李三明,張艷濤,湯江紅

(武漢地質(zhì)工程勘察院,湖北武漢 430051)

泥石流特征值的計(jì)算與確定
——以四川省石棉縣出路溝泥石流為例

李三明,張艷濤,湯江紅

(武漢地質(zhì)工程勘察院,湖北武漢 430051)

作為泥石流防治工程的主要設(shè)計(jì)依據(jù),泥石流特征值的計(jì)算與確定直接關(guān)系到防治工程的經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性、安全可靠性等。根據(jù)勘查規(guī)范,同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)特征值計(jì)算所涉及的基本參數(shù)的選取,以及其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了分析,對(duì)泥石流防治工程勘查設(shè)計(jì)有借鑒意義。

泥石流;特征值;計(jì)算;石棉縣

0 引言

泥石流是山區(qū)較為常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。在中國(guó)西南地區(qū),每年因泥石流暴發(fā)造成的損失相當(dāng)巨大,泥石流災(zāi)害的防治顯得尤為重要。作為泥石流防治工程的重要設(shè)計(jì)參數(shù),泥石流的各項(xiàng)特征值的計(jì)算與確定直接關(guān)系到防治工程的經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可行性以及安全可靠性。

1 工程概況

四川省石棉縣出路溝泥石流位于大渡河右岸,距石棉縣城約40 km。出路溝流域主溝全長(zhǎng)19.97 km,流域面積75.5 km2,勘查區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔高程4 580 m,至前沿大渡河,海拔高程約940 m,相對(duì)高差約3 640 m,平均縱坡降143.21‰。形成區(qū)平均縱坡降173.6‰,長(zhǎng)度14.86 km,匯水面積66.2 km2;流通區(qū)平均縱坡降68.78‰,長(zhǎng)度1.57 km,匯水面積3.2 km2;堆積區(qū)縱坡降48.58‰,長(zhǎng)度3.54 km,匯水面積6.1 km2。

出路溝泥石流屬于粘性—低頻—暴雨—溝谷型泥石流。1950年以來,已經(jīng)發(fā)生過2次規(guī)模較大的泥石流?李三明、張艷濤、劉平等,四川省石棉縣出路溝泥石流應(yīng)急勘查報(bào)告,2009。。

2 泥石流特征值的計(jì)算與確定[1]

泥石流溝特征值計(jì)算所需要的基本參數(shù)包括:匯水面積F、主溝長(zhǎng)度L、主溝平均縱坡降Ic等,以上基本參數(shù)均可通過地形圖、實(shí)測(cè)斷面圖等測(cè)量或計(jì)算確定。

2.1 泥石流流體重度

泥石流流體重度的測(cè)試方法主要有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)法和形態(tài)調(diào)查法兩種。

(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)法 在需要測(cè)試的溝段,選取有代表性的堆積物攪拌成暴發(fā)時(shí)的泥石流流體狀態(tài),進(jìn)行樣品鑒定,然后分別測(cè)量出樣品的總質(zhì)量和總體積,按下式求出泥石流流體重度:

式中:γc——泥石流流體重度(t/m3);W——模擬試驗(yàn)配制流態(tài)樣品重量(kg);V——模擬試驗(yàn)配制流態(tài)樣品體積(m3)。

(2)形態(tài)調(diào)查法(查表法) 通過調(diào)查泥石流暴發(fā)時(shí)的泥石流流體特征和流體運(yùn)動(dòng)狀況,按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZT0220—2006)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)表F.1確定泥石流流體重度。

除以上兩種方法之外,《規(guī)范》G.2所列,根據(jù)泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分(N)與重度、關(guān)系對(duì)照表,亦可以綜合分析,作為確定泥石流重度的考慮條件之一。

出路溝現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)法測(cè)試結(jié)果:泥石流流體平均重度γc=1.72 t/m3。

形態(tài)調(diào)查法:出路溝泥石流流體呈稀粥狀,泥石流重度為1.60～1.80 t/m3。

綜合取值:泥石流流體重度為1.66 t/m3。

出路溝泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)綜合判定的評(píng)分值為96分,堆積物重度γH=2.65 t/m3,按照《規(guī)范》G.2,對(duì)應(yīng)泥石流重度為1.662 t/m3。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)最重要的參數(shù)之一,目前泥石流流速計(jì)算公式多為半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算公式的選擇應(yīng)該根據(jù)泥石流流體性質(zhì)分別選用。出路溝泥石流流體重度為1.66 t/m3,屬粘性泥石流。粘性泥石流流速計(jì)算一般選用通用公式:

式中:nc——泥石流溝床粗糙率;Hc——計(jì)算斷面平均泥深(m);Ic——泥石流水力坡降,采用溝床坡降代替(‰)。

對(duì)于某一特定的典型斷面而言,泥石流水力坡降Ic以及平均泥深Hc往往都是可以通過測(cè)量或計(jì)算確定的,泥石流溝床粗糙率nc可根據(jù)《規(guī)范》表I.5查表確定。

勘查期間選擇了四個(gè)有代表性的典型斷面,進(jìn)行了泥深(泥痕)調(diào)查測(cè)量(見圖1),其中 Ⅰ—Ⅰ′、Ⅱ—Ⅱ′斷面位于形成區(qū),Ⅲ—Ⅲ′斷面位于流通區(qū),Ⅳ—Ⅳ′斷面位于堆積區(qū)。

計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 出路溝泥石流泥痕斷面示意圖Fig.1 Section schematic diagram ofmud of debris flow in outlet ditch

表1 泥石流流速計(jì)算結(jié)果表Table 1 Calculation results of debris flow velocity

2.3 泥石流峰值流量

頻率為P的泥石流峰值流量的計(jì)算目前有兩種方法:配方法和形態(tài)調(diào)查法。配方法的主要原理是以暴雨洪水流量為基礎(chǔ),乘以溝床堵塞系數(shù)以及一個(gè)與泥石流固體物質(zhì)比例相關(guān)系數(shù)計(jì)算求得;形態(tài)調(diào)查法則是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥石流泥痕的調(diào)查,利用過流斷面面積乘以泥石流流速計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。以上兩種計(jì)算方法可以同時(shí)計(jì)算對(duì)比,最終綜合確定泥石流峰值流量。

2.3.1 形態(tài)調(diào)查法

根據(jù)2003年8月6日暴發(fā)的泥石流4個(gè)典型泥痕斷面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量的平均流速,求泥石流斷面峰值流量Qc,計(jì)算公式如下:

式中:Wc——泥石流過流斷面面積(m2);Vc——泥石流斷面平均流速(m/s)。

計(jì)算結(jié)果見表2。

2.3.2 雨洪法

在泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生且計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量的前提下,首先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量QP,然后選用堵塞系數(shù),按公式進(jìn)行泥石流流量Qc的計(jì)算。

表2 泥石流過流斷面峰值流量計(jì)算成果表Table 2 Calculation results of peak flow of debris flow in flow cross sections

(1)頻率為P的暴雨洪水流量計(jì)算(QP)

①按《四川省水文手冊(cè)》推理公式計(jì)算?四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè),四川省水力電力廳,1984。,計(jì)算公式:式中:ψ——洪峰流量系數(shù);SP——設(shè)計(jì)頻率的暴雨雨力(mm/h);τ——洪峰流量匯流時(shí)間(h);n——暴雨強(qiáng)度衰減指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 暴雨洪水流量計(jì)算結(jié)果表Table 3 Calculation results of storm flood flow

②按中國(guó)公路科學(xué)研究所提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算頻率為P的暴雨洪峰流量QP:

當(dāng)F≥3 km2時(shí),QP=ψ·F2/3·s;當(dāng)F<3 km2時(shí),QP=ψ·F·s。

式中:ψ——徑流系數(shù);F——匯水面積(km2)(下同);s—雨強(qiáng)(mm/h)。

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 暴雨洪水流量計(jì)算結(jié)果表Table 4 Calculation results of storm flood flow

③按中國(guó)水科院提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地表水匯水流量,頻率為P的暴雨洪峰流量QP按下式計(jì)算:

式中:i——產(chǎn)流系數(shù),一般取0.3～0.8;R——雨強(qiáng)(mm/h)。

計(jì)算結(jié)果見表5。

根據(jù)對(duì)比分析,在相同設(shè)計(jì)頻率時(shí),采用四川省水文手冊(cè)推理公式、中國(guó)公路科學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)公式、中國(guó)水科院經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的清水流量QP較為接近,考慮到四川省水文手冊(cè)推理公式是建立在較為完整可靠的地區(qū)性水文資料基礎(chǔ)上的綜合研究成果,有較強(qiáng)的區(qū)域代表性,因此,出路溝暴雨洪水流量取值確定按照四川省水文手冊(cè)推理公式計(jì)算數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表5 暴雨洪水流量計(jì)算結(jié)果表Table 5 Calculation results of storm flood flow

(2)頻率為P的泥石流洪峰流量(QP)(配方法)

計(jì)算公式:

式中:φ——泥石流泥砂修正系數(shù),φ=(γc-γw)/(γH-γc);Dc——泥石流堵塞系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果表Table 6 Calculation results of peak flow of debris flow

綜上所述,在(相當(dāng)于)50年一遇降雨條件下,對(duì)溝口處泥石流峰值流量,利用形態(tài)調(diào)查法(Ⅳ斷面)所得計(jì)算結(jié)果為538.48 m3/s,雨洪法計(jì)算結(jié)果為519.76 m3/s,結(jié)果基本一致,符合程度較高。綜合分析,確定出路溝泥石流峰值流量為524.1 m3/s。

2.4 一次泥石流過程總量

一次泥石流過程總量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,按下式計(jì)算:

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

計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 一次泥石流過程總量計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of total amount of debris flow

2.5 一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量QH

式中:γH——泥石流固體物質(zhì)重度(t/m3);γc——泥石流流體重度(t/m3);γw——水的重度(t/m3)。

計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 一次泥石流固體物質(zhì)總量計(jì)算表Table 8 Calculation result of total amount of solid materical of debris flow

2.6 其他泥石流動(dòng)力學(xué)特征值的計(jì)算確定

泥石流動(dòng)力學(xué)特征值還包括泥石流整體沖擊力、泥石流中大塊石沖擊力、泥石流最大沖起高度、泥石流爬高、彎道超高等,以上特征值均可直接采用規(guī)范提供的公式計(jì)算確定,在此不再贅述討論。

3 泥石流特征值計(jì)算中主要指標(biāo)確定的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

泥石流特征值的計(jì)算方法主要包括形態(tài)調(diào)查法和配方計(jì)算法,在有可靠的區(qū)域水文資料的前提下,雨洪法可以作為計(jì)算和確定泥石流特征值的主要方法之一。采用雨洪法時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用水文手冊(cè)推理計(jì)算公式;當(dāng)勘查區(qū)缺乏可靠的區(qū)域水文資料時(shí),可采用其他經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算綜合分析確定。

采用配方法計(jì)算頻率為P的泥石流洪峰值流量Qc時(shí),泥沙修正系數(shù)、溝道堵塞系數(shù)Dc的選取具有直接的影響作用。泥沙修正系數(shù)的確定有兩種方法:①計(jì)算法,即通過公式=(γc-γw)/(γH-γc)計(jì)算求得;②查表法,即按照規(guī)范表G.2,根據(jù)泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分(N)值與重度的對(duì)應(yīng)關(guān)系查表求得,宜優(yōu)先采用計(jì)算法。溝道堵塞系數(shù)Dc應(yīng)當(dāng)結(jié)合溝道的具體情況,按照《規(guī)范》表I.1選取。由于表列取值范圍較大,因此,勘查經(jīng)驗(yàn)尤為重要,應(yīng)根據(jù)溝道條件并結(jié)合泥石流歷史、勘查經(jīng)驗(yàn)綜合判斷確定。

一次泥石流過程總量Q的計(jì)算與確定是在Qc計(jì)算確定后,乘以流域匯水面積關(guān)系系數(shù)K、泥石流歷時(shí)T計(jì)算求得,其中最關(guān)鍵的是泥石流歷時(shí)T的確定。泥石流歷時(shí)T首先應(yīng)根據(jù)既往泥石流歷史,再結(jié)合降雨強(qiáng)度、匯流面積、溝道堵塞情況綜合分析確定。按照泥石流防治工程設(shè)計(jì)的設(shè)防條件(20～50年一遇暴雨),一般情況下,對(duì)中小流域,泥石流歷時(shí)一般取1～2 h,降雨強(qiáng)度及匯流面積較大的可取偏大值;反之,則取偏小值。

勘查過程中,泥石流固體物質(zhì)重度γH更易于較為準(zhǔn)確地測(cè)試確定。相對(duì)而言,容易忽視泥石流流體重度γc的計(jì)算與確定的重要性,而簡(jiǎn)單地認(rèn)為泥石流流體重度γc只是判別泥石流流體性質(zhì)上起作用。應(yīng)該注意到,在上述計(jì)算過程中,泥石流流體重度γc與一定頻率時(shí)的泥石流洪峰值流量Qc、一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量QH的計(jì)算與確定均有直接關(guān)系,因此,勘查應(yīng)重視泥石流流體重度γc的計(jì)算與確定,保證取值的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于泥石流災(zāi)害的特性,泥石流特征值的計(jì)算往往具有一定程度的不確定性。因此,泥石流勘查應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作,尤其是泥石流歷史的形態(tài)調(diào)查。在計(jì)算確定泥石流特征值時(shí),各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)的選取應(yīng)當(dāng)盡量保證其合理性、準(zhǔn)確性和可靠性,采用多種方法綜合分析確定,為泥石流災(zāi)害防治工程提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。

[1] DZT0220—2006,泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯:張 婭)

Calculation and Determ ination of Debris Flow Characteristic Value

LI Sanming,ZHANG Yantao,TANG Jianghan
(Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration,Wuhan,Hubei430051)

As a major design basis for control project of debris flow,calculation and determination of debris flow characteristics directly relate to economic rationality,technical feasibility and safe reliability.With practical instances,the selection of basic parameters involved in calculation of characteristic valuea nd its impacton the results are analyzed,which is of certain reference to survey design for control project of debris flow.

debris flow;characteristic value;calculation;Shimian county

P642.23

A

1671-1211(2010)03-0297-04

2010-03-24;改回日期:2010-04-28

李三明(1968-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)專業(yè),從事巖土工程工作。E-mail:ls m361@126.com