甘肅舟曲三眼峪溝泥石流動力學特征參數(shù)計算

鄧 虎，陳寧生，胡桂勝，4，盧 陽，4

(1.成都理工大學，四川成都610059;2.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室，四川成都610041;3.中國科學院 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都610041;4.中國科學院 研究生院，北京100049)

2011-08-07 T 23:40左右，甘肅甘南藏族自治州舟曲縣發(fā)生強降雨引發(fā)的特大泥石流災害?？h城北面的羅家峪、三眼峪溝泥石流下泄，由北向南沖向縣城，造成沿河房屋被沖毀，5 km長500 m寬的區(qū)域被夷為平地。泥石流堵塞嘉陵江上游支流白龍江形成堰塞湖。電力、交通、通訊中斷。截至8月17日16:00，泥石流致使1 270人遇難，474人失蹤，住院70人［1］。甘肅舟曲三眼峪溝流域系白龍江左岸一級支流，流域面積 25.75 km2，呈“瓢”狀(圖1)。溝谷總體上呈南北向展布，地勢北高南低，屬典型的高山峽谷地形。流域最高點陡石山海拔3 828 m，最低點入河口處僅1 340 m，相對高差選2 488 m。三眼峪溝主要由大峪溝和小峪溝2條支溝匯流而成，在峪門口又匯入了龍廟溝、硝水溝和板子腳溝，主溝長 6.8 km，溝床平均比降 24.1%［2］。據(jù)統(tǒng)計，自1823年至今的187年間，該溝先后發(fā)生12次較大規(guī)模泥石流，并對縣城造成危害，小規(guī)模的泥石流約每3～4年發(fā)生一次?！?.7”舟曲特大泥石流災害為該區(qū)歷史上最大的一次泥石流災害事件，其中三眼峪溝受災最嚴重(圖2，資料來源于國土資源部和國家測繪局)。筆者于8月11日趕到災區(qū)現(xiàn)場，通過對災害現(xiàn)場調(diào)查獲取了三眼峪溝相關(guān)資料，并根據(jù)這些資料分別對三眼峪溝及其支溝(大峪溝、小峪溝)的泥石流3大動力學特征參數(shù):流速、流量、沖擊力進行分析與計算。計算結(jié)果對舟曲三眼峪溝泥石流防治工程參數(shù)設計具有一定參考作用，對災區(qū)恢復重建具有重要意義。

1 泥石流流速與流量計算

由于測量泥石流動力學特征值是相當困難的，加上試驗測試技術(shù)和相關(guān)儀器還有不少難以突破的關(guān)鍵性問題，故迄今為止可以直接引用的資料還很少，大多數(shù)都是處在探討和試驗階段。又因受研究水平的限制，建立有實用價值的理論公式尚有困難，故現(xiàn)在多數(shù)計算采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式，其參數(shù)往往根據(jù)觀測或?qū)嶒炠Y料確定［3］。

泥石流流速是決定泥石流動力學性質(zhì)的最重要參數(shù)之一［4］。目前泥石流流速計算公式為半經(jīng)驗或經(jīng)驗公式，概括起來一般分為稀性泥石流流速計算公式、黏性泥石流計算公式和泥石流中大石塊運動速度計算公式3類［3］。三眼峪溝泥石流按黏性泥石流(容重2.0 g/cm3)計算公式計算其流速。

1)東川泥石流改進公式［5］

式中:K為黏性泥石流流速系數(shù)，用表1內(nèi)插;Hc為計算斷面的平均泥深，m;Ic為泥石流水力坡度，‰，一般可用溝床縱坡代替。

表1 黏性泥石流流速參數(shù)K值Tab.1 Parameter K of viscous debris flow velocity

式(1)計算值與實測流速對比，基本可用，誤差偏于安全。

2)甘肅武都地區(qū)黏性泥石流流速計算公式［6］

式中:Mc為泥石流溝床糙率系數(shù);其他符號同式(1)。

式(2)適用于中阻型泥石流，即流體中的土體顆粒粗大，漿體組成成分上以粉土居多，溝床比較粗糙，河床阻力較大。

3)通用公式［7］

式中:nc為黏性泥石流的溝床糙率;其他符號同式(1)。

式(3)是根據(jù)西藏古鄉(xiāng)溝、云南東川蔣家溝和甘肅武都火燒溝199次泥石流3 000多陣次觀測資料得出，資料來源于不同地區(qū)多種泥石流，其適用范圍寬，較為通用。

1.1 大峪溝流速流量計算

通過對大峪溝實地調(diào)查并選取3個實測斷面(圖3)，計算流速與流量，計算結(jié)果如表2。

圖3 三眼峪大峪溝斷面Fig.3 Section of Dayu gully

斷面 1:Hc=(5 sin30+3 sin35)/2=2.11 m;溝道平均縱坡6°，縱坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=91.56 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=10.40，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.100。

斷面2:Hc=1.9 m;溝道平均縱坡6°，縱坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=136.8 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=16，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.077。

斷面3:Hc=4.7 m;溝道平均縱坡5°，縱坡比降 Ic=0.087，流速系數(shù) K=5.6，洪痕斷面面積 S=133.01 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=14，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.050。

表2 大峪溝泥石流流速與流量計算Tab.2 Flow velocity and flow calculation of Dayu gully debris flow

通過對大峪溝3個斷面的計算，可以發(fā)現(xiàn)3個斷面計算所得到的泥石流流速、流量有較大的差別，其主要原因是野外采集到的基礎數(shù)據(jù)存在一定誤差(如野外采集到Hc，溝道平均縱坡等)。

1.2 小峪溝流速流量計算

通過對小峪溝實地調(diào)查并選取1個實測斷面(圖4)，其流速與流量計算結(jié)果見表3。

小峪溝斷面:Hc=2 m;溝道平均縱坡8°，縱坡比降Ic=0.141，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=51 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=16，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.077。

圖4 三眼峪小峪溝斷面示意Fig.4 Section of Xiaoyu gully

表3 小峪溝泥石流流速與流量計算Tab.3 Flow velocity and flow calculation of Xiaoyu gully debris flow

1.3 三眼峪溝口流速流量計算

通過對三眼峪溝口實地調(diào)查并選取1個實測斷面(圖5)，其流速與流量計算結(jié)果如表4。通過計算可以發(fā)現(xiàn)三眼峪溝口流速與大、小峪溝斷面流速比較接近，但三眼峪溝口流量與大、小峪溝斷面流量之和存在一定的差別，其主要原因是在斷面野外測量時存在一定的誤差并且大、小峪溝在匯流三眼峪溝前存在一定的分流，這點也導致三眼峪溝口流量小于大、小峪溝斷面流量之和。

三眼峪溝口斷面:Hc=5.2 m;溝道平均縱坡3.5°，比降 Ic=0.061，流速系數(shù) K=5，洪痕斷面面積S=156.8 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=14，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.100。

表4 三眼峪溝口泥石流流速與流量計算Tab.4 Flow velocity and flow calculation of Sanyanyu gully debris flow

圖5 三眼峪溝口斷面1示意Fig.5 Section 1 of Sanyanyu gully

1.4 三眼峪溝泥石流中塊石流速

在缺乏大量實驗數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的情況下，以堆積后的泥石流沖出物最大粒徑大體推求石塊運動速度的經(jīng)驗公式［8］為:

通過對三眼峪溝泥石流堆積區(qū)大塊石的實地測量(圖6、圖7)得到溝口堆積扇區(qū)堆積的最大顆粒直徑為7.5 m，從而計算得出泥石流中塊石流速為10.95 m/s。

式中:Vs為泥石流中大石塊的移動速度，m/s;dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑，m;α為全面考慮的摩擦系數(shù)(泥石流重度、石塊密度、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素)，3.5≤α≤4.5，平均取 4.0。

2 泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力由泥石流漿體動壓力和大塊石撞擊力兩部分組成，而造成結(jié)構(gòu)破壞的主要因素是大塊石的沖擊。泥石流的沖擊力既是泥石流危害度評估、建筑物抗泥石流強度評估的重要指標，也是設計各種泥石流防治工程是的重要參量，在實施泥石流防治工程時，最關(guān)鍵的問題是量化泥石流沖擊力，它直接關(guān)系到防治結(jié)構(gòu)的選用尺寸擬定和結(jié)構(gòu)設計等［9］。

2.1 泥石流整體沖壓力

目前泥石流整體沖壓力計算公式為半經(jīng)驗或經(jīng)驗公式，具體計算方法如下:

鐵二院(成昆、東川兩線)公式［10］:

式中:δ為泥石流體整體沖擊壓力，Pa;γc為泥石流容重，g/cm3;g 為重力加速度，m/s2，取 9.8 m/s2;Vc為泥石流流速，m/s;α為建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，(°);λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。把 γc=2.0 t/m3;Vc=8.79m/s;α =90°;λ =1.33代入到公式(5)中，得到泥石流整體沖壓力為2.1 ×104kPa。

2.2 泥石流中大塊石沖擊力計算

對舟曲三眼峪溝進行了實地勘察，其堆積區(qū)大塊石分布見圖6。野外測量堆積區(qū)最大塊石尺寸為7.5 m ×7 m ×5.5 m，如圖7。針對泥石流攔擋壩這種情況，選取3種方法分別對舟曲三眼峪溝泥石流大塊石沖擊力進行計算，具體結(jié)算結(jié)果見表5。

表5 舟曲三眼峪溝泥石流大塊石沖擊力計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of impact force of massive stone of debris flow

從表5計算結(jié)果來看，第1種方法計算結(jié)果較第2、3種方法偏差較大，故該計算結(jié)果不予采用。舟曲三眼峪溝泥石流堆積區(qū)大塊石沖擊力計算結(jié)果采用第2、3種方法計算結(jié)果的平均值即F=1.7×107kN。

3 防災減災建議

通過上面的分析與計算，得出三眼峪溝口流速流量分別為 8.79，1 378.27 m3/s，泥石流中塊石的速度為10.95 m/s;三眼峪支溝大峪溝流速流量分別為 9.06，1 141.24 m3/s;三眼峪支溝小峪溝流速流量分別為 9.34，476.34 m3/s;三眼峪溝泥石流整體沖壓力為2.1×104kPa，大塊石沖擊力為1.7×107kN。

針對甘肅舟曲三眼峪溝泥石流災害提出如下具體防災減災建議:

1)開展泥石流溝谷判識與危險性評估，為泥石流防治與減災提供基礎，加強防控重點防控區(qū)的泥石流災害;

2)加強氣象預測預報，重點加強極端氣候條件下山地災害形成機理與區(qū)域分異規(guī)律研究，增強區(qū)域災害預警預報水平;

3)加強區(qū)域泥石流災害成災規(guī)律的研究，以山地災害形成機理研究為基礎，構(gòu)建與完善山地災害監(jiān)測預警、預報體系，提高防災、減災能力與水平，系統(tǒng)進行災害規(guī)劃推動監(jiān)測預警和資源信息共享系統(tǒng);

4)以科學選址、統(tǒng)籌規(guī)劃積極推進山區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃與建設，讓避泥石流災害，減少損失。

［1］李旭麗.甘肅舟曲泥石流死亡人數(shù)上升到1254人［N/OL］.新華網(wǎng)，2010-08-17［2011-05-27］.http://www.tibet.cn/sd2010/qznsl/zxxx/201008/t20100817_618148.htm.

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