解偉，何斌

青海省玉樹當?shù)寐夏嗍靼l(fā)育特征及治理研究

解偉，何斌

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局，青海 西寧 810016）

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過分析地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造等資料，結(jié)合室內(nèi)泥石流特征值和動力學(xué)特征值的計算，對形成機理進行了探討。結(jié)果表明：①當?shù)寐夏嗍黝愋蛯儆谙⌒阅嗍?，容?5.8 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(xué)特征值計算，結(jié)合泥石流發(fā)展趨勢及危險分區(qū)，確定“攔擋+排導(dǎo)”治理方案；③通過對當?shù)寐∧嗍鳒蠁栴}研究，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害防治與生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌；為該區(qū)同類泥石流防治工作提供參考借鑒。

玉樹；當?shù)寐?；泥石流；發(fā)育特征；防治工程

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種突發(fā)性的自然災(zāi)變過程和現(xiàn)象，它的發(fā)生與該區(qū)地形、地貌、氣象、水文等因素有密切聯(lián)系，是山地環(huán)境退化所特有的一種突發(fā)性自然災(zāi)害現(xiàn)象（杜榕桓等，1987），在暴雨條件下常給當?shù)鼐用竦纳徒?jīng)濟財產(chǎn)帶來巨大損失（王繼康和黃榮鑒，1996），目前國內(nèi)外對泥石流的研究主要包括基本特征、形成機理及災(zāi)害性研究三個方面的內(nèi)容（李茂山，2015）。

當?shù)寐蠟榈皖l泥石流溝，2002年和2010年曾暴發(fā)過2次小規(guī)模泥石流，居民院墻被沖毀。玉樹2010年4·14地震至今，未發(fā)生泥石流災(zāi)害，由于地震使坡面侵蝕物轉(zhuǎn)化為溝內(nèi)松散固體物，物源量增多，在暴雨條件下引發(fā)泥石流災(zāi)害可能性增加，危險性增大。該區(qū)現(xiàn)有居民160戶700～800人，發(fā)生泥石流災(zāi)害，直接威脅到該區(qū)居民、新修環(huán)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?shù)寐夏嗍餍纬蓷l件及防治工作刻不容緩。

1 研究區(qū)概述

1.1 自然地理概況

1.1.1 交通位置

研究區(qū)位于玉樹縣結(jié)古鎮(zhèn)南，地處扎曲河南岸，地理坐標：東經(jīng)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(huán)城公路相通，溝內(nèi)有簡易便道可通行，交通較為便利（圖1）。

1.1.2 氣象

研究區(qū)屬大陸性半干旱高山草原氣候，寒長暑短，蒸發(fā)量大，氣溫垂直變化明顯。據(jù)玉樹氣象站資料，多年平均氣溫2.9℃，最高氣溫出現(xiàn)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(fā)量1155mm。西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，平均風(fēng)速2.23m/s，最大風(fēng)速26m/s。海拔3900m以上高山區(qū)，為多年凍土區(qū)，最大凍土深度1.43m。

1.1.3 水文

區(qū)內(nèi)發(fā)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(jié)古鎮(zhèn)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(fā)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(fā)源于洛榮雜加山，流經(jīng)至結(jié)古鎮(zhèn)時匯入扎曲。集水面積477.73km2，年平均徑流量0.378×109m3。

當?shù)寐∧嗍髟诖蟊┯旰笥袝簳r性洪水，雨過溝干，平時干枯無水。由于溝內(nèi)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(fā)泥石流（李安潤等，2019）。

2 青海玉樹當?shù)寐夏嗍靼l(fā)育特征分析

2.1 當?shù)寐夏嗍餍纬蓷l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?shù)寐蠈偌竟?jié)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(qū)“V”型溝谷形態(tài)

圖3 “U”型谷中谷形態(tài)

形成區(qū)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(qū)溝谷呈“V”型（圖2），狹窄，一般為3～5m寬小沖溝，兩側(cè)斜坡表層厚0.5～2m殘坡積層覆蓋，結(jié)構(gòu)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(nèi)，為泥石流形成的水源條件。

流通區(qū)特征：位于當?shù)寐现邢露危鳒祥L700m，切割形成“谷中谷”形態(tài)（圖3），流通區(qū)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(cè)塌岸為泥石流主要物源。

堆積區(qū)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(qū)堆區(qū)物質(zhì)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(fā)現(xiàn)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(gòu)造作用表層強烈風(fēng)化剝蝕砂巖、板巖，結(jié)構(gòu)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(tài)特征、縱坡降、堆積物顆粒級配及結(jié)構(gòu)特征又影響著沖刷深度。當?shù)寐辖?jīng)二次切割形成“U”型谷中谷形態(tài)，切割較深，主要為溝底松散堆積物和流通區(qū)溝谷兩岸的原泥石流堆積物，物源統(tǒng)計情況見表1。

（2）坡面侵蝕物源。本次調(diào)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(tǒng)計情況見表2。

圖4 堆積區(qū)地貌

2.1.3 降水條件

據(jù)統(tǒng)計，1957～2005年期間，24小時發(fā)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(fā)生過，短歷時強降雨與泥石流災(zāi)害發(fā)生頻率一致。降水快速集中匯流為引發(fā)泥石流提供水源條件。

2.2 當?shù)寐夏嗍饕装l(fā)程度與堆積物特征

2.2.1 泥石流易發(fā)程度分析與評價

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220—2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）中泥石流災(zāi)害數(shù)量化表和泥石流易發(fā)程度劃分表，進行數(shù)量化處理，當?shù)寐∧嗍鳒显u分100分，易發(fā)程度屬易發(fā)。

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(zhì)成份較少，固體物質(zhì)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(jù)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(tǒng)計表

當?shù)寐?002年曾爆發(fā)小型泥石流災(zāi)害，沖毀居民院墻100米，2010年爆發(fā)小型泥石流未造成災(zāi)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(zāi)害。較大泥石流發(fā)生頻率20～50年，為低頻泥石流溝。溝口為居民區(qū)，人類工程活動強烈，溝口堆積扇不斷被挖掘整平，根據(jù)泥石流流體組成及特征、非漿體組成、堆積特征，按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)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(xiàn)場配漿法。通過詢問曾目睹該泥石流溝發(fā)生性狀的村民，在當?shù)寐蠝峡诙逊e扇中部，選取泥石流堆積物配合溝水攪拌成暴發(fā)時的泥石流流體狀態(tài)，進行鑒定并測出樣品總質(zhì)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?shù)寐夏嗍髦囟葹?.58 t/m3（表3）。

②查表法。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0220--2006）（中華人民共和國國土資源部，2006）得出了易發(fā)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(shù)（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(jié)果統(tǒng)計表

③綜合取值。采用配漿法和查表法，配漿法所得結(jié)果與稀性泥石流性質(zhì)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(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》（DB63/489-2004）（青海省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004）簡易計算公式：

QW=KαiФF（設(shè)計重現(xiàn)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(shù)（取0.1）；α為洪峰徑流系數(shù)（取0.7）；i為造峰時段內(nèi)平均雨強（取38.8mm）；Ф為最大共時徑流面積系數(shù)，為F0/F，F(xiàn)0為造峰面積（km2），F(xiàn)為流域面積（km2），當全流域均勻產(chǎn)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(shù)，查青海省水文圖集K=0.8；i為1h設(shè)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(shè)計泥石流流量(m3/s)；Qw為設(shè)計重現(xiàn)期為50年的清水洪峰流量（m3/s）；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；Dm為泥石流堵塞系數(shù)（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(zhì)的重度（t/m3）。

②形態(tài)調(diào)查法

在泥石流溝道選取典型區(qū)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(shù)，用相應(yīng)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(tài)調(diào)查法所需參數(shù)不能取得，且計算結(jié)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(yù)測性質(zhì)，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(zhì)比重（t/m3）；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)；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(tǒng)計表

（4）泥石流中石塊的運動速度

據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》的經(jīng)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(shù)（泥石流容重、石塊比重、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素）。α取4.0。計算結(jié)果見表8。

（5）一次泥石流過流總量

據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)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(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)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(zhì)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(zhì)的重度（t/m3）。

2.3.2 泥石流動力學(xué)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(shù)，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(shù)，對圓形端r=0.3；C1、C2為分別為大石、墩的彈性變形系數(shù)（m/ KN），C1+C2=0.005；W為石塊重量（KN）。

計算結(jié)果見表11，12。

表11 泥石流沖擊力計算結(jié)果

表12 泥石流體中大塊石沖擊力計算結(jié)果

（2）泥石流爬高和最大沖起高度

據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)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(jié)果

表14 泥石流彎道超高計算結(jié)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?shù)寐夏嗍黝A(yù)測及治理研究

3.1 泥石流的發(fā)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(jié)古地區(qū)歷年日最大降水量大于30mm，出現(xiàn)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(xiàn)間隔為12年，1976年與1989年出現(xiàn)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(xiàn)周期在縮短（圖5）。近些年，異常災(zāi)害性天氣增加，溝谷泥石流發(fā)生頻率也隨短歷時強降雨天氣出現(xiàn)而增多。

圖5 歷年一日降雨量年份重現(xiàn)周期

3.1.2 泥石流活動規(guī)模

當?shù)寐∧嗍鳒蠈傩⌒鸵?guī)模泥石流，但綜合該區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件、松散物源儲量及溝口人居環(huán)境導(dǎo)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(zāi)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(shè)項目，新修的環(huán)城南路、擬建液化氣站和居民區(qū)恢復(fù)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查，當?shù)寐蠝峡谛藿ㄒ蛔摻钍\壩，壩長15m，頂寬1.5m，底寬2.5m，高2.5m，接此壩修建有排導(dǎo)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(wěn)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(shè)計參數(shù)建議

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

表15 泥石流固體物源參數(shù)表

表16 泥石流運動特征參數(shù)統(tǒng)計表

（2）泥石流固體物源參數(shù)（表15）。

（3）泥石流運動特征參數(shù)（表16）。

（4）工程部位巖土特征參數(shù)。泥石流攔擋工程和排導(dǎo)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(zhì)特征參數(shù)見表24，基底摩擦系數(shù)為0.5。

（5）抗震設(shè)計參數(shù).研究區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)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(dǎo)工程，分段增設(shè)多級攔擋壩，在山前泥石流危害區(qū)修筑排導(dǎo)渠。另外，針對當?shù)寐蠝瞎葍蓚?cè)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(nèi)和山前溝口地帶應(yīng)杜絕不合理的人類工程經(jīng)濟活動（諸如：溝內(nèi)開山采石、溝口違章建房等）對地質(zhì)環(huán)境的破壞，嚴禁在泥石流災(zāi)害危險地段實施工程活動和建筑。本次增設(shè)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(cè)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(dǎo)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(dǎo)工程。當?shù)寐弦延伤麖d修建完成排導(dǎo)涵，已修排導(dǎo)涵截面尺寸1.5m×1.8m，基本沿現(xiàn)有道路布設(shè)，最終進入扎曲，該溝不再另外布置排導(dǎo)工程。

4 結(jié)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(zāi)害性天氣增加，短歷時強降雨天氣出現(xiàn)，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?shù)寐∧嗍鞣乐喂こ滩捎脭r擋+排導(dǎo)工程結(jié)合的治理方案。對攔擋方案尚需開展勘查工作確定。

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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(zhì)工程