北川县樱桃沟泥石流地质特征与动力学参数分析

师书冉，涂良权，沈卫立

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,许昌 461000）

北川县樱桃沟泥石流地质特征与动力学参数分析

师书冉，涂良权，沈卫立

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,许昌 461000）

樱桃沟泥石流位于汶川“5·12”大地震震中北川县,是一条典型的沟谷型泥石流。本文在分析樱桃沟泥石流沟流域和泥石流基本特征的基础上,对形成泥石流的地形、水源、物源等基本条件进行了论述,并基于动力学原理,详细计算了泥石流的重质、流速、流量、冲出量等动力学参数。结构表明，樱桃沟泥石流的流体密度为1.686 t/m3，流速为6.06 m/s,大块石的运动速度为6.45 m/s，泥石流整体冲压力为35.56 kPa，泥石流的最大冲起高度0.72 m,爬高1.15 m，弯道超高0.41 m。笔者以期为正确设置泥石流防治工程提供理论依据。

樱桃沟;泥石流;地质特征;动力学参数

1 引言

汶川“5·12”大地震形成大量崩塌、滑坡和其它松散堆积体，成为泥石流的固体物质来源,致使地震灾区泥石流活动频率，规模大大增强[1-5]。

樱桃沟泥石流位于汶川“5·12”大地震震中北川县,是一条多期次老泥石流沟。1978年泥石流首次暴发,沟水冲刷形成具有一定过水断面的沟槽,泥石流规模约2.5万m3。1998年雨季又暴发泥石流，并叠加在1978年堆积扇的基础上,规模约1万m3。2008年“9·24”强降雨导致北川县樱桃沟泥石流再次暴发,摧毁樱桃沟村、通宝沟村乡村道路,掩埋拱桥1座和张家沟58户民房240间,死亡1人,直接经济损失1020余万元,灾情等级属于特大型。

2 泥石流地质特征

樱桃沟泥石流沟位于都坝河右岸,流域面积18.50 km2,主沟长7.00 km,平均纵坡度角8°,主沟两岸呈“V”型峡谷,两岸谷坡坡度40～70°。沟两岸在地震前植被发育,地震后地质灾害发育,导致植被覆盖率降低,残坡积物发育,坡面切沟汇合后的大部分沟段沟水冲刷强烈；多条支沟内在“9·24”强降雨作用下,冲出大量松散体汇集于樱桃沟和通宝沟内,为泥石流的物源区;樱桃沟和通宝沟汇合后直接进入帐家沟,帐家沟为泥石流的流通区,帐家沟出口及帐家沟与都坝河交汇段为泥石流的堆积区（图1）。

形成区主沟段沟底在上段有零星松散层分布,大部分沟底可见基岩,沟底在下段有大量松散层分布,樱桃沟和通宝沟沟内下段堆积约有200万m3碎块石土,两岸坡体上分布760万m3坡积物,流通区沟两岸主要为基岩,沟底在上游局部可见基岩,中下游均为冲积物覆盖,堆积区沟底为泥石流堆积。沟底实测纵剖面见图2。

2.1 形成区特征

形成区包括汇水区和物源区,汇水区面积9.3 km2,物源区汇水面积6.2 km2,总面积17.9 km2,占泥石流流域面积的96.77%。

2.1.1 汇水区特征

分布于泥石流沟源区,沟内高程1100～2349 m,长度为3.30 km,主沟内纵坡8～15°,平均坡度为11°,平面形态呈长条形,沿分水岭呈圈椅状,由两条汇水的坡面形成一条冲沟,呈宽缓“V”型,沟内长年有水,两岸植被发育,生长着大量的针叶林和灌丛,植被覆盖率为50%～60%。

2.1.2 物源区特征

分布于泥石流沟中段,高程930～1100 m,沟长2.0 km,平均坡度为11°,沟宽25～50 m不等,沟底全部为松散堆积物覆盖,沟内两侧坡体为松散物

质,在“5·12”特大地震作用下,大面积跨塌,加之受“9·24”强降雨作用下,冲刷和侵蚀坡体中部和坡脚大量泥石流堆积体;距沟底50～100 m地段两岸谷坡坡度为40～60°,谷坡残坡积物较发育,局部呈陡崖状,中上部谷坡坡度30～45°度,相对较缓一些,总体呈“V”型峡谷。

在距沟底相对高差50 m的斜坡地带的残坡积物中有大量的崩塌和滑坡分布,并构成了泥石流的物源。组成物质上部0.50～1.00 m为碎石夹粉土，含植物根系；中部5～30 m为松散碎石土，粒径小于5 cm碎石占25%，5～20 cm碎石占70%，块径0.4～1.2 m块石占5%，少量块石大于2 m；下部为强风化页岩或砂质灰岩。

2.2 流通区特征

图1 樱桃沟泥石流全貌Fig.1 Full view of the debris flow in Yingtao Gully

图2 泥石流沟纵剖面图Fig.2 Corss section of the debris flow in Yingtao Gully

分布于泥石流沟中下段,沟内高程680～785 m，沟长1.00 km，平均纵坡3°，沟宽15～40 m不等，沟

底大部分地段被泥石流冲积物覆盖，厚度为3～5 m，局部基岩出露;两岸谷坡下部坡度为65～75°，中上部谷坡坡度50～60°度，总体呈“V”型峡谷，沟内两岸边坡基岩裸露，谷坡残坡积物受“5·12”地震影响，大部分崩落至沟内。

2.3 堆积区特征

分布于泥石流沟沟口地带，从沟出山口段内就开始堆积，沟内高程638～680 m，面积0.6 km2，占流域面积的3.23%，沟长0.7 km，平均纵坡3°，沟宽200～350 m不等，沟底为泥石流堆积，堆积方量约34万m3。

泥石流左岸为张家沟滑坡，右岸为覆盖第四系坡积物农田，泥石流发生前沟内右侧为居民区，有张家沟58户240间居民房，河流流向在左侧，“9·24”暴发泥石流后，河流流向改为右侧，摧毁所有居民房。

3 动力学参数分析

3.1 泥石流容重

采用现场试验法确定泥石流容重值，选择有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体状态，采集三件样品，分别测出样品的总质量和总体积,按式（1）计算泥石流容重[6～8]。计算得出，支沟堆积扇泥石流容重γc＝1.891 t/m3；主沟堆积扇泥石流容重

式中：

γc—泥石流容重（t/m3）;

Gc—试验配制样品重量（t）;

V—试验配制样品体积（m3）。

3.2 泥石流流量

3.2.1 泥石流峰值流量

采用“雨洪法”计算峰值流量，即假设泥石流与暴雨同频率、同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转化为泥石流流量的假设条件下建立的计算方法[9-10]。其计算公式为：

式中：

Qc—频率为P的泥石流峰值流量（m3/s）;

Qp—频率为P的暴雨洪水设计流量（m3/s）;

φc—泥石流泥沙修正系数

γc—泥石流密度（t/m3）；

γw—清水的密度（t/m3）,取为1；

γH—泥石流中固体物质比重（t/m3）,根据实际情况取为1.96 t/m3；

Dc—泥石流堵塞系数,查经验表取Dc＝5.5。

（1）计算出不同频率的暴雨洪水设计流量,各频率下的暴雨洪水设计流量Qp计算成果见表1。

（2）按式（2）计算频率为P的泥石流峰值流量Qc,计算结果见表2。

3.2.2 一次泥石流过程总量计算

表1 不同频率的暴雨洪水设计流量Table 1 Calculation results of the design flow

表2 不同频率的泥石流峰值流量Table 2 Calculation results of the peak flow

表3 一次泥石流的总量计算参数和成果表Table 3 Parameters and calculation results of the total volume

樱桃沟泥石流为活动频繁的粘性泥石流，其爆发频率高，一般每年一次或数次，较大规模的活动10年左右一次；根据泥石流历时T和最大流量Qc，按泥

石流暴涨暴落的特点，将其过程概化成五角形，按式（4）进行计算[11]。

式中：

Q—一次泥石流过程总量（m3）；

T—泥石流历时（s）；

Qc—泥石流最大流量（m3/s）；

根据泥石流的实际情况，采用式（4）计算一次泥石流过程总量及一次冲出固体物质总量见表3。

3.3 泥石流中单块块石运动速度

以堆积后的泥石流冲出物最大粒径大体推求石块运动速度的经验公式[12]：

式中：

Vs—泥石流中大石块的移动速度（m／s）;

dmax—泥石流堆积物中最大石块的粒径（m），调查泥石流沟中最大块径2.6 m;

α—摩擦系数，全面考虑泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素，取α=4.0。

按式（5）计算可得出泥石流中大块石的移动速度为6.45 m/s。

3.4 泥石流整体冲压力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数[13]。泥石流体整体冲压力公式：

式中：

δ—泥石流体整体冲击压力（Pa）；

g—重力加速度（m／s2），取g＝9.8 m／s2；

α—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；

λ—建筑物形状系数,圆形建筑物λ＝1.0,矩形建筑物λ＝1.33，方形建筑物：λ＝1.47。

由式（6）计算可得泥石流整体冲压力为35.56 kPa。

3.5 泥石流冲起高度、爬高和弯道超高

3.5.1 泥石流最大冲起高度ΔH

式中：

Vc—泥石流断面平均流速（m/s）,按形态调查法推算Vc=3.75 m/s;

g—重力加速度（m／s2）,取g＝9.8 m／s2;

由式（7）计算可得泥石流最大冲起高度为0.72 m。

3.5.2 泥石流爬高ΔH

泥石流在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响,其爬高ΔH计算式：

式中：

b—迎面坡度的函数。

由式（8）计算可得泥石流爬高ΔH为1.15 m。

3.5.3 泥石流的弯道超高

泥石流在弯道凹岸处有比水流更加显著的弯道超高现象；根据弯道泥面横比降动力平衡条件,推导出计算弯道超高的公式[13]：

式中：

Δh—弯道超高（m）；

R2—凹岸曲率半径（m）,实测R2=6 m；

R1—凸岸曲率半径（m）,实测R1=4.5 m；

VC—泥石流流速（m/s）。

由式（9）计算可得泥石流的弯道超高0.41 m。

本文计算结果与泥石流情况实际情况吻合，动力学参数计算结果较为可靠的，基本反映了樱桃沟泥石流的流量特征，研究结果能够指导沟谷泥石流防治工程理论计算工作。

4 结论

（1）汶川地震前，樱桃沟历史上发生过两次泥石流，是一个低频泥石流；地震后流域内崩塌、滑坡发育，改变了樱桃沟的泥石流形成条件，在“9·24”强降雨条件下地震当年即发生泥石流。地震后樱桃沟演变为高频—暴雨—沟谷型泥石流沟。

（2）樱桃沟泥石流沟流域面积18.50 km2，沟两岸在地震前植被发育，地震后植被覆盖率降低，残坡积物发育。多条支沟内大量松散体在“9·24”强降雨作用下，冲出汇集于樱桃沟和通宝沟，成为泥石流的物源区；张家沟为泥石流流通区；张家沟出口及张家沟与都坝河交汇段为泥石流堆积区。

（3）基于动力学理论计算，樱桃沟泥石流的流体密度为1.686 t/m3；泥石流峰值流量见表2；一次泥石流过程总量见表3；泥石流流速为6.06 m/s,大块石的运动速度为6.45 m/s;泥石流整体冲压力为35.56 kPa；泥石流的最大冲起高度0.72 m,爬高1.15 m弯道超高0.41 m。

[1]陈晓清,崔鹏,赵万玉.汶川地震区泥石流灾害防治时机的研究[J].四川大学学报（工程科学版）,2009,41,（3）: 125-130.

[2]陈宁生,黄蓉,李欢,等.汶川“5·12”地震次生泥石流灾害应急判别方法与指标[J].山地学报,2009,27,（1）:108-114.

[3]崔鹏,韦方强,何思明,等.“5·12”汶川地震诱发的山体灾害及减灾措施[J].山地学报,2008,26,（3）:280-282.

[4]谢洪,钟敦伦,娇震,等.2008年汶川地震重灾区的泥石流[J].山地学报,2009,27（4）:501-509.

[5]钟敦伦.论地震在泥石流活动中的作用[M].重庆:科技文献出版社重庆分社，1981，30-35.

[6]余斌.根据泥石流沉积物计算泥石流容重的方法研究[J].沉积学报，2008,26（5）:789-796.

[7]余斌.不同容重的泥石流淤积厚度计算方法研究[J].防灾减灾工程学报,2010,23（2）:78-92.

[8]吴积善,田连权.泥石流及其综合治理[M].北京:科学出版社.1993.

[9]周必凡.泥石流防治指南[M].北京:科学出版社,1991.

[10]张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1994.

[11]陈光曦,王继康,王海林.泥石流防治[M].北京:中国铁道出版社,1983:22-77.

[12]周必凡,李德基,罗德富,等.泥石流防治指南[M].北京:科学出版社,1991:125-129.

[13]国土资源部,中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/ T0220-200,泥石流灾害防治工程勘查规范[S].2006.

Geological Characteristics and Dynamics Features of the Debris Flow in Yingtao Gully of Beichuan County,Sichuan Province

SHI Shu-ran,TU Liang-quan,SHEN Wei-li
(The Second Geo-exploration Institute of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration&mineral Develop ment, Xu Chang,461000,China)

The debris flow in Yingtao gully is a typical gully debris flow,which is located in Beichuan County, "5.12"Earthquake epicenter,Sichuan Province.Based on the basic features of the valley,the characteristics of the debris flow and forming conditions like topography,water source and sediment sources,are firstly analyzed. Then according to the dynamic parameters,the bulk density,flow rate,flow capacity and sediment flush-out,are calculated.It is suggested that the fluid dense of debris flow is 1.686 t/m3，flow rate is 6.45 m/s,whole impact force is 35.56 kPa,maximum surge wave height is 0.72 m,debris flow climb-up is 1.15 m,super elevation in bend is 0.41 m.The results can offer theory basis for setting debris flow control structure reasonably.

Yingtao gully;debris flow;geological characteristic;dynamic parameter

P694

A

1672－4135（2013）04－0034-05

2013-01-13

四川省地震灾后恢复重建地质灾害防治专项

师书冉（1977-），女，工程师，2010年7月毕业于中国地质大学（北京）资源勘查工程专业，本科学历，主要从事地质灾害防治工作，E-mail:34350129@qq.com。