某泥石流形成機(jī)制及動力學(xué)特征分析

姚 勇

(嘉應(yīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514015)

汶川地震對地質(zhì)環(huán)境的破壞和影響是巨大，誘發(fā)了大量次生地質(zhì)災(zāi)害.據(jù)不完全統(tǒng)計，42 個重災(zāi)縣( 市) 震后新增可統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害隱患多達(dá)8 627處，其中泥石流837處[1].這些次生地質(zhì)災(zāi)害，對災(zāi)區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全形成嚴(yán)重威脅,引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，其中關(guān)于泥石流災(zāi)害的研究更是熱點[2～7].這些研究主要集中在地震對泥石流的影響分析、泥石流特征分析、危險性評價、防治研究等方面，對泥石流形成機(jī)制的研究較少.

大山溝位于九寨溝縣，汶川地震后，流域內(nèi)發(fā)生多處滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，產(chǎn)生了新的松散堆積物.泥石流在持續(xù)降雨或短時高強(qiáng)度暴雨的誘發(fā)下極易復(fù)活，暴發(fā)粘性泥石流.20世紀(jì)80年代曾發(fā)生泥石流，直接堵塞博峪河，導(dǎo)致河水漫溢，沖毀博峪河左岸一級階地上48戶居民的房屋，直接經(jīng)濟(jì)損失上千萬元，幸好無人員傷亡.近年來，由于當(dāng)?shù)卮迕袢狈Ψ罏?zāi)意識，在溝口靠近溝道又修建了一些建筑物，一旦發(fā)生規(guī)模稍大的泥石流，將造成重大生命財產(chǎn)損失.因此，分析該泥石流的基本特征、計算動力學(xué)參數(shù)，并對其影響因素、發(fā)生機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，具有重要的現(xiàn)實意義，也是十分必要的.

1 泥石流概況

九寨溝縣地處青藏高原東南部，地貌類型以深切割高山峽谷地貌為主，地勢由西北向東南逐漸降低.大山溝泥石流所在地永和鄉(xiāng)位于九寨溝縣東部，海拔1 650 m～3 100 m，屬構(gòu)造侵蝕中高山地貌.相對高差在500 m以上，溝谷坡度較陡，一般在40°以上，溝谷切割深度大，多呈“V”型.

泥石流源頭由兩條支溝組成，海拔2 507～3 100 m之間，溝床縱比降為500‰；主溝道從兩支溝的交匯點開始，海拔在2 507～1 800 m之間，相對高差約700 m，主溝溝長約3.5 km，平均溝床縱比降為200‰.沿線兩岸坡體、沖溝及溝床等部位有大量物源分布；堆積區(qū)海拔1 900～1 650 m，為大山溝口洪積扇區(qū)域，溝床縱比降為230‰.

1.1 形成區(qū)

泥石流的形成區(qū)主要為兩條支溝流域，面積約1.5 km2.其特征有：(1)溝床狹窄，寬約2～3 m，縱坡降較大，谷坡高陡，坡角約40～50°，海拔2 500～3 100 m；(2)植被覆蓋率較低，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育.

1.2 流通區(qū)

泥石流流通區(qū)從兩支溝交匯到斜坡村后山嘴，全長約3.5 km，面積約7.5 km2.其特征有：(1)溝谷狹窄，呈“V”字型；(2)溝床縱坡降較大，約23.3%，海拔范圍1 800 m～2 500 m；(3)溝道直暢；(4)溝岸坡度較陡，約40～50°；(5)兩岸物源補(bǔ)給較充分，初步調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)崩塌2處，滑坡2處，垮塌3處，洪積扇3處，溝床堆積2處.

1.3 堆積區(qū)

泥石流堆積區(qū)包括大山溝古洪積扇及博峪河河道.其中古洪積扇經(jīng)過河水下切和人工建筑改造，形成一較為開闊的堆積河道；博峪河河道在此處寬約10～ 20 m，博峪河河水較急、大，可以有效輸送堆積物，緩解堆積空間壓力，提高堆積區(qū)堆積能力.

2 形成機(jī)制

大山溝特定的地質(zhì)環(huán)境和氣象條件，導(dǎo)致其是泥石流災(zāi)害發(fā)育的溫床.地形地貌條件上看，形成區(qū)面積較大，利于匯集降水，流通區(qū)溝道陡峭、狹窄，平均縱坡降較大，有利于泥石流物質(zhì)的匯集和成災(zāi)；流域范圍內(nèi)的松散堆積物總量大，為泥石流的形成提供源源不斷的物質(zhì)補(bǔ)給；從水源條件上看，流域降雨較充沛，暴雨的幾率大.該泥石流溝處于5. 12 地震嚴(yán)重波及區(qū)，受地震的影響, 松散物質(zhì)聚集周期縮短，進(jìn)入了較為活躍的階段.其影響因素可概括為：

(1) 新構(gòu)造運(yùn)動的影響：第四紀(jì)以來，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，新構(gòu)造運(yùn)動間歇性抬升而形成三～四級夷平面.由于強(qiáng)烈抬升，溝谷下蝕作用強(qiáng)烈，形成縱比降較大的“V”型溝谷，陡急的縱比降為泥石流的形成提供了有利的位能條件，易發(fā)生較大規(guī)模的泥石流.

(2)汶川地震的影響：5．12汶川地震對該區(qū)巖土體結(jié)構(gòu)的破壞性非常大，對大山溝溝谷、溝岸造成了不利的影響，溝岸局部發(fā)生的崩塌、滑坡堵塞溝道，溝岸兩側(cè)產(chǎn)生的滑塌體堆積于溝道中，嚴(yán)重堵塞溝道，泥石流暴發(fā)的危險性大大加劇了.汶川地震后，松散固體物源量大大增加，一旦遭到大暴雨的作用，則有可能發(fā)生大規(guī)模的泥石流災(zāi)害.

(3)人類活動的影響：區(qū)內(nèi)人類活動較為頻繁，主要為放牧與開墾坡地，這與大山溝泥石流災(zāi)害頻發(fā)有一定關(guān)系；另外村民在溝口溝道兩岸修建房屋等，改造了溝道的天然形態(tài)，成為促發(fā)泥石流災(zāi)害的新因素.

(4)極端氣候的影響：流域內(nèi)降雨量在四川境內(nèi)屬偏少的地區(qū)，但降雨集中，常出現(xiàn)局地性暴雨，這些極端天氣在近年來有逐漸增強(qiáng)的趨勢，因此，誘發(fā)泥石流的機(jī)會也隨之增大.在對泥石流影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)查及災(zāi)害史分析，可以將其發(fā)生機(jī)制概括為圖1所示.

圖1 大山溝泥石流形成機(jī)制

3 動力學(xué)特征分析

3.1 重度

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查泥石流堆積物主要成分為碎石、塊石、砂及少量粉質(zhì)粘土，這里采用配漿法確定泥石流重度.現(xiàn)場配漿法泥石流重度模擬試驗主要是根據(jù)實地調(diào)查訪問，配制泥石流漿，按公式1計算其重度

γc= (M1-M2)g/V，

(1)

式中:γc-重度(kN/m3)；M1-總重(t)；M2-空桶重(t)；V-流體體積(m3)；g-重力加速度(m/s2).

根據(jù)現(xiàn)場配漿試驗?zāi)嗍髌骄囟燃s為18～19 kN/m3.

3.2 流量

在泥石流與暴雨同頻率、且同步發(fā)生的情況下，計算斷面的暴雨洪水設(shè)計流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量.其計算步驟是先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數(shù)，計算泥石流流量.

3.2.1暴雨洪峰流量計算

查閱《四川省水文手冊》，流域24 h降雨量均值H24=38.0 mm，6小時降雨量均值H6=27.0 mm，1小時降雨量均值H1=14.0 mm，10分鐘最大降雨量H16=11.0 mm.綜合考慮《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》的理論公式及現(xiàn)場調(diào)查情況，可初步確定溝口暴雨洪峰流量值：頻率為5%時，QP約為16.65 m3/s；頻率為2%時，QP約為22.89 m3/s.

3.2.2泥石流峰值流量計算

Qc=(1+?)QpDc，

(2)

式中:Qc-泥石流斷面峰值流量(m3/s)；?-泥沙修正系數(shù)；Qp-暴雨洪峰流量；Dc-堵塞系數(shù).

據(jù)此，采用雨洪法求得泥石流峰值流量如表1.3.3流速

通過理論計算，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，最終確定大山溝泥石流流速，按一般水力學(xué)的薛齊-曼寧公式來計算流速

(3)

式中：Vc為泥石流平均流速(m/s)；

Hc為平均泥深(m)；

ic 為溝床坡度；

mc為糙率系數(shù).

大山溝溝道比降變化較大，其流速變化范圍也較大，流速為3.8～4.5 m/s.

3.4 一次過流總量

一次泥石流總量Q的計算，公式如下:

Q=0.264TQc，

(4)

式中 ：Q-一次泥石流過程總量(m3)；

T-泥石流歷時(s)；

Qc-泥石流最大流量(m/s).

溝口泥石流峰值流量按P= 5%、P= 2%的雨洪法計算的峰值流量分別為

35.68 m3/s、56.37 m3/s；

按經(jīng)驗，取泥石流歷時約20 min，即T=1 200 s；按式(4)計算的大山溝泥石流一次沖出量為 分別為0.73×104 m3、1.15×104 m3.

3.5 一次固體物質(zhì)沖出量

一次泥石流沖出固體物質(zhì)體總量按下式計算

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)，

(5)

式中QH-一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量(m3)；

Q-一次泥石流過程總量(m3)；

γc-泥石流重度(kN/m3)；

γw-水的重度(kN/m3)；

γH-固體物質(zhì)的重度(kN/m3).

將γc=18.3 t/m3、γw=10 kN/m3，γH=28 kN/m3代人公式5，據(jù)此計算出固體物質(zhì)沖出總量在P=5%、P=2%的情況下QH分別為2 177 m3、4 013 m3.

表1泥石流峰值流量計算表

綜合以上分析，考慮泥石流的災(zāi)害史，“5.12”地震之后，地質(zhì)情況更加復(fù)雜、松散物增加，導(dǎo)致其發(fā)生泥石流災(zāi)害的幾率增大.該泥石流溝在其自身地質(zhì)環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動、5.12地震、人類工程活動及極端氣候等因素的綜合作用下，進(jìn)入了災(zāi)害活躍期，泥石流發(fā)生的次數(shù)將不斷增多，頻率和規(guī)模也將在不斷增大.因此，亟需對大山溝泥石流進(jìn)行及時治理.該泥石流的治理可以采用生物措施與工程措施相結(jié)合的方式，一方面對流域內(nèi)的人類活動進(jìn)行限制和規(guī)劃，避免再次破壞地質(zhì)環(huán)境，逐年提高流域內(nèi)的植被覆蓋率.工程措施方面可以對流域內(nèi)的典型災(zāi)害如滑坡、崩塌等進(jìn)行治理，加固邊坡減少固體物質(zhì)來源，同時在適當(dāng)?shù)奈恢媒r擋壩徹底根治泥石流隱患.與此同時，應(yīng)該加強(qiáng)預(yù)警和監(jiān)測，特別在極端天氣下，應(yīng)該提高監(jiān)測頻率，以保證安全，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)是后續(xù)研究的重要資料來源，也是檢驗防治效果的重要標(biāo)志.

4 結(jié)論

(1)大山溝為一條典型的泥石流溝，汶川地震后，進(jìn)入了易發(fā)期.

(2)采用配漿法確定泥石流重度約為1.83 kN/m3；雨洪法求得泥石流峰值流量在頻率5%、2%條件下分別為35.68和56.37 m3/s；按薛齊-曼寧公式計算流速為3.8～4.5 m/s，在溝口附近流速為3.8 m/s；取泥石流歷時約20 min，計算的大山溝泥石流在P=5%、P=2%頻率下一次沖出量為 分別為0.73×104m3、1.15×104m3；一次固體物質(zhì)沖出總量在P=5%、P=2%的情況下 分別為2 177 m3、4 013 m3.

(3)該泥石流在自身地質(zhì)環(huán)境、新構(gòu)造運(yùn)動、5.12地震、人類工程活動及極端氣候等因素的綜合影響下，進(jìn)入了災(zāi)害活躍期.在對泥石流影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)查及災(zāi)害史分析對大山溝泥石流的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了研究.

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