青海省玉樹當得隆溝泥石流發育特征及治理研究

解偉，何斌

青海省玉樹當得隆溝泥石流發育特征及治理研究

解偉，何斌

（青海省核工業地質局，青海 西寧 810016）

在野外調查的基礎上，通過分析地貌條件、地質構造等資料，結合室內泥石流特征值和動力學特征值的計算，對形成機理進行了探討。結果表明：①當得隆溝泥石流類型屬于稀性泥石流，容重15.8 kN/m3，洪峰流量8.55 m3/s，泥石流峰值流量29.75 m3/s，流速3.60 m/s ；②通過泥石流動力學特征值計算，結合泥石流發展趨勢及危險分區，確定“攔擋+排導”治理方案；③通過對當得隆泥石流溝問題研究，實現地質災害防治與生態環境統籌；為該區同類泥石流防治工作提供參考借鑒。

玉樹；當得隆溝；泥石流；發育特征；防治工程

泥石流是發生在山區的一種突發性的自然災變過程和現象，它的發生與該區地形、地貌、氣象、水文等因素有密切聯系，是山地環境退化所特有的一種突發性自然災害現象（杜榕桓等，1987），在暴雨條件下常給當地居民的生命和經濟財產帶來巨大損失（王繼康和黃榮鑒，1996），目前國內外對泥石流的研究主要包括基本特征、形成機理及災害性研究三個方面的內容（李茂山，2015）。

當得隆溝為低頻泥石流溝，2002年和2010年曾暴發過2次小規模泥石流，居民院墻被沖毀。玉樹2010年4·14地震至今，未發生泥石流災害，由于地震使坡面侵蝕物轉化為溝內松散固體物，物源量增多，在暴雨條件下引發泥石流災害可能性增加，危險性增大。該區現有居民160戶700～800人，發生泥石流災害，直接威脅到該區居民、新修環城公路及溝口擬建液化氣站，大棚蔬菜400×50m2。影響扎曲河，危害程度嚴重。開展當得隆溝泥石流形成條件及防治工作刻不容緩。

1 研究區概述

1.1 自然地理概況

1.1.1 交通位置

研究區位于玉樹縣結古鎮南，地處扎曲河南岸，地理坐標：東經97°00′34″～97°03′50″，北緯32°58′06″～33°01′24″。南北長3.5km，東西寬4.0m，面積14km2，泥石流溝口與新建環城公路相通，溝內有簡易便道可通行，交通較為便利（圖1）。

1.1.2 氣象

研究區屬大陸性半干旱高山草原氣候，寒長暑短，蒸發量大，氣溫垂直變化明顯。據玉樹氣象站資料，多年平均氣溫2.9℃，最高氣溫出現在7月，平均12.5℃（極端28.7℃），最低極端氣溫－26.5℃。多年平均降水量479.8mm，5～9月為高峰，占全年降水量85%左右，日最大降水量38.8mm，小時最大降水量38.4mm，10分鐘最大降水量19.2mm，多年平均水面蒸發量1155mm。西風為主導風向，平均風速2.23m/s，最大風速26m/s。海拔3900m以上高山區，為多年凍土區，最大凍土深度1.43m。

1.1.3 水文

區內發育有巴塘河、扎西科河及扎曲三條河流，巴塘河和扎西科河在結古鎮匯合匯入扎曲，最終注入東部的長江支流通天河。

（1）巴塘河：通天河右岸一級支流，發源于格拉山北日阿如冬塞以東，流域面積2480km2，年徑流量8.46×108m3，年平均流量26.821m3/s。

（2）扎西科河：扎曲主要支流，發源于洛榮雜加山，流經至結古鎮時匯入扎曲。集水面積477.73km2，年平均徑流量0.378×109m3。

當得隆泥石流在大暴雨后有暫時性洪水，雨過溝干，平時干枯無水。由于溝內地形坡度較陡，匯流速度快，溝谷堆積物源迅速增加，在降雨條件下極易暴發泥石流（李安潤等，2019）。

2 青海玉樹當得隆溝泥石流發育特征分析

2.1 當得隆溝泥石流形成條件

2.1.1 地形條件

位于扎曲南岸，流域面積2.82km2，主溝長2269m，相對高差389m，溝谷縱坡降171‰，當得隆溝屬季節性流水溝，補給受降雨和冰雪融化等條件控制，兩岸地形坡度較陡，一般40°～50°，溝谷切割多呈“U”型，植被覆蓋度較好，為牧草地，占比達到65%以上。

圖2 形成區“V”型溝谷形態

圖3 “U”型谷中谷形態

形成區特征：呈掌形圍谷，占整個流域面積35%～40%，植被覆蓋度較好，整體地形坡度50°～60°，局部達70°，為陡峻斜坡地貌，基巖出露，溝谷切割較淺，形成區溝谷呈“V”型（圖2），狹窄，一般為3～5m寬小沖溝，兩側斜坡表層厚0.5～2m殘坡積層覆蓋，結構松散。由于地形陡峻，滯水作用、短歷時強降雨快速集中匯流至溝內，為泥石流形成的水源條件。

流通區特征：位于當得隆溝中下段，主溝長700m，切割形成“谷中谷”形態（圖3），流通區兩岸堆積物厚10～15m，寬5～20m，溝谷縱比降<100‰，呈“U”型“谷中谷”，“谷中谷”寬10m，兩側塌岸為泥石流主要物源。

堆積區特征（圖4）：位于扎曲Ⅱ級階地階面，縱坡較緩有利于泥石流淤積，堆積扇長400m，寬300m，厚度20～30m左右，扇面坡度10°，扇形地完整度達40%。堆積物為碎石類土，扇區堆區物質不會參與泥石流活動。

表1 堆積物源概況

2.1.2 物源條件

未發現滑坡和崩塌物源，物源主要由溝谷堆積物源和坡面侵蝕物源組成。

（1）溝谷堆積物源：來源于地震或構造作用表層強烈風化剝蝕砂巖、板巖，結構松散，一部分形成溝道堆積物，分布在溝谷河床兩岸及山體坡腳地帶。主要為碎石土，物源較豐富，分布較為集中。溝道堆積物動儲量受溝床的揭底沖刷深度、沖刷寬度及溝道兩岸的沖蝕作用共同控制，而溝道的形態特征、縱坡降、堆積物顆粒級配及結構特征又影響著沖刷深度。當得隆溝經二次切割形成“U”型谷中谷形態，切割較深，主要為溝底松散堆積物和流通區溝谷兩岸的原泥石流堆積物，物源統計情況見表1。

（2）坡面侵蝕物源。本次調查坡面侵蝕物源2處，參與泥石流活動動儲量為1.7×104m3占物源總量9.5×104m3的17.9%，物源統計情況見表2。

圖4 堆積區地貌

2.1.3 降水條件

據統計，1957～2005年期間，24小時發生大于20mm強降雨40次，大于25mm強降雨14次，大于50mm強降雨未曾發生過，短歷時強降雨與泥石流災害發生頻率一致。降水快速集中匯流為引發泥石流提供水源條件。

2.2 當得隆溝泥石流易發程度與堆積物特征

2.2.1 泥石流易發程度分析與評價

依據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220—2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）中泥石流災害數量化表和泥石流易發程度劃分表，進行數量化處理，當得隆泥石流溝評分100分，易發程度屬易發。

2.2.2 泥石流堆積物特征

泥石流堆積物為三疊系砂巖、板巖及第四系沖洪積物，泥質成份較少，固體物質以碎石土為主，顆粒成分為砂巖、板巖及片巖，多呈次棱角狀，塊石含量5%～10%，據溝口處泥石流堆積物17個樣品分析：粒徑＞2cm占51.7%～56.2%，2mm～2cm占6.6%～12.3%，余為粉土和砂粒填充。

表2 坡面侵蝕物源統計表

當得隆溝2002年曾爆發小型泥石流災害，沖毀居民院墻100米，2010年爆發小型泥石流未造成災害。2次泥石流一次沖出固體物量很少，屬小型泥石流，接近于洪水災害。較大泥石流發生頻率20～50年，為低頻泥石流溝。溝口為居民區，人類工程活動強烈，溝口堆積扇不斷被挖掘整平，根據泥石流流體組成及特征、非漿體組成、堆積特征，按《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220--2006）（中華人民共和國國土資源部，2006），泥石流溝綜合評定為稀性泥石流。

2.3 泥石流特征值及其計算

2.3.1 泥石流特征值

（1）泥石流流體重度

①現場配漿法。通過詢問曾目睹該泥石流溝發生性狀的村民，在當得隆溝溝口堆積扇中部，選取泥石流堆積物配合溝水攪拌成暴發時的泥石流流體狀態，進行鑒定并測出樣品總質量、總體積，計算泥石流流體的重度。其計算公式為：

γc=Gc/V （1）

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）。

當得隆溝泥石流重度為1.58 t/m3（表3）。

②查表法。按照《泥石流災害防治工程勘查規范》（DZ/T0220--2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）得出了易發程度評分為100分，按表G.2查表確定泥石流重度和泥沙修正系數（表4）。

表3 泥石流流體重度配方法計算表

表4 泥石流流體重度查表法結果統計表

③綜合取值。采用配漿法和查表法，配漿法所得結果與稀性泥石流性質相符，綜合取值選取配漿法取值。泥石流重度為1.58 t/m3。

（2）泥石流流量

①雨洪法

清水洪峰流量（QW）：公式（1），采用《地質災害危險性評估規范》（DB63/489-2004）（青海省質量技術監督局，2004）簡易計算公式：

QW=KαiФF（設計重現值為50年） （2）

式中：QW為清水洪峰流量（m3/s）；K為單位換算系數（取0.1）；α為洪峰徑流系數（取0.7）；i為造峰時段內平均雨強（取38.8mm）；Ф為最大共時徑流面積系數，為F0/F，F0為造峰面積（km2），F為流域面積（km2），當全流域均勻產流時F=F0；

公式（2），按部分匯流公式計算，公式為：

QW=0.278KiF （3）

式中：K為匯流系數，查青海省水文圖集K=0.8；i為1h設計面雨量（mm），取16.6mm/h；F為流域面積（km2）。

按以上兩個公式計算所得泥石流清水洪峰流量見表5。

表5 泥石流清水洪峰流量計算成果表

表6 泥石流流量計算成果表

泥石流流量（Qm）：

Qm=Qw(1+φ)Dm（4）

式中：Qm為設計泥石流流量(m3/s)；Qw為設計重現期為50年的清水洪峰流量（m3/s）；φ為泥石流泥沙修正系數；Dm為泥石流堵塞系數（從DB63/489—2004中，堵塞程度中等取2，輕微取1.3）。

φ=（γc-γw）/（γH-γc） （5）

式中：γc為為泥石流重度（t/m3）；γw為為水的重度（t/m3）；γH為為泥石流固體物質的重度（t/m3）。

②形態調查法

在泥石流溝道選取典型區段斷面，查找泥石流過流痕跡確定泥位，測量斷面泥石流縱比降、泥位高度、過流斷面面積等參數，用相應泥石流流速公式計算斷面平均流速，代入公式計算斷面流量。

Qc=WcVc（6）

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）。

③綜合取值

由于形態調查法所需參數不能取得，且計算結果沒有暴雨頻率概念，故本次不用此方法進行計算。使用雨洪法計算具有預測性質，故本次采用該方法計算泥石流峰值流量。

（3）泥石流流速計算，采用公式：

式中：Vc為泥石流流速（m/s）；γH為泥石流固體物質比重（t/m3）；φ為泥石流泥沙修正系數；Hc為平均泥深（m）；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。

表7 泥石流流速計算成果表

表8 泥石流中石塊的運動速度計算統計表

（4）泥石流中石塊的運動速度

據《泥石流災害防治工程勘查規范》的經驗公式：

式中：Vs為泥石流中大石塊的移動速度（m／s）；dmax為泥石流堆積物中最大石塊的直徑；α為全面考慮的摩擦系數（泥石流容重、石塊比重、石塊形狀系數、溝床比降等因素）。α取4.0。計算結果見表8。

（5）一次泥石流過流總量

據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）附錄I的計算公式：

Q=K·T·Qc（9）

式中：Q為一次泥石流過程總量（m3）；K為當F<5km2時，K=0.202；T為泥石流歷時（s）；Qc為泥石流最大流量（m3/s）。

表9 一次泥石流過流總量計算成果表

表10 一次泥石流固體沖出物計算成果表

（6）一次泥石流固體沖出物

據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220－2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）附錄I的計算公式：

QH=（γc-γw）/（γH-γw） （10）

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）。

2.3.2 泥石流動力學特征值

（1）泥石流整體沖壓力

①泥石流的沖擊力：

δ=λ·γC/g·VC2sinα （11）

式中：δ：泥石流體整體沖擊力（t/m2）；λ：建筑物形狀系數，本次取矩形1.33。γc：泥石流容重（t/m3）；g：重力加速度（m/s2），取g=9.8m/s2；Vc：泥石流流速（m/s）；α：建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°），本次取90°；

②泥石流體中大石塊對墩的沖擊力F：

F = r·Vcsinα[ W /（C1+ C2）]1/2 （12）

式中：r為動能折減系數，對圓形端r=0.3；C1、C2為分別為大石、墩的彈性變形系數（m/ KN），C1+C2=0.005；W為石塊重量（KN）。

計算結果見表11，12。

表11 泥石流沖擊力計算結果

表12 泥石流體中大塊石沖擊力計算結果

（2）泥石流爬高和最大沖起高度

據《泥石流災害防治工程勘查規范》（DT/T0220—2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）附錄I的計算公式：

表13 泥石流爬高和最大沖起高度計算結果

表14 泥石流彎道超高計算結果

（3）泥石流彎道超高

ΔH=2.3Vc2/g·lg(R2/R1) （15）

式中：ΔH為彎道超高（m）； R2為凹岸曲率半徑(m)；R1為凸岸曲率半徑（m）；Vc為流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

3 青海玉樹當得隆溝泥石流預測及治理研究

3.1 泥石流的發展趨勢分析

3.1.1 泥石流活動周期

收集到的玉樹州氣象臺站資料，結古地區歷年日最大降水量大于30mm，出現年份分別為1959年、1972年、1976年、1989年、1994年、1996年、2003年，1959年與1972年出現間隔為12年，1976年與1989年出現間隔也為12年，1989年以后至1994年間隔4年，1994年與1996年僅間隔1年，1996年于2003年間隔6年，可見一日降水量大于30mm重現周期在縮短（圖5）。近些年，異常災害性天氣增加，溝谷泥石流發生頻率也隨短歷時強降雨天氣出現而增多。

圖5 歷年一日降雨量年份重現周期

3.1.2 泥石流活動規模

當得隆泥石流溝屬小型規模泥石流，但綜合該區地質環境背景條件、松散物源儲量及溝口人居環境導致的泥石流排泄不通暢等因素，隨著異常天氣的增加，該泥石流溝危險性也隨之增大，綜合判斷災情及危險程度屬中型—大型。

3.1.3 泥石流危害趨勢

溝口重要建設項目，新修的環城南路、擬建液化氣站和居民區恢復重建等，隨溝口人口增加，泥石流造成損失越來越大。

3.2 泥石流治理方法建議

3.2.1 既有防治工程評述

據現場調查，當得隆溝溝口修建一座鋼筋石籠壩，壩長15m，頂寬1.5m，底寬2.5m，高2.5m，接此壩修建有排導涵直通扎曲河，截面尺寸1.5×1.8m。

已建鋼筋石籠壩目前已淤積2/3庫容，壩基及壩肩穩定性差，建議在該壩后重新修建一座混凝土攔擋壩。

3.2.2 防治工程設計參數建議

（1）降雨量參數。按50年一遇暴雨強度進行設計，最大24小時降雨為38.8mm。

表15 泥石流固體物源參數表

表16 泥石流運動特征參數統計表

（2）泥石流固體物源參數（表15）。

（3）泥石流運動特征參數（表16）。

（4）工程部位巖土特征參數。泥石流攔擋工程和排導工程的地基鉆探孔深10～12m，均未揭示至基巖，治理工程地基未能置于基巖上，均置于洪積或泥石流堆積的碎石土上，主要工程地質特征參數見表24，基底摩擦系數為0.5。

（5）抗震設計參數.研究區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s，地震基本烈度值為Ⅶ度。

3.2.3 防治工程方案建議

配合已建成的攔擋和排導工程，分段增設多級攔擋壩，在山前泥石流危害區修筑排導渠。另外，針對當得隆溝溝谷兩側塌岸，選擇沖刷強烈、坍塌嚴重段，在坡腳修建擋墻進行維護。在溝谷內和山前溝口地帶應杜絕不合理的人類工程經濟活動（諸如：溝內開山采石、溝口違章建房等）對地質環境的破壞，嚴禁在泥石流災害危險地段實施工程活動和建筑。本次增設的3座攔擋壩與已有的1座攔擋壩配合，起到減輕水的淘蝕、側蝕作用，削弱或改變形成泥石流的條件，在溝口及泥石流扇面上修筑排導渠，使洪水泥石流順利進入扎曲。

（1）攔擋工程。對攔擋方案尚需開展勘查工作確定。

（2）排導工程。當得隆溝已由水利廳修建完成排導涵，已修排導涵截面尺寸1.5m×1.8m，基本沿現有道路布設，最終進入扎曲，該溝不再另外布置排導工程。

4 結論

（1）泥石流屬暴雨溝谷型、低頻、稀性、小型泥石流。溝域松散物源堆積豐富，異常災害性天氣增加，短歷時強降雨天氣出現，具備泥石流形成條件。

（2）該溝泥石流一次沖出固體物量0.44×104m3，一次泥石流過流量0.86×104m3，一次泥石流固體沖出物0.30×104m3，泥石流重度1.58 t/m3，流速3.60 m/s，整體沖擊力2.78 t/m2，泥石流爬高為1.06m，最大沖起高度為0.66m。

（3）當得隆泥石流防治工程采用攔擋+排導工程結合的治理方案。對攔擋方案尚需開展勘查工作確定。

杜榕桓，康志成，陳循謙，朱平一．1987．云南小江泥石流綜合考察與防治規劃研究[M]．重慶：科學技術文獻出版社重慶分社．

王繼康，黃榮鑒．1996．泥石流防治工程技術[M]．北京：中國鐵道出版社．

李茂山．2015．瀾滄江上游雜多縣城段泥石流形成條件與危險范圍預測研究[D]．西安：長安大學．

李安潤，鄧輝，余天彬，文靜．2019．汶川極震區鋤頭溝泥石流發育特征及啟動機理[J]．四川地質學報，39(2)：285-288．

王傳輝，周順武，李慧．2010．近58a來玉樹站氣溫變化特征[J]．高原山地氣象研究，30(02)：6-11．

中華人民共和國國土資源部． 2006．泥石流災害防治工程勘查規范：DZ/T0220-2006[S]．北京：地質出版社．

青海省質量技術監督局． 2004．青海省地質災害危險性評估規程：DB63/489-2004[S]．北京：中國標準出版社．

Development Characteristics and Control of Debris Flow in Dangdelong Gully, Yushu County, Qinghai Province

XIE Wei HE Bin

(Qinghai Bureau of Uranium Geology, Xining 810016)

The debris flow in Dangdelong gully is a non-viscous debris flow with a volume-weight of15.8 kN/m3, peak discharge of 8.55 m3/s, peak discharge of debris flow of 29.75 m3/s and current velocity of 3.60 m/s. This paper makes an approach to the genetic mechanism of debris flow in Dangdelong gully, Yushu County, Qinghai Province based on landform and geological structure. A control measure of barrage plus works drainage is put forward based on calculation of dynamic characteristic value of the debris flow.

Dangdelong gully; debris flow; development characteristic; control measure; Yushu

P642.23

A

1006-0995（2021）04-0633-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.04.018

2020-12-12

解偉（1982— ），男，河北廊坊人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：地質工程