不同爆发频率下的泥石流动力特征参数计算

王邦阳，杨华舒，杨在月(.大理白族自治州水利水电勘测设计研究院，大理 67000；.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 65009；.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

不同爆发频率下的泥石流动力特征参数计算

王邦阳1，杨华舒2，杨在月3
(1.大理白族自治州水利水电勘测设计研究院，大理 671000；2.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；3.云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明 650500)

通过对云南省维西县梓里沟泥石流进行现场调查，获取了梓里沟泥石流相关的数据资料，据此分别对梓里沟泥石流的容重、流速、流量、冲击力等动力学特征参数进行计算。计算结果表明：在不同爆发频率下，泥石流动力特征参数不同，且相差较大；在同一爆发频率下，不同沟段处，泥石流的动力特征参数也是不同的。

泥石流；动力特征参数；梓里沟

1 引言

泥石流动力特征参数是泥石流防治工程修建的重要参考依据，对防灾减灾有着重要的意义。一方面，由于泥石流运动的复杂性和沟谷的差异性；另一方面，由于技术条件和研究水平的限制，通常是采用经验和半经验公式计算动力特征参数值。所以，要准确计算出泥石流动力特征参数是很难的。因此，要根据泥石流存在的实际情况，综合分析，采用多种方法相结合，彼此对照，得出更加合理的计算结果。叶枝镇梓里村地处澜沧江流域，位于梓里河两岸，分布有多个村民小组，由于地形复杂，地形坡度较陡，居民多分布山区，受地震影响较大，地震次生灾害多发，原有滑坡、崩塌受地震影响产生新的变形、滑动，沟谷物源增多，容易引发泥石流灾害。在雨季形成泥石流，将威胁下游两岸居民及公路桥梁、农田。威胁梓里村452人，财产损失520万元。梓里河流域面积20.34 km2，平面形态为中上游(山区)较宽、下游(谷盆区)呈条带状，沟流源头最高峰为去云岭山脉，高程4 428 m，与澜沧江交汇口最低，高程1 801 m，主沟床平均纵坡降195 ‰。对泥石流动力特征参数的计算，有助于泥石流防治工程的合理设计，有效抑制泥石流灾害的发生，减小灾害带来的损失，加快山区经济的发展。

2 动力参数计算

由于泥石流本身所具有的特点，准确计算泥石流的动力特征参数值是很难的，主要是由于：观测条件的限制，很难直接观测泥石流的发生；试验测试技术试验测试技术和相关仪器还有不少难以突破的关键性问题，故迄今为止可以直接引用的资料还很少，大多数都是处在探讨和试验阶段[1]；受研究水平的限制，建立有实用价值的理论公式尚有困难，故现在多数计算采用经验和半经验公式，其参数往往根据观测或实验资料确定[2]。

2.1 泥石流容重

泥石流容重是泥石流动力特征参数的基本数据，也是计算其他动力特征参数的前提数据，其变化主要取决于流体中固体物质含量的变化，其主要影响因素有：松散固体物质储量、形成区坡度、沟谷汇水面积、河床纵比降大小、松散物源的岩性条件及补给方式等。通过大量的泥沙流单因素组合分析得到泥石流容重相关公式[3]：

γc=f(K1,K0,KR,KL,KA)=K1+K0KRKLKA

(1)

γc′=γc+0.122 lnP′

(2)

P′=0.01P

(3)

式中，γc为泥石流容重(g/cm3)；K1为沟床比降系数(取泥石流形成区沟床平均坡度)；K0为沟床补给系数(河床质K0=1.2，崩塌K0=1.0，滑坡K0=1.1)，取1.1；KR为岩性系数(千枚岩取0.9，页岩取0.9，玄武岩取1.0，砂岩取1.2，灰岩取1.2)，取0.9；KL为稀释系数(取泥石流形成区到源头的沟长与主沟长之比)=5.81/4.21=1.38；KA为固体物质储量系数(固体物质总储量(W)/流域汇水面积(F))0.11=(40.79/22.34)0.11=1.08；γc′为不同频率泥石流的容重(g/cm3)；γc为百年一遇泥石流容重(g/cm3)；P′为爆发频率系数(%)；P为泥石流爆发周期(a)。

2.2 流速计算

目前，泥石流流速的计算主要是采用经验和半经验公式计算得出，概括起来一般分为稀性泥石流流速计算公式、黏性泥石流计算公式和泥石流中大石块运动速度计算公式 3 类[2,4]。根据上面容重的计算可知，其容重值均在1.8 g/cm3以下，所以梓里河沟泥石流为稀性泥石流，流速按照稀性泥石流计算公式计算。

(1) 采用铁道科学研究院西南研究所推介的综合公式[5]

(4)

式中，Vc为泥石流流速(m/s)；I为泥石流水力坡度，一般可用沟床纵坡(‰)代替，形成区、流通区和堆积区分别取85 ‰、130 ‰、268 ‰；R为沟床外阻力系数，取12.9；γH为泥石流中固体物质重度，取2.60 g/cm3；R为水力半径(m)，一般可用平均水深H(m)代替；φ为泥沙修正系数：

(5)

(2) 铁道第二勘察设计院科研所推介公式，此公式[5]是由东川地区的老干沟、法窝沟和西昌地区的义农河资料改进而来。

(6)

式中，Mc为沟床外阻力系数，可由丁玉寿外阻力系数表确定，取10.2；其余符号同上。

(3) 北京市市政设计院推介公式[5]

(7)

式中，m为沟床外阻力系数，可由刘德昭外阻力系数表查得，取7.5；其余符号同上。

其中水力半径可采用公式3～6计算得出：

(8)

式中，R为水力半径(m)；W为过流断面面积(m2)；P为湿周(m)。

分别在堆积区、流通区和形成区选择3个实测断面。根据判断，该断面泥痕为2013年泥石流所留，断面泥痕较为清晰，该泥石流为10 a一遇。水力半径计算结果见表1。

表1 水力半径计算结果

上面计算所得的水力半径为梓里河泥石流10 a一遇的，如果要得到实测断面在不同设计频率下的泥石流水力半径，就需要做一个假设，即假定爆发不同频率泥石流时，其它条件均保持不变，认为各爆发频率下的泥石流水力半径与流量成正比，由此便可计算出不同爆发频率下的水力半径，进而求出各爆发频率下的泥石流流速，计算结果见表4。

2.3 流量计算

根据泥石流运动的复杂性和沟谷的差异性，流量的直接测定比较困难。因此，常采用经验性的计算模型来获得泥石流流量，本处采用配方法和形态调查法相结合来确定泥石流的流量。

(1) 配方法

配方法是在降水和洪水(泥石流)同频率的假设下，以不同频率的清水流量计算为前提，在容重确定的基础上进行不同频率泥石流流量模拟的一种方法(表2)。

QB=1.1×Kp×Kc×P2/3

(9)

Qc=QB(1+φ)Du

(10)

式中，QB为清水流量(m3/s)；Kp为年最大洪峰模数，取2.3；Kc为洪峰流量倍比系数；F为流域汇水面积，取20.34 km2；Qc为泥石流流量(m3/s)；φ为泥石流修正系数；Du为泥石流堵塞系数，取1.3。

表2 洪峰流量倍比系数表

(2) 形态调查法

根据梓里河10 a一遇泥石流冲淤情况，分别在堆积区、流通区和形成区测得3个断面面积，以及上面求出断面流速，可以求出泥石流流量，计算结果见表4。

Qc=Wc·Cc

(11)

式中，Qc为泥石流流量；Wc为过流断面面积；Vc为泥石流流速。

2.4 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。分为流体整体冲击力和个别石块的冲击力两种。

(1) 整体冲击力

泥石流对拦渣坝的整体冲击力用流体整体冲击力公式[6](12)计算：

(12)

式中,δ为泥石流体整体冲击力(Pa)；γc为泥石流容重(g/cm3)；g为重力加速度，取g=9.8 m/s2；a为建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角，取90°；λ为建筑物形状系数，取1.33(表3)。

表3 建筑物形状系数取值表

(2) 巨石冲击力按经验公式(13)计算：

(13)

式中,Fs为泥石流巨石冲击力(kN)；γ为动能折减系数，一般取0.3；Vc为泥石流流速(m/s)；α为受力面与泥石流冲击方向之间的夹角(°)；W为巨石重量(kg)；c1、c2为巨石与材料的弹性变形系数(m/kN)，取0.005。

可启动最大直径巨石采用经验公式[7](14)进行计算：

(14)

式中，d为可启动巨石直径(m)；Vc为流速(m/s)；k为考虑沟床纵坡降、颗粒形状、岩石重度等的系数(中国工程界一般取5.5)。

2.5 计算结果与分析

2.5.1 计算结果

通过对泥石流沟谷的现场调查分析，根据其沟谷特点及泥石流发生情况，选取不同的计算模型计算其动力特征参数值，计算结果见表4。

2.5.2 分析与讨论

通过对泥石流沟谷不同区域和不同发生频率下的动力特征值计算，可以从以下几个方面进行分析与讨论：

(1) 同一沟谷区域，不同发生频率

主要是分析同一发生区域内在不同爆发频率下的动力特征值变化情况，主要是以流通区分析为例。如图1所示，通过计算可以发现，在同一区域内，不同的爆发频率下，泥石流的动力特征参数值是不同的，爆发频率高，动力特征参数值小，也就是说泥石流发生越频繁，其所具有的能量就越小，其致灾能力也就越小，反之就大。这主要是与致灾因子的孕育有关，发生频率小，各致灾因子孕育的时间较长，储能与组合就较好，就越有利于爆发规模更大的泥石流灾害；频繁发生，其致灾能力就会不断消耗和减弱，发生规模也就不大。所以，在对泥石流进行防治时，不仅要关注那些泥石流多发的沟谷，也要关注那些较长时间没有发生泥石流的沟谷，并根据其现在及未来泥石流的发生情况和防治需要，采取不同的防治等级或是适当提高防治等级，做到有备无患。

表4 泥石流动力特征参数计算结果

图1 流通区不同频率下的动力特征参数变化图

(2) 同一发生频率，不同发生区域

主要是分析在同一发生频率下不同沟谷区域泥石流动力特征值得变化情况，以5%(20 a一遇)发生频率为例。如图2所示，通过计算可以发现，在同一爆发频率下，不同流经区域内，泥石流的动力特征参数值也是不同的，有从形成区向堆积区逐渐减小的趋势，这主要是由于泥石流形成、运动的复杂性及沟谷的差异性导致的。从中还可以看出由形成区到堆积区，沟床纵坡逐渐减小，流速也随之减小，水动力也不断减弱，泥石流运动减弱，完成由冲刷、搬运向堆积的过渡。在不同的发生区域，其危害方式也是不同的：形成区主要是水土流失和沟岸滑坡及崩塌为主，流通区主要是冲刷和沟岸侵蚀为主，堆积区主要是以淤埋和冲毁为主。因此，在对泥石流沟谷进行治理时，需要根据不同区域的特征采取有针对性的防治措施，才能达到事半功倍的效果。形成区主要是采取生物措施，增加植被覆盖率，减小水土流失，对不稳定斜坡进行治理；流通区主要是采取拦挡措施，抬高侵蚀基准面，减弱沟岸的侵蚀和沟床的冲刷，并拦挡沟内的固体物质；堆积区主要是采取引排措施，修建导流堤、停淤坝，快速排出和引排泥石流。

(3) 同一发生区域，同一发生频率，不同计算模型

从流速与流量的计算还可以看出，采用不同的计算模型，其计算结果会有所不同，有的甚至相差较大。雨洪法与形态法计算的泥石流流量结果相差较大，主要是由于形态调查法计算时，其断面面积不容易准确确定，只能靠推测。这主要是由于采用经验和半经验公式计算得出，而不是实测得出，每一种计算模型都有其侧重和缺点，其次就是野外获取的数据会有一定的误差存在，这些都导致了计算结果的差别。所以在获取泥石流动力特征参数值时，采取不同的计算模型相互对比印证，才能得出更加切合实际的结果。

图2 5%发生频率下不同区域的动力特征参数变化图

3 结论

通过上面的计算与分析，可以得出，同一条泥石流沟，在不同的沟谷区域，不同的发生频率下，其动力特征参数值都是不一样的，其危害性及危害方式也是不一样的。在同一发生区域内，随着爆发频率的增大，动力特征参数值逐渐降低，相差明显；相同的爆发频率，不同的沟谷区域，其动力特征值从形成区向堆积区不断减小，差异悬殊。在对泥石流沟谷进行治理时，需要进行全流域的综合治理，根据不同沟谷区域的特征采取有针对性的治理措施，才能达到事半功倍的效果，有效减弱甚至是根除泥石流灾害。

[1] 邓虎，陈宁生，胡桂胜，等.甘肃舟曲三眼峪沟泥石流动力学特征参数计算[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(4)：833-838.

[2] 吴积善，田连权，康志成.泥石流及其综合治理[M]．北京:科学出版社，1993:99-110．

[3] 王灿.四川省金川县俄郎沟泥石流发育特征及治理工程研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[4] 陈宁生，杨成林，李战鲁，等．泥石流弯道超高与流速计算关系的研究：以巴塘通戈顶沟地震次生泥石流为例[J]．四川大学学报(工程科学版)，2009，41(3):165-171．

[5] 陈宁生，杨成林，周伟，等.泥石流勘查技术[M].北京：科学出版社，2011.

[6] 周必凡，李德基，罗德富．泥石流防治指南[M]．北京:科学出版社，1991:78-102．

[7] 刘鹏.云南省永胜县青草湾泥石流形成条件与防治对策研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

作者简介：王邦阳(1988- )，男，云南威信人，硕士研究生，主要从事环境地质与工程地质研究。E-mail：284526081@qq.com

CALCULATION OF DYNAMIC CHARACTERISTIC PARAMETERS OF DEBRIS FLOW AT DIFFERENT FREQUENCY IN ZILI GULL

WANG Bang-yang1，YANG Hua-shu2，YANG Zai-yue3
(1.Dali Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation,Design and Research.Dali 671000,China;2.Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093,China；3.School oh Tourism and Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500,China)

Abstract: By the site investigation of the debris flow disaster Zili gully in weixi, Yunnan, the first-hand data of the disaster was obtained. The mud-rock volume-weight, flow, flow velocity, impact of Zili gully were analyzed and calculated based on these collected data. The calculation results show that the dynamic characteristic parameters of debris flow are different, and a big difference. The dynamic characteristic parameters of debris flow are different at the same frequency.

debris flow; dynamics parameters; Zili gull

1006-4362(2016)04-0026-05

2016-06-20改回日期： 2016-09-28

P642.23

A