蘭州市寺兒溝泥石流物源特征及其危險(xiǎn)性分析

馬思琦楊為民張春山渠敬凱萬飛鵬唐海兵

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081;

2.自然資源部活動(dòng)構(gòu)造與地質(zhì)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;

3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性研究中心,北京 100081;

4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083

0 引言

寺兒溝流域位于甘肅省蘭州市西固區(qū)南部山區(qū),歷史上曾多次暴發(fā)泥石流,尤以1964年泥石流規(guī)模最大,體積達(dá)17×104m3,造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。西固區(qū)位于蘭州市西側(cè),區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地質(zhì)災(zāi)害特別是泥石流災(zāi)害發(fā)育(王偉,2007),嚴(yán)重威脅西固城區(qū)安全。物源是泥石流形成的充分條件(張杰坤,1994;費(fèi)祥俊和舒安平,2004),其決定了泥石流沖出規(guī)模和災(zāi)害威脅范圍(余斌和唐川,2016)。目前對(duì)于泥石流物源的研究主要集中在對(duì)其動(dòng)、靜儲(chǔ)量的分類描述和計(jì)算,如可移動(dòng)固體物質(zhì)(楊順,2014)、動(dòng)儲(chǔ)量(蔣忠信,1994)、有效固體物質(zhì)(李朝安,2004)等一系列定義?，F(xiàn)有泥石流物源計(jì)算多采用預(yù)測(cè)模型,如灰色模型(李秀珍等,2007)、多元回歸模型(栗海軍等,2021)、圖解法(喬建平等,2012)和因子分析法(鄧玖林,2018)等方法。國(guó)內(nèi)著名的蔣家溝泥石流等均有相關(guān)的物源計(jì)算公式(王喜安等,2020),泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范(DZ/T0220-2006)中也明確規(guī)定了雨洪法等泥石流物源計(jì)算方法。故泥石流物源計(jì)算方法存在多樣性,尚未固定統(tǒng)一(潘華利等,2020),因而,基于物源的泥石流危險(xiǎn)性和影響范圍評(píng)價(jià)不一。

不同地區(qū)泥石流具有不同的物源特征和補(bǔ)給方式,黃土地區(qū)以小型溝谷型黏性泥流為主(金凌燕,2004),在水-力耦合作用下常形成黃土濕陷變形-地裂縫-崩塌滑坡-泥石流災(zāi)害鏈(彭建兵等,2014)。崩塌、滑坡為泥石流提供了主要物源(Guo et al.,2020),而地震是黃土地區(qū)崩塌、滑坡主要誘發(fā)因素之一(李為樂等,2013;張鐸等,2013;Domènech et al.,2019),當(dāng)ML(震級(jí))≥4.0時(shí),便可觸發(fā)地震滑坡(Keefer,1984)。蘭州地區(qū)位于隴西黃土高原,區(qū)內(nèi)崩滑流發(fā)育,物源豐富,泥石流災(zāi)害頻發(fā),且均為暴雨型泥石流(Liu et al.,2001),以往的研究工作多集中于泥石流區(qū)域性的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)(劉興榮,2016;牛全福等,2019);而針對(duì)泥石流物源特征及單溝危險(xiǎn)性的研究較少(魯?shù)梅胶臀河駶?2015;竇曉東,2020)。文章基于遙感解譯和野外調(diào)查,研究蘭州市西固區(qū)寺兒溝的物源特征及影響因素,采用GIS空間分析計(jì)算寺兒溝流域物源靜儲(chǔ)量,通過FLO-2D數(shù)值模擬分析臨界降雨條件下寺兒溝泥石流危險(xiǎn)性并估算一次性最大沖出量,以期為寺兒溝泥石流的防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

寺兒溝流域地處青藏高原東北緣向隴西黃土高原過渡地帶,大地構(gòu)造上處于祁連山構(gòu)造帶與秦嶺造山帶交匯區(qū),南鄰秦嶺褶皺帶,北接祁連褶皺帶,由多個(gè)隆起和斷陷盆地組成。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育,蘭州-馬銜山斷裂帶西端的咸水溝斷裂斜穿寺兒溝流域。區(qū)內(nèi)地層自元古界震旦系(Z)至第四系(Q)均有不同程度分布。寺兒溝流域出露地層巖性為白堊系下統(tǒng)河口群(K1hk)砂礫巖、新近系咸水河組(N1x)砂質(zhì)泥巖、上更新統(tǒng)馬蘭組()黃土、中更新統(tǒng)(Q2)、下更新統(tǒng)(Q1)(圖1)。

寺兒溝流域位于青藏高原東北部地震區(qū)的天水-蘭州-河西走廊地震帶,地震烈度為Ⅷ度,歷史地震活動(dòng)頻繁。自1108年至2020年,共發(fā)生過5次7.0級(jí)以上強(qiáng)震,12次6.0級(jí)以上地震,這些地震均誘發(fā)極震區(qū)發(fā)生了大量滑坡、崩塌、坡面流(秦宇龍等,2021)。其中,對(duì)蘭州及周邊地區(qū)影響最大的是1125年蘭州7.0級(jí)地震,導(dǎo)致蘭州市南部山區(qū)大量滑坡發(fā)生(袁道陽(yáng)等,2002)。此外,受1920年海原8.5級(jí)地震影響,區(qū)內(nèi)部分滑坡復(fù)活。

蘭州市西固區(qū)地勢(shì)南高北低,呈剝蝕-侵蝕黃土丘陵、侵蝕-堆積河谷平原和侵蝕-構(gòu)造中低山地貌。南部為中低山,海拔2500～2820 m;中部為黃河谷地,海拔1520 m左右;北部為黃土丘陵,海拔多在2800 m左右。蘭州市屬溫帶半干旱氣候。據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì),區(qū)內(nèi)多年平均降水量為300～600 mm,多集中于7—9三個(gè)月,最大日降雨量為96.8 mm,小時(shí)最大降雨量為52.0 mm,10分鐘最大降雨量為18.6 mm。

2 寺兒溝泥石流概況

2.1 泥石流暴發(fā)歷史

據(jù)縣市地方志及地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃報(bào)告,蘭州市城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)南部山區(qū)泥石流溝發(fā)育,歷史上曾發(fā)生過多次泥石流災(zāi)害。寺兒溝泥石流活動(dòng)也表現(xiàn)出相似的特點(diǎn),該溝曾在1951年8月、1964年6月12日、19日和7月20日、1978年8月、2010年5月29日暴發(fā)過泥石流。其中以1964年7月20日暴發(fā)的泥石流規(guī)模最大,危害最為嚴(yán)重,造成200余人傷亡,鐵路交通中斷。有記錄泥石流暴發(fā)的降雨事件分別為1951年8月18小時(shí)為76.8 mm,1964年7月5小時(shí)為53 mm,1964年7月20日4小時(shí)為150 mm,1978年8月3小時(shí)為90 mm(Liu et al.,2001)。

蘭州市南部山區(qū)泥石流溝道內(nèi)物源充足,在降雨條件下易暴發(fā)泥石流。造成區(qū)內(nèi)泥石流多發(fā)的原因是流域內(nèi)崩塌、滑坡發(fā)育;如70年代至80年代,西固區(qū)金溝鄉(xiāng)長(zhǎng)灣村曾多次發(fā)生滑坡,滑坡體方量可達(dá)2.3×104m3,導(dǎo)致溝道堵塞,形成堰塞壩,壩體潰決暴發(fā)泥石流。由于蘭州市南部山區(qū)各泥石流流域環(huán)境地質(zhì)條件基本相同,因而各泥石流溝的物源條件相似。

2.2 寺兒溝泥石流性質(zhì)

寺兒溝位于西固區(qū)寺兒溝村,屬黃河右岸一級(jí)支溝,其流域面積29.51 km2,長(zhǎng)度6400 m,流域最大高程2614 m,溝口高程1615 m,高差999 m,溝谷縱坡降99‰,流向320°～350°。寺兒溝流域狹長(zhǎng),形成區(qū)由兩條近平行沖溝組成。寺兒溝溝口至主河段堆積扇較完整,扇長(zhǎng)1170 m,扇徑1540 m,擴(kuò)散角45°,面積0.94 km2。泥石流沖出溝口后,堆積于黃河右岸,擠壓黃河主河道(圖2a)。從溝道堆積物來看,流域范圍內(nèi)局部出露有白堊系砂礫巖、新近系泥巖,溝道堆積以次生黃土為主,滑坡為其主要來源(圖2b、2c),亦可見少量大塊砂礫巖(圖2d)。在流通區(qū)寬闊處采取新發(fā)泥石流堆積物樣品,進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn),結(jié)果顯示寺兒溝泥石流以黏性泥流為主,密度為2.02 g/cm3,危害方式為沖刷、淤埋高鐵橋墩(圖2e、2f)。

圖2 寺兒溝流域泥石流特征Fig.2 Characteristics of the debris flows in the Siergou watershed

據(jù)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃報(bào)告及已有資料顯示(Liu et al.,2001),寺兒溝曾多次暴發(fā)泥石流,相鄰泥石流事件時(shí)間間隔13～32年。但自1964年以來,寺兒溝未再發(fā)生大規(guī)模泥石流,這從流通區(qū)溝道內(nèi)植被生長(zhǎng)茂盛和排導(dǎo)槽多年未遭侵蝕沖刷可證實(shí)(圖2g)。其原因一方面與研究區(qū)內(nèi)干旱少雨有關(guān),另一方面與區(qū)內(nèi)多年來未遭遇極端事件(極端天氣或強(qiáng)震等)有關(guān)。以上表明寺兒溝泥石流為低頻泥石流,目前活動(dòng)性不強(qiáng),處于衰退期。

3 寺兒溝泥石流物源特征

3.1 物源類型

泥石流物源包括參與泥石流活動(dòng)的溝道內(nèi)物源、坡面侵蝕及崩滑體等(馬超等,2013)。根據(jù)野外調(diào)查,寺兒溝流域內(nèi)物源可分為坡面型物源、崩滑型物源、溝道型物源、人為型物源共4種。

(1)坡面型物源

坡面型物源是指由坡面侵蝕或沖溝侵蝕所形成,呈面狀分布的泥石流物源。該類物源表現(xiàn)為溝岸堆積和斜坡侵蝕。寺兒溝流域內(nèi)出露第四系黃土、白堊系砂礫巖及新近系泥巖,在地震或降雨作用下砂泥巖斜坡體結(jié)構(gòu)變得松散,產(chǎn)生崩塌、滑坡、坡面流,坡面堆積物受流水侵蝕形成坡面型物源。降雨也會(huì)使斜坡巖土體軟化,易發(fā)生坡面侵蝕。

(2)崩滑型物源

寺兒溝流域崩滑型物源主要來自形成區(qū)下游岸坡大量發(fā)育的崩塌、滑坡(圖2a、2c,圖3)。流域內(nèi)崩塌主要發(fā)生在K1厚層狀砂礫巖和新近系砂泥巖(圖2a、3b)中,因節(jié)理裂隙發(fā)育,易形成高陡危巖體所致(圖4a、4b)。而滑坡則由降雨或地震誘發(fā)。受歷史強(qiáng)震作用,寺兒溝流域形成區(qū)下游和流通區(qū)上游溝谷岸坡發(fā)育數(shù)個(gè)大型地震滑坡,并且在東支溝左岸及主溝形成區(qū)下游左岸發(fā)育滑坡群(圖4c)。這些滑坡下滑后堆積于溝道和岸坡中下部,構(gòu)成崩滑型物源。其后,在遭受強(qiáng)降雨或連陰雨時(shí),堆積在岸坡中下部的滑坡體易復(fù)活,重新失穩(wěn)下滑,形成降雨型滑坡。相比于地震滑坡,降雨滑坡受溝道流水侵蝕坡腳,一般發(fā)生于地震滑坡體前緣或下部,相比于地震滑坡,降雨滑坡規(guī)模小但數(shù)量多,成為泥石流發(fā)生時(shí)物源的主要補(bǔ)給方式。

圖3 寺兒溝流域形成區(qū)下游及流通區(qū)溝谷不同位置地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological profiles of different locations in the downstream formation area and the circulation area

圖4 寺兒溝流域物源類型及崩滑體分布Fig.4 Source types and distribution of slumped masses in the Siergou watershed

(3)溝道型物源

坡面侵蝕的固體物質(zhì)和崩滑流災(zāi)害體搬運(yùn)至溝道堆積,成為溝道型物源(圖4d)。寺兒溝形成區(qū)及流通區(qū)上游溝谷斷面呈Ⅴ型,泥石流起動(dòng)時(shí)溝底侵蝕作用和側(cè)蝕作用較強(qiáng),溝道堆積物受到?jīng)_刷揭底,坡腳堆積物受側(cè)蝕作用匯入泥石流。結(jié)合野外勘測(cè),在GIS平臺(tái)上測(cè)得寺兒溝流域形成區(qū)面積約32800 m2,溝道堆積物平均厚度取3 m;流通區(qū)面積約5670 m2,溝道堆積物平均厚度取2 m,計(jì)算得出溝道型物源靜儲(chǔ)量(表2)。

(4)人為型物源

此類物源主要是人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物和垃圾等。寺兒溝流域人為型物源主要是流域內(nèi)村民隨意丟棄的生活垃圾、工程施工過程產(chǎn)生的棄渣。其中生活垃圾量很小,可忽略不計(jì)。而棄渣位于鐵路橋上游寺兒溝孔家營(yíng)—東坪隧道口南側(cè)左岸,為蘭西鐵路建設(shè)時(shí)開挖隧道的廢棄物,規(guī)模大小為200 m×40 m×20 m。當(dāng)發(fā)生大規(guī)模泥石流時(shí),這些棄渣遭泥石流侵蝕,可啟動(dòng)成為泥石流物源補(bǔ)給(圖4e)。

3.2 流域范圍內(nèi)物源豐富,靜儲(chǔ)量大

物源類型不同,其儲(chǔ)量計(jì)算方法不一。各類物源靜儲(chǔ)量一般是通過遙感解譯,結(jié)合野外驗(yàn)證實(shí)測(cè)后,在GIS平臺(tái)上計(jì)算得出。

3.2.1 坡面型物源靜儲(chǔ)量

坡面型物源靜儲(chǔ)量大小取決于地層巖性和坡度。巖性越軟弱,溝谷坡度越大,坡面侵蝕程度越高,則坡面物源供給量越大。寺兒溝流域內(nèi)地層巖性為白堊系砂礫巖和第四系黃土,斜坡坡度變化在7°～55°范圍,在遭受雨水侵蝕時(shí),二者對(duì)坡面侵蝕深度的影響大致相同。采用GIS空間分析,將地層巖性與斜坡坡度加權(quán)疊加,得出寺兒溝流域坡面侵蝕深度圖(圖5),由表2坡面侵蝕型物源計(jì)算可得,物源儲(chǔ)量約為2908.31×104m3。

圖5 寺兒溝流域坡面侵蝕深度分布圖Fig.5 Maps showing the slope erosion-depth in the Siergou watershed

3.2.2 崩滑型物源靜儲(chǔ)量

崩滑型物源是寺兒溝泥石流的主要物源之一,它決定了泥石流發(fā)生時(shí)一次性最大沖出量的多少,因而決定了泥石流的規(guī)模。寺兒溝崩滑型物源由以下3部分組成。

(1)地震滑坡:在寺兒溝形成區(qū)中下游,主溝左岸和東支溝滑坡群規(guī)模大,均為高位滑坡,系歷史地震滑坡,滑坡殘留體體積見表1,袁道陽(yáng)等(2002)的研究結(jié)果也證實(shí)了這些滑坡系1125年蘭州南7.0級(jí)地震誘發(fā)形成(圖6)。地震滑坡下滑后,滑坡體一部分沖入溝谷堆積于溝道,成為泥石流物源;而部分滑坡體仍停留在滑床之上,成為未來泥石流發(fā)生的潛在物源。

圖6 蘭州南部山區(qū)地震滑坡分布圖(據(jù)袁道陽(yáng)等,2002修改)Fig.6 Seismic landslide distribution map in the southern mountainous area of Lanzhou (modified from Yuan et al.,2002)

(2)降雨滑坡:此類物源均位于溝谷岸坡中下部或坡腳處,系溝谷水流沖刷坡腳坡體失穩(wěn)形成,或部分老滑坡體受降雨誘發(fā)重新復(fù)活(表1)。

將地震滑坡和降雨滑坡一起繪于圖7中,可見地震滑坡體積遠(yuǎn)大于降雨滑坡體積;而降雨滑坡雖然體積小,但數(shù)量多,因受降雨誘發(fā)易失穩(wěn)下滑,滑坡體堆積在溝道內(nèi)成為泥石流物源。

圖7 寺兒溝流域不同類型滑坡殘留體物源體積Fig.7 Volume of landslide residues of different types in the Siergou watershed

(3)崩塌危巖體:這類物源在沖溝內(nèi)分布較少,主要是白堊系砂礫巖危巖體崩塌形成。白堊系地層呈緩傾斜,砂礫巖層一般發(fā)育兩組剪節(jié)理,巖層產(chǎn)狀90°∠38°,節(jié)理產(chǎn)狀15°∠88°,卸荷裂隙產(chǎn)狀285°∠64°,在沖溝岸坡形成危巖體。受層面及節(jié)理面控制,易發(fā)生崩塌或落石,零星分布于白堊系基巖裸露區(qū)(圖4a、4b)。白堊系砂礫巖層厚大,堅(jiān)硬耐風(fēng)化,崩塌后成大塊石堆積于溝道,成為增加寺兒溝泥石流破壞力的主要固體物質(zhì)。

在遙感解譯的基礎(chǔ)上,對(duì)流域內(nèi)所有的崩滑體進(jìn)行了實(shí)測(cè)(表1)。由表1可知,崩塌危巖體體積約為114×104m3,滑坡體體積約為3351.84×104m3。表明流域范圍內(nèi)現(xiàn)存崩滑型物源靜儲(chǔ)量仍處于較高水平。根據(jù)各類物源靜儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可知,寺兒溝流域內(nèi)現(xiàn)存物源靜儲(chǔ)量以崩滑型物源和坡面型物源為主,總的靜儲(chǔ)量達(dá)6401.12×104m3。

表1 寺兒溝流域崩滑體物源靜儲(chǔ)量表(表中滑坡編號(hào)見圖4c)Table 1 Static reserves of slumped masses in the Siergou watershed (corresponding landslide numbers are shown in Fig.4c)

3.3 泥石流物源補(bǔ)給方式

泥石流起動(dòng)后,流體沿途侵蝕、鏟刮溝道,側(cè)蝕溝道,從而不斷增加泥石流的規(guī)模,各類物源對(duì)泥石流的補(bǔ)給方式不一。由土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)(楊俊,2015;胡春宏和張曉明,2020)可知,黃土地區(qū)坡面侵蝕量一般取0.0037～0.0059 m,由此可以得出,坡面侵蝕型物源靜儲(chǔ)量雖然大(表2),但坡面侵蝕產(chǎn)生的物源補(bǔ)給量小。溝道型物源結(jié)構(gòu)松散,在泥石流運(yùn)動(dòng)過程中由于底蝕可全部參與補(bǔ)給。人工堆積物源量小不易起動(dòng)。故寺兒溝泥石流以崩滑型物源補(bǔ)給為主。

表2 寺兒溝流域物源靜儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Static reserves of material sources in the Siergou watershed

寺兒溝泥石流在起動(dòng)下泄過程中,坡面型、溝道型、人為型物源變化量不大,而崩滑型物源變化的可能性最大。因?yàn)?當(dāng)流域遭受強(qiáng)震或強(qiáng)降雨時(shí),泥石流起動(dòng)前或正在起動(dòng)時(shí),崩塌、滑坡均可大規(guī)模發(fā)生或群發(fā),引起崩滑型物源的大幅度增加,從而導(dǎo)致泥石流補(bǔ)給物源量的驟增,即一次性最大沖出量的大幅增加。相應(yīng)地,泥石流規(guī)模增大,危險(xiǎn)性增高。

3.4 流域物源主要影響因素

地震、斷裂構(gòu)造、地形地貌、地層巖性、土層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件都會(huì)通過影響黃土滑坡的發(fā)育來對(duì)泥石流產(chǎn)生一定控制作用(彭建兵等,2020;孫顯辰等,2020;顏靈勇等,2021;胡勝等,2021)。野外調(diào)查表明,降雨、坡度、地層巖性等是寺兒溝流域物源供給的主要影響因素。

一般,雨強(qiáng)越大,則雨水侵蝕搬運(yùn)的能力越強(qiáng)。流域坡度越大,降雨時(shí)水動(dòng)力越強(qiáng),坡面易侵蝕,斜坡巖土體穩(wěn)定性越低,易發(fā)生崩塌、滑坡和坡面流,從而增加泥石流物源量。降雨與坡度的耦合作用對(duì)寺兒溝泥石流物源的影響體現(xiàn)在:一方面對(duì)坡面型物源的影響上,降雨量、坡度越大,坡面侵蝕程度越高,水流搬運(yùn)至溝道的固體物質(zhì)量越大;另一方面導(dǎo)致寺兒溝流域內(nèi)已有的地震滑坡及不穩(wěn)定坡體失穩(wěn),形成崩滑型和溝道型物源。

寺兒溝流域出露白堊系、新近系和第四系地層。白堊系、新近系砂泥巖區(qū)抗侵蝕能力強(qiáng),在強(qiáng)震或強(qiáng)降雨條件下,溝谷岸坡陡峭區(qū)易發(fā)生崩塌,產(chǎn)生崩滑型物源;而第四系黃土和松散坡積層因結(jié)構(gòu)松散易于被侵蝕,故主要提供坡面型物源。

4 寺兒溝泥石流危險(xiǎn)性分析及一次性最大沖出量

4.1 模擬工況與計(jì)算參數(shù)設(shè)定

單溝泥石流危險(xiǎn)區(qū)一般可通過歷史泥石流的回訪和調(diào)查來確定,也可由經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)據(jù)模擬方法預(yù)測(cè)泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍,從而估算設(shè)定工況下的一次性沖出量。FLO-2D可用來模擬溝谷型小流域泥石流的運(yùn)動(dòng)和堆積過程(Lin et al., 2005;Bertolo and Wieczorek, 2005;Wu et al., 2013),模擬泥石流流動(dòng)與堆積影響因素(梁鴻熙等,2016),進(jìn)行單溝泥石流危險(xiǎn)性分析(吳季寰等,2022;張浩韋等,2022),科學(xué)預(yù)報(bào)泥石流危害范圍。文中采用FLO-2D軟件模擬分析不同工況下寺兒溝泥石流的危險(xiǎn)性。

根據(jù)蘭州市西固區(qū)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃報(bào)告以及蘭州市1952年至2019年降雨資料,確定區(qū)內(nèi)泥石流暴發(fā)臨界小時(shí)雨強(qiáng)約為30 mm。選取小時(shí)降雨量30 mm作為臨界降雨條件,模擬計(jì)算臨界降雨條件下寺兒溝泥石流危險(xiǎn)性。

計(jì)算所需參數(shù)設(shè)置如下。

①重度:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,寺兒溝泥石流重度γ為19.8 kN/m3。

②層流阻滯系數(shù):參考已有研究成果,用工程地質(zhì)類比法,取層流阻滯系數(shù)K=1000。

③屈服應(yīng)力及粘滯系數(shù):根據(jù)泥砂比-體積濃度-流變參數(shù)關(guān)系式(1)得出[α1、α2、β1、β2]為[0.000247,0.03,15.48,14.42],由 公 式(2)(3)確定屈服應(yīng)力τy及粘滯系數(shù)η。其中,體積濃度cv(=0.45)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α1、α2、β1、β2一般可通過實(shí)驗(yàn)或查FLO-2D使用手冊(cè)獲得。

泥砂比-體積濃度-流變參數(shù)關(guān)系式:

屈服應(yīng)力τy與體積濃度cv的關(guān)系:

粘滯系數(shù)η與體積濃度的關(guān)系:

④曼寧粗糙系數(shù):參考統(tǒng)一阻力糙率系數(shù)計(jì)算方式(王裕宜等,2003)及FLO-2D使用手冊(cè)建議值,結(jié)合實(shí)際調(diào)查,設(shè)定溝道及坡面曼寧系數(shù)n分別為0.20、0.25。

⑤集水點(diǎn)及泥石流流量過程曲線:集水點(diǎn)取支溝和主溝滑坡群處及溝口位置(圖2),根據(jù)降雨條件得到泥石流流量過程曲線如圖8。

圖8 寺兒溝泥石流流量過程曲線Fig.8 Hydrograph of debris flows in Siergou

⑥泥石流流體土石比重:采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法,當(dāng)泥石流流體固體物質(zhì)主要為黏土,土石比重取2.75。

4.2 模擬結(jié)果分析

(1)危險(xiǎn)性分析

由危險(xiǎn)性模擬結(jié)果(圖9)可知,寺兒溝雖為衰退期泥石流,但在臨界降雨條件下,仍會(huì)暴發(fā)泥石流,對(duì)蘭西高鐵、環(huán)城高速橋墩及溝道內(nèi)建筑物造成極大威脅。參考唐川等(1994)提出的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn),確定寺兒溝泥石流高危險(xiǎn)區(qū)面積約12024 m2,中危險(xiǎn)區(qū)面積約3996 m2,低危險(xiǎn)區(qū)面積約10188 m2。表明臨界降雨條件下,寺兒溝泥石流仍具較高危險(xiǎn)性,其中高危險(xiǎn)區(qū)位于形成區(qū)下游溝道轉(zhuǎn)彎處和流通區(qū)上游溝道,高鐵、高速橋墩路基均處于高危險(xiǎn)區(qū),該區(qū)域泥石流流速最高可達(dá)4.5 m/s,泥石流可沖刷侵蝕橋墩,造成橋墩損傷(圖9a)。由于寺兒溝溝道長(zhǎng),流通區(qū)溝道形態(tài)呈寬V形或U形谷,故泥石流多堆積在流通區(qū)溝道寬緩區(qū)段,對(duì)溝口西固城區(qū)及主河黃河的影響小。

(2)臨界降雨條件下一次性最大沖出量

由臨界降雨條件下泥石流的泥深分布可估算泥石流發(fā)生時(shí)的一次性最大沖出量(圖9b)。結(jié)合圖9a,確定寺兒溝形成區(qū)下游至流通區(qū)上游段,即崩滑高發(fā)區(qū)溝道泥石流流速較高,可達(dá)2.4 m/s。計(jì)算得臨界降雨條件下寺兒溝泥石流一次最大沖出量約為110×104m3。通過臨界降雨條件下一次最大沖出量可推斷出各部分物源參與泥石流運(yùn)動(dòng)的量,溝道堆積物結(jié)構(gòu)松散,在沖刷作用下可全部啟動(dòng),一次性最大沖出量為10.97×104m3。人工堆積物可忽略。臨界降雨條件下,寺兒溝流域坡面侵蝕深度取0.0045 m,一次性最大沖出量為173.12 m3。由此可以看出,崩滑體為寺兒溝泥石流提供了大部分物源,臨界降雨條件下一次性最大沖出量可達(dá)近110×104m3。寺兒溝現(xiàn)存靜儲(chǔ)量達(dá)6401.12×104m3,可知在臨界降雨條件下,該沖溝仍有大量物源未起動(dòng)下泄。若遭遇極端降雨,則可暴發(fā)更大規(guī)模泥石流。

圖9 臨界降雨條件下寺兒溝泥石流危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果Fig.9 Risk assessment for the debris flows in Siergou under critical rainfall condition

5 結(jié)論

(1)寺兒溝歷史上曾多次暴發(fā)泥石流,相鄰泥石流暴發(fā)的時(shí)間間隔大于10年。該泥石流以黏性泥流為主,表現(xiàn)為低頻活動(dòng),目前活動(dòng)性弱,處于衰退期。

(2)寺兒溝流域內(nèi)物源豐富,可分為坡面型物源、崩滑型物源、溝道型物源和人為型物源共4類。其中坡面型和溝道型物源儲(chǔ)量大,但崩滑型物源、溝道型物源控制了泥石流的暴發(fā)規(guī)模。而一次性沖出量的大小主要取決于泥石流起動(dòng)時(shí)或起動(dòng)前崩滑體的發(fā)育程度,崩滑體愈發(fā)育,物源補(bǔ)給愈充分,一次性沖出量越大,泥石流規(guī)模越大。寺兒溝泥石流起動(dòng)時(shí),以崩滑型物源、溝道型物源補(bǔ)給為主。

(3)在臨界降雨條件下,寺兒溝將會(huì)暴發(fā)泥石流。由于流域范圍崩塌、滑坡集中分布以及溝道縱坡降的控制,泥石流中—高危險(xiǎn)區(qū)集中于流通區(qū),嚴(yán)重威脅蘭西高鐵、環(huán)城高速等安全運(yùn)營(yíng)。

(4)寺兒溝泥石流在臨界降雨條件下一次最大沖出量約為110×104m3,大大低于流域內(nèi)崩滑型物源等動(dòng)儲(chǔ)量,遠(yuǎn)低于流域內(nèi)物源總的靜儲(chǔ)量。表明寺兒溝仍存在大規(guī)模泥石流暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)遭遇極端強(qiáng)降雨時(shí),寺兒溝將暴發(fā)更大規(guī)模泥石流。因而,進(jìn)一步研究不同降雨概率條件下寺兒溝泥石流的危險(xiǎn)性,對(duì)寺兒溝乃至蘭州市南部山區(qū)泥石流的防災(zāi)減災(zāi)很有必要。