不同爆發(fā)頻率下的泥石流動力特征參數(shù)計算

王邦陽，楊華舒，楊在月(.大理白族自治州水利水電勘測設計研究院，大理 67000；.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 65009；.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

不同爆發(fā)頻率下的泥石流動力特征參數(shù)計算

王邦陽1，楊華舒2，楊在月3
(1.大理白族自治州水利水電勘測設計研究院，大理 671000；2.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；3.云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500)

通過對云南省維西縣梓里溝泥石流進行現(xiàn)場調(diào)查，獲取了梓里溝泥石流相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，據(jù)此分別對梓里溝泥石流的容重、流速、流量、沖擊力等動力學特征參數(shù)進行計算。計算結(jié)果表明：在不同爆發(fā)頻率下，泥石流動力特征參數(shù)不同，且相差較大；在同一爆發(fā)頻率下，不同溝段處，泥石流的動力特征參數(shù)也是不同的。

泥石流；動力特征參數(shù)；梓里溝

1 引言

泥石流動力特征參數(shù)是泥石流防治工程修建的重要參考依據(jù)，對防災減災有著重要的意義。一方面，由于泥石流運動的復雜性和溝谷的差異性；另一方面，由于技術(shù)條件和研究水平的限制，通常是采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式計算動力特征參數(shù)值。所以，要準確計算出泥石流動力特征參數(shù)是很難的。因此，要根據(jù)泥石流存在的實際情況，綜合分析，采用多種方法相結(jié)合，彼此對照，得出更加合理的計算結(jié)果。葉枝鎮(zhèn)梓里村地處瀾滄江流域，位于梓里河兩岸，分布有多個村民小組，由于地形復雜，地形坡度較陡，居民多分布山區(qū)，受地震影響較大，地震次生災害多發(fā)，原有滑坡、崩塌受地震影響產(chǎn)生新的變形、滑動，溝谷物源增多，容易引發(fā)泥石流災害。在雨季形成泥石流，將威脅下游兩岸居民及公路橋梁、農(nóng)田。威脅梓里村452人，財產(chǎn)損失520萬元。梓里河流域面積20.34 km2，平面形態(tài)為中上游(山區(qū))較寬、下游(谷盆區(qū))呈條帶狀，溝流源頭最高峰為去云嶺山脈，高程4 428 m，與瀾滄江交匯口最低，高程1 801 m，主溝床平均縱坡降195 ‰。對泥石流動力特征參數(shù)的計算，有助于泥石流防治工程的合理設計，有效抑制泥石流災害的發(fā)生，減小災害帶來的損失，加快山區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。

2 動力參數(shù)計算

由于泥石流本身所具有的特點，準確計算泥石流的動力特征參數(shù)值是很難的，主要是由于：觀測條件的限制，很難直接觀測泥石流的發(fā)生；試驗測試技術(shù)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[1]；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[2]。

2.1 泥石流容重

泥石流容重是泥石流動力特征參數(shù)的基本數(shù)據(jù)，也是計算其他動力特征參數(shù)的前提數(shù)據(jù)，其變化主要取決于流體中固體物質(zhì)含量的變化，其主要影響因素有：松散固體物質(zhì)儲量、形成區(qū)坡度、溝谷匯水面積、河床縱比降大小、松散物源的巖性條件及補給方式等。通過大量的泥沙流單因素組合分析得到泥石流容重相關(guān)公式[3]：

γc=f(K1,K0,KR,KL,KA)=K1+K0KRKLKA

(1)

γc′=γc+0.122 lnP′

(2)

P′=0.01P

(3)

式中，γc為泥石流容重(g/cm3)；K1為溝床比降系數(shù)(取泥石流形成區(qū)溝床平均坡度)；K0為溝床補給系數(shù)(河床質(zhì)K0=1.2，崩塌K0=1.0，滑坡K0=1.1)，取1.1；KR為巖性系數(shù)(千枚巖取0.9，頁巖取0.9，玄武巖取1.0，砂巖取1.2，灰?guī)r取1.2)，取0.9；KL為稀釋系數(shù)(取泥石流形成區(qū)到源頭的溝長與主溝長之比)=5.81/4.21=1.38；KA為固體物質(zhì)儲量系數(shù)(固體物質(zhì)總儲量(W)/流域匯水面積(F))0.11=(40.79/22.34)0.11=1.08；γc′為不同頻率泥石流的容重(g/cm3)；γc為百年一遇泥石流容重(g/cm3)；P′為爆發(fā)頻率系數(shù)(%)；P為泥石流爆發(fā)周期(a)。

2.2 流速計算

目前，泥石流流速的計算主要是采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式計算得出，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[2,4]。根據(jù)上面容重的計算可知，其容重值均在1.8 g/cm3以下，所以梓里河溝泥石流為稀性泥石流，流速按照稀性泥石流計算公式計算。

(1) 采用鐵道科學研究院西南研究所推介的綜合公式[5]

(4)

式中，Vc為泥石流流速(m/s)；I為泥石流水力坡度，一般可用溝床縱坡(‰)代替，形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)分別取85 ‰、130 ‰、268 ‰；R為溝床外阻力系數(shù)，取12.9；γH為泥石流中固體物質(zhì)重度，取2.60 g/cm3；R為水力半徑(m)，一般可用平均水深H(m)代替；φ為泥沙修正系數(shù)：

(5)

(2) 鐵道第二勘察設計院科研所推介公式，此公式[5]是由東川地區(qū)的老干溝、法窩溝和西昌地區(qū)的義農(nóng)河資料改進而來。

(6)

式中，Mc為溝床外阻力系數(shù)，可由丁玉壽外阻力系數(shù)表確定，取10.2；其余符號同上。

(3) 北京市市政設計院推介公式[5]

(7)

式中，m為溝床外阻力系數(shù)，可由劉德昭外阻力系數(shù)表查得，取7.5；其余符號同上。

其中水力半徑可采用公式3～6計算得出：

(8)

式中，R為水力半徑(m)；W為過流斷面面積(m2)；P為濕周(m)。

分別在堆積區(qū)、流通區(qū)和形成區(qū)選擇3個實測斷面。根據(jù)判斷，該斷面泥痕為2013年泥石流所留，斷面泥痕較為清晰，該泥石流為10 a一遇。水力半徑計算結(jié)果見表1。

表1 水力半徑計算結(jié)果

上面計算所得的水力半徑為梓里河泥石流10 a一遇的，如果要得到實測斷面在不同設計頻率下的泥石流水力半徑，就需要做一個假設，即假定爆發(fā)不同頻率泥石流時，其它條件均保持不變，認為各爆發(fā)頻率下的泥石流水力半徑與流量成正比，由此便可計算出不同爆發(fā)頻率下的水力半徑，進而求出各爆發(fā)頻率下的泥石流流速，計算結(jié)果見表4。

2.3 流量計算

根據(jù)泥石流運動的復雜性和溝谷的差異性，流量的直接測定比較困難。因此，常采用經(jīng)驗性的計算模型來獲得泥石流流量，本處采用配方法和形態(tài)調(diào)查法相結(jié)合來確定泥石流的流量。

(1) 配方法

配方法是在降水和洪水(泥石流)同頻率的假設下，以不同頻率的清水流量計算為前提，在容重確定的基礎上進行不同頻率泥石流流量模擬的一種方法(表2)。

QB=1.1×Kp×Kc×P2/3

(9)

Qc=QB(1+φ)Du

(10)

式中，QB為清水流量(m3/s)；Kp為年最大洪峰模數(shù)，取2.3；Kc為洪峰流量倍比系數(shù)；F為流域匯水面積，取20.34 km2；Qc為泥石流流量(m3/s)；φ為泥石流修正系數(shù)；Du為泥石流堵塞系數(shù)，取1.3。

表2 洪峰流量倍比系數(shù)表

(2) 形態(tài)調(diào)查法

根據(jù)梓里河10 a一遇泥石流沖淤情況，分別在堆積區(qū)、流通區(qū)和形成區(qū)測得3個斷面面積，以及上面求出斷面流速，可以求出泥石流流量，計算結(jié)果見表4。

Qc=Wc·Cc

(11)

式中，Qc為泥石流流量；Wc為過流斷面面積；Vc為泥石流流速。

2.4 泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數(shù)。分為流體整體沖擊力和個別石塊的沖擊力兩種。

(1) 整體沖擊力

泥石流對攔渣壩的整體沖擊力用流體整體沖擊力公式[6](12)計算：

(12)

式中,δ為泥石流體整體沖擊力(Pa)；γc為泥石流容重(g/cm3)；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；a為建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，取90°；λ為建筑物形狀系數(shù)，取1.33(表3)。

表3 建筑物形狀系數(shù)取值表

(2) 巨石沖擊力按經(jīng)驗公式(13)計算：

(13)

式中,Fs為泥石流巨石沖擊力(kN)；γ為動能折減系數(shù)，一般取0.3；Vc為泥石流流速(m/s)；α為受力面與泥石流沖擊方向之間的夾角(°)；W為巨石重量(kg)；c1、c2為巨石與材料的彈性變形系數(shù)(m/kN)，取0.005。

可啟動最大直徑巨石采用經(jīng)驗公式[7](14)進行計算：

(14)

式中，d為可啟動巨石直徑(m)；Vc為流速(m/s)；k為考慮溝床縱坡降、顆粒形狀、巖石重度等的系數(shù)(中國工程界一般取5.5)。

2.5 計算結(jié)果與分析

2.5.1 計算結(jié)果

通過對泥石流溝谷的現(xiàn)場調(diào)查分析，根據(jù)其溝谷特點及泥石流發(fā)生情況，選取不同的計算模型計算其動力特征參數(shù)值，計算結(jié)果見表4。

2.5.2 分析與討論

通過對泥石流溝谷不同區(qū)域和不同發(fā)生頻率下的動力特征值計算，可以從以下幾個方面進行分析與討論：

(1) 同一溝谷區(qū)域，不同發(fā)生頻率

主要是分析同一發(fā)生區(qū)域內(nèi)在不同爆發(fā)頻率下的動力特征值變化情況，主要是以流通區(qū)分析為例。如圖1所示，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，在同一區(qū)域內(nèi)，不同的爆發(fā)頻率下，泥石流的動力特征參數(shù)值是不同的，爆發(fā)頻率高，動力特征參數(shù)值小，也就是說泥石流發(fā)生越頻繁，其所具有的能量就越小，其致災能力也就越小，反之就大。這主要是與致災因子的孕育有關(guān)，發(fā)生頻率小，各致災因子孕育的時間較長，儲能與組合就較好，就越有利于爆發(fā)規(guī)模更大的泥石流災害；頻繁發(fā)生，其致災能力就會不斷消耗和減弱，發(fā)生規(guī)模也就不大。所以，在對泥石流進行防治時，不僅要關(guān)注那些泥石流多發(fā)的溝谷，也要關(guān)注那些較長時間沒有發(fā)生泥石流的溝谷，并根據(jù)其現(xiàn)在及未來泥石流的發(fā)生情況和防治需要，采取不同的防治等級或是適當提高防治等級，做到有備無患。

表4 泥石流動力特征參數(shù)計算結(jié)果

圖1 流通區(qū)不同頻率下的動力特征參數(shù)變化圖

(2) 同一發(fā)生頻率，不同發(fā)生區(qū)域

主要是分析在同一發(fā)生頻率下不同溝谷區(qū)域泥石流動力特征值得變化情況，以5%(20 a一遇)發(fā)生頻率為例。如圖2所示，通過計算可以發(fā)現(xiàn)，在同一爆發(fā)頻率下，不同流經(jīng)區(qū)域內(nèi)，泥石流的動力特征參數(shù)值也是不同的，有從形成區(qū)向堆積區(qū)逐漸減小的趨勢，這主要是由于泥石流形成、運動的復雜性及溝谷的差異性導致的。從中還可以看出由形成區(qū)到堆積區(qū)，溝床縱坡逐漸減小，流速也隨之減小，水動力也不斷減弱，泥石流運動減弱，完成由沖刷、搬運向堆積的過渡。在不同的發(fā)生區(qū)域，其危害方式也是不同的：形成區(qū)主要是水土流失和溝岸滑坡及崩塌為主，流通區(qū)主要是沖刷和溝岸侵蝕為主，堆積區(qū)主要是以淤埋和沖毀為主。因此，在對泥石流溝谷進行治理時，需要根據(jù)不同區(qū)域的特征采取有針對性的防治措施，才能達到事半功倍的效果。形成區(qū)主要是采取生物措施，增加植被覆蓋率，減小水土流失，對不穩(wěn)定斜坡進行治理；流通區(qū)主要是采取攔擋措施，抬高侵蝕基準面，減弱溝岸的侵蝕和溝床的沖刷，并攔擋溝內(nèi)的固體物質(zhì)；堆積區(qū)主要是采取引排措施，修建導流堤、停淤壩，快速排出和引排泥石流。

(3) 同一發(fā)生區(qū)域，同一發(fā)生頻率，不同計算模型

從流速與流量的計算還可以看出，采用不同的計算模型，其計算結(jié)果會有所不同，有的甚至相差較大。雨洪法與形態(tài)法計算的泥石流流量結(jié)果相差較大，主要是由于形態(tài)調(diào)查法計算時，其斷面面積不容易準確確定，只能靠推測。這主要是由于采用經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式計算得出，而不是實測得出，每一種計算模型都有其側(cè)重和缺點，其次就是野外獲取的數(shù)據(jù)會有一定的誤差存在，這些都導致了計算結(jié)果的差別。所以在獲取泥石流動力特征參數(shù)值時，采取不同的計算模型相互對比印證，才能得出更加切合實際的結(jié)果。

圖2 5%發(fā)生頻率下不同區(qū)域的動力特征參數(shù)變化圖

3 結(jié)論

通過上面的計算與分析，可以得出，同一條泥石流溝，在不同的溝谷區(qū)域，不同的發(fā)生頻率下，其動力特征參數(shù)值都是不一樣的，其危害性及危害方式也是不一樣的。在同一發(fā)生區(qū)域內(nèi)，隨著爆發(fā)頻率的增大，動力特征參數(shù)值逐漸降低，相差明顯；相同的爆發(fā)頻率，不同的溝谷區(qū)域，其動力特征值從形成區(qū)向堆積區(qū)不斷減小，差異懸殊。在對泥石流溝谷進行治理時，需要進行全流域的綜合治理，根據(jù)不同溝谷區(qū)域的特征采取有針對性的治理措施，才能達到事半功倍的效果，有效減弱甚至是根除泥石流災害。

[1] 鄧虎，陳寧生，胡桂勝，等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流動力學特征參數(shù)計算[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2011，30(4)：833-838.

[2] 吳積善，田連權(quán)，康志成.泥石流及其綜合治理[M]．北京:科學出版社，1993:99-110．

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作者簡介：王邦陽(1988- )，男，云南威信人，碩士研究生，主要從事環(huán)境地質(zhì)與工程地質(zhì)研究。E-mail：284526081@qq.com

CALCULATION OF DYNAMIC CHARACTERISTIC PARAMETERS OF DEBRIS FLOW AT DIFFERENT FREQUENCY IN ZILI GULL

WANG Bang-yang1，YANG Hua-shu2，YANG Zai-yue3
(1.Dali Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation,Design and Research.Dali 671000,China;2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093,China；3.School oh Tourism and Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500,China)

Abstract: By the site investigation of the debris flow disaster Zili gully in weixi, Yunnan, the first-hand data of the disaster was obtained. The mud-rock volume-weight, flow, flow velocity, impact of Zili gully were analyzed and calculated based on these collected data. The calculation results show that the dynamic characteristic parameters of debris flow are different, and a big difference. The dynamic characteristic parameters of debris flow are different at the same frequency.

debris flow; dynamics parameters; Zili gull

1006-4362(2016)04-0026-05

2016-06-20改回日期： 2016-09-28

P642.23

A