云南省新平县他拉河泥石流特征及防治措施研究

王应科,张春梅

(云南地质工程第二勘察院勘探分院,楚雄　675000)



云南省新平县他拉河泥石流特征及防治措施研究

王应科,张春梅

(云南地质工程第二勘察院勘探分院,楚雄675000)

摘要：通过现场勘查、调查，发现他拉河泥石流的发生主要受该区地形条件、物源条件和水源条件的影响。在深入分析该泥石流运动的基本特征值及其危害的基础上，提出拦挡、排导和植物措施相结合的防治建议。

关键词：他拉河；泥石流；形成机理；特征值；防治措施

1引言

他拉河泥石流位于云南省新平县，地处红河断裂、哀牢山断裂北东侧，这里是地震及次生地质灾害易发地区。2003年6月16日凌晨2时左右，新平县境内普降暴雨，暴发了泥石流，对下游村民、公路造成了严重威胁和一定程度的破坏。在本次泥石流爆发前，2003年6月初，新平县内持续降雨，降雨量和降雨强度巨大，6月16日，当日降雨量达到72.8 mm，激发了本次泥石流的发生，主要发生区域是他拉河流域，通过走访当地居民得知，此次泥石流从6月16日凌晨2点发生至5点结束，历时3 h泥石流倾泻而下，造成村民房不同程度受损，有2幢房屋被冲倒，冲走牛3头、猪1头，公路受阻中断，部分农作物受损，直接经济损失约50余万元。通过调查分析该区域发生泥石流灾害的可能性依然很大。

2泥石流形成条件

2.1地形条件

本次泥石流爆发的区域位于构造剥蚀中山地貌区。河流以下蚀作用为主，山高沟深，切割严重，在地形上是三面环山，沟床宽窄相间，中游弯曲，下游近南北向，较顺直。他拉河泥石流发源于北东侧小水井山一带，主沟长约3.63 km，流域面积2.30 km2，相对高差800 m。平均纵坡降约220.4 ‰。平均坡度30°，近分水岭处坡度35°～50°，由此可见，他拉河泥石流属陡峭而强烈切割地形，并有较大的沟床纵坡，所以，他拉河泥石流具有泥石流发育的首要条件——有利地形。

2.2物源条件

区内出露地层为侏罗系中统(J2s)石英砂岩、长石石英砂岩夹泥岩，岩层倾向北西。受区域构造影响，岩层节理裂隙强烈发育，岩体破碎，风化强烈。同时由于沟谷岸坡陡峭，纵坡降较大，具有较强的冲刷、裹挟能力的洪水对岸坡坡脚产生强烈的冲刷作用，致使岸坡岩土体发生滑坡、崩塌，如H1滑坡、B1崩塌等，从而成为他拉河泥石流最主要的物源。

他拉河上游沟谷和沟底都存在较多的松散物源，大多由碎块石组成，期间充填泥砂，长期被水浸泡，易风化崩解。根据泥石流近期勘查数据，利用8个横坡面和一个总坡面分段计算，再加上中下游的1个崩塌和上游的的5个滑坡体堆积物总共物源约245.85×104m3。

2.3水源条件

他拉河流域处于高原季风气候区，降雨较为丰沛，年降雨量的70%左右集中在5～10月，且7～9月间多出现持续降雨及单点暴雨。他拉河泥石流沟水源区(主要汇水区)面积占流域总面积近55%以上，使泥石流沟谷能在较短时间内形成洪水，为泥石流的形成提供丰富的水源条件。

3泥石流特征值确定及计算

泥石流爆发时，可以表现出种种不同的运动方式和动力学特征，并且不同类型的泥石流所表现出的特征也各不相同，因此，对泥石流的动力学特征值作深入的分析研究，可以有助于更好的认识泥石流，同时也为进行泥石流防治工程设计提供科学合理的参数。

3.1泥石流基本物理参数确定

(1) 泥石流流体重度(ρc)

泥石流流体密度(ρc)采用形态调查法和现场调查试验综合确定。形态调查判定泥石流流体近似水石流；现场调查流体密度介于1.3～1.50 t/m3。建议值取1.45 t/m3。

(2) 泥石流固体颗粒密度(ρH)

他拉河泥石流堆积物以碎石、块石、角砾等粗颗粒为主，其成分以石英砂岩、长石石英砂岩为主，根据经验取2.30 t/m3作为泥石流固体物密度的建议值。

3.2泥石流流量计算

采用雨洪修正法[2]对泥石流流量进行计算。

(1) 清水流量计算

采用中国水利科学院所提出的小汇水面积计算。

计算公式：Qp=0.278r×i×F

式中，Qp为暴雨洪峰流量(m3/s)；i为暴雨径流系数,取0.8；F为汇水面积(km2)；r为小时雨强(mm/h)。

据可查的气象资料显示，2003年雨季暴雨小时雨强(P=2%)为72.8 mm。计算结果见表1。

表1　暴雨洪峰流量计算表

(2) 泥石流峰值流量计算

计算公式：Qc=Qp×(1+φ)×Dc

式中,Qc为泥石流峰值流量(m3/s)；Qp为清水洪峰流量(m3/s)；φ为泥石流修正系数，φ=(γc-γw)/ (γH-γc)，计算得0.529；γc为泥石流容重，γc=1.45 t/ m3；γH为 固体物质比重，γH=2.30 t/ m3；γw为水的比重，γw=1；Dc为泥石流堵塞系数，Dc=1.1。泥石流堵塞系数取值根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》[1]和《工程地质手册》[3]第六篇第三章(泥石流)推荐的云南东川7 a中40个观测资料验证的值，在经综合分析而选取。计算结果汇总于表2。

表2　泥石流峰值流量计算表

3.3泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流运动性质的最重要参数之一。目前泥石流计算公式仍为经验公式和半经验公式，由于他拉河泥石流属于稀性泥石流，采用西南地区(铁二院)稀性泥石流计算公式。

a=(ρH·φ+1)1/2

式中,VC为泥石流平均流速(m/s)；1/n为清水河床糙率系数；a为泥石流修正系数；ρH为泥石流固体物质密度(t/m3)，取2.3 (t/m3)；RC为水力半径，一般用平均水深H(m)代替；Ic为泥石流水力坡度(‰)。

泥石流断面面积是访问当地老乡，根据了解当时泥石流厚约3.5 m,经计算得到。根据泥石流量化评分确定他拉河总得分115分，查《泥石流灾害防治工程勘察规范》[1]中的附录G2的泥沙修正系数将他拉河1+φ为1.932，清水河床糙率系数取20,计算结果见表3。

表3　泥石流断面流速计算结果表

3.4一次泥石流过程总量及固体物质总量

(1) 一次泥石流过程总量

一次泥石流过程总量Q可以通过计算法和实测发确定。实测发精度较高，但往往不具备测量条件，只是一个粗略的概算，所以按照《泥石流灾害防治工程勘察规范》[1](DT/T0220-2006)附录I提供的计算公式进行计算：

Q=KTQc

式中,Q为一次泥石流过程总量(m3)；T为泥石流历时(s)；Qc为泥石流最大流量(m/s)；当F<5 km2，K=0.202；当F=5～10 km2，K=0.113；当F=10～100 km2，K=0.037 8；当F>100 km2，K<0.025 2；他拉河泥石流回水面积2.3 km2,小于5 km2,故取0.202。

根据实地走访调查回忆，2003年他拉河发生泥石流时，历时约10 800 s；按上式计算的一次泥石流过程总量Q=6.35×104m3。计算过程见表4。

表4　泥石流一次过程总量计算表

(2) 一次泥石流冲出的固体物质总量计算

一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害治理工程勘查规范》(DT/T0220-2006)附录I提供的计算公式进行计算：

式中,QH为泥石流一次冲出固体物质总量(m3)；Q为一次泥石流过程总量(m3)；γc为泥石流重度(t/m3)；γw为水的重度(t/m3)；γH为泥石流固体物质的重度(t/m3)。

利用上面计算的一次泥石流过程冲出量，据此计算得泥石流一次冲出固体物质总量Q=2.19×104m3。计算过程见表5。

表5　泥石流一次冲出固体物质总量计算表

3.5泥石流冲击力计算

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数。泥石流冲击力计算包括整体冲压力和单个大石块冲击力计算。

(1) 泥石流整体冲压力计算公式

式中,Fδ为泥石流整体冲压力(Pa)；γc为泥石流重度(kN/m3)；Vc为泥石流流速(m/s)；g为重力加速度，9.8 m/s2；α为受力面与泥石流冲压力方向所夹的角，取90°；λ为受力体形状系数，圆形、尖端、圆端形建筑物为1.0，矩形建筑物为1.33，方形建筑物为1.47。该沟受力面主要为矩形，取1.33。据此，计算得泥石流整体冲压力F=5.98 Pa。

(2) 单个大石块冲击力计算公式

Fs=γ×Vc×sinα×W/(C1+C2)

式中,Fs为单块巨石的撞击力(N)；Vc为泥石流流速(m/s)取3.04 m/s；γ为动能折减系数，正面撞击时取0.3；α为受力面与泥石流撞击面撞击角，取90°；C1、C2为巨石与建筑物的弹性变形系数，若采用船筏与桥墩台的撞击系数，C1+C2=0.005；W为巨石重量(kg),他拉河泥石流中大块石的重量一般为50 t左右。

撞击力计算均考虑成最危险情况，即有关参数采用冲击力最大的数值，并只考虑正面撞击，计算得泥石流当个大块石冲击力Fs=9 120 N。

4防治建议

为了避免和减少泥石流再次发生所带来的威胁，通过对他拉河泥石流性质、规模、危害等方面综合研究，结合附近已有泥石流治理经验综合确定治理方案。他拉河泥石流防治措施主要采取工程和植物措施相结合的综合防治措施。

(1) 工程措施

采取以排为主、以拦为辅的工程措施。即在下游沟口村庄段，为了防止泥石流对村庄的危害，在堆积区设置东川槽，利用东川槽将泥石流引入主河垭差冲河，在中上游设谷坊坝将他拉河沟谷内大量大颗粒固体物源进行拦挡，起到反压坡脚，稳固沟床岸坡，降低沟床纵坡，减少水流对沟岸的侧蚀，使东川槽发挥最大功效。

(2) 植物措施

主要是在整个流域进行植被恢复，禁止乱砍滥伐。通过植物措施的实施，将使流域的森林植被得到保护和恢复，提高森林植被覆盖率，形成一个多层结构的有机体，发挥其涵养水源、保水固土的作用，从而起到拦截降水、保护坡面、调节径流、削减洪峰、减小地表侵蚀、增强土体的稳定性和抗蚀能力的作用，使区域内生态环境得以改善，从恶性循环过渡到良性循环。

5结语

(1) 他拉河泥石流主沟长约3.63 km，流域面积2.30 km2，相对高差800 m。平均纵坡降约220.4 ‰。平均坡度30°，近分水岭处坡度35°～50°，他拉河泥石流属陡峭而强烈切割地形，并有较大的沟床纵坡。

(2) 他拉河泥石流流域物源丰富，大约245.85×104m3。该区降雨较为丰沛，年降雨量的70%左右集中在5～10月，且7～9月间多出现持续降雨及单点暴雨。他拉河泥石流沟水源区(主要汇水区)面积占流域总面积近55%以上，使泥石流沟谷能在较短时间内形成洪水，最终导致了他拉河泥石流的发生。

(3) 该泥石流为稀性泥石流，通过对泥石流特征值计算可得，该次泥石流流速为3.04 m/s，泥石流峰值流量为62.63 m3/s，一次泥石流物源总量为2.19×104m3，其中固体物质总量为245.85×104m3，泥石流整体冲压力5.98 Pa，大块石冲击力为9 120 N，该泥石流发生后他拉河上游依然存在大量物源，在降雨等不利工况下仍有发生泥石流的可能。

(4) 他拉河泥石流防治措施主要采取工程和植物措施相结合的综合防治措施。

工程措施：采取以排为主，以拦为辅的工程措施。即在下游沟口村庄段，为了防止泥石流对村庄的危害，在堆积区设置东川槽，利用东川槽将泥石流引入主河垭差冲河，在中上游设谷坊坝将他拉河沟谷内大量大颗粒固体物源进行拦挡，起到反压坡脚，稳固沟床岸坡，降低沟床纵坡，减少水流对沟岸的侧蚀，使东川槽发挥最大功效。

植物措施：主要是在整个流域进行植被恢复，禁止乱砍滥伐。通过植物措施的实施，将使流域的森林植被得到保护和恢复，提高森林植被覆盖率，形成一个多层结构的有机体，发挥其涵养水源、保水固土的作用，从而起到拦截降水、保护坡面、调节径流、削减洪峰、减小地表侵蚀、增强土体的稳定性和抗蚀能力的作用，使区域内生态环境得以改善，从恶性循环过渡到良性循环。

参考文献

[1]中华人民共和国国土资源部.泥石流灾害治理工程勘查规范[S].2006:2.

[2]刘传正.地质灾害勘查指南[M].北京：地质出版社，2000:158.

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册(第4版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2006:563.

E-mail:383179679@qq.com

XINPING COUNTY HE RIVER IN YUNNAN PROVINCE DEBRIS FLOW CHARACTERISTICS AND CONTROL MEASURES

WANG Ying-ke,ZHANG Chun-mei

(Yunnan geological engineering and the second survey Chuxiong exploration branch，Chuxiong675000,China)

Abstract:Site survey, the survey found that the river he pulled landslides occurred mainly due to topography the region, the impact of the source material conditions and water conditions. On the basis of in-depth analysis of the basic characteristics of the debris flow hazards on the value of its proposed Landang, discharge prevention recommendations guide and plant a combination of measures.

Key words：Terah River; debris flow; formation mechanism; eigenvalue; prevention measures

文章编号：1006-4362(2016)02-0015-04

收稿日期：2016-02-01改回日期：2016-03-20

中图分类号：P642.23

文献标识码：A

作者简介：王应科(1981-)，男，云南人，本科，环境地质专业，工程师，主要从事地质灾害防治工程勘察、设计工作。