泥石流基本特征值的計算
——以云南省雙廊鎮甸心洪溝泥石流為例

王薦霖

(成都理工大學,四川 成都 610059)

泥石流災害與人類工程活動息息相關,尤其是在中國西南地區,每年因泥石流暴發造成的損失相當巨大,這使得泥石流災害的防治顯得尤為重要[1]。泥石流基本特征值作為泥石流災害防治設計的重要依據,采用合理的計算方法,對其結果的安全性與可靠性有著極其重要的意義。

1 工程概況

甸心洪溝位于云南省雙廊鎮長育村。該泥石流溝谷中上游溝道較窄,縱坡降較陡,溝道形態呈現出典型的“V”字型。泥石流以沖刷為主,中下游溝道較寬,縱坡相對較小,以淤積沉積為主。

甸心洪溝溝長約5.08 km,河源高程2 850 m,最低點位于洱海邊緣地帶,高程為1 964 m,最大高差886 m,溝道平均縱坡降180‰。溝口—溝頂為陡坡地形,坡度30°～40°,局部>40°,溝口以下為堆積區,為緩坡地形,地形坡度一般為5°～15°,平均縱坡降68‰,流域總面積10.57 km2。

自上世紀80年代以來,甸心洪溝多次發生泥石流災害,由于近年來在堆積區上新建居民建筑及公路對原泥石流堆積區地貌改動較大,很難調查泥石流沖出物質堆積范圍及危害區范圍信息,通過對當地居民訪問,其回憶最大一次泥石流導致較多房屋被沖毀,停靠路邊的拖拉機被沖入洱海,由此表明當時泥石流規模應達到中型以上,結合甸心洪溝泥石流溝道內可移動物源非常豐富,可移動物源約14.90萬m3,極端暴雨條件下可形成中型規模泥石流。綜上所述,甸心洪溝泥石流屬溝谷型暴雨型形成期低頻稀性泥石流。

2 泥石流基本特征值計算

由于此次甸心洪溝泥石流并無監測資料，因此，其泥石流基本特征值的計算主要以野外調查獲取的泥痕、溝道斷面等特征為參照，并結合擬設工程的需要綜合獲取[2]。需計算獲取的泥石流基本特征值包括：泥石流流體重度及固體物質密度、設計清水洪峰流量、泥石流流速、泥石流流量、一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出物總量。

2.1 泥石流流體重度及固體密度

泥石流流體重度需采用形態調查法和現場重度配方法,并結合量化評分綜合確定[3]。現場重度配方法采用《工程地質手冊》(第四版)中的變種公式計算[4],如下:

式中:γc為泥石流重度(t/m3);Gc為配制泥漿重量(t);V為配制泥漿體積(m3)。

形態調查判定泥石流漿體為稠漿狀,容重為1.40～1.50 t/m3;現場重度配方法流體密度為1.44～1.49 t/m3,平均值為1.46 t/m3,由于受取樣的限制,較大碎塊石不能參與配漿試驗,所得出的試驗值偏小,本次綜合后取泥石流容重為1.50 g/cm3。考慮到該泥石流溝堆積物以粗顆粒為主,其原巖成分主要為灰巖,根據經驗,泥石流固體密度取2.60 t/m3。

2.2 設計清水洪峰流量

清水洪峰流量采用中國水利水電科學院提出的經驗公式及大理水文法兩種方法計算地表水匯水流量。

(1) 中國水利水電科學院經驗公式法。依據《泥石流防治工程技術》第三章中的相關公式進行計算[5]。計算結果見表1。

匯流面積F≥3 km2時,Qp=0.278φSF2/3;

匯流面積F<3 km2時,Qp=0.278φSF。

式中:QP為頻率為P的暴雨洪峰流量;φ為產流系數;S為設計1 h降雨強度(mm/h);F為各斷面匯水面積(km2)。

表1 甸心洪溝泥石流各斷面清水洪峰流量計算結果表(中國水利水電科學院經驗公式法)Table 1 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully

(2) 大理水文法。計算公式參照《云南省水文手冊》(表2),計算結果見表3。

表2 大理水文法計算公式Table 2 Calculation formula of Dali hydrologic method

表3 甸心洪溝泥石流各斷面清水洪峰流量計算結果表(大理水文法)Table 3 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully(Dali hydrologic method)

經過兩種方法計算結果對比,雖然中國水利水電科學院經驗公式法計算結果更加保守,但大理的地方計算公式更能因地制宜地說明該地區的實際情況,更符合該地區的實際現狀,故采用大理水文法計算清水洪峰流量。

2.3 泥石流流速

根據調查和泥石流重度計算,泥石流重度<1.6 t/m3,屬稀性泥石流。本次采用稀性泥石流流速計算公式(西南地區)計算各斷面流速,即《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2016)中的公式[6]。

式中:Vc為泥石流平均流速(m/s);1/n為河床糙率系數;φ為泥石流修正系數;γH為泥石流固體物質密度(t/m3);R為水力半徑,一般用平均泥深Hc(m)代替;Ic為泥石流水力坡度(‰),用溝床縱坡代替。

表4 泥石流流速計算成果表Table 4 Results table of velocity calculation of debris flow

2.4 泥石流流量

2.4.1 雨洪法

根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算[6](表5)。

Qc=(1+φ)QBDc

式中:Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QB為頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s);Dc為泥石流堵塞系數,根據溝谷特征查經驗表。

2.4.2 形態調查法

根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算[6](表6)。

Qc=WcVc

式中:Qc為泥石流斷面峰值流量(m3/s);Wc為泥石流過流斷面面積(m2);Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)。

對比兩種方法計算結果表,采用形態調查法求得的泥石流峰值流量普遍大于雨洪法(P=3.33%降雨頻率)計算求得的結果,總體上兩種方法的計算結果是相對應的。但是,采用形態調查法計算結果沒有暴雨頻率的概念,僅能代表當次泥石流的特征值,而雨洪法則根據現有溝域面積進行計算,具有預測性質。因此,泥石流峰值流量采用雨洪法。

2.5 一次泥石流過流總量

根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T 0220—2016)中的公式進行計算,一次泥石流總量Q(表7)。

表5 泥石流流量計算表(雨洪法)Table 5 Calculation table of discharge of debris flow(rain flood method)

表6 泥石流流量計算(形態調查法)Table 6 Calculation table of discharge of debris flow(morphologic investigation method)

Q=K×T×Qc

式中:當流域面積F<5 km2時,K=0.202;F=5～10 km2時,K=0.113;F=10～100 km2時,K=0.037 8;F>100 km2時,K<0.025 2;Q為一次泥石流的總量(m3);T為泥石流歷時(s);Qc為泥石流的洪峰流量(m3/s)。

表7 一次泥石流過流總量計算表Table 7 Volume table of debris flow

根據計算結果,對比降雨標準,上一次暴發泥石流時,甸心洪溝40 min降雨強度頻率近30年一遇,所以該次泥石流強度頻率為3.30%,計算甸心洪溝泥石流沖出量約16 366.0 m3。

2.6 一次泥石流固體沖出物總量

一次泥石流固體沖出物按照《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T 0220—2016)進行計算[6](表8)。

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

式中:QH為一次泥石流沖出固體物質總量(m3);Q為一次泥石流過程總量(m3);γc為泥石流重度(t/m3);γw為水的重度(t/m3);γH為泥石流固體物質的重度(t/m3)。

根據計算,上一次暴發泥石流強度頻率按3.3%計,甸心洪溝一次泥石流沖出固體物質量約5 728.0 m3,與堆積區估算量基本一致。

表8 一次泥石流固體沖出物總量計算成果表Table 8 Results of the calculation of the total amount of solid debris flow in a debris flow

3 計算結果的設計應用

在進行泥石流災害防治設計時,經專家探討,甸心洪溝泥石流采用以“攔擋”為主,并在下游輔以“排導、護岸”的防治思路。

在進行谷坊壩、攔擋壩結構設計時,根據泥石流流體重度、流速等相關因素確定壩身尺寸,其壩體的庫容應大于泥石流過流總量,且壩體溢流口的大小應滿足泥石流的過流;在進行下游雙邊護岸堤結構設計時,在滿足其自身結構穩定的前提下,同樣還需滿足泥石流的過流。

4 結語

(1) 通過工程實例,采用規范公式,經相關專家審核過后,基本特征值的計算結果具有較高的安全性及可靠性,能夠為甸心洪溝泥石流的防治設計提供重要依據。依托該計算結果,可進行可行性研究及施工圖設計,能夠保護該地區居民約3 000余人,解除泥石流災害對居民及建筑的威脅,達到明顯的減災效益。

(2) 由于現場試驗條件的制約、村民記憶的偏差等因素,會導致泥石流基本特征值計算結果有誤差。本文主要在于為泥石流基本特征值的計算提供思路、方法,在實際生產過程中,可用多次測量取平均值、多種方法對比綜合取值的方法,來盡量減小誤差。

[1] 李三明,張艷濤,湯江紅.泥石流特征值的計算與確定[J].資源環境與工程,2010,24(3):297-300.

[2] 張生祥,何明陽,謝光輝.地震災區特大型泥石流基本特征值計算與分析[J].四川地質學報,2014,34(s2):36-40.

[3] Б.С.Степанов,孟河清.泥石流特征值的計算問題[J].力學進展,1987,17(4):98-106.

[4] 常士驃,張蘇民.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

[5] 王繼康.泥石流防治工程技術[M].北京:中國鐵道出版社,1996.

[6] 四川省國土資源廳.泥石流災害防治工程勘察規范:DZ/T0220—2016[S].北京:中國標準出版社，2016.