàng)因子中最小值；max（ j）為某項(xiàng)因子中最大值；xij為原始數(shù)據(jù)。

3.2 熵值計(jì)算公式

Ej=KPijlnPij（11）

（12）

式（11）和式（12）中，Ej為第j項(xiàng)因子熵值；Pij為第i項(xiàng)指標(biāo)在泥石流災(zāi)害中出現(xiàn)的頻率；m為樣本的個(gè)數(shù)；n表示因子的個(gè)數(shù)[11-13]。

3.3 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

（13）

3.4 計(jì)算危險(xiǎn)性值

Fj=Wjrij（14）

確定各因子權(quán)重值：U={0.15，0.08，0.19，0.08，0.15，0.13，0.13，0.10}，最終計(jì)算得到泥石流危險(xiǎn)值分別為0.40，按照泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)所示：0.4～0.6屬于中度危險(xiǎn)，可知比定溝屬于中度危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

基于上述泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算與熵值法對(duì)比定溝8個(gè)影響因子進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）該流域的地形地貌、地質(zhì)情況及水源條件皆有利于泥石流的形成。根據(jù)比定溝泥石流發(fā)育特征與參數(shù)計(jì)算得知，在規(guī)模上屬于小型泥石流。

（2）基于熵值法對(duì)該流域的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果，其處于中度危險(xiǎn)之中，會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)人員和公路等設(shè)施安全產(chǎn)生較大影響。

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