寺沟泥石流冲击力对影响因素的敏感性分析

杨尚远，赵 怀

(1.中广核工程有限公司，广东深圳518124；2.甘肃地质工程勘察院，甘肃张掖734000)

寺沟泥石流冲击力对影响因素的敏感性分析

杨尚远*1，赵 怀2

(1.中广核工程有限公司，广东深圳518124；2.甘肃地质工程勘察院，甘肃张掖734000)

泥石流整体冲击力和石块冲击力对不同因素的敏感性存在明显差异，以寺沟泥石流为例，在取得水文与环境地质条件资料、设计频率下的各因素基准值和各因素变动范围基础上，最终分析比较寺沟泥石流整体冲击力和石块冲击力对10个因素的敏感系数。据此做出相应的治理措施建议，确定冲击力计算中需提高精度水平的参数。

寺沟；泥石流冲击力；影响因素；敏感系数

1 概述

中国是泥石流多发的国家，泥石流暴发造成的损失是巨大的。在泥石流危险评估和防治工程设计中泥石流冲击力是最重要的力学参数[1]，在泥石流综合治理中如何有效地减小泥石流冲击力变得尤为重要，比较泥石流冲击力对各影响因素的敏感性，对在泥石流综合治理中提出科学合理的治理措施、在防治工程设计中提高泥石流冲击力的计算精度具有重要意义。

唐川等根据岩石的不同种类及软硬程度对岩土体进行分类，对岩性进行泥石流敏感性计算[2-3]等等。本文抽取泥石流冲击力的10个影响因素：流域面积、沟槽纵坡度、年最大24h降雨量均值、汇流参数、降雨历时等于24h的径流系数、泥石流密度、堵塞系数、建筑物形状系数、受力面与冲击力夹角、石块质量，引入敏感系数概念，定义敏感系数计算公式，比较各因素对泥石流整体冲击力、石块冲击力的敏感系数，以寺沟泥石流为例进行敏感性比较、做出寺沟泥石流综合治理措施建议和确定冲击力计算中需提高精度水平的参数。

2 敏感性分析方法

泥石流冲击力分为泥石流整体冲击力和石块冲击力，需分别计算敏感性，如图1所示。步聚如下：

图1 泥石流冲击力敏感性分析技术路线

（1）泥石流整体冲击力和石块冲击力受各种内在因素和外部因素变动的影响，诸如气温、降雨、岩土类型与性质、植被、流域、泥石流沟形态、人为活动等，抽取泥石流整体冲击力和石块冲击力的10个影响因素：流域面积、沟槽纵坡度、年最大24h降雨量均值、汇流参数、降雨历时等于24h的径流系数、泥石流密度、堵塞系数、建筑物形状系数、受力面与冲击力夹角、石块质量。

（2）选择10个因素的基准参数，计算基准条件下泥石流整体冲击力和石块冲击力，在此基础上变动其中的某一参量，其它参数固定不变，计算出该参量在其变化范围内变动时冲击力随之变化的结果。

（3）根据上述计算结果，引入敏感系数S：

式中，对于泥石流整体冲击力，η1=， η2=；对于石块冲击力，η1=， η2=，ΔX为某因素的变化量，Xmax-Xmin为某因素最大变化量，Δδ、ΔG为δ、G对应ΔX的变化量，δO、GO为δ、G的基准值。

（4）根据计算结果绘制各因素 X的Sδ-X、SG-X曲线，比较各因素基准值处的敏感系数大小，分析总结，做出泥石流综合治理措施的建议和确定冲击力计算中需精度水平的参数。

其中，传统泥石流流速是按

计算，在实际应用中式（2）的泥石流流速计算精确度不高[4]，所以本文应用推理公式计算清水流理[5]（计算方法在此不赘述），据此计算泥石流流量，由于应用推理公式计算泥石流流量计算精度较式（2）计算精度高，试采用公式（3）来计算泥石流流速：

式中：QC——泥石流流量；

A——过泥断面面积。

3 冲击力敏感性分析

3.1 水文与环境地质条件

寺沟泥石流位于甘肃省陇南市武都县玉皇乡。东靠黄坪乡，西邻三河乡，北连郭河乡，南与琵琶乡接壤，寺沟沟口位于福津河右侧石家村。沟口地理坐标东经105°12′12″，北纬33°18′45″。其气象条件见图2。流域平面形态近似“残月”形，流域内沟谷分布形态呈“桃叶”形，流域平均纵向长度约6.47km，平均宽度2.08km，流域面积13.5km2。流域最高点位于山尖上，海拔高度2500m，最低点位于寺沟与福津河交汇处，海拔高度1180m，相对高差1320m。全流域沟谷为深切割“V”型谷，具有岸坡陡峻、切割深度较大等特点。主沟纵长3.05km，主沟形成点即两支沟交汇处高程为1800m，与沟口相对高差620m，主沟平均纵坡降203.5‰，其中上游沟段纵坡陡峻，平均纵坡360.9‰，而下游至岷江入口段纵坡略缓，纵坡150‰～180‰，且呈现陡缓相间的空间变化特征。沟脑两条支沟主沟道长分别为3.58km、1.64km，左侧支沟沟谷比降125‰，右侧支沟沟谷比降183‰。沟槽总体上较为狭窄，形态呈“U”形，沟槽宽度20～80m，但局部地段也较为狭窄，形成宽窄相间的变化特点，局部形成卡口。

图2 寺沟气象要素图

按照不同分类方法，寺沟为暴雨型、坡面侵蚀型、沟谷型、高频、稀性、衰退期泥石流。

3.2 各因素参数选取与敏感性计算

寺沟泥石流治理工程按2%的设计频率设计，10个影响因素的基准值见表1，各因素最大值、最小值确定如下：

表1 泥石流整体冲击力、石块冲击力在各因素基准值处对各因素的敏感系数

（1）流域面积。根据遥感资料，我们发现上游左岸部分流域有可能通过工程措施使其减小，面积为Fmax=13.5km2，Fmin=12.6km2。

（2）主沟纵坡度。对寺沟调查发现寺沟各段沟槽纵坡度不同，上游沟段纵坡陡峻，平均纵坡度20°，下游至岷江入口段纵坡低缓，平均纵坡度8.5°,则选取βmax=20°，βmin=8.5°。

（3）年最大24h降雨量均值。对寺沟多年的降雨量统计发现在不同年代计算出的年最大24h降雨量均值在86～93mm内变动，确定-H24max=93mm，-H24min= 86mm。

（4）汇流参数。因寺沟流域系数为2.71，查《汇流参数值表》可知，此流域系数下的汇流参数的变化范围为0.2～1.3，选取mmax=1.3，mmin=0.2。

（5）降雨历时等于24h的径流系数。查《降雨历时等于24h的径流系数表》可知，据寺沟最大24h降雨量、流域内土体类型可能变化情况，确定αmax=0.75，αmin= 0.6。

（6）泥石流密度。泥石流密度的下限为清水密度，上限为 1900kg/m3，则 γCmax=1900kg/m3，γCmin= 1000kg/m3。

（7）堵塞系数。查《堵塞系数表》可知堵塞系数在1～13内取值，则DCmax=13，DCmin=1。

（8）建筑物形状系数。圆形建筑物为1.0，矩形建筑物为1.33，方形建筑物为1.47，则λmax=1.47，λmin= 1.0。

（9）受力面与冲击力夹角。取θmax=90°，θmin=0°。

（10）石块质量。此设计频率下泥石流能够搬运的最大石块质量为Wmax=3073kg，Wmin=0kg。

按照敏感性计算步骤得出各因素不同值对应的敏感系数，绘制敏感系数—影响因素回归曲线，并确定曲线函数表达式，见图3～图12。

图3 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—流域面积关系曲线

图4 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—主沟纵坡度关系曲线

图5 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—年最大24h降雨量均值关系曲线

图6 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—汇流参数关系曲线

图7 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—降雨历时为24h径流系数关系曲线

图8 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—泥石流密度关系曲线

图9 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—堵塞系数关系曲线

图10 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—建筑物形状系数关系曲线

图11 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—受力面与冲击力夹角关系曲线

图12 泥石流整体冲击力、石块冲击力敏感系数—石块质量关系曲线

图3～图12说明，在设计频率下，泥石流整体冲击力和石块整体冲击力对10个因素的敏感性大小有较大差异。

4 结论与建议

寺沟泥石流整体冲击力对堵塞系数、汇流参数、泥石流密度3个因素的敏感性大，对主沟纵坡度、建筑物形状系数、降雨历时等于24h的径流系数、年最大24h降雨量均值、流域面积5个因素的敏感性中等，对受力面与冲击力夹角的敏感性小，对石块质量不具敏感性。

寺沟泥石流石块冲击力对堵塞系数、汇流参数、泥石流密度、石块质量4个因素的敏感性大，对主沟纵坡度、降雨历时等于24h的径流系数、年最大24h降雨量均值、流域面积4个因素的敏感性中等，对受力面与冲击力夹角的敏感性小，对建筑物形状系数不具敏感性。

综述，对于寺沟泥石流整体冲击力和石块冲击力，堵塞系数、汇流参数、泥石流密度、石块质量为敏感性大的因素，提出以下建议：

（1）由于4个因素的变化对泥石流整体冲击力和石块冲击力影响较大，在寺沟泥石流冲击力计算中须提高4者的精度水平；

（2）在寺沟泥石流综合治理过程中要控制寺沟泥石流的整体冲击力和石块冲击力，关键在减小寺沟的堵塞系数、汇流参数、泥石流密度、石块质量。开展以下措施：

①堵塞系数由流通区沟槽弯曲度、宽窄不均匀性、泥石流粘性稠度决定，治理中需排除流通区中的大石块，平直顺畅流通区，减少生活垃圾向泥石流沟的排放，减小径流对物源区粘性土的冲蚀，在物源区积极植树造林；

②汇流参数由雨洪特征、清水汇集沟槽特性、土壤植被、流域特征系数决定，泥石流治理时需增加清水汇集区的植被覆盖率特别是灌土林的覆盖率、增加形成区沟槽的大卵石、大砾石的数量、杜绝开垦梯田；

③泥石流密度由降雨量、物源区岩土类型与性质、植被覆盖率所影响，泥石流治理中应增加植被覆盖率、治理物源区的不良地质灾害（如崩塌、滑坡、危岩体）、增加出露岩土体的强度减小其风化速度；

④石块质量受石块重度、石块体积、石块强度的影响，在物源区应防止大石块进入流通区，排除流通沟槽的大石块，同时对物源区的不良地质灾害进行治理。

[1]费祥俊，舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]唐川.金沙江流域(云南境内)山地灾害危险性评价[J].山地学报,2004,22(4):451-460.

[3]唐川.云南怒江流域泥石流敏感性空间分析[J].地理研究, 2005,24(2):178-185.

[4]中国科学院成都山地灾害与环境研究所.泥石流研究与防治[M].四川：四川科学技术出版社，1989.

[5]叶镇国.土木工程水文学[M].北京：人民交通出版社，2000.

P642.23

A

1004-5716(2015)03-0019-05

2013-06-05

2014-03-31

杨尚远（1975-），男（汉族），广西灵山人，工程师，现从事地质环境灾害预测与防治工作。