舒志樂(lè)， 史寶寧， 張德宇

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 成都 610039)

色多溝泥石流動(dòng)力特征及危險(xiǎn)性評(píng)估研究

舒志樂(lè)， 史寶寧， 張德宇

(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 成都 610039)

黑水縣是“5·12”汶川特大地震重災(zāi)區(qū)之一，此次地震不僅給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)還引發(fā)了較多的次生地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流、滑坡、崩塌等。以黑水縣知木林村的泥石流形成條件為背景，詳細(xì)介紹了該區(qū)域泥石流發(fā)生的地形，物源和水源條件，并且結(jié)合該地區(qū)泥石流勘測(cè)報(bào)告，以現(xiàn)場(chǎng)配漿法和查表法分別計(jì)算了該地區(qū)的泥石流容重，通過(guò)對(duì)比最終確定以查表法得到的數(shù)據(jù)作為色多溝泥石流發(fā)生時(shí)的泥石流容重，并以此計(jì)算出泥石流發(fā)生時(shí)的流速，流量以及峰值流量等數(shù)據(jù)，隨后采用多因子綜合判定模式對(duì)色多溝泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)估，得出該地區(qū)泥石流的發(fā)展正處于壯年階段，危險(xiǎn)等級(jí)為高度危險(xiǎn)。在治理色多溝泥石流流域時(shí)應(yīng)該主要采用以排為主、停排結(jié)合的總體原則。

色多溝；泥石流；動(dòng)力特征；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

引 言

四川省阿壩州黑水縣是泥石流的重災(zāi)區(qū)，特別是受到“5·12”大地震的影響后，該縣泥石流的發(fā)生頻率顯著增加，并且分別于2007年，2011年，2012年及2015年發(fā)生過(guò)規(guī)模較大的泥石流災(zāi)害，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈蜕a(chǎn)造成了很大的影響。色多溝為岷江上游小黑水河右岸一條泥石流危害比較嚴(yán)重的溝谷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)資料記載，色多溝曾多次暴發(fā)泥石流災(zāi)害，并且具有再次發(fā)生大規(guī)模泥石流的可能性[1-2]。目前，色多溝溝口及兩側(cè)有70多畝耕地，2500 m2建筑面積房屋，172人的生命安全和400多萬(wàn)元的資產(chǎn)仍然受到色多溝泥石流的巨大威脅。因此如何判斷色多溝泥石流的危險(xiǎn)度，以及治理方案的研究成了緊急任務(wù)?；诖?，本文研究了色多溝泥石流災(zāi)害的動(dòng)力特征及其危險(xiǎn)性的評(píng)估等內(nèi)容。

1 泥石流形成條件

1.1 地形條件

黑水縣位于西藏高原岷山和邛崍山的北端，在橫斷山脈的東南邊緣交界處，總體趨勢(shì)上的地形變化西北高、東南低。境內(nèi)山體連綿，峰巒層疊，峨大基峰為該處的最高峰，其海拔為5286 m，山勢(shì)走向?yàn)楸蔽鞯侥蠔|方向，為切割狀地形，山脊形態(tài)多數(shù)為尖山脊，并有少數(shù)的渾圓狀山脊(圖1)。

圖1 黑水縣地形地貌圖

色多溝所在區(qū)域主要為構(gòu)造侵蝕高中山、深切河谷區(qū)，海拔高程在2400 m～3900 m之間，該區(qū)域內(nèi)山勢(shì)高，河谷狹而窄，縱坡降大，其流域面積約為5.11 km2。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查資料顯示，泥石流形成區(qū)(清水區(qū))主要分布于色多溝上游海拔3500 m高程以上區(qū)域，其面積約為1.0 km2，該區(qū)域水流較為分散，沒(méi)有松散的碎片或石塊與流動(dòng)的水和植被的發(fā)展運(yùn)動(dòng)，松散堆積層是一層薄土，主要是巖質(zhì)邊坡，其特點(diǎn)為巖質(zhì)邊坡區(qū)域地震后不良地質(zhì)現(xiàn)象少，且?guī)缀醪粫?huì)參加泥石流活動(dòng)。所以，形成區(qū)的作用是為泥石流的形成提供水源和水動(dòng)力條件等。

泥石流形成區(qū)(物源區(qū))分布在海拔2800 m～3500 m的范圍內(nèi)，主要由一個(gè)主通道，兩個(gè)小水溝和三坡體組成，700 m相對(duì)高程、長(zhǎng)度約2000 m，溝床平均比降350‰，溝谷近東南走向，斜坡體坡度在20°～35°之間。溝谷兩岸山體較大面積沒(méi)有植被，只有局部小片樹(shù)林。

流通區(qū)位于色多溝中下游段，溝道高程范圍2500 m～2800 m，全長(zhǎng)約950 m，溝道深且呈現(xiàn)“V”字型，溝底寬度為0.5 m～3.0 m，溝岸坡度陡，溝谷縱坡降約為300‰，部分區(qū)段遺留有發(fā)生泥石流時(shí)樹(shù)木被沖倒的痕跡(圖2)。第四系崩坡積物為岸坡的主要物質(zhì)組成，厚度3 m～5 m。

圖2 色多溝泥石流流通區(qū)

1.2 物源條件

受“5·12”大地震的影響[3-4]，色多溝溝內(nèi)松散固體物源豐富且主要集中在色多溝主溝的中游、上游段。根據(jù)調(diào)查資料，對(duì)6個(gè)主要物源點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，共有43.5×104m3的松散固體物質(zhì)來(lái)源，其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量約為15.3×104m3。色多溝溝域內(nèi)被侵蝕的坡面物源總量約為38×104m3，這其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約為12×104m3；受雨水及地震響應(yīng)而崩滑堆積的固體物源總量約為0.5×104m3，這其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約為0.3×104m3；同時(shí)，溝域內(nèi)經(jīng)調(diào)查堆積的固體物源總量約為5×104m3，其中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約為3×104m3。上述各個(gè)物源情況匯總見(jiàn)表1。

表1 主要補(bǔ)給源數(shù)量特征統(tǒng)計(jì)表

堆積區(qū)面積約1 500 m2，厚度約1 m～3 m，堆積物物質(zhì)組成主要為深灰、灰黑色粉砂質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、鈣質(zhì)粉砂巖和少量凝灰質(zhì)砂巖，分層明顯。溝口堆積扇上多為居民房屋和耕地，色多溝與小黑水河及漁卡公路垂直交匯，河道受泥石流沖積物擠壓略有變形。

1.3 水源條件

泥石流發(fā)生的季節(jié)主要在夏季，春季融雪一般情況下不會(huì)造成山體滑坡，除非融雪水量十分巨大[5]。因此夏季暴雨為此處發(fā)動(dòng)泥石流的主要水源[6]。

該區(qū)地處川西高原氣候區(qū)的康定—雅江暖溫帶、溫帶氣候區(qū)，夏季降水集中，多年平均降雨量為835.8 mm，降雨量多集中在5～10月，占全年降雨量的93%。查詢(xún)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》中，有關(guān)暴雨量等值線圖等有關(guān)內(nèi)容得知，黑水縣色多溝地區(qū)的1/6 h多年最大暴雨量平均值為10 mm，1 h多年最大暴雨量平均值為20 mm，6 h多年最大暴雨量平均值為30 mm，24 h多年最大暴雨量平均值為40 mm，其變異系數(shù)分別為0.5、0.4、0.3、0.3，在P=2%的條件下，1/6 h、1 h、6 h、24 h雨強(qiáng)可分別達(dá)到24.2 mm、41.6 mm、53.1 mm、70.8 mm，因此，此處的降雨量完全能夠引發(fā)泥石流災(zāi)害[7]。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特征

2.1 泥石流容重的確定

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)配漿法

在色多溝的中游段和溝口泥石流殘?jiān)逊e區(qū)取一定量的泥石流殘?jiān)?，通過(guò)詢(xún)問(wèn)當(dāng)?shù)匕l(fā)生泥石流時(shí)的目擊者，配合溝水將其攪拌成近似泥石流漿體的濃度[8]，并進(jìn)行稱(chēng)重，測(cè)量其體積，并計(jì)算出所配制漿體的重度作為色多溝泥石流發(fā)生時(shí)其實(shí)際泥石流的重度[9]：

式中：γc為配制泥石流泥漿模擬實(shí)際發(fā)生泥石流重度(t/m3)；Gc為配制泥石流漿體模擬實(shí)際發(fā)生泥石流泥漿重量(t)；V為配制泥石流漿體的體積(m3)。

現(xiàn)場(chǎng)配置的溝口堆積區(qū)及泥石流流通區(qū)的泥漿重量及泥漿體積見(jiàn)表2。計(jì)算發(fā)生泥石流的平均重度為1.593 t/m3。

表2 色多溝泥石流流體重度配方計(jì)算表

2.1.2 查表法

按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220--2006)中附錄H填寫(xiě)泥石流調(diào)查表，并按附錄G.1內(nèi)容對(duì)色多溝泥石流的易發(fā)程度評(píng)分，最后按附錄G.2查表確定其重度和泥沙修正系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 色多溝泥石流結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由于之前并沒(méi)有對(duì)色多溝泥石流進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，所以可通過(guò)泥石流的現(xiàn)場(chǎng)配漿法和查表法確定泥石流數(shù)據(jù)。其都有各自的適用性，其中配漿法需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件，一是泥石流必須是發(fā)生過(guò)，二是必須得有泥石流目擊者所見(jiàn)證，因此目擊者的主觀性對(duì)泥石流配漿法的結(jié)果影響較大，而且所得出的結(jié)果也只能代表當(dāng)時(shí)一次泥石流所發(fā)生時(shí)的結(jié)果[10]，由于現(xiàn)場(chǎng)配漿法與查表法都是作為計(jì)算已發(fā)生泥石流重度的一種手段，但其計(jì)算結(jié)果傾向不同。現(xiàn)場(chǎng)配漿法傾向于配置泥漿的那次泥石流發(fā)生時(shí)的狀況，需配制多個(gè)目擊者所目擊的泥漿漿體且濃度差別不大時(shí)才適用，并且泥石流發(fā)生時(shí)一般并無(wú)實(shí)際目擊者，大部分目擊者往往是目擊到泥石流結(jié)束后，已發(fā)生顆粒沉降的泥石流漿體，因此與配漿法相對(duì)比，查表法則是在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上帶有一定的預(yù)測(cè)意義。因此查表法所得到的內(nèi)容更適合作為泥石流設(shè)計(jì)的依據(jù)?；诖耍嗍鞯闹囟戎挡捎貌楸矸ㄈ〉玫慕Y(jié)果。

2.2 泥石流流速計(jì)算

按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220—2006)附錄I中的式I.8計(jì)算色多溝泥石流流速為：

2.3 泥石流流量計(jì)算方法

本文采用雨洪修正法計(jì)算色多溝泥石流的流量。

2.3.1 清水流量計(jì)算

由于色多溝流域內(nèi)沒(méi)有觀測(cè)調(diào)查資料，所有只能根據(jù)《四川省水文手冊(cè)》中提供的暴雨資料等相關(guān)內(nèi)容對(duì)色多溝泥石流進(jìn)行流量計(jì)算，因此查閱《四川省水文手冊(cè)》，色多溝降雨特征值見(jiàn)表4。

表4 色多溝降雨特征值計(jì)算表

色多溝流域特征值見(jiàn)表5。

表5 色多溝流域特征值表

假定泥石流和暴雨的發(fā)生同頻率、且同步，采用《四川省水文手冊(cè)》中的相關(guān)公式，由暴雨量值推求泥石流洪峰流量值。

Qp=0.278rpiBF

式中：Qp是頻率為p時(shí)的暴雨發(fā)生時(shí)洪水的設(shè)計(jì)流量(m3/s)；iB為產(chǎn)流系數(shù)，根據(jù)調(diào)查資料可知色多溝為砂性土，因此產(chǎn)流系數(shù)取0.5；rp為一小時(shí)平均降雨強(qiáng)度(mm/h)；F為泥石流所經(jīng)過(guò)的流域面積(km2)，對(duì)于超過(guò)10km2的流域面積，因?yàn)榻涤甑牟痪鶆蛐孕枰艘砸粋€(gè)修正系數(shù)，10km2以下的則不作調(diào)整。

根據(jù)計(jì)算，色多溝不同頻率洪峰清水流量見(jiàn)表6。

表6 色多溝暴雨洪峰流量表

2.3.2 泥石流峰值流量計(jì)算

在此假定泥石流與暴雨同時(shí)發(fā)生，且兩者的頻率相同，其次根據(jù)《四川省水文手冊(cè)》中的關(guān)于水文計(jì)算的相關(guān)方法計(jì)算各個(gè)頻率下相同斷面的暴雨洪峰流量值，隨后選用適當(dāng)?shù)亩氯禂?shù)，最后按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)附錄I中的相關(guān)公式計(jì)算泥石流流量[11-12]：

Qc=(1+Φ)Qp·Dc

式中：Qc為頻率為p時(shí)的泥石流洪峰流量值(m3/s)；Qp為暴雨洪水設(shè)計(jì)流量值(m3/s)，其頻率為p；1+Φ參考《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)附錄G中表G.2確定；Φ為泥石流泥砂修正系數(shù)：Φ=(γc-γw)/(γH-γc)；γc為泥石流重度(t/m3)，查附錄G中表G.2確定；γw為泥石流流域內(nèi)的清水重度(t/m3)，為1.0t/m3；γH為泥石流中固體物與泥石流泥漿的比重(t/m3)取值為2.6；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0220-2006)附錄I中表I.1確定，色多溝泥石流介于中等程度與輕微程度之間，取值為1.5。色多溝泥石流具體參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 色多溝泥石流參數(shù)表

根據(jù)表7參數(shù)，色多溝泥石流的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 色多溝泥石流洪峰流量

3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

對(duì)于色多溝泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)估，本文采用多因子綜合判定模式計(jì)算[13-15]：

H=0.2857M+0.2857F+0.1429S1+?0.0571S3+ 0.1143S6+0.0.0859S2+0286S9

式中的危險(xiǎn)度(H)和各危險(xiǎn)因子M,F,S1,S2,S3,S6,S9的替代數(shù)值均介于0～1之間，其具體轉(zhuǎn)換函數(shù)見(jiàn)表9，其具體取值見(jiàn)表10。

表9 單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子轉(zhuǎn)換函數(shù)

經(jīng)計(jì)算得出黑水縣色多溝泥石流危險(xiǎn)度H為0.564。

表10 單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因子實(shí)際值及其轉(zhuǎn)換值

按照5級(jí)泥石流危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃定，色多溝目前的危險(xiǎn)等級(jí)為高度危險(xiǎn)[16-18]。根據(jù)對(duì)色多溝泥石流的調(diào)查資料分析，色多溝泥石流在以往屬于低頻泥石流。但是經(jīng)過(guò)“5·12”地震后，溝內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象較地震前相比明顯增加，導(dǎo)致溝內(nèi)的固體物源儲(chǔ)量增加，若下次還將發(fā)生泥石流災(zāi)害，則下次泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)參與其泥石流活動(dòng)的物源量將增加，而且引發(fā)下次泥石流發(fā)生時(shí)的臨界雨強(qiáng)將降低[19]。同時(shí)，受“5·12”地震的影響，色多溝泥石流的發(fā)生頻率將會(huì)在一定程度上提高，近幾年其流域內(nèi)，小規(guī)模泥石流的發(fā)生次數(shù)將會(huì)增加，因此色多溝泥石流會(huì)從低頻泥石流區(qū)域，轉(zhuǎn)變成中頻或者高頻泥石流區(qū)域。最后，隨著震后植被的恢復(fù)以及大部分松散物源區(qū)域穩(wěn)定，色多溝又將變成低頻泥石流溝。到目前為止，色多溝泥石流所處的階段為壯年期[20]。

4 結(jié)束語(yǔ)

色多溝泥石流按泥石流形成的原因及其分類(lèi)屬于典型的暴雨溝谷型泥石流，溝域內(nèi)松散固體物源量及引發(fā)泥石流的暴雨規(guī)模是一個(gè)區(qū)域或一條溝域內(nèi)泥石流發(fā)生的主要因素。特別是受到“5·12”地震的影響，色多溝溝域內(nèi)巖土崩塌、坡面侵蝕增多，造成色多溝溝域內(nèi)嚴(yán)重的水土流失，并且可介入泥石流活動(dòng)的松散固體物源量增加[21-22]，并且色多溝目前處于活躍狀態(tài)，一旦在合適條件下受到暴雨的影響，必然發(fā)生規(guī)模較大的泥石流災(zāi)害。

根據(jù)色多溝溝域的地質(zhì)特點(diǎn)以及形成色多溝流域泥石流的條件，在治理色多溝泥石流流域時(shí)應(yīng)該主要采用以排為主、停排結(jié)合的總體原則[23]。

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Dynamics Features and Hazard Assessment of Mud-rock Flow in Seduogou

SHUZhile,SHIBaoning,ZHANGDeyu

(College of Architecture and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Heishui county is one of the areas hit hardest by the “5·12” Wenchuan earthquake. The earthquake not only caused a lot of economic damage to property, at the same time also inspired more debris flows, landslides, collapses and secondary geological disasters. From the formation of the conditions of mud-rock flow in the Zhimulin village of heishui county, the topography, provenance and water conditions of mud-rock flow in the region are detailed. Combinated the survey report in the mud-rock flow area, the scene with slurry method and look-up table method are used to calculate the mud-rock flow in the region. The data got by the look-up table method is taken as the debris flow concentration when mud-rock flow gully occurs; and by comparing the data, the mud-rock flow velocity, flow rate and peak flow etc. are calculated. Then using multi factor comprehensive decision model of multi colored debris flow of risk assessment, it is shown that the development of the area of mud-rock flow are in the prime stage with high risk of risk rating. Finally, it is proposed that the general principle of the main use of the combination of row and stop arrangement should be adopted in the management of Seduogou mud-rock flow.

Seduogou; mud-rock flow; dynamics feature; hazard assessment

2016-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金(50621403)；教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(14206503)；西華大學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(z1120635)

舒志樂(lè)(1976-)，男，湖南邵陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事地下結(jié)構(gòu)與無(wú)損檢測(cè)方面的研究，(E-mail)shuzhile0608@126.com

1673-1549(2016)06-0070-05

10.11863/j.suse.2016.06.14

TU 451

A