典型溝谷型泥石流動(dòng)力學(xué)特性研究
——以湖北省羅田縣天堂寨老寺廟泥石流為例

李 釗， 項(xiàng)文霞

(湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃岡 438000)

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種含有大量泥砂、石塊的暫時(shí)性湍急水流[1]。根據(jù)泥石流流域形態(tài)，可將泥石流分為標(biāo)準(zhǔn)型泥石流、溝谷型泥石流和山坡型泥石流。地質(zhì)環(huán)境條件、氣象水文是造成泥石流發(fā)生的重要因素，復(fù)雜程度越來越高的泥石流動(dòng)力學(xué)機(jī)理，是現(xiàn)階段仍然未得到徹底解決的重點(diǎn)問題。李佳鮚[2]等以個(gè)舊市大屯鎮(zhèn)老坡背村泥石流為例，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了該泥石流的發(fā)育特征和動(dòng)力學(xué)特征并對(duì)其進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。倪化勇[3]利用人工降雨條件下泥石流起動(dòng)試驗(yàn)對(duì)沖溝型泥石流的形成機(jī)理和特征進(jìn)行了研究；徐如閣[4]等以四川省瀘定縣麻沙坡溝為例，說明沖溝型泥石流不同于坡面型泥石流，應(yīng)將其單獨(dú)劃分為一類或歸類于溝谷型泥石流。

根據(jù)2017年湖北省地質(zhì)環(huán)境總站完成的《黃岡市羅田縣“四位一體”網(wǎng)格地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)及數(shù)據(jù)更新成果報(bào)告》，羅田縣內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生151處，其中泥石流19處，占12.58%，泥石流主要分布在天堂寨景區(qū)、薄刀峰景區(qū)，嚴(yán)重威脅大別山景區(qū)的旅游公路和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

鑒于泥石流的嚴(yán)重危害性，對(duì)泥石流的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)展開研究，具有重要的實(shí)際意義。以湖北省羅田縣天堂寨老寺廟泥石流為例，揭示黃岡大別山世界地質(zhì)公園內(nèi)的溝谷型泥石流的成災(zāi)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)特性，為溝谷型泥石流的防治措施提供重要依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 地理位置

老寺廟泥石流位于湖北省羅田縣天堂寨林場(chǎng)老寺廟，地理坐標(biāo)：東經(jīng)115°46′16.43″，北緯31°04′47.06″。該處位于羅田縣東北部，距羅田縣城約50 km，距離九資河鎮(zhèn)約4 km，沿途村鎮(zhèn)公路密布，交通較為便利。

1.2 氣象水文

羅田縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，江淮小氣候區(qū)，四季光線界線分明，全年太陽輻射量為102～118 kcal/cm2，年均日照時(shí)數(shù)2 047.1 h。全縣年平均氣溫16.4 ℃，年際變動(dòng)在15.2～17.4 ℃之間，變幅2.2℃，7月份最熱，平均氣溫28.4 ℃，1月份最冷，平均氣溫3.6 ℃。羅田縣地處鄂東，雨量充沛，年平均降雨量1 330 mm。2016年自6月18日入梅至7月21日出梅，羅田縣先后出現(xiàn)六輪強(qiáng)降雨，主汛期降水異常偏多，降雨量達(dá)到850.7 mm，超過歷史平均值333.8 mm，是歷史同期降雨量的2.55倍，位居歷史同期第三。

1.3 地形地貌

老寺廟泥石流位于羅田縣東北部構(gòu)造侵蝕中山—低山地貌單元，處于長(zhǎng)江、淮河分水嶺地段，地面高程一般為1 000～1 500 m，天堂寨最高1 729 m，切割深度800～1 300 m，局部達(dá)1 500 m，山頂尖圓，山坡陡峻，坡度30°～60°，溝谷發(fā)育呈峽谷型。泥石流流域地面高程在810～925 m，坡度30°～50°，泥石流溝谷走向200°～250°。坡體植被發(fā)育，主要有馬尾松、楊樹、灌木、雜草等。

1.4 地層巖性

主要由第四系殘坡積(Qel+dl)和揚(yáng)子期二長(zhǎng)花崗質(zhì)片磨巖(Pt1gn2)組成。

(1) 第四系殘坡積：土黃—黃褐色粉質(zhì)粘土夾碎石組成，呈可塑—硬塑，結(jié)構(gòu)松散，厚度為0.5～1.5 m，碎石成分主要為黑云母二長(zhǎng)片麻巖，塊徑一般5～20 cm，為次棱角狀；

(2) 揚(yáng)子期二長(zhǎng)花崗質(zhì)片磨巖：片麻狀構(gòu)造，呈灰褐色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、黑云母等，巖層片麻理產(chǎn)狀為225°∠40°，表層巖體受風(fēng)化影響和節(jié)理裂隙切割，巖體較破碎，表層巖體多被切割成塊狀，強(qiáng)風(fēng)化層厚度0.5～3 m。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

天堂寨老寺廟泥石流位于大別造山帶東部梯形地塊的中心，距華北、揚(yáng)子板塊邊界和郯廬斷裂均為80 km左右。基本構(gòu)造系統(tǒng)為前燕山期NWW或近東西向構(gòu)造系統(tǒng)和燕山期NE、NNE的構(gòu)造系統(tǒng)，其中NE向韌性剪切帶構(gòu)成了本區(qū)的主體構(gòu)造格架。工作區(qū)位于區(qū)域上的DS2-7之NE向剪切帶上，該剪切帶長(zhǎng)26 km，寬500～300 m，傾向110°～130°，傾角50°～78°，在花崗質(zhì)片麻巖中表現(xiàn)為強(qiáng)直變形帶，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橛倚屑婺鏇_。

1.6 水文地質(zhì)條件

泥石流區(qū)域水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水類型可分為兩類，一類為第四系松散巖類孔隙水，一類為基巖風(fēng)化裂隙水。

(1) 第四系松散巖類孔隙水：地下水主要賦存于第四系殘坡積層孔隙中，地下水埋深1.5～2 m，單井涌水量<10 m3/d。地下水的總硬度14～16°dH，礦化度0.3～0.4 g/L，pH值6.5～7.5，為淡水、微硬水、中性水、水化學(xué)類型為重碳酸鈣型。

(2) 基巖風(fēng)化裂隙水：地下水主要賦存于黑云二長(zhǎng)片麻巖的構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙中，無統(tǒng)一地下水位，巖石富水性差，水量極小，泉流量多<20 m3/d，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，由地勢(shì)高的地方向地勢(shì)低的地方徑流、排泄。

1.7 人類工程活動(dòng)

泥石流區(qū)域人類工程活動(dòng)較為強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為開荒種地、切坡建房、修筑公路，切坡高度一般在3～15 m，切坡坡度一般在50°～80°，開挖山體對(duì)地形地貌的改造較大，山坡及溝谷地帶堆石棄渣較多，一定程度破壞了兩側(cè)的植被覆蓋，造成了覆蓋層水土流失，給泥石流的形成提供了一定的物質(zhì)來源。

2 泥石流基本特征

(1) 基本特征：2016年7月1日17:00左右，羅田縣天堂寨景區(qū)老寺廟發(fā)生了一起小型泥石流(圖1)，主溝長(zhǎng)約220 m，橫向?qū)捈s16 m，流域面積0.12 km2，泥石流平面形態(tài)呈近似長(zhǎng)條形，泥石流溝谷走向200°～250°。主溝溝尾處地面高程為925 m，溝口最低地面高程800 m，相對(duì)高差125 m，泥石流物源總量約5 000 m3，泥石流堆積區(qū)方量約1 500 m3。

圖1 老寺廟泥石流平面圖Fig.1 Debris flow plan of old temple1.泥石流范圍；2.第四系殘坡積；3.揚(yáng)子期二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖；4.等高線；5.剖面線；6.房屋。

(2) 泥石流流域分區(qū)：根據(jù)泥石流形成條件、運(yùn)動(dòng)機(jī)制及泥石流松散固體物源的分布，泥石流的形成區(qū)與流通區(qū)無明顯界限，將溝域劃分為形成流通區(qū)和堆積區(qū)兩個(gè)區(qū)域。

(3) 流通區(qū)：位于地面高程810～925 m，主溝長(zhǎng)220 m，寬約16 m，面積約0.12 m2，溝床平均比降578‰，溝道呈 “V”字型，兩岸斜坡50°～70°，局部直立。溝道內(nèi)主要以兩側(cè)溝岸崩坡積塊石土及泥石流堆積塊石為主(照片1)，溝底基巖出露，部分溝段由于基巖風(fēng)化差異在侵蝕作用下形成基巖陡坎，溝道上游局部呈級(jí)階梯狀跌落。

(4) 堆積區(qū)：位于地面高程為800～810 m，堆積區(qū)受地形控制，呈不規(guī)則扇形，面積約0.1 km2，均厚度約1.2 m，該處地勢(shì)較為平坦，坡度8°～10°，為山間溝谷處，利于泥石流固體物質(zhì)的堆積(照片2)。

(5) 危害特征：老寺廟泥石流已經(jīng)造成老寺廟林場(chǎng)3戶10間民房完全損毀(照片3)，直接經(jīng)濟(jì)損失約300萬元，在再次強(qiáng)降雨天氣誘發(fā)下，泥石流極有可能加劇，將直接威脅坡體下方12戶50人及景區(qū)游客、旅游公路的安全，威脅資產(chǎn)達(dá)300萬元。

照片1 泥石流形成流通區(qū)Photo 1 Debris flow forming and circulating area

照片2 泥石流堆積區(qū)Photo 2 Accumulation area of debris flow

照片3 泥石流沖毀溝道兩側(cè)房屋Photo 3 Debris flow destroyed houses on both sides of the gully

3 泥石流形成機(jī)制

3.1 形成條件

(1) 地形地貌：老寺廟泥石流溝流域?yàn)榈湫偷闹械蜕降孛玻鳒祥L(zhǎng)220 m，橫向?qū)捈s16 m，流域面積約0.12 km2，主溝溝尾旅游公路處海拔為925 m，溝口最低海拔高程800 m，相對(duì)高差為125 m，相對(duì)高差較大。主溝由北東向南西展布，溝道整體成長(zhǎng)條狀，有利于匯集周圍山坡上的水流和固體物質(zhì)。

(2) 物源條件：在溝谷的兩側(cè)有一些崩滑堆積物，崩滑體物質(zhì)為第四系殘坡積(Qel+dl)碎石土和強(qiáng)風(fēng)化的揚(yáng)子期二長(zhǎng)花崗質(zhì)片磨巖(Pt1gn2)，其中，碎石土為灰色，呈可塑—硬塑，結(jié)構(gòu)松散，碎石塊徑一般5～50 cm,為次棱角狀。崩滑區(qū)的物質(zhì)組成以碎塊石為主，估算崩滑區(qū)可參與泥石流的體積約500 m3。泥石流溝道后緣右側(cè)，高程895～925 m段坡體由上方公路切坡開挖塊石隨意堆積于斜坡上，長(zhǎng)50 m,寬20 m，厚約1.5 m，面積約1 000 m2，體積約1 500 m3。棄渣在重力作用下，發(fā)生局部垮塌溜滑至溝道中，參與到泥石流的運(yùn)動(dòng)中去。

3.2 誘發(fā)因素

老寺廟泥石流溝位于南西向山體中下部，匯水面積約8.76 km2，匯水面積很大。溝谷切割深度深度較淺，溝道多呈“V”字型溝谷，主溝長(zhǎng)220 m，溝谷谷底狹窄，溝床平均比降為105.6‰～590.6‰，具有短時(shí)間內(nèi)地表水匯聚的水流條件。2016年6月19日—2016年7月1日，羅田縣遭遇極端暴雨天氣，老寺廟泥石流溝道匯水體積很大，水既是泥石流的重要組成部分，又是泥石流的激發(fā)條件和動(dòng)力來源，沖蝕和攜帶固體物質(zhì)的能力較強(qiáng)，溝內(nèi)水流裹帶溝床及溝岸兩側(cè)松散物質(zhì)沿溝而下，致使流體中固體物質(zhì)含量增多，最終形成破壞力很強(qiáng)的泥石流。

4 泥石流特征值計(jì)算

天堂寨老寺廟泥石流屬于典型的山區(qū)溝谷型泥石流，從泥石流流體性質(zhì)來看，屬于稀性泥石流。對(duì)于泥石流運(yùn)動(dòng)特征和動(dòng)力特征的定性分析，是認(rèn)識(shí)泥石流和進(jìn)行泥石流防治工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)；對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)特征分析主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的勘查資料，采用雨洪法對(duì)泥石流的運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力特性進(jìn)行分析。

4.1 洪水量計(jì)算

表1 暴雨參數(shù)計(jì)算表Table 1 Calculation table of rainstorm parameters

計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨雨量：

(1)

式中：Kp根據(jù)Cs=3.5CV皮爾遜Ⅲ曲線，求得各頻率歷時(shí)雨量如表2所示。

表2 暴雨雨量計(jì)算成果表Table 2 Calculation results of rainstorm

暴雨參數(shù)衰減指數(shù)n，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

1- 6 h

(2)

6- 24 h

(3)

暴雨時(shí)的最大洪峰流量，按如下推理公式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

式中：SP為某頻率的雨力，mm/h；F為流域面積，老寺廟泥石流(0.12 km2)；Ψ為洪峰徑流系數(shù)。SP的計(jì)算式為：

SP=Htp·tn-1

(5)

式中：Htp為設(shè)計(jì)頻率最大t小時(shí)暴雨量；n為暴雨參數(shù)；τ為匯流時(shí)間，h；L為主溝長(zhǎng)度， km；J為主溝底坡降，‰。

采用推理公式(3)試算時(shí)，首先確定出設(shè)計(jì)暴雨量，并根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨量得出暴雨參數(shù)n。然后最大洪峰流量的計(jì)算采用試算法。

采用推理公式計(jì)算勘查剖面3-3′斷面(具體位置見圖1，斷面圖見圖2)的最大洪水流量作為設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 泥石流3-3′斷面圖Fig.2 3-3′ cross section of debris flow

表3 勘查斷面3-3′最大洪峰流量計(jì)算成果表Table 3 Calculation results of maximun peak discharge of exploration section 3-3′

注：μ為產(chǎn)流參數(shù)，mm/h。

4.2 泥石流固體堆積物重度和泥石流流體重度

(1) 泥石流固體堆積物重度。取泥石流固體堆積物質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)采用大重度試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)方法采用注水稱重法，按下式求出泥石流固體物質(zhì)天然重度。

(6)

式中：γ為泥石流固體堆積物天然狀態(tài)容重(kN/m3)；W為試坑內(nèi)挖出固體物重量(kN)；V為將試坑注滿水時(shí)的體積(m3)。測(cè)試結(jié)果為堆積物平均容重γ=19.22 kN/m3。

(2) 泥石流流體重度。取泥石流流體三件樣品，測(cè)出三件樣品的總質(zhì)量和總體積，求出泥石流流體容重：

(7)

式中：γC為泥石流流體狀態(tài)容重(kN/m3)；W為模擬試驗(yàn)配制流態(tài)樣品重量(kN)；V為模擬試驗(yàn)配制流態(tài)樣品體積(m3)。測(cè)試結(jié)果為主溝堆積扇泥石流流體平均容重γC=13.2 kN/m3。

4.3 泥石流洪峰流量

按照雨洪修正法原理，泥石流流量計(jì)算公式(簡(jiǎn)稱東川公式)為：

QC=QB(1+φ)DC

(8)

同樣以勘查剖面3-3′斷面為例采用東川公式計(jì)算泥石流峰值流量，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 3-3′斷面在各設(shè)計(jì)頻率下的泥石流峰值計(jì)算表Table 4 Calculation table of debris flow peak value of3-3′ section at each design frequency

4.4 泥石流洪峰流速

選用鐵道科學(xué)研究院西南科學(xué)研究所在研究東川泥石流后，推薦的流速改進(jìn)公式：

(9)

(10)

利用上式計(jì)算時(shí)，直接通過實(shí)驗(yàn)、測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)值可確定的參數(shù)有：泥石流中固體顆粒重度γH。計(jì)算勘查剖面3-3′斷面泥石流平均流速為3.82 m/s。

4.5 泥石流中石塊運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[DZ/T0220—2006][5]中式子I.16，計(jì)算泥石流沖出物最大粒徑石塊運(yùn)動(dòng)速度：

(11)

式中：VS為泥石流中大石塊的移動(dòng)速度(m/s)；a為全面考慮的摩擦系數(shù)；dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑(m)。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 泥石流中石塊運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算成果表Table 5 Calculation results of rock movement speed in debris flow

4.6 泥石流一次總量計(jì)算

(1) 一次泥石流總量WC計(jì)算。一次泥石流總量Q計(jì)算，根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量QC(m3/s)，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程概化成五角形，依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中式子I.6計(jì)算：

WC=KQCT

(12)

式中：K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化，當(dāng)F<5 km2時(shí)，K=0.202；當(dāng)5 km2

勘查斷面3-3′斷面處的一次泥石流過程總量，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 一次泥石流過程總量計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of total amount of a debris flow process

(2) 一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量計(jì)算：一次沖出固體物質(zhì)的總量WS依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中式子I.7計(jì)算：

(13)

式中：γH為泥石流中固體顆粒容重(tf/m3)，取2.65 tf/m3；γC為泥石流容重(tf/m3)，取1.32 tf/m3；γW為水容重(tf/m3)。

根據(jù)上述公式，可獲得老寺廟泥石流3-3′斷面處的一次沖出固體物質(zhì)的總量，見表7。

表7 各設(shè)計(jì)頻率下泥石流總量預(yù)測(cè)及沖出固體總量Table 7 Prediction of total amount of debris flow and total amount of solid washed out under different design frequencies

4.7 泥石流撞擊力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，分為流體整體沖壓力和個(gè)別石塊的沖擊力兩種。

(1) 泥石流整體沖擊力：依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中式子I.17計(jì)算：

(14)

式中：Fδ為泥石流整體沖擊壓力(Pa)；g為重力加速度(m/s2)；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)；λ為建筑物形狀系數(shù)，方形為1.47，矩形為1.33，圓形為1.0；VC為泥石流斷面平均流速(m/s)。計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 20年一遇泥石流整體沖擊力計(jì)算結(jié)果表Table 8 Calculation results of overall impact force of 20-year debris flow

(2) 泥石流最大塊石沖擊力：依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中式子I.21計(jì)算：

(15)

式中：Fb為泥石流最大塊石沖擊力(kPa)；E為彈性模量(kPa)；I為慣性矩(m4)；L為最大塊石長(zhǎng)度(m)；W為巨塊石重量(kN)；VS為泥石流中塊石移運(yùn)速度(m/s)；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)。

根據(jù)公式(15)計(jì)算泥石流對(duì)柱的沖擊力進(jìn)行計(jì)算，重度考慮為2.65 g/cm3，塊石1 m×0.85 m×0.85 m，而壩受力面與泥石流沖擊力方向的夾角考慮為90°，計(jì)算得3-3′剖面泥石流中單塊塊石最大沖擊力1 273.75 kPa。

4.8 泥石流爬高和最大沖起高度

(1) 泥石流最大沖起高度ΔH1計(jì)算公式參考《地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)》[6]：

(16)

(2) 泥石流爬高ΔH2計(jì)算公式參考《地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)》：

(17)

式中：b為迎水面坡度的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 爬高和沖起高度計(jì)算結(jié)果表Table 9 Table of calculation results of climbing height and rising height

4.9 彎道超高計(jì)算

采用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中的彎道超高ΔH計(jì)算公式：

(18)

式中：ΔH為彎道超高(m)；VC為泥石流斷面平均流速(m/s)；B為泥面寬(m)；R為主流中心彎曲半徑(m)；g為重力加速度。計(jì)算結(jié)果：ΔH=0.35 m。

5 結(jié)論與建議

通過對(duì)天堂寨老寺廟泥石流區(qū)域地質(zhì)資料的收集和實(shí)地勘查，理清了老寺廟泥石流的基本特征和危害特征，分析了泥石流的成災(zāi)機(jī)理、發(fā)育規(guī)律、形成原因(包括地形地貌、物源條件、水源條件等)，對(duì)泥石流有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，得出結(jié)論與建議如下：

(1) 天堂寨老寺廟泥石流為典型的溝谷型泥石流，按照流體性質(zhì)分類屬于稀性泥石流。主溝溝尾旅游公路處海拔為925 m，溝口最低海拔高程800 m，相對(duì)高差較大，崩滑堆積位于主溝后緣公路外側(cè)邊坡區(qū)，在強(qiáng)降雨天氣誘發(fā)下可形成破壞力很強(qiáng)的泥石流。

(2) 通過參考相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范和技術(shù)要求，計(jì)算出了泥石流的總量計(jì)算、撞擊力、泥石流中石塊的運(yùn)動(dòng)速度等一些系列參數(shù)，揭示了溝谷型泥石流的動(dòng)力學(xué)特性，研究結(jié)果為泥石流的防治措施提供了重要依據(jù)。

(3) 建議采用“大氣降雨監(jiān)測(cè)+水位監(jiān)測(cè)+宏觀巡視監(jiān)測(cè)+邊坡變形監(jiān)測(cè)”的監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)天堂寨老寺廟泥石流發(fā)展變化情況，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究提供資料。

(4) 建議采用“河道清理+攔砂壩+防護(hù)堤+生態(tài)恢復(fù)工程+監(jiān)測(cè)工程”的工程治理措施，來對(duì)天堂寨老寺廟泥石流進(jìn)行綜合性的工程治理。