大古與街需水電站工程區(qū)泥石流基本特征及沖擊力試驗(yàn)研究

孫興偉，劉云鵬

(1.福建華東巖土工程有限公司， 福建 福州 350003；2.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

我國(guó)是受泥石流地質(zhì)災(zāi)害危害和威脅最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，泥石流災(zāi)害不僅造成大量的生命財(cái)產(chǎn)損失，而且嚴(yán)重影響工程建設(shè)的實(shí)施和后期運(yùn)營(yíng)[1-3]。隨著各類工程建設(shè)向西藏地區(qū)的擴(kuò)展，對(duì)特殊高原環(huán)境下泥石流地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)識(shí)和研究越來(lái)越受到廣泛重視。由于歐亞板塊受印度板塊俯沖和推移而隆起的地殼運(yùn)動(dòng)影響，導(dǎo)致西藏地區(qū)地貌復(fù)雜、高原氣候突出、自然環(huán)境條件惡劣，形成了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的獨(dú)特地質(zhì)背景，有學(xué)者通過(guò)對(duì)1970年—2006年西藏泥石流、滑坡的時(shí)空分布特征與降水條件分析,得出西藏地區(qū)泥石流、滑坡主要發(fā)生在藏東地區(qū)、喜馬拉雅山南側(cè)及沿雅魯藏布江一線，且具有分布廣、發(fā)生頻率高的特點(diǎn)[4]。原因可以概括為：首先，由于青藏高原地殼抬升，物質(zhì)移動(dòng)，生成區(qū)域斷裂，地震發(fā)生較頻繁，以至高原地區(qū)巖體較破碎，為滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)作用現(xiàn)象的發(fā)生提供了必要條件。其次，青藏高原持續(xù)抬升，雅魯藏布江的切割較迅速，然而，雅魯藏布江兩岸的支流切割速度較雅魯藏布江切割速度較緩慢，支流發(fā)育程度較差，支流縱坡降較大，發(fā)生泥石流時(shí)流速較大。西藏地區(qū)海拔較高，歷史上存在冰期及間冰期，由于冰川的作用，較高處山體的刃脊、角峰及溝谷中部的U型谷發(fā)育，在溝谷的中下部產(chǎn)生了很多的堆積物，提供了地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)來(lái)源。

針對(duì)西藏地區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的特征、分布、成因、發(fā)展趨勢(shì)和危險(xiǎn)性分區(qū)等因素，眾多學(xué)者做了大量的研究工作[4-11]。但同西藏以外地區(qū)泥石流的對(duì)比研究并不多見(jiàn)。沖擊力是表征泥石流發(fā)育特征的重要參數(shù)，也是泥石流治理的關(guān)鍵指標(biāo)。一些學(xué)者通過(guò)野外測(cè)量試驗(yàn)和理論計(jì)算等研究方法獲得了很多有價(jià)值的研究成果[12-17]。但對(duì)于沿江泥石流而言，當(dāng)具體到某一地區(qū)時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定影響因素(如泥石流漿體重度及溝道坡度等)的沖擊力測(cè)試研究尚不曾看到。

研究區(qū)位于青藏高原、西藏山南地區(qū)桑日縣和加查縣交界部位，屬于雅魯藏布江區(qū)域(見(jiàn)圖1)。地勢(shì)呈北西面較高東南側(cè)較低，從西向東逐步降低，從南向北延綿起伏。山頂海拔在4 800 m以上，谷底高程3 200 m～3 300 m，相對(duì)高差1 500 m～2 000 m；雅魯藏布江以總體近東西向從研究區(qū)流過(guò)，縱坡降較大，河流切割較深，河床寬度較小，支溝相對(duì)較發(fā)育。

圖1研究區(qū)所在位置

研究區(qū)位于雅魯藏布江構(gòu)造巖石地層區(qū)，沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露，其中巖漿巖、變質(zhì)巖相對(duì)發(fā)育，未變質(zhì)的沉積巖相對(duì)較少，地層巖性復(fù)雜。第四系堆積物有沖洪積、崩坡積等，出露在河谷、沖溝及山麓斜坡等地勢(shì)低洼地帶。

本文根據(jù)西藏地區(qū)特有的自然和環(huán)境地質(zhì)條件，在現(xiàn)有勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)研究區(qū)17條泥石流的基本特征，包括發(fā)育特征、溝道特征、堆積特征等。同時(shí)，根據(jù)研究區(qū)不同暴發(fā)頻率下的漿體重度及常見(jiàn)坡度的調(diào)查結(jié)果，通過(guò)試驗(yàn)的方法，建立數(shù)學(xué)模型，分析這兩種泥石流影響因子對(duì)沖擊力的影響，從而為工程防護(hù)措施提供重要依據(jù)。

1 自然環(huán)境條件

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)東南部，氣候主要受西南季風(fēng)的影響，冬半年屬風(fēng)季，境內(nèi)受西風(fēng)帶控制，降雨少而干旱；夏半年為雨季，受西南孟加拉灣暖濕氣流影響，雨水稍多。降雨集中在每年的5月—9月，由于所處地流域相對(duì)高差大，所以氣候的垂直分帶極為明顯。

同時(shí)，相比內(nèi)地氣候，高原海拔高，空氣中含氧量較低，氣壓較低，光照時(shí)間長(zhǎng)，夜晚，熱量傳遞至空氣中，深度下降速度較快，早晚溫差大。巖石的熱脹冷縮作用顯著、風(fēng)化作用強(qiáng)烈。

2 泥石流基本特征

2.1 物源特征

研究區(qū)內(nèi)17條泥石流溝流域面積總和約為420 km2，泥石流不穩(wěn)定物質(zhì)儲(chǔ)量較多，天然不穩(wěn)定物質(zhì)儲(chǔ)量主要由溝道堆積物、崩坡積物、岸坡侵蝕物三種類型組成，由于泥石流上游溝谷縱坡降較小，下游溝谷縱坡降較大，物源分布的主要形式為：上游溝谷以岸坡侵蝕為主，下游溝谷以溝道堆積為主，位于溝谷岸坡及山脊分水嶺部位(見(jiàn)表1)。

表1 研究區(qū)各類泥石流物源統(tǒng)計(jì)表

注：V動(dòng)/V總表示可參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量與提供物源量的比值；S總/V總面積與體積的比值。

(1) 溝道堆積物。泥石流溝谷整體坡度較大，地形較陡，固體物質(zhì)在溝床中的堆積厚度相對(duì)較薄。研究區(qū)出露的地層巖性為喜山期及燕山期侵入的黑云母花崗閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，冰川作用對(duì)溝道作用較小，切割不深，在坡降較緩部位堆積了滾石及孤石，使溝道堆積物分布位置主要集中在高程3 280 m～4 316 m，厚度以3 m～22 m為主。

(2) 崩坡積物。研究區(qū)在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，造成巖體結(jié)構(gòu)破碎，此外，晝夜溫差大，熱脹冷縮作用顯著，巖石的風(fēng)化作用強(qiáng)烈，這為崩坡積物源的形成提供了必要條件；并且由于海拔較高、氣候寒冷，巖石凍融作用十分強(qiáng)烈，所以崩坡積物源在高程3 300 m～5 000 m均有分布。但由于溝道綜合縱坡降較大，溝谷順直，在沖溝流水的影響下，粒徑較小的物質(zhì)被流水沖走，在溝谷底部堆積其它物質(zhì)，故崩坡積物儲(chǔ)量與溝道堆積物相比，其總量少于溝道堆積物，厚度一般為5 m～35 m。

(3) 岸坡侵蝕性物源。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)岸坡侵蝕性物源堆積較松散，巖體風(fēng)化較強(qiáng)烈，大多位于溝谷岸坡，容易受到暴雨沖蝕、溝水淘蝕，個(gè)別部位會(huì)有坍岸的現(xiàn)象，坡度為40°～56°，且受侵蝕的部位主要位于岸坡較陡處，這些部位植被稀少，河道縱坡降大，降水較容易集中，沿陡坎侵蝕坡角部位。研究區(qū)內(nèi)溝道岸坡侵蝕性物源主要為滾石及孤石，由于降水坡面沖刷較弱，坡度平緩，物源基本穩(wěn)定。在下游部位，坡度相對(duì)較大，岸坡侵蝕性物源主要為碎石土、混合土，僅少部分細(xì)粒土被流水作用帶走，故泥石流可活動(dòng)儲(chǔ)量相對(duì)較少。岸坡侵蝕性物源主要位置與崩坡積物位置相差不大，發(fā)育高程高，氣候惡劣，冷熱作用交替，植被稀少，水土保持能力差。溝道岸坡坡度相對(duì)較大，故岸坡侵蝕性物源堆積于岸坡較困難，厚度一般在3 m～17 m。

2.2 溝道特征

調(diào)查表明，研究區(qū)內(nèi)泥石流溝道形態(tài)包括了“V”字型和“U”字型兩種類型。

(1) 匯水物源區(qū)：研究區(qū)泥石流匯水物源區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，溝谷開(kāi)闊。溝谷呈切割的“V”型，后緣山體呈半橢圓型，植被覆蓋率低，無(wú)覆蓋層，基巖出露，溝道底部切割不深，高程多為3 580 m～5 700 m，縱坡降多為118‰～578‰，相對(duì)較大，長(zhǎng)度多為 0.87 km～17.03 km。

(2) 流通區(qū)：流通區(qū)的縱比降普遍都在500‰～700‰范圍內(nèi)，縱比降較大。所在區(qū)段分布高程3 400 m～4 680 m，溝谷長(zhǎng)度0.40 km～6.9 km。流通區(qū)溝道切割深，呈“V”型，局部有跌坎，溝谷狹窄，為泥石流的發(fā)生提供條件。

(3) 堆積區(qū)：泥石流堆積區(qū)的縱比降范圍一般介于86‰～286‰。高程為3 270 m～3 530 m，高差較小。溝道長(zhǎng)度一般在500 m以內(nèi)，也有個(gè)別溝谷由于地形特別開(kāi)闊，匯水條件好，長(zhǎng)度可達(dá)1 000 m以上。堆積區(qū)的溝口開(kāi)闊，局部地區(qū)溝道深切狹窄，堆積扇兩側(cè)界限明顯，可見(jiàn)大量的塊碎石堆積于溝口。

(4) 彎道特征：泥石流溝道平順，存在陡坎，溝道彎曲部位較少。個(gè)別地段存在彎曲，及其個(gè)別存在直角轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎部位可見(jiàn)清晰泥痕，但由于整體溝道縱比降較大，泥石流物質(zhì)不易壅高，泥痕高度較矮，一般為3 m～5 m。

另外，研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育，泥石流溝道的侵蝕速度與雅魯藏布江切割速度相對(duì)較小，溝道的綜合坡降較大，實(shí)際上，可將研究區(qū)泥石流看成是沖溝型泥石流向溝谷型泥石流的過(guò)渡階段[18]。

2.3 堆積特征

堆積物停留于溝道前緣，形狀似扇形，堆積物坡度較平緩，堆積物植被稀少，由泥石流沖擊物及崩積物組成，泥石流沖擊物位于崩積物下部。泥石流沖擊物為滾石及塊石混合土，結(jié)構(gòu)緊密，細(xì)粒物質(zhì)充填，崩積物粒徑較大，細(xì)顆粒物質(zhì)含量較小，局部架空。

對(duì)研究區(qū)泥石流溝口典型堆積物采集探槽表層土樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖2、圖3)，計(jì)算求得不同粒級(jí)顆粒重量所占百分比為：占比21%～50%的物質(zhì)粒徑為40 mm～60 mm，占比21%～35%的物質(zhì)粒徑為10 mm～40 mm，占比10%的物質(zhì)粒徑為5 mm～10 mm，占比10%的物質(zhì)粒徑為1 mm～5 mm，占比10%～15%的物質(zhì)粒徑為0.075 mm～1 mm，0.075 mm以下占5%～10%。試驗(yàn)得到的不均勻系數(shù)Cu>5，曲率系數(shù)Cc多在0.20～1.50，分析結(jié)論：研究區(qū)的顆粒粒徑范圍較大，且不均勻，為級(jí)配良好土。

圖2 大古水電站工程區(qū)泥石流物源級(jí)配曲線

圖3街需水電站工程區(qū)泥石流物源級(jí)配圖

堆積物由塊石、混合土、碎石組成，次磨圓，分選性較差。研究區(qū)基巖巖性為黑云母花崗巖閃長(zhǎng)巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，變形模量高，凍脹作用剝落的巖塊堆積于溝道，形成不穩(wěn)定物源，細(xì)粒物質(zhì)較少，故堆積物中粉粒、粘粒占比小，礫石的占比較大。

在高海拔地區(qū)，植被稀少，且受凍脹作用影響，第四系堆積物中細(xì)顆粒含量相對(duì)較少，流態(tài)為紊流或者半紊流，這是造成研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)泥石流都是稀性泥石流的主要原因。

2.4 流體重度

泥石流性質(zhì)的重要指標(biāo)為重度，根據(jù)規(guī)范查表法及理論公式法計(jì)算出泥石流的重度，綜合分析提出泥石流溝的重度(見(jiàn)圖4)。

圖4研究區(qū)泥石流重度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)結(jié)果，泥石流重度全部不大于1.60 t/m3，根據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范，研究區(qū)泥石流均為稀性。自然及地質(zhì)條件影響泥石流重度，且受氣候條件影響，研究區(qū)多為稀性泥石流。

3 泥石流沖擊力試驗(yàn)

泥石流沖擊力試驗(yàn)是研究在不同暴發(fā)頻率下重度和坡度對(duì)泥石流沖擊力的影響，組建數(shù)學(xué)模型，分析泥石流對(duì)工程的影響。

3.1 試驗(yàn)方案

(1) 試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)級(jí)配根據(jù)原始泥石流物質(zhì)組成，參考其它泥石流形態(tài)，對(duì)比得出具體級(jí)配，完成試驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。

圖5試驗(yàn)級(jí)配圖

試驗(yàn)水槽的設(shè)計(jì)坡度根據(jù)區(qū)域調(diào)查結(jié)果確定，選取四種暴發(fā)頻率(1%，2%，5%，10%)下泥石流重度，底面糙率系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和類比工程經(jīng)驗(yàn)取值。具體試驗(yàn)參數(shù)(見(jiàn)表2)。

(2) 試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置包括料斗：長(zhǎng)80 cm、寬60 cm、高70 cm，料斗連接水槽，連接處有閘門(mén)，可控制水的流量大小；拉動(dòng)拉鏈可改變溝道坡度；模擬溝道的水槽坡度也可改變；傳感器安裝在溝口，電荷放大器連接在中部可接收電壓，通達(dá)采集儀可收集沖擊力信號(hào)，試驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖6)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

圖6試驗(yàn)裝置展示圖

(3) 試驗(yàn)步驟。試驗(yàn)在14°、18°、21°坡度條件和1%，2%，5%，10%暴發(fā)頻率下進(jìn)行。首先，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)，選取合適的顆粒土體，加水使其飽和，并充分?jǐn)嚢琛Ｆ浯危鶕?jù)試驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)坡度至合適位置，采用沖擊力傳感器收集信號(hào)，并用攝像機(jī)記錄。再次，選擇充分?jǐn)嚢韬玫耐馏w放至料斗，打開(kāi)攝像機(jī)，并打開(kāi)料斗開(kāi)關(guān)；泥石流沖擊傳感器，傳感器可接收到信號(hào)，記錄沖擊力變化過(guò)程。改變溝道的坡度和重度，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)溝口安裝沖擊力傳感器，通過(guò)采集儀采集沖擊信號(hào)，以沖擊峰值表征其沖擊力。本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)以計(jì)算機(jī)軟件為主。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同條件下泥石流的沖擊力，繪制成沖擊力曲線，沖擊力曲線表現(xiàn)為連續(xù)間斷起伏(見(jiàn)圖7)。

3.3 成果分析

根據(jù)試驗(yàn)成果，得到?jīng)_擊力統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表3)。

由表3可以看出，在重度相同的條件下，泥石流坡度和沖擊力峰值呈非線性關(guān)系，坡度越大，峰值越大。

由表3可以看出，在坡度相同的條件下，泥石流重度和沖擊力呈下降的非線性關(guān)系，重度越小，峰值越大。

圖7 沖擊力折線圖

3.4 數(shù)學(xué)模型

一次趨勢(shì)面方程為

式中：x為泥石流重度；y為泥石流坡度，相似比系數(shù)為2839。

顯著性驗(yàn)算：

U=S總-Q=2168.65

故

說(shuō)明線性回歸方程可以表示重度、坡度和沖擊力的關(guān)系。

將重度和坡度代入數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果(圖8)對(duì)比規(guī)范中單塊最大沖擊力值，從圖8可以看出，變化趨勢(shì)一致，因此，該數(shù)學(xué)模型具備在研究區(qū)內(nèi)應(yīng)用的條件。

圖8模型沖擊力比較圖

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)泥石流不穩(wěn)定物質(zhì)儲(chǔ)量較多，主要由溝道堆積物、崩坡積物、岸坡侵蝕物三種類型組成，由于泥石流上游溝谷縱坡降較小，下游溝谷縱坡降較大，物源分布的主要形式為：上游溝谷以岸坡侵蝕為主，下游溝谷以溝道堆積為主，位于溝谷岸坡及山脊分水嶺部位。

(2) 研究區(qū)泥石流溝發(fā)育不成熟，植被稀少，凍脹作用較強(qiáng)，崩坡積物和岸坡面侵蝕物源發(fā)育較多。由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，泥石流溝道的侵蝕速度與雅魯藏布江切割速度相對(duì)較小，溝道的綜合坡降較大。從堆積物顆粒級(jí)配來(lái)看，研究區(qū)泥石流堆積物主要表現(xiàn)在細(xì)顆粒(特別是粉粒)的嚴(yán)重缺失；而強(qiáng)烈的凍融風(fēng)化作用形成了大量的粗顆粒物質(zhì)，所占比重較大。

(3) 泥石流沖擊力試驗(yàn)表明：在重度相同的條件下，泥石流坡度和沖擊力峰值呈非線性關(guān)系，坡度越大，峰值越大。在坡度相同的條件下，泥石流重度和沖擊力呈下降的非線性關(guān)系，重度越小，峰值越大。

在重度相同的條件下，泥石流溝道坡度越大，沖擊力峰值越大，呈上升的非線性關(guān)系。在坡度相同的條件下，泥石流重度越大，沖擊力峰值越小，整體呈下降的非線性關(guān)系。

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