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    矮子溝泥石流影響因素及運動參數(shù)分析

    2013-08-13 06:30:14陳寧生朱云華楊建元
    水利與建筑工程學(xué)報 2013年1期
    關(guān)鍵詞:矮子泥石流土體

    賀 拿 ,陳寧生 ,朱云華 ,楊建元

    (1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室,四川成都610041;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.浙江華東建設(shè)工程有限公司,浙江 杭州 310030)

    泥石流是山區(qū)溝谷由各種自然和人為因素綜合作用的產(chǎn)物。其暴發(fā)必需具備豐富的物源、陡峻的地形和高強度集中暴雨3個條件[1]。泥石流形成機理十分復(fù)雜,多年來,國內(nèi)外學(xué)者從水力、土力和溝道條件影響等方面開展了大量的研究工作,提出了諸如粘性流啟動機理、突變機理、滲流啟動機理和振動軟化或局部軟化啟動機理[2]等。本文基于泥石流的形成條件,對矮子溝流域的地形地貌特征、地質(zhì)條件及氣象水文條件等因素進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上揭示6?28矮子溝泥石流形成機理及過程,并計算相關(guān)的運動參數(shù),為合理選擇泥石流治理方案提供依據(jù)。

    1 矮子溝泥石流影響因素及形成過程分析

    矮子溝地處四川省涼山彝族自治州寧南縣境內(nèi),為金沙江左岸的一級支流。主溝長21.96 km,流域匯水面積65.55 km2,溝道平均坡度約155‰。矮子溝位于擬建白鶴灘電站上游,溝口距離壩址6.1 km。2012年6月28日早晨6點左右,矮子溝發(fā)生特大泥石流,災(zāi)害共造成17人死亡、23人失蹤。此外,“6?28”泥石流堵塞下游正在施工的排水洞,嚴(yán)重威脅下游棄渣場的安全,影響大壩的施工進(jìn)度。因此,必須采取相應(yīng)的防治措施,而對“6?28”矮子溝泥石流影響因素及形成過程的分析是方案選擇的基礎(chǔ)。

    1.1 地形地貌條件

    矮子溝流域由三個匯流區(qū)組成,主溝矮子溝匯流區(qū)、主溝泥羅漢溝匯流區(qū)及支溝瓜綠溝匯流區(qū)。

    整個流域內(nèi)海拔最高點高程3 646 m,最低點溝口高程604m,最大相對高差3 042 m(各匯流區(qū)特征見表1)。

    表1 矮子溝各匯流區(qū)特征

    矮子溝各匯流區(qū)源區(qū)土體組成均有較大差異(見圖1),而土體的組構(gòu)特征在一定程度上決定著其滲透及強度特性,泥石流源區(qū)土體中的粗顆粒及粘粒含量都會影響泥石流的啟動[3-4]。

    圖1 矮子溝源區(qū)土體顆分曲線

    1.2 地層巖性

    矮子溝流域內(nèi)主要為奧陶系白云巖、灰?guī)r、砂巖,寒武系白云巖、砂巖,震旦系白云巖和二疊系玄武巖,且各巖層交錯出現(xiàn)。研究表明當(dāng)基巖構(gòu)造總體較均一時,表部松散物的流失是持續(xù)漸進(jìn)的;基巖為軟硬相間的巖層,或者受到線性構(gòu)造破壞,容易出現(xiàn)差異風(fēng)化,表部物質(zhì)呈脈動式剝蝕,可以為泥石流啟動提供較好的物源條件[5]。

    1.3 氣象水文條件

    矮子溝流域地處金沙江干熱河谷區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年內(nèi)干濕季節(jié)分明。每年的11月至次年的4月為干季,干季降水量不到全年降水量的10%;每年的5—10月為雨季,雨季降水量占全年總降水量的90%以上,據(jù)統(tǒng)計降雨集中期常是泥石流暴發(fā)的高潮期。矮子溝流域進(jìn)入5月份以來持續(xù)的降雨過程使流域內(nèi)土體的含水率大幅提升甚至接近飽和,土體的強度隨含水率的增加而降低。

    前期降雨量、臨界雨量又是互相聯(lián)系、互相影響的。泥石流發(fā)生前的土體含水率狀況與前期降雨量有密切的關(guān)系。前期降雨量越充分,斜坡土體含水率越接近飽和,激發(fā)滑坡、泥石流的臨界雨量也相對減少。

    進(jìn)入5月份后,持續(xù)的降雨過程使矮子溝流域內(nèi)土體的含水率提高。而2012年6月21日至27日降雨量也比較豐富,且6月28日當(dāng)天的降雨量較大(見表2),豐富的前期雨量及強大的激發(fā)雨量作用是矮子溝泥石流暴發(fā)的主要原因。

    表2 矮子溝流域降雨特征表

    1.4 地震活動及極端干旱氣候

    研究表明,地震與泥石流災(zāi)害關(guān)系密切。1964年阿拉斯加地震與當(dāng)年大規(guī)模泥石流暴發(fā)耦合[6];1999年臺灣集集地震影響了隨后兩年南投縣Chenyulan River流域泥石流的暴發(fā),導(dǎo)致泥石流暴發(fā)頻率增加,激發(fā)累積降雨量降低,規(guī)模增大[7]。2008年四川汶川地震影響了當(dāng)年地震重災(zāi)區(qū)72條泥石流暴發(fā),導(dǎo)致泥石流激發(fā)累積降雨量和小時雨強降低[8]。此外,地震活動對流域內(nèi)地貌格局的形成及不良地質(zhì)現(xiàn)象的產(chǎn)生起控制作用。近20年間,鄰近縣市波及矮子溝流域大于等于3.0級地震總次數(shù)27次,大于等于4.0級的地震共16次。在地震作用下,滑坡、崩塌體堆積物質(zhì)因為地震效應(yīng)使得堆積體結(jié)構(gòu)疏松多孔,密度降低[9],為水分下滲提供了通道,而不同密實度的巖土體其強度及穩(wěn)定性差異很大,含水率一定的條件下,土體越疏松其抗剪強度越低[10]。

    矮子溝所在的寧南縣自2009、2010、2011連續(xù)三年遭遇干旱,2012年寧南縣又遭遇了百年不遇的特大旱災(zāi),尤其是矮子溝流域所處的金沙江干熱河谷地帶旱情十分嚴(yán)重,極端干旱氣候與泥石流災(zāi)害存在一定的關(guān)系。許多現(xiàn)象證明泥石流與干旱氣候相關(guān)性較高。中國最為嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害區(qū)均分布于干旱河谷區(qū)[11];2010年中國極端的泥石流災(zāi)害點都發(fā)生在2008年地震區(qū)和2009—2010年的干旱區(qū);意大利北部Lake Lago di Braies及其流域4500年來的沉積資料顯示,泥石流發(fā)育與季節(jié)性的極端氣候交替變化相關(guān)。

    在持續(xù)的干旱條件下,經(jīng)歷多次地震的影響,土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞,強度極大的降低,進(jìn)入5月份后持續(xù)的降雨過程及6月28日當(dāng)天的強降雨激發(fā)作用,導(dǎo)致矮子溝發(fā)生特大泥石流災(zāi)害。

    1.5 矮子溝泥石流形成過程

    綜合以上分析,“6?28”矮子溝泥石流是在極端干旱氣候及地震控制下,受豐富的前期降雨的影響,由6月28日當(dāng)天的強降雨激發(fā)作用而發(fā)生。其形成過程為:極端干旱及地震影響→土體疏松→持續(xù)降雨作用→土體飽和強度降低→坡面及小支溝先發(fā)生泥石流→泥石流攜帶的固體物質(zhì)堵塞主溝泄洪通道→強降雨作用形成巨大山洪→堵塞體瞬間潰決、溝床物質(zhì)啟動→沿途松散物質(zhì)補給→“6?28”矮子溝特大泥石流。

    2 泥石流運動特征

    泥石流流速、流量及泥石流總量等參數(shù)是泥石流工程防治的基礎(chǔ),但目前還沒有比較成熟的計算方法,在泥石流防治工程設(shè)計中一般采用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

    2.1 泥石流流速計算

    泥石流流速是泥石流運動力學(xué)研究的核心內(nèi)容之一,也是泥石流防治工程設(shè)計的核心參數(shù)之一,泥石流流速是計算泥石流流量的基礎(chǔ),是分析泥石流沖淤變化的基本參數(shù),也是泥石流學(xué)科研究的焦點之一。

    經(jīng)現(xiàn)場勘查及調(diào)訪,對泥石流原狀樣配置樣品,請目擊者確認(rèn)對比,計算主溝泥石流的密度為1.77 g/cm3。用馬爾文激光粒度儀測出“6?28”矮子溝泥石流原狀樣的粘粒含量(見表3),根據(jù)基于粘土顆粒含量的泥石流密度計算公式[12](1),計算出的泥石流密度見表3。

    由于在取樣過程中剔除了大石塊,計算的結(jié)果偏小,綜合考慮確定泥石流的密度為1.80 g/cm3。一般以密度指標(biāo)將泥石流分為稀性泥石流(密度1.30 g/cm3~1.80 g/cm3)和粘性泥石流(1.80 g/cm3~2.30 g/cm3),因此確定此次泥石流為粘性泥石流。

    表3 泥石流原狀樣粘粒含量表

    由于矮子溝與云南東川蔣家溝地理位置比較接近,氣候特征也較為相似,因此選用云南東川蔣家溝粘性泥石流計算公式(2),計算矮子溝泥石流流速。

    根據(jù)實地勘查獲取五個典型斷面(斷面具體位置見表4),由流域內(nèi)居民協(xié)助確認(rèn)各斷面的泥深,測量各斷面的底床坡度,根據(jù)溝底固體物質(zhì)情況查泥石流糙率系數(shù)表,得到各斷面的糙率系數(shù),計算得到各斷面的泥石流流速見表4。

    表4 矮子溝泥石流流速計算結(jié)果

    通過表4可見矮子溝泥石流流速從上游到下游逐漸增加,在溝口處流速最大為7.54 m/s。

    2.2 泥石流流量計算

    2.2.1 基于洪峰流量的泥石流流量計算

    泥石流流量計算對泥石流防治工程的規(guī)劃設(shè)計和災(zāi)害評估都是很重要的問題[13]。泥石流爆發(fā)突然,活動時間短,并且各溝條件差異很大,產(chǎn)、匯流過程復(fù)雜,流量直接測量較為困難。本文將配方法和形態(tài)調(diào)查法相結(jié)合,對“6?28”矮子溝泥石流流量進(jìn)行計算。配方法是在清水流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行配方,清水流量用推理公式法計算,見公式(3)。

    式中 :ψ=f(μ,τn);τn=f(m ,s,J ,L);Q為最大流量(m3/s);ψ為洪峰徑流系數(shù);s為暴雨雨力(mm/h);n為暴雨指數(shù);F為流域面積(km2);L為溝道長度(km);τ為流域匯流時間(h);μ為入滲強度;m為匯流參數(shù),公式中參數(shù) ψ,τ均為函數(shù)關(guān)系,《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中提供試算法確定。根據(jù)公式及相關(guān)參數(shù)計算的清水流量見表5。

    表5 矮子溝清水流量計算表

    依照中華人民共和國國土資源部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[14],泥石流流量的雨洪計算法的公式為:

    表6 矮子溝泥石流流量計算表

    2.2.2 形態(tài)調(diào)查法計算泥石流流量

    根據(jù)泥石流的泥痕確定泥石流的最高泥位,恢復(fù)泥石流運動的過流斷面,計算過流斷面面積,依據(jù)公式(5)計算泥石流流量:

    式中:Asc為斷面的過流面積(m2);Vc為斷面的流速(m/s)。

    表7 形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流流量

    通過計算發(fā)現(xiàn),配方法和形態(tài)調(diào)查法計算的結(jié)果較為接近,此次泥石流流量分別為971.36 m3/s和925.91m3/s,考慮到測量的誤差,取其平均值作為此次泥石流的流量,即948.63 m3/s。

    2.3 一次泥石流總量計算

    一次泥石流總量決定泥石流防治工程的規(guī)模,是十分重要的泥石流運動參數(shù),但目前還沒有規(guī)范的方法計算一次泥石流的總量,尤其是矮子溝泥石流缺少堆積扇,其泥石流總量的計算更加困難。為此參照《中國泥石流》[15]采用概化的方法進(jìn)行粗略的計算。參照《中國泥石流》,按泥石流暴漲暴落的特點,根據(jù)泥石流的歷時T和最大流量Qc,通過各斷面的一次泥石流總量Wc由式(6)計算:

    經(jīng)過對流域內(nèi)居民的調(diào)訪,“6?28”矮子溝泥石流持續(xù)時間約40 min,將 Qc=948.63 m3/s及 T=2 400 s帶入公式(6),此次泥石流總量為60.08萬m3。

    3 結(jié) 論

    “6?28”矮子溝泥石流成因復(fù)雜,影響因素較多。陡峭的地形條件是泥石流形成的基礎(chǔ),巨大的高差為泥石流的運動提供了能量條件,極端干旱氣候及地震活動的影響、季節(jié)性的干濕循環(huán)、持續(xù)的降雨過程及強降雨的激發(fā)作用是“6?28”矮子溝泥石流形成的主要原因。

    為了確保下游排水洞及棄渣場的安全必須采取相應(yīng)的泥石流治理措施?!??28”矮子溝泥石流運動參數(shù)的合理計算是防治工程設(shè)計的基礎(chǔ),“6?28”矮子溝運動參數(shù)是在現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上,結(jié)合對流域內(nèi)居民的調(diào)訪,并查閱相關(guān)的氣象資料計算得到的,能夠較為真實的反映此次矮子溝泥石流的運動特征,也為接下來防治工程的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

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