泥石流運動特征及動力學特征分析

楊 誠，劉召軍

(貴州水利水電工程咨詢有限責任公司，貴陽550000)

0 引言

泥石流是洪水或者暴雨將地面松軟的土壤沖刷稀釋后形成的擁有巨大能量的洪流，泥石流的面積、體積以及流量巨大。泥石流是一種災害性質的地質現象，泥石流的爆發(fā)來勢洶涌，破壞性極強，往往對周邊居住者的人身安全帶來極大的威脅。攔渣壩作為泥石流災害治理的主要工程措施，能起到控制和減輕泥石流災害，攔蓄泥石流固體物質、減少泥石流沖刷及沖擊力、抑制泥石流的發(fā)育及爆發(fā)規(guī)模的作用［1］。

1 泥石流運動特征與動力學特征

要治理泥石流，必須對其運動特征進行詳細的了解，對于泥石流運動特征和動力特征的定性分析，是認識泥石流和進行泥石流防治工程設計的基本數據［2］。由于泥石流發(fā)生時無實際觀測數據，對各泥石流溝的分析，主要根據查訪資料，類比利用目前泥石流運動特征及動力特征的研究成果進行分析。

1.1 泥石流流體重度

按照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》確定的泥石流重度和泥沙修正系數，其結果見表1。

表1 上游主、支溝泥石流流體重度查表法結果統(tǒng)計表

1.2 泥石流流量

為滿足泥石流勘查評價及防治工程設計的需要，選擇該泥石流治理攔渣壩布置處作為控制段而進行泥石流流量的計算。

泥石流流量的計算，主要有雨洪法及形態(tài)調查法2種方法。攔渣壩所處的河近年爆發(fā)過泥石流，因距離現在時間較為久遠，泥石流過后的泥深已無法判斷，故形態(tài)調查法已不適用于本工程，故按照雨洪法進行計算，計算公式為:

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量，1T13/S;φ為泥沙修正系數，采用查表法得到的結果見表1;Qp為暴雨洪峰流量(計算結果見表2);Dc為堵塞系數，根據泥石流堵塞系數De值表確定，詳見表2。

表2 泥石流堵塞系數De值表

1.3 泥石流流速計算

攔渣壩所處的河泥石流為稀性泥石流流俸，攔渣壩處的泥石流流速計算采用《泥石流防治工程設計規(guī)范》中計算公式為:

式中:Vc為泥石流流速，m/s;γh－為泥石流固體物質重度，取2.5 t/m3;φ為泥石流固體物質重度，取2.5t/m3;φ為泥石流泥沙修正系數;泥石流重度，取1.54 t/m3，查表得φ=0.56:1為泥石流溝床糙率系數，根據《泥石流防治指南》，取糙率系數為15，n=0.067;Hc為平均泥深，取2.6m;Ic為泥位縱坡率，以攔渣壩處溝道縱坡率代替，為0.036。

經計算得:

現場調查攔渣壩處泥石流體最大塊石粒徑為60 cm，查《泥石流防治指南》泥石流粗顆粒起動流速Vd值表，粒徑60 cm塊石啟動流速為3.9 m/s;根據《泥石流防治指南＞沙莫夫啟動流速公式為:

綜上，泥石流設計流速取3.9 m/s。

1.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量按照《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》提供的計算公式為:

式中:Q為一次泥石流過程總量，m3;T為泥石流歷時，s;Qc為泥石流最大流量，m/s。

根據第3.10節(jié)計算的設計洪水過程線及調查訪問情況，確定不同頻率下的泥石流歷時，計算得各頻率下一次泥石流過流總量見表3。

表3 攔渣壩一次泥石流過流總量計算

1.5 一次泥石流固體沖出物

一次泥石流固體沖出物，見表4。

表4 攔渣壩一次泥石流固體物質沖出量

1.6 泥石流整體沖壓力

泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規(guī)范》(DZ/T0239-2004)3.1—8中的計算公式為:

式中:P為泥石流沖壓力，t/m2;λ為建筑物形狀系數，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47;攔渣壩設計取λ=1.33;Vc為泥石流重度，t/n13;Ve泥石流平均流速，m/s;α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，°;初定擋水面壩坡為1∶0.7，對應的取60°。

2 泥石流的主要防治措施

控制泥石流運動的防治體系-采用攔擋壩、谷坊、排導溝、停淤場等工程措施，調整和疏導泥石流流通途徑和淤積場地，減少災害破壞損失，本工程根據當地的實際情況，采用攔渣壩對泥石流進行控制和治理［3］。

3 攔渣壩的布置

攔渣壩的布置可以有效的對泥石流進行阻擋，減少災害的破壞性。以下將針對攔渣壩建設的材料和布置進行分析。

3.1 壩體主要材料

本工程采用C15埋石混凝土，需要砂石骨料約2.7×104。由于壩址區(qū)及附近均為泥質灰?guī)r夾砂巖與泥頁巖地層，巖石強度軟硬相間，雖泥質灰?guī)r強度滿足要求，但分選困難，不能作為砂石骨料料場使用。本工程砂石骨料需要到望謨縣城附近購買。

3.2 分縫

根據壩體不均勻沉降及變形縫布置的構造要求，在攔渣壩的河床壩段按25 m間距及右岸EL 890.0 m碼道中間位置，共設置3道變形縫，變形縫縫寬2～3 cm，填入瀝青浸漬的木板條、預制的瀝青砂漿板條、油氈片。

軸線所處地形為對稱的“V”型橫向河谷，壩軸線一帶未見斷裂構造發(fā)育，裂隙較發(fā)育，兩岸基巖裸露，左、右岸均為逆向坡地質結構，出露地層為扳納組(T2b)，為青灰色薄至中厚層泥質灰?guī)r夾黃綠色砂巖及泥頁巖，河床處為深0～32 m的泥石流堆積物，其成分為漂(塊)卵礫石層。

3.3 壩體及壩內孔道布置

3.3.1 壩身泄流孔及排水孔

根據現場勘查情況，攔渣壩上游最大泥石流塊石粒徑為60 cm，汛期河道主流基本處于河床中間位置，根據《泥石流防治指南》的要求，在溢流壩段中間位置EL992.5 m，EL989.0 m，EL985.5 m，EL980.0 m高程各設置一排泄疏孔，孔數為32個，泄疏孔采用預埋內徑￠1 000 mm的預制管形成，縱坡為5%，其中EL980.0高程對應現枯期河道鍋流處的8個泄流孔兼排水孔，以疏通泥石流堆積體內積水，并兼做枯期河水下泄通道，泄流孔進口段采用30 cm厚C25混凝上現澆，同時采工字鋼設置攔污柵攔截泥石流中的大粒徑塊石。

3.3.2 壩基排水

為減少壩基揚壓力的作用，在攔渣壩溢流壩段EL 982.0 m高程、距壩踵6.0 m處布置縱橫向排水通道，并在壩基布置一排￠100間距2 m排水孔。

攔渣壩河床壩段標準斷面見圖1。

圖1 攔渣壩河床壩段標準斷面圖

3.3.3 壩頂溢流口的設計內容

根據現場勘查情況，壩址處汛期主流方向處于河谷中間，因此，將溢流壩段布置于河谷中間，初擬溢流口底寬44 m深5.0 m(含安全超高0.5 m)，采用梯形斷面，溢流口與非溢流壩段按1∶1坡比銜接。

溢流口允許道流能力按《水力計算手冊》第3-1-2章節(jié)，寬項堰自由溢流的公式計算，計算公式為:

式中:Q為過壩泥石流流量，m3/s;b為溢流口凈寬，m;n為溢流口數，取1;H0為包括行進流速水頭的堰前水頭，即:

式中:v0為行進流速，取泥石流流速3.9 m/s;m為自由溢流的流量系數，與堰型、堰高等邊界條件有關;查《水力計算手冊》表3—1—1取0.35;σc為側收縮系數，本工程溢流口無引渠，取σc=1。

溢流口設計尺寸及流量復核計算結果見表5所示。

表5 油亭攔渣壩壩頂溢流口過流能力復核計算表

可知，初擬溢流口底寬44 m，深5.0 m(含安全高度0.5 m)，采用梯形斷面，溢流口與非溢流壩段按1∶1坡比銜接，可滿足要求。

4 主要工程地質問題

河床壩基持力層的選擇，主要取決于巖土體的物理力學性狀特征及構筑物的型式及功能。本工程為漿砌石攔渣壩，對地基要求不是很嚴格。壩基河床下伏基巖為板納組(T2b)青灰色薄至中厚層泥質灰?guī)r與泥頁巖及黃綠色砂巖互層，強度軟硬相間，選擇基巖強風化層作為壩基持力層也可以滿足設計要求。本工程選擇以基巖強風化層作為持力層，考慮巖體在風化層內較為破碎，完整性較差，對壩基進行固結灌漿補強處理。

左、右岸邊坡不高，建議邊坡開挖在實施過程中及時作好支護處理即可。

5 結語

貴州省望謨縣是一個多山的地區(qū)，大多數的群眾居住于山谷或者山坡處，然而隨著經濟的發(fā)展犧牲了部分地區(qū)的森林資源導致山體滑坡、泥石流等自然災害頻繁發(fā)生，為了切實保護好當地人民群眾的生命安全，必須加強攔渣壩的建設，盡量使泥石流的災害降至最低，同時，各地應加強水土保持工作，真正做到杜絕泥石流災害的發(fā)生。

［1］趙元偉，唐付嶺，黃永澤，等.崇州市雞冠山鄉(xiāng)茍家村大巖溝泥石流成因分析［J］.地下空間與工程學報，2011(02):403-407.

［2］李冠奇，魏鴻，谷明成，等.泥石流攔擋壩優(yōu)化設計［J］.地質災害與環(huán)境保護，2009，20(02):29-32.

［3］陳洪凱，唐紅梅，鮮學福.溝谷泥石流運動過程模型試驗［J］.自然災害學報，2009(06):160-165.