寺溝泥石流沖擊力對(duì)影響因素的敏感性分析

楊尚遠(yuǎn)，趙 懷

(1.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124；2.甘肅地質(zhì)工程勘察院，甘肅張掖734000)

寺溝泥石流沖擊力對(duì)影響因素的敏感性分析

楊尚遠(yuǎn)*1，趙 懷2

(1.中廣核工程有限公司，廣東深圳518124；2.甘肅地質(zhì)工程勘察院，甘肅張掖734000)

泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力對(duì)不同因素的敏感性存在明顯差異，以寺溝泥石流為例，在取得水文與環(huán)境地質(zhì)條件資料、設(shè)計(jì)頻率下的各因素基準(zhǔn)值和各因素變動(dòng)范圍基礎(chǔ)上，最終分析比較寺溝泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力對(duì)10個(gè)因素的敏感系數(shù)。據(jù)此做出相應(yīng)的治理措施建議，確定沖擊力計(jì)算中需提高精度水平的參數(shù)。

寺溝；泥石流沖擊力；影響因素；敏感系數(shù)

1 概述

中國(guó)是泥石流多發(fā)的國(guó)家，泥石流暴發(fā)造成的損失是巨大的。在泥石流危險(xiǎn)評(píng)估和防治工程設(shè)計(jì)中泥石流沖擊力是最重要的力學(xué)參數(shù)[1]，在泥石流綜合治理中如何有效地減小泥石流沖擊力變得尤為重要，比較泥石流沖擊力對(duì)各影響因素的敏感性，對(duì)在泥石流綜合治理中提出科學(xué)合理的治理措施、在防治工程設(shè)計(jì)中提高泥石流沖擊力的計(jì)算精度具有重要意義。

唐川等根據(jù)巖石的不同種類(lèi)及軟硬程度對(duì)巖土體進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)巖性進(jìn)行泥石流敏感性計(jì)算[2-3]等等。本文抽取泥石流沖擊力的10個(gè)影響因素：流域面積、溝槽縱坡度、年最大24h降雨量均值、匯流參數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、泥石流密度、堵塞系數(shù)、建筑物形狀系數(shù)、受力面與沖擊力夾角、石塊質(zhì)量，引入敏感系數(shù)概念，定義敏感系數(shù)計(jì)算公式，比較各因素對(duì)泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力的敏感系數(shù)，以寺溝泥石流為例進(jìn)行敏感性比較、做出寺溝泥石流綜合治理措施建議和確定沖擊力計(jì)算中需提高精度水平的參數(shù)。

2 敏感性分析方法

泥石流沖擊力分為泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，需分別計(jì)算敏感性，如圖1所示。步聚如下：

圖1 泥石流沖擊力敏感性分析技術(shù)路線

（1）泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力受各種內(nèi)在因素和外部因素變動(dòng)的影響，諸如氣溫、降雨、巖土類(lèi)型與性質(zhì)、植被、流域、泥石流溝形態(tài)、人為活動(dòng)等，抽取泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力的10個(gè)影響因素：流域面積、溝槽縱坡度、年最大24h降雨量均值、匯流參數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、泥石流密度、堵塞系數(shù)、建筑物形狀系數(shù)、受力面與沖擊力夾角、石塊質(zhì)量。

（2）選擇10個(gè)因素的基準(zhǔn)參數(shù)，計(jì)算基準(zhǔn)條件下泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，在此基礎(chǔ)上變動(dòng)其中的某一參量，其它參數(shù)固定不變，計(jì)算出該參量在其變化范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)沖擊力隨之變化的結(jié)果。

（3）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，引入敏感系數(shù)S：

式中，對(duì)于泥石流整體沖擊力，η1=， η2=；對(duì)于石塊沖擊力，η1=， η2=，ΔX為某因素的變化量，Xmax-Xmin為某因素最大變化量，Δδ、ΔG為δ、G對(duì)應(yīng)ΔX的變化量，δO、GO為δ、G的基準(zhǔn)值。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制各因素 X的Sδ-X、SG-X曲線，比較各因素基準(zhǔn)值處的敏感系數(shù)大小，分析總結(jié)，做出泥石流綜合治理措施的建議和確定沖擊力計(jì)算中需精度水平的參數(shù)。

其中，傳統(tǒng)泥石流流速是按

計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中式（2）的泥石流流速計(jì)算精確度不高[4]，所以本文應(yīng)用推理公式計(jì)算清水流理[5]（計(jì)算方法在此不贅述），據(jù)此計(jì)算泥石流流量，由于應(yīng)用推理公式計(jì)算泥石流流量計(jì)算精度較式（2）計(jì)算精度高，試采用公式（3）來(lái)計(jì)算泥石流流速：

式中：QC——泥石流流量；

A——過(guò)泥斷面面積。

3 沖擊力敏感性分析

3.1 水文與環(huán)境地質(zhì)條件

寺溝泥石流位于甘肅省隴南市武都縣玉皇鄉(xiāng)。東靠黃坪鄉(xiāng)，西鄰三河鄉(xiāng)，北連郭河鄉(xiāng)，南與琵琶鄉(xiāng)接壤，寺溝溝口位于福津河右側(cè)石家村。溝口地理坐標(biāo)東經(jīng)105°12′12″，北緯33°18′45″。其氣象條件見(jiàn)圖2。流域平面形態(tài)近似“殘?jiān)隆毙?，流域?nèi)溝谷分布形態(tài)呈“桃葉”形，流域平均縱向長(zhǎng)度約6.47km，平均寬度2.08km，流域面積13.5km2。流域最高點(diǎn)位于山尖上，海拔高度2500m，最低點(diǎn)位于寺溝與福津河交匯處，海拔高度1180m，相對(duì)高差1320m。全流域溝谷為深切割“V”型谷，具有岸坡陡峻、切割深度較大等特點(diǎn)。主溝縱長(zhǎng)3.05km，主溝形成點(diǎn)即兩支溝交匯處高程為1800m，與溝口相對(duì)高差620m，主溝平均縱坡降203.5‰，其中上游溝段縱坡陡峻，平均縱坡360.9‰，而下游至岷江入口段縱坡略緩，縱坡150‰～180‰，且呈現(xiàn)陡緩相間的空間變化特征。溝腦兩條支溝主溝道長(zhǎng)分別為3.58km、1.64km，左側(cè)支溝溝谷比降125‰，右側(cè)支溝溝谷比降183‰。溝槽總體上較為狹窄，形態(tài)呈“U”形，溝槽寬度20～80m，但局部地段也較為狹窄，形成寬窄相間的變化特點(diǎn)，局部形成卡口。

圖2 寺溝氣象要素圖

按照不同分類(lèi)方法，寺溝為暴雨型、坡面侵蝕型、溝谷型、高頻、稀性、衰退期泥石流。

3.2 各因素參數(shù)選取與敏感性計(jì)算

寺溝泥石流治理工程按2%的設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)，10個(gè)影響因素的基準(zhǔn)值見(jiàn)表1，各因素最大值、最小值確定如下：

表1 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力在各因素基準(zhǔn)值處對(duì)各因素的敏感系數(shù)

（1）流域面積。根據(jù)遙感資料，我們發(fā)現(xiàn)上游左岸部分流域有可能通過(guò)工程措施使其減小，面積為Fmax=13.5km2，F(xiàn)min=12.6km2。

（2）主溝縱坡度。對(duì)寺溝調(diào)查發(fā)現(xiàn)寺溝各段溝槽縱坡度不同，上游溝段縱坡陡峻，平均縱坡度20°，下游至岷江入口段縱坡低緩，平均縱坡度8.5°,則選取βmax=20°，βmin=8.5°。

（3）年最大24h降雨量均值。對(duì)寺溝多年的降雨量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在不同年代計(jì)算出的年最大24h降雨量均值在86～93mm內(nèi)變動(dòng)，確定-H24max=93mm，-H24min= 86mm。

（4）匯流參數(shù)。因寺溝流域系數(shù)為2.71，查《匯流參數(shù)值表》可知，此流域系數(shù)下的匯流參數(shù)的變化范圍為0.2～1.3，選取mmax=1.3，mmin=0.2。

（5）降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)。查《降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)表》可知，據(jù)寺溝最大24h降雨量、流域內(nèi)土體類(lèi)型可能變化情況，確定αmax=0.75，αmin= 0.6。

（6）泥石流密度。泥石流密度的下限為清水密度，上限為 1900kg/m3，則 γCmax=1900kg/m3，γCmin= 1000kg/m3。

（7）堵塞系數(shù)。查《堵塞系數(shù)表》可知堵塞系數(shù)在1～13內(nèi)取值，則DCmax=13，DCmin=1。

（8）建筑物形狀系數(shù)。圓形建筑物為1.0，矩形建筑物為1.33，方形建筑物為1.47，則λmax=1.47，λmin= 1.0。

（9）受力面與沖擊力夾角。取θmax=90°，θmin=0°。

（10）石塊質(zhì)量。此設(shè)計(jì)頻率下泥石流能夠搬運(yùn)的最大石塊質(zhì)量為Wmax=3073kg，Wmin=0kg。

按照敏感性計(jì)算步驟得出各因素不同值對(duì)應(yīng)的敏感系數(shù)，繪制敏感系數(shù)—影響因素回歸曲線，并確定曲線函數(shù)表達(dá)式，見(jiàn)圖3～圖12。

圖3 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—流域面積關(guān)系曲線

圖4 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—主溝縱坡度關(guān)系曲線

圖5 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—年最大24h降雨量均值關(guān)系曲線

圖6 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—匯流參數(shù)關(guān)系曲線

圖7 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—降雨歷時(shí)為24h徑流系數(shù)關(guān)系曲線

圖8 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—泥石流密度關(guān)系曲線

圖9 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—堵塞系數(shù)關(guān)系曲線

圖10 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—建筑物形狀系數(shù)關(guān)系曲線

圖11 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—受力面與沖擊力夾角關(guān)系曲線

圖12 泥石流整體沖擊力、石塊沖擊力敏感系數(shù)—石塊質(zhì)量關(guān)系曲線

圖3～圖12說(shuō)明，在設(shè)計(jì)頻率下，泥石流整體沖擊力和石塊整體沖擊力對(duì)10個(gè)因素的敏感性大小有較大差異。

4 結(jié)論與建議

寺溝泥石流整體沖擊力對(duì)堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度3個(gè)因素的敏感性大，對(duì)主溝縱坡度、建筑物形狀系數(shù)、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、年最大24h降雨量均值、流域面積5個(gè)因素的敏感性中等，對(duì)受力面與沖擊力夾角的敏感性小，對(duì)石塊質(zhì)量不具敏感性。

寺溝泥石流石塊沖擊力對(duì)堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量4個(gè)因素的敏感性大，對(duì)主溝縱坡度、降雨歷時(shí)等于24h的徑流系數(shù)、年最大24h降雨量均值、流域面積4個(gè)因素的敏感性中等，對(duì)受力面與沖擊力夾角的敏感性小，對(duì)建筑物形狀系數(shù)不具敏感性。

綜述，對(duì)于寺溝泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力，堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量為敏感性大的因素，提出以下建議：

（1）由于4個(gè)因素的變化對(duì)泥石流整體沖擊力和石塊沖擊力影響較大，在寺溝泥石流沖擊力計(jì)算中須提高4者的精度水平；

（2）在寺溝泥石流綜合治理過(guò)程中要控制寺溝泥石流的整體沖擊力和石塊沖擊力，關(guān)鍵在減小寺溝的堵塞系數(shù)、匯流參數(shù)、泥石流密度、石塊質(zhì)量。開(kāi)展以下措施：

①堵塞系數(shù)由流通區(qū)溝槽彎曲度、寬窄不均勻性、泥石流粘性稠度決定，治理中需排除流通區(qū)中的大石塊，平直順暢流通區(qū)，減少生活垃圾向泥石流溝的排放，減小徑流對(duì)物源區(qū)粘性土的沖蝕，在物源區(qū)積極植樹(shù)造林；

②匯流參數(shù)由雨洪特征、清水匯集溝槽特性、土壤植被、流域特征系數(shù)決定，泥石流治理時(shí)需增加清水匯集區(qū)的植被覆蓋率特別是灌土林的覆蓋率、增加形成區(qū)溝槽的大卵石、大礫石的數(shù)量、杜絕開(kāi)墾梯田；

③泥石流密度由降雨量、物源區(qū)巖土類(lèi)型與性質(zhì)、植被覆蓋率所影響，泥石流治理中應(yīng)增加植被覆蓋率、治理物源區(qū)的不良地質(zhì)災(zāi)害（如崩塌、滑坡、危巖體）、增加出露巖土體的強(qiáng)度減小其風(fēng)化速度；

④石塊質(zhì)量受石塊重度、石塊體積、石塊強(qiáng)度的影響，在物源區(qū)應(yīng)防止大石塊進(jìn)入流通區(qū)，排除流通溝槽的大石塊，同時(shí)對(duì)物源區(qū)的不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行治理。

[1]費(fèi)祥俊，舒安平.泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]唐川.金沙江流域(云南境內(nèi))山地災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].山地學(xué)報(bào),2004,22(4):451-460.

[3]唐川.云南怒江流域泥石流敏感性空間分析[J].地理研究, 2005,24(2):178-185.

[4]中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.泥石流研究與防治[M].四川：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[5]葉鎮(zhèn)國(guó).土木工程水文學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2000.

P642.23

A

1004-5716(2015)03-0019-05

2013-06-05

2014-03-31

楊尚遠(yuǎn)（1975-），男（漢族），廣西靈山人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治工作。