“7·10”连山大桥泥石流运动特征与沟道堵溃分析

胡桂胜, 陈宁生, 游　勇, 李　俊

(中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室, 中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041)



“7·10”连山大桥泥石流运动特征与沟道堵溃分析

胡桂胜, 陈宁生, 游勇, 李俊

(中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室, 中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041)

[摘要]计算 “7·10”四川省汶川县连山大桥泥石流运动参数，分析泥石流运动与堵溃特征，揭示“7·10”连山大桥泥石流灾害成因，为合理选择泥石流治理方案提供科学依据。通过对连山大桥泥石流灾害进行的现场勘查、泥石流运动特征参数(泥石流容重、流速、流量、一次总量及冲击力)的计算、沟道泥石流堵溃特征的分析，结果表明连山大桥泥石流为黏性泥石流，主沟泥石流流速为4.2～9.3 m/s，配方法计算得到的泥石流峰值流量(41.8 m3/s)远小于形态调查法得到的流量(出山口176.4 m3/s)，百年一遇泥石流一次总量为6 620 m3，块石最大冲击力为4 955 kN。“7·10”连山大桥泥石流灾害主要成因为泥石流在运动过程中发生2次堵溃，泥石流流量剧增。针对连山大桥泥石流沟现状，进行泥石流工程治理和监测预警工作是十分必要的。

[关键词]连山大桥泥石流；运动特征参数；堵溃

Analysis of dynamic characteristic parameters and block and

2013年7月10日凌晨3点至12日上午8点，汶川县7条沟暴发泥石流灾害。其中，耿达乡幸福沟泥石流掩埋了部分大熊猫研究中心和部分灾后重建房屋；威州镇七盘沟泥石流造成了人员死亡与失踪、房屋被淹甚至冲毁；G213线羊店1组(绵虒镇羊店村)后山坡面泥石流掩埋了都汶高速该路段和部分羊店村1组居民房屋；G213线锄头沟(绵虒镇羌锋村)掩埋了G213线、造成了3人伤亡；G213线桃关沟泥石流(银杏乡桃关村)造成了桃关沟工业园区8家工厂受损、2个电站损毁、桃关村安置区696人受灾；绵虒镇高点村瓦窑沟泥石流造成高点村27户民房、绵虒服务区配电房被掩埋；G213线连山大桥(银杏乡原连山村)泥石流造成了都汶高速连山大桥段、G213线该路段损毁严重、交通完全中断，岷江河段淤积2～3 m。上述沟道在历史上都曾发生过泥石流，部分沟道在近期泥石流活动依旧十分活跃，频繁的泥石流灾害对当地居民的生命财产、交通安全构成严重威胁，并制约着当地社会经济的发展。笔者以连山大桥泥石流为例，通过实地勘察与分析对其运动特征参数和堵溃特征进行分析，以期为合理选择泥石流治理方案提供科学依据，也为该区域泥石流研究奠定基础。

1研究区概况

连山大桥沟位于汶川县银杏乡原连山村，是岷江左岸的Ⅰ级支沟，沟口即都汶高速公路连山大桥及G213线。沟口地理坐标为东经103°29′49″，北纬31°11′24″，国道G213与都汶高速贯穿堆积区前缘，交通便利。研究区位于长江流域的岷江水系，属东南季风气候向干旱半干旱气候的过渡地带，即漩(口)映(秀)地区湿润气候向威(州)绵(虒)地区半干旱气候过渡地带。据汶川气象站的资料，区域内年最大降雨量为618.8 mm，月最大降雨量为211.1 mm，日最大降雨量66.7 mm。据阿坝州水文水资源勘测局资料，连山大桥附近河段设计洪峰流量按设计频率1%、2%、5%分别为3 630 m3/s、3 270 m3/s、2 790 m3/s，断面平均流速为4.1～5.4 m/s。

研究区地形总体上属于深切割侵蚀、剥蚀构造中山地形，沟域内总体上地形陡峻，形态为葫芦形，属“V”型沟谷。该沟道纵向长1.34 km，流域最高海拔高度为2 184 m，最低点沟口海拔高度为1 025 m，相对高差为1 159 m；陡坡沿南北向展布，上部陡峻，坡度约60°，局部地方近于直立，中下部由于崩坡积及泥石流堆积体而较为平缓，约30°～35°。流域面积小，主沟短而较顺直，两侧谷坡坡度在35°～45°，平均纵坡降约为483‰，非常有利于泥石流的形成。沟域内由于受茂汶断裂和映秀断裂的控制，在其围限的断块上，出露地层较为单一，主要为晋宁-澄江期的第四期花岗岩和第三期的斜长岩、闪长岩。

2泥石流运动特征参数计算与分析

2.1泥石流容重

泥石流容重确定方法主要采用了配样法和统计分析方法[1]。

经询问曾见过泥石流发生性状的村民，将浆体搅拌成当时泥石流浆体浓度(其中主要参照2013年7月10日和7月12日泥石流的性状，见图1)并称质量，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度(表1)。

陈宁生等通过对中国西南地区大量泥石流沟的资料统计，提出泥石流黏土颗粒(<0.005 mm)含量与泥石流容重存在以下关系[2]

表1　连山大桥泥石流容重配方法计算结果

图1　泥石流容重现场配样Fig.1　The method of completing the square of debris flow density

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6

+8.91×102x5-55x4+34.6x3

-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中：γc泥石流容重；g取9.8 m/s2；x为泥石流堆积物中黏粒占粒径<60 mm的含量。

通过对研究区典型泥石流原状堆积物进行样品采集并进行室内颗粒分析试验，依据式(1)，各沟黏粒含量及泥石流容重计算结果见表2。

表2　利用黏粒含量计算容重的计算结果

泥石流的容重通常随着其规模的变化而变化，因而泥石流的性质也会随着规模的变化而变化。泥石流容重与暴发频率的关系，目前研究较少，也没有相应的规范。查阅有关资料发现[3,4]，据不完全统计，100年一遇以内的泥石流的容重与频率有一定的关系[5]，即

γc′=γc+0.122lnp′;p′=0.01T

(2)

式中：γc′为不同频率泥石流的容重；γc为百年一遇泥石流容重；p′为暴发频率系数；T为泥石流暴发周期。

依据公式(2)推算出各沟不同频率泥石流的容重值见表3。

2.2泥石流流速

结合中国西南山区泥石流的特征，采用下面泥石流流速计算公式计算泥石流流速(vc)。

表3　连山大桥沟不同频率泥石流容重值

(1)稀性泥石流[6,7]

(3)

其中

式中：Mc为稀性泥石流沟床的糙率系数；a为阻力系数；rc为泥石流水力半径，通常用泥深来代替；Ic为泥石流水力坡度；γc为泥石流流体容重；γw为水的容重，取10 kN/m3；γs为泥石流固体物质的容重，取26.5～27.0 kN/m3。

(2)黏性泥石流[6,7]

(4)

式中：nc为泥石流沟糙率；rc为泥石流水力半径，通常用泥深来代替；Ic为泥石流水力坡度。

根据各沟勘测的泥石流洪痕断面,选取相关参数，计算出各沟不同断面流速(表4、图2)。

2.3泥石流流量

泥石流流量是泥石流工程治理最为重要的参数之一[8]。对于非观测泥石流，其计算方法主要有形态调查法和雨洪法。

2.3.1形态调查法

根据泥石流暴发时留下的痕迹(泥痕)确定该次泥石流的最高泥位，并通过调访确定在最高泥位的泥石流通过后，断面变化的情况。“7·10”连山大桥泥石流流量计算结果如表5。

2.3.2雨洪法

先按水文方法计算出不同频率下小流域的暴雨洪峰流量[9]，然后考虑沟道的堵塞情况，选用堵塞系数，按下式计算泥石流流量。

采用雨洪法计算的连山大桥沟暴雨洪峰流量结果如表6。

表4　连山大桥沟不同断面泥石流流速计算结果

图2　连山大桥泥石流沟纵剖面图Fig.2　The longitudinal profile map of the Lianshan bridge gully

根据连山大桥沟道特征，其泥石流堵塞系数(Dc)取3和2，计算出不同断面的不同频率泥石流的峰值流量(表7)。

对比表6和表7的计算结果，采用形态调查法求得的泥石流峰值流量计算结果普遍远大于雨洪法求得的结果，主要原因是沟道存在堵溃，致使泥石流峰值流量成数倍增加。雨洪法未能考虑这一情况，因此，“7·10”泥石流峰值流量采用表6形态调查法计算求得的结果。

表5　连山大桥沟形态调查法泥石流流量计算结果

表6　连山大桥沟暴雨洪峰流量计算结果

表7　连山大桥沟泥石流峰值流量计算结果

2.4泥石流一次总量和固体物质总量

根据泥石流历时t和最大流量Qc，通过断面一次泥石流浆体总量Wc由(5)式[6,7]计算，其结果见表8。

(5)

研究发现，一次泥石流浆体总量与一次泥石流固体物质的总量存在一定的关系[8]。对于连续性的泥石流，一次泥石流固体物质总量(Ws)与浆体总量(Wc)的关系如(6)式，其结果见表8。

(6)式中：γw为水的容重；γc为泥石流的容重；γs为固体物质的容重；cv为泥石流中土体的体积浓度。

表8不同频率下的一次泥石流总量和固体物质总量

Table 8　The calculation results of the total volume of one debris flow

2.5泥石流冲击力

泥石流冲击力是泥石流治理工程设计的重要参数，包括泥石流流体动压力和泥石流最大颗粒的冲击力。

2.5.1泥石流流体动压力计算

泥石流流体是非均匀流体，其内部结构和冲击过程十分复杂，本文从理论公式出发，选取根据实测资料而进行修正的理论公式[10]

(7)式中：F为泥石流冲压力；λ为建筑物形状系数，矩形建筑物λ=1.33；vc为泥石流平均流速；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，取90°。计算结果见表9。

表9　连山大桥沟泥石流整体冲压力计算结果

2.5.2泥石流最大颗粒的冲击力计算

目前泥石流大颗粒冲击力的确定还没有形成系统的计算方法，本文选取应用较广泛的弹性碰撞法来计算大石块的冲击力[11]

F=Kcna2/3

(8)

n1=1/m2。

式中：Kc为修正系数，一般取0.1；Rs2为大颗粒半径；μ1、μ2为材料和球体(石块)的泊松比；m2为石块的质量；E1、E2为材料和石块的弹性模量；v为石块的相对速度。

通过对各泥石流沟进行全面调查，测量沟床中泥石流搬运的最大石块的平均直径为3.2 m，石块相对流速取泥石流浆体流速的70%，采用弹性撞击法进行泥石流流体中最大石块的冲击力计算。泥石流最大块石冲击力计算结果如表10。

表10　弹性撞击法泥石流冲击力计算结果

计算结果表明，当抗冲对象不同，最大颗粒的冲击力也相差很大。就以上4种材料来看，当抗冲物体的表面为橡胶、木材和水泥砂浆等抗冲材料时，冲击力为167～4 955 kN。

3泥石流流量过程与堵溃特征分析

根据上述形态调查法计算确定的连山大桥沟泥石流流量过程如图3所示。

从图3可以看出，连山大桥沟泥石流流量过程线有2处较为明显的流量突变，它们分别是2号断面到3号断面(流量由33.6 m3/s增加至62.4 m3/s，增加了近1倍)、4号断面到5号断面(流量由73.2 m3/s增加至157.8 m3/s，增加了1倍多)。根据对泥石流现场勘查，得出造成泥石流流量陡增的原因主要是在3号、5号断面有较大滑坡或较多的大块石(即泥石流堵溃点)。而在这些堵溃点中以5号断面处的堵溃最为严重。因为，根据上述泥石流流量过程我们可以判断连山大桥沟至少有2处堵溃点，分别是H07滑坡下游坡脚处、石皮子下游H04滑坡下游坡脚处(图4)。

图3　连山大桥沟泥石流流量过程线Fig.3　The process line of the flow in the Lianshan bridge gully debris flow

根据上述的判断方法和标准，并通过调查与统计连山大桥沟沟道较大滑坡与大块石的位置，可以得出可能存在的泥石流堵溃点(即潜在泥石流堵溃点)。从泥石流勘查现场分析(图5)，石皮子以上流域虽然比降较大，但跌坎现象不明显，因此除了H07滑坡坡脚处泥石流堵溃点以外可能不存在其他的潜在泥石流堵溃点。石皮子以下流域除了有较大的滑坡，而且跌坎现象比较明显，因此推断H02、H01滑坡坡脚处、沟口2处邻近跌坎(8号断面至9、10号断面出现跌坎较多，跌坎冲刷深度较大，平均深度约4 m。8号断面到9号、10号断面，流量由176.4 m3/s增加至198.1 m3/s，增加了22 m3/s)为潜在泥石流堵溃点(图5)。

图4　泥石流堵溃点Fig.4　The second block and burst places of the debris flow(A)第1处堵溃点(N31°11′21.43″ , E103°30′42.7″; H:1480.0 m); (B)第2处堵溃点(N31°11′21.16″ , E103°30′17.6″; H:1248.1 m)

图5　连山大桥沟潜在泥石流堵溃点Fig.5　The potential block and burst places of the debris flow

4结 语

2013年7月10日至12日，汶川县共有7条沟暴发了泥石流灾害，造成了严重的人员伤亡和财产损失。这些泥石流沟在历史上都曾发生过不同规模的泥石流，在近、现代也不同程度地出现过泥石流活动。“5·12”汶川地震后，各流域松散固体物质储量丰富，区域降水充沛，极端气候突出，加之有利的地形地貌，泥石流暴发的基本条件依然十分充足，具有再次发生泥石流的可能。特别在强震、干湿循环的气候变化环境、不合理的人类活动等因素耦合作用下，仍可能会发生超过百年一遇的泥石流。连山大桥泥石流沟就是其中的代表之一，针对连山大桥泥石流沟现状，进行泥石流工程治理和监测预警工作是十分必要的。

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[第一作者] 王维早(1976-)，男，硕士，副教授，研究方向：地质灾害防治, E-mail:wangvz2005@126.com。

burst characteristics of Lianshan bridge debris flow in

Wenchuan, Sichuan on July 10, 2013

HU Gui-sheng, CHEN Ning-sheng, YOU Yong, LI Jun

KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcesses,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,

ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China

Abstract:The paper calculates the dynamic characteristic parameters of the Lianshan bridge debris flow outbreaking disasters on July 10, 2013 in Wenchuan, Sichuan. It analyzes the dynamic characteristics and the block and burst characteristics of the debris flow gully. And it reveals the cause of the debris flow disaster. These researches provide scientific basis for selecting the prevention measures of the Lianshan bridge debris flow. The paper calculates the dynamic characteristic parameters of the debris flow including density, velocity of debris flow, flow of debris flow, total volume and impact analyzes the changing process of the debris flow, and studies the blocking and burst characteristics of the debris flow. The results show that the debris flow of the Lianshan bridge is viscous. The velocity of the debris flow is 4.2～9.3 m/s. The calculated peak flow rate of the debris flow (41.8 m3/s) by the rain flood method is far less than that by the investigation method (176.4 m3/s). The total volume of the debris flow is 0.662×104m3. The maximal impact of the debris flow is 4955 kN. The main cause is that the gully has two obvious blocks and bursts in the process of the debris flow movement, and the flow of debris flow has increased. According to the current situation of the Lianshan bridge debris flow gully, the work of the debris flow engineering management and monitoring and early warning is very necessary.

Key words:Lianshan bridge; debris flow; dynamic parameter; block and burst characteristics

[基金项目]国家重点基础研究发展计划项目(2013CB733200); 中国地质调查局项目(12120113010100); 四川省科技支撑计划项目(2012SZ0066)。

[收稿日期]2015-03-27。

[文章编号]1671-9727(2015)06-0649-09

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.02

[文献标志码][分类号] P642.23 A