塔子溝泥石流基本特征值計算與分析

劉浩天

（湖南省勘測設計院有限公司 湖南長沙 410004）

塔子溝泥石流位于四川省理縣樸頭鄉(xiāng)莊房村塔子溝組，該泥石流威脅26 戶142 人，耕地140 余畝的安全，該溝谷內(nèi)崩塌、滑坡災害較嚴重，松散物質(zhì)儲量十分豐富，“5·12地震”后溝谷內(nèi)物源增加［1］，結(jié)合溝道內(nèi)原松散堆積物，總固體物源約52 萬方，塔子溝泥石流規(guī)模為大型。

泥石流特征值獲取主要通過工程地質(zhì)測繪獲得泥石流泥位斷面特征進行計算，其計算結(jié)果為防治方案設計提供可靠技術依據(jù)［2］。

1 泥石流特征值計算與分析

1.1 泥石流容重計算

1.1.1 現(xiàn)場測試法

現(xiàn)場測試法是現(xiàn)場采取泥石流堆積區(qū)堆積體樣品，現(xiàn)場進行調(diào)配泥石流流體，通過對泥石流樣品的總質(zhì)量和總體積進行測量，采用下公式計算泥石流容重。

式中，γc為泥石流流體狀態(tài)容重（t/m3）；Gc為模擬法配制流態(tài)樣品重量（t）；V為模擬法配制流態(tài)樣品體積（m3）。

通過現(xiàn)場試驗計算各次稱重的平均值是1.817t/m3（見表1）。

表1 現(xiàn)場泥石流流體容重試驗統(tǒng)計表

1.1.2 查表法

根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T 0220-2006）（以下簡稱《規(guī)范》）附錄G泥石流易發(fā)程度數(shù)評分標準對泥石流進行評分，該泥石流綜合得分是106分，對應的重度為1.731t/m3。

1.1.3 綜合取值

“5·12 地震”后，泥石流溝內(nèi)因地震產(chǎn)生崩塌滑坡體致使物源量增加，現(xiàn)泥石流特征也將與過去所有泥石流特征有所不同。查表法是在野外調(diào)查基礎上具有一定的預測性結(jié)果，將其用于設計依據(jù)更適宜，另一方法得出重度值用來作為參考，故流體重度取1.731t/m3。

1.2 泥石流流量

1.2.1 形態(tài)調(diào)查法

形態(tài)調(diào)查法的基本程序如下。

（1）繪制溝道橫斷面，包含面積與上頂寬度，從而分析計算出泥深。

（2）按流速公式，分別求出拐點處的平均流速，再乘以拐點處斷面面積，計算泥石流流量，所得流量為不同泥深泥石流流量［3］。

（3）擬合泥深與流量曲線，根據(jù)近期泥石流泥痕高度，插圖可得近期泥石流流量。

擬建壩1、壩2 形態(tài)調(diào)查法結(jié)果如圖1和圖2所示。

2007年泥石流在壩1 和壩2 的平均泥深分別為1.2m 和2.3m，對應的歷史流量分別為202m3/s 和220m3/s。

1.2.2 雨洪法

該方法是選用《規(guī)范》中雨洪法計算泥石流流量［4］，首先查《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》附圖1與圖2［5］。

圖1 擬建壩1 流量—泥位曲線

圖2 擬建壩2 流量—泥位曲線

計算得，20年一遇暴雨條件下，泥石流峰值為139.7m3/s；50年一遇暴雨條件下，泥石流峰值為169.3m3/s（見表2～4）。

表2 塔子溝20年一遇洪峰流量計算表

表3 塔子溝50年一遇洪峰流量計算表

表4 塔子溝20年一遇、50年一遇泥石流峰值流量計算表

1.3 一次泥石流沖出總量計算

一次泥石流沖出總量（Q）的計算，一般采用現(xiàn)場實測法與數(shù)學計算法確定。現(xiàn)場實測法因精度要求較高，現(xiàn)場不具備測量條件，只能作為一個粗略計算。數(shù)學計算法是根據(jù)泥石流漲落特征，通過泥石流歷時T和最大流量Qc，按下式計算：

Q=KTQc

當F＜5km2K=0.202

F=5～10 km2K=0.113

F=10～100 km2K=0.0378

F＞100km2K＜0.0252

其中，F(xiàn)為匯水面積。

一次沖出固體物質(zhì)的總量QH由下式計算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

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

泥石流沖出固體物質(zhì)總量計算結(jié)果見表5。

表5 泥石流沖出固體物質(zhì)總量

1.4 泥石流流速計算

采用通用公式計算流速。壩1 和壩2 的泥石流流速計算結(jié)果見表6。

表6 流速計算表

1.5 泥石流整體沖擊力和泥石流中大塊石沖擊力計算

（1）泥石流整體沖擊力計算公式。

式中：δ為泥石流體整體沖擊石流（kPa）；g為重力加速度（m/s2），取g=9.9m/s2；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；λ建筑物形狀系數(shù)，方形為1.47，矩形為1.33，圓形、尖端圓端形為1；VC為泥石流斷面平均流速（m/s）。

計算結(jié)果見表6。

（2）泥石流中大塊石沖擊力計算公式。

式中：F為對墩的沖擊力（t）；r為動能折減系數(shù)=0.3；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；W為石塊重量（t）；V2為泥石流中塊石移動速度（m/s）；C1、C2為巨石、橋墩的彈性變形系數(shù)=0.005。

泥石流整體沖擊力和泥石流中大塊石沖擊力計算結(jié)果見表7。

表7 泥石流沖擊力計算表

1.6 泥石流最大沖起高度和彎道超高計算

泥石流最大沖起高度（△H）計算見公式：

泥石流在彎道處易出現(xiàn)彎道超高情況［6］，其計算公式見：

式中：VC為泥石流流速（m/s）；B為泥面寬度（m），取50m；R為主流中心曲率半徑（m），取40m。

通過計算，各斷面泥石流沖起高度見表8，其中，擬建壩2附近彎道超高為0.73m。

表8 各斷面泥石流沖起高度

2 結(jié)語

泥石流基本特征值的準確獲取對泥石流災害勘查與設計尤為重要；特征值的獲取需要大量的野外及室內(nèi)分析計算，盡量采用多種方法相互驗證校核，確保參數(shù)的合理、準確、可靠，為泥石流的治理方案提供可靠的參數(shù)依據(jù)。

本項目采用防治方案是“導流堤+排導槽+攔擋壩綜合治理”，歷經(jīng)14年，該治理措施抵擋多次泥石流沖擊，保護了莊房村塔子溝組的生命財產(chǎn)安全。