孫興偉，唐志強(qiáng)，王敬勇

(1.華東勘察設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.華東勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

泥石流是是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑，地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，因?yàn)楸┯?、暴雪或者其他自然?zāi)害引發(fā)的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及十塊的特殊洪流[1],泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物質(zhì)容量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)[2-3]。揭示泥石流的成因機(jī)制[4-5]，計(jì)算泥石流的基本特征值，系統(tǒng)的開(kāi)展泥石流的動(dòng)力學(xué)特征分析[6-8]，對(duì)泥石流的防治工程的制定和方案設(shè)計(jì)有著重要的意義。

本文以西南某水電站工程區(qū)八腳溝泥石流為研究背景，采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、遙感解譯、勘探試驗(yàn)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段，查明了泥石流的地形條件、物源條件等基本特征，揭示了泥石流的形成規(guī)律和成因機(jī)制；并通過(guò)公式對(duì)泥石流特征值進(jìn)行了分析。研究成果為八腳溝泥石流的防治工程的制定和方案設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

1 流域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

八腳溝位于擬建水電站上壩址下游0.17 km處，溝口與河流交匯點(diǎn)位于東經(jīng)92°26′37″，北緯29°15′12″。八腳溝流域面積約1.62 km2，流域最高海拔4 843 m，于高程3 317 m匯入河流(見(jiàn)圖1)，高差約1 526 m，主溝長(zhǎng)約2.68 km，主溝總體縱坡降569.4‰。

圖1 八腳溝泥石流遙感圖

1.2 地層巖性

八腳溝出露的地層從溝源到溝口依次為晚白堊系門(mén)朗組(K2M)、第三系溶母棍巴組(E2R)。第四系(Q4)堆積物主要發(fā)育在溝床、兩側(cè)谷坡下部和緩坡地帶。分述如下：

八腳溝流域上部主要出露的地層為晚白堊系門(mén)朗組(K2M)，主要分布高程在5 230 m以上段，占整個(gè)流域面積的2%。巖性主要為中-細(xì)粒角閃黑云石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖，巖體整體呈塊狀，相對(duì)堅(jiān)硬完整。

流域中出露第三系溶母棍巴組(E2R)，主要巖性為中粒角閃黑云二長(zhǎng)花崗巖，其間偶爾可見(jiàn)中性巖脈，巖體整體呈塊狀，相對(duì)堅(jiān)硬完整。

第四系堆積物(Q4)

泥石流堆積物(Q4sef)：分布在溝口、主溝兩側(cè)及溝床平緩處；崩坡積物(Q4col+dl)：零星分布于主溝兩側(cè)坡腳處；殘坡積物(Q4el+dl)：主要分布在溝內(nèi)高海拔圓滑山頭、平緩山坡、夷平面及低凹的地方；冰水堆積物(Q4gfl)：主要分布在溝內(nèi)高海拔較高的山頭。

綜上所述，該流域底層巖性相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分巖石堅(jiān)硬完整，谷坡整體穩(wěn)定性較好。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)巖體總體較完整，結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征如下：節(jié)理(1)：N30°E/NW∠52°，延伸長(zhǎng)度0.5～0.8 m，間距1～3 mm，面粗糙，閉合無(wú)充填，弱風(fēng)化；節(jié)理(2)：N40°W/SW∠86°，延伸長(zhǎng)度1～3 m，間距10～30 cm，面粗糙，張開(kāi)1～3 mm，無(wú)充填，弱風(fēng)化；節(jié)理(3)：N25°E/SE∠32°，延伸長(zhǎng)度0.5～0.8 m，間距10～30 cm，面稍粗糙，局部微張1～3 mm，充填粉土，弱風(fēng)化。

1.4 水文地質(zhì)特征

八腳溝水量較小，枯水季節(jié)經(jīng)常發(fā)生斷流，該溝水流主要靠冰雪融水補(bǔ)給。溝谷后緣基巖出露，松散覆蓋層分布較少，地表徑流系數(shù)比較大，有利于水源的匯集；溝谷下游側(cè)坡腳及溝口附近有崩坡積物連續(xù)發(fā)育，表層植被發(fā)育，降雨部分滲入堆積體形成孔隙水。

2 泥石流的基本特征

2.1 地形地貌及溝道特征

八腳溝總體上由S向N展布，溝谷流域面積1.62 km2，流域最高海拔4 843 m，于高程3 317 m匯入河流，高差約1 526 m，主溝長(zhǎng)約2.68 km，主溝總體縱坡降約569.40‰(如圖2)。溝谷總體上寬下窄。3 990 m高程以上地形開(kāi)闊，溝谷兩岸邊坡較陡，基巖裸露，有利于水源的匯集，該段主溝溝道順直，溝道寬約10～30 m，溝谷整體上呈“U”字型；中游段溝谷切割較淺，縱坡降較大，溝谷彎道比較發(fā)育，溝道右岸連續(xù)分布有崩坡積體；下游段地形開(kāi)闊，縱坡降相對(duì)較小，有利于泥石流堆積，溝道兩岸及溝道中堆積物較豐富，為泥石流和崩坡積的混雜堆積。

圖2 溝谷縱比降圖

根據(jù)泥石流形成條件、運(yùn)動(dòng)機(jī)制、松散固體物源分布及流域植被形態(tài)，大致將溝域劃分為三個(gè)區(qū)：

匯水物源區(qū)：溝上游海拔3 990 m以上地勢(shì)開(kāi)闊，溝道較寬，發(fā)育支溝，溝谷整體呈“U”字型。其后緣為三面環(huán)山的簸箕形，坡面及坡腳有一定量崩坡積物，該區(qū)主要功能為提供匯水作用并能提供部分物源，將該區(qū)劃分為匯水-物源區(qū)。

流通區(qū)：高程3 591～3 379 m之間溝谷坡降總體相對(duì)較陡，可劃分為流通區(qū)。

堆積區(qū)：高程3 379～3 350 m為泥石流堆積區(qū)。

2.2 匯水物源區(qū)特征

匯水物源區(qū)分布于高程3 990～4 843 m，高差約853 m，該區(qū)長(zhǎng)度1.31 km，總體縱坡降651‰(圖3)。該段主要地貌特征為，地形較為開(kāi)闊，兩岸邊坡較陡，坡面植被較少，地表徑流系數(shù)較大，加之后緣呈三面環(huán)山的“簸箕”形，比利于水源的匯集。坡面及溝道中分布有一定量的松散物源，主要為塊碎石土，地表土體將以坡面侵蝕物源形式參與泥石流，該區(qū)主要功能是為泥石流的形成匯集水源和提供部分物源。

圖3 泥石流匯水物源區(qū)遙感圖

2.3 流通區(qū)特征

八腳溝泥石流的流通區(qū)高程為3 990～3 384 m，高差606 m，溝道長(zhǎng)度約0.96 km，溝道總體縱坡降631‰(圖4)。

圖4 泥石流流通區(qū)遙感圖

該區(qū)溝床及右岸植被較發(fā)育，溝谷切割較淺，彎道發(fā)育，左岸岸坡基巖裸露，局部巖體受多組結(jié)構(gòu)面切割比較破碎，存在高位危巖，右岸連續(xù)分布有大量的松散覆蓋層，覆蓋層可見(jiàn)厚度約10 m，堆積物主要為碎石土，堆積較密實(shí)，坡面主要為低矮的灌木叢，溝道內(nèi)分布有崩落的巨石，極易堵塞溝道形成堰塞，為泥石流暴發(fā)提供水動(dòng)力條件和物源條件?？傮w而言，流通區(qū)縱坡降較大，加速功能明顯，沿途還能提供一定量物源。

總體而言，流通區(qū)縱坡降較大，加速功能明顯，溝谷兩側(cè)分布有較多的松散物質(zhì)，沿途還能提供一定量物源。

2.4 堆積區(qū)特征

堆積區(qū)高程為3 384～3 317 m，高差約68 m，長(zhǎng)約291 m，平均縱坡降為234‰，該區(qū)可分為兩段，上游高高程段坡度較大，該段堆積物主要為泥石流與崩坡積物的混合堆積，下游段地形較緩，主要為泥石流和河流相的混合堆積(圖5)。堆積厚度約15 m左右，堆積區(qū)泥石流堆積物方量約13.73×104m3。坡面上有少量喬木和灌木叢。

圖5 泥石流堆積區(qū)地貌圖

3 泥石流成因機(jī)制分析

八腳溝泥石流整體縱坡降較陡，溝域呈長(zhǎng)條形，溝內(nèi)無(wú)長(zhǎng)期水流，溝道切割很淺，從地形上和物源補(bǔ)給特征上看，比較有利于泥石流的暴發(fā)。

八腳溝水量較小，枯水季節(jié)經(jīng)常發(fā)生斷流，現(xiàn)今冰雪覆蓋層較薄，主要以接受大氣降雨補(bǔ)給為主，谷坡地形陡峻，溝床基巖裸露，有利于地表降水的徑流和匯集，因此暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的主要水源。

八腳溝流通區(qū)上游段溝道較窄，溝谷兩側(cè)基巖裸露，表層發(fā)育少量植被，局部巖體受多組結(jié)構(gòu)面切割較破碎，存在較多高位危巖，極易發(fā)生崩落，目前溝道內(nèi)分布有一些崩落的巨石，由于溝道較窄，極易堵塞溝道，發(fā)生堰塞，進(jìn)一步增大水流的動(dòng)力條件，該段縱坡降較大，溝道順直，加速功能明顯；流通區(qū)下游段溝道較窄，切割不深，兩側(cè)分布有豐富的松散物源，緊鄰溝道極易受到水流沖刷，局部發(fā)生失穩(wěn)參與泥石流運(yùn)動(dòng)。

綜上，從成因機(jī)制分析，八腳溝泥石流屬于“暴雨-堰塞-潰決”型泥石流。

4 泥石流特征值分析

4.1 泥石流類(lèi)型

經(jīng)野外調(diào)查,主溝兩側(cè)岸坡多為陡傾岸坡，高高程及溝道兩側(cè)基巖大面積出露，巖體較完整，低高程堆積體中等密實(shí)，表面生長(zhǎng)有灌木和喬木。塌方區(qū)主要集中在流通區(qū)，但流通區(qū)較短，塌方區(qū)集中，溝岸沖刷嚴(yán)重。因此可判斷該溝的塌方程度較嚴(yán)重，塌方程度系數(shù)和平均坡度均按照較嚴(yán)重的塌方程度取值，確定塌方程度系數(shù)A取0.9，平均坡度IC取360，最后代入公式得到該溝泥石流容重1.426 t/m3；故八腳溝泥石流為稀性泥石流。

4.2 泥石流流量

泥石流流量按照雨洪修正法原理；采用東川公式計(jì)算該溝在設(shè)計(jì)概率下的泥石流峰值流量，暴雨時(shí)的最大洪水流量采用推理公式計(jì)算結(jié)果。計(jì)算過(guò)程中涉及到的公式如下：

QC=QB(1+φ)DC

(1)

(2)

根據(jù)以上公式，求出不同頻率下的八腳溝泥石流的流量數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 不同頻率P下八腳溝泥石流流量 m3/s

4.3 一次泥石流總量

確定八腳溝泥石流的一次泥石流總量Q，主要依據(jù)泥石流歷時(shí)T和最大流量QC兩個(gè)參數(shù)，涉及的計(jì)算公式如下：

Q=KTQC

(3)

QH=Q(γC-γw)/(γH-γw)

(4)

式中：Q為一次泥石流總量，m3；QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量；QC泥石流最大流量，m3；T為泥石流歷時(shí)，s；K為修正系數(shù)，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過(guò)程線(xiàn)概化成五角形計(jì)算，K取0.264。

根據(jù)上述公式，八腳溝泥石流的一次泥石流總量以及固體物質(zhì)總量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同頻率P下八腳溝泥石流一次泥石流總量以及固體物質(zhì)總量

4.4 泥石流沖擊力

泥石流整體沖擊力和單塊塊石的最大撞擊力是驗(yàn)算泥石流防治工程強(qiáng)度的重要參數(shù)。

4.4.1 泥石流整體沖擊力

泥石流整體沖壓力按《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0239-2004)3.1-3式計(jì)算：

(5)

式中：F為泥石流整體沖擊力，Pa；γc為泥石流重度，KN/m3；VC為泥石流平均流速，m/s；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，(°)；λ為建筑物形狀系數(shù)。

計(jì)算過(guò)程主要選擇擬布設(shè)攔擋工程部位(如蓄水位高程處)各斷面進(jìn)行計(jì)算，建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ=1.33，泥石流整體沖壓力計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 八腳溝50 a一遇泥石流整體沖擊力計(jì)算表

4.4.2 單塊塊石的最大撞擊力

泥石流單塊塊石的最大沖擊力根據(jù)規(guī)范DZ/T0220-2006，可采用以下公式計(jì)算：

(6)

式中：Fs為單塊巨石的撞擊力，tf；Vc為泥石流流速，m/s；γ為動(dòng)能折減系數(shù)，W為塊石質(zhì)量，t；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數(shù)。

撞擊力計(jì)算均考慮成最危險(xiǎn)情況，即有關(guān)參數(shù)采用沖擊力最大的數(shù)值，并只考慮正面撞擊，其相應(yīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 八腳溝50 a一遇泥石流撞擊力計(jì)算表

4.5 泥石流最大沖起高度和爬高

泥石流最大沖起高度和爬高根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006)附錄I，可以采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

(8)

式中：ΔH為泥石流最大沖起高度，m；ΔHC為泥石流爬高，m；VC為泥石流平均流速，m/s；b為泥石流迎面坡度的函數(shù)。

八腳溝50 a一遇泥石流的最大沖起高度和爬高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 八腳溝50 a一遇泥石流爬高和沖起高度計(jì)算表

4.6 泥石流彎道超高

泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉(zhuǎn)彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側(cè)流速較慢，流體變薄而產(chǎn)生超高的現(xiàn)象，當(dāng)凹岸為陡壁時(shí)將對(duì)凹岸產(chǎn)生強(qiáng)大的侵蝕作用。

泥石流彎道超高按照規(guī)范(DZ/T0239-2004)4.1-4中的公式進(jìn)行計(jì)算：

(9)

式中：Δh為泥石流彎道超高，m；R為主流中心曲率半徑，m；B為泥面寬度，m。

八腳溝50 a一遇泥石流彎道超高計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 八腳溝50 a一遇泥石流彎道超高計(jì)算表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)八腳溝流域面積為1.84 km2，溝長(zhǎng)約2.68 km，水系簡(jiǎn)單，溝內(nèi)植被覆蓋較好；松散固體物質(zhì)總量約135.14×104m3，其中以溝道堆積物和溝道兩側(cè)崩坡積物為主，不穩(wěn)定物源量約30.96×104m3。

(2)通過(guò)調(diào)查分析，八腳溝為低頻-暴雨-堰塞-潰決-溝谷型稀性泥石流。

(3)通過(guò)系統(tǒng)的研究八腳溝泥石流的動(dòng)力學(xué)特征，并著重計(jì)算了泥石流的沖擊力、一次泥石流總量等參數(shù)；為八腳溝泥石流的防治工程的制定和方案設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。