泥石流灾害特征值计算探讨

(新疆地质工程勘察院，新疆 乌鲁木齐 830091)

泥石流是山区较为常见的地质灾害。在中国西南地区，每年因泥石流地质灾害的爆发，造成的损失相当巨大，泥石流灾害的防治显得非常重要。作为泥石流防治工程的重要设计参数，泥石流的特征值在防治工程设计经济合理性、技术可信性及安全可靠性方面是关键的技术参考。

1 研究区概况

研究区位于阿勒泰地区青河县塔克什肯镇萨尔布拉村的萨尔布拉克沟。研究区为一个涵盖泥石流形成-流通区、堆积区以及泥石流灾害影响区的区域，通过水文分析，萨尔布拉克沟流域集水面积579 km2(包括蒙古范围内流域)。年平均气温最高2.5℃(1998年)，多年平均降雨量约为172.2 mm。萨尔布拉克泥石流沟为布尔根河支流，主要补给源为泉水、大气降水补给，为一常年性流水沟，年均流量为0.85 m3/s，流域平均宽度11.6 km，河道纵坡27.95‰，50 a一遇的洪水流量为35.4 m3/s。

研究区地貌上属于低山丘陵地貌，总体地势北高南低，东高西低，高程在1 110～1 600 m，相对高差490 m左右，地形向南倾斜。勘查区北部，地形坡降较为陡，平均坡降10%～20%；勘查区南部，地形坡降较为平缓，平均坡降3.0%～7.0%；纵观整个勘查区域，类似向南倾斜的“箕”形。沟谷整体呈树枝状，坡降约1.6%，泥石流沟主沟上游呈“U”型、中游呈“V”型、下游为宽沟谷；是泥石流的主要流通通道，呈近南北走向,总长约23.5 km，宽70.0～300.0 m不等；主沟两侧支沟较发育，支沟为水源和物源的提供区，支沟大多东西向展布，沟长800～7 000 m不等，宽5～20 m之间，纵坡在2.5%～13%之间，支沟两侧基本无松散堆积物覆盖，仅在支沟沟谷中分布有松散残坡积物，厚约0.2～1.8 m。主沟中有常年性流水，在沟中呈串珠状分布，水量不大，支沟只在降水及冰雪融水时有洪水。勘查区出露地层主要为奥陶系、石炭系和第四系。研究区泥石流类型主要为：冰川型、坡面侵蚀型、沟谷型、低频、水石型泥石流、稀性泥石流。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流流速

为了给泥石流防治工程提供所必须设计参数，根据水分析计算报告，结合本次勘查野外试验成果对泥石流的流速(Vc)进行计算。

计算方法

(1)

φ=(γC-γW)/(γH-γC)

(2)

式中：γH为泥石流固体物质比重；R为计算断面的水利半径，可用平均泥痕深度(水深)；I为泥石流水力坡度；n为泥石流沟床的糙率系数；φ为泥石流泥砂修正系数；γC为泥石流流体重度；γW为清水重度(该公式适用于稀性泥石流流速的计算)。

2.1.1 泥石流流体重度(γC)、泥石流固体物质比重(γH)

根据泥石流灾害史调查、现场泥石流特征调查、收集到的以往泥石流发生照片资料分析以及现场天然密度实验结果确定泥石流固体物质比重(γH)为2.49 t/m3(见表1)；结合《泥石流灾害防治工程勘查规范》表G.2数量化评分(N)与重度、(1+φ)关系对照表的经验数值，确定泥石流流体重度(γC)为1.53 t/m3；根据泥石流流体稠度特征表(见表2)，说明萨尔布拉克村泥石流沟泥石流呈稠浆状。

表1 泥石流中固体物质天然密度试验统计表

表2 泥石流流体稠度特征表

2.1.2 平均泥深(R)和泥石流水力坡度(I)参数的选取

本次勘查,主沟内共完成泥痕剖面测量7处，经过分析，选取自泥石流沟流通区至下游选择代表性6处，根据泥痕剖面测量结果及泥石流主沟纵沟沟道剖面测量，计算泥深、泥石流水力坡度及过流断面面积(见表3)。

表3 泥痕剖面参数一览表

注：各泥痕断面处水力坡度均由泥石流主沟纵沟沟道剖面测量得出。

2.1.3 泥石流沟床的糙率系数(n)参数的选取

根据科学出版社出版的《农田水利工程》中的相关规定。河道弯曲，沟床内无草树，河岸较陡，沟床为砾石、卵石等地层时，糙率系数取值范围为0.03

2.1.4 泥石流泥砂修正系数(φ)参数的选取

通过前述泥石流灾害史调查、访问、现场泥石流特征并结合《泥石流灾害防治工程勘查规范》确定的经验数值：泥石流流体重度γC =1.53 g/cm3及泥石流固体物质比重γH=2.49 t/m3代入泥石流泥砂修正系数公式1-2中计算得出，泥石流泥砂修正系数(φ)为0.55。

为了验证前述泥石流体重度及泥石流固体物质比重所取经验值的可靠性，将泥石流数量化评分(N)77分，泥石流流体重度1.53 g/cm3和泥石流泥砂修正系数0.55代入《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)附录表G.2中，查出对照表中泥石流固体物质比重γH=2.492 t/m3与所取经验值γH=2.49 t/m3，数值基本一致，说明取值较可靠。

将选取的各参数，代入公式1中进行计算，计算得出泥石流流速为Vc，计算结果见表4。

表4 泥石流流速计算一览表

2.2 泥石流峰值流量计算方法

2.2.1 现场形态调查法

在泥石流沟道中选择几个测流断面。断面选在沟道顺直、断面变化不大、无阻塞、无回旋、上下沟槽无冲淤变化、具有清晰泥痕的沟段。仔细查找泥石流过境后留下的痕迹，然后确定泥位，最后测量这些断面上的泥石流流面比降，泥位高度和泥石流过流断面面积等参数。用相应的流速计算公式，求出断面平均流速后，即可求出泥石流断面的峰值流量。

Qc=Wc·Vc

(3)

式中：Qc为泥石流峰值流量；Wc为泥石流过流断面面积；Vc为泥石流流速。

2.2.2 雨洪计算法

Qc=(1+φ)Qp·DC

(4)

式中：Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；Qp为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s)；φ为泥石流泥砂修正系数(2)；DC为泥石流堵塞系数(按表5确定)。

表5 泥石流堵塞系数Dc值

2.2.3 现场形态调查法

萨尔布拉克沟泥石流防治工程以拦挡50 a一遇的泥石流进行设计，因此，泥石流计算按50年一遇选取参数，泥石流过流断面面积按6条泥痕剖面来计算。

2.2.4 雨洪计算法

本次暴雨洪水计算选择(1-1＇至6-6＇泥痕剖面)进行，计算50 a一遇洪峰流量、流速和选择断面处洪水水位等参数，为防治工程设计提供设计参数。根据《新疆青河县塔克什肯镇萨尔布拉克沟水文分析计算报告(详见附件)》，设计暴雨洪水洪峰流量(Qp)见表6。

泥石流泥砂修正系数为0.55；根据表8结合泥石流主沟实际情况，萨尔布拉克沟全长23.5 km，沟道弯曲度中等，坡度不大，泥石流形成-流通区河道比较顺直；形成区不集中。因此确定为萨尔布拉克沟沟为堵塞情况一般，泥石流堵塞系数取经验值1.7。

表6 设计洪水洪峰流量一览表

说明：由于萨尔布拉布拉克沟泥石流灾害类型为冰雪融水型，经过分析比较，水文比拟法计算出的洪峰流量与实际情况最接近，因此选35.4 m3/s。

2.2.5 现场形态调查法

将选取的各参数，代入公式3中进行计算，计算结果见表7。泥石流峰值流量(Qc)为8.53～92.26 m3/s，泥痕剖面的位置都选择在形成-流通区下部约2 km长的沟道中，按照理想状态，峰值流量应呈现为从上游到下游流量逐渐增大的趋势，但是通过计算得出的峰值流量无规律可循，分析原因主要为：(1)该泥石流沟最近一次发生泥石流是在2010年4月，而勘查工作是在2013年7月进行的，泥石流的痕迹随着时间的推移，已经比较模糊，不易准确的判断；(2)该泥石流沟为塔克什肯镇与萨尔布拉村之间的交通要道，在2010年发生泥石流灾害后，镇政府对沟中损毁的道路进行的简易的修补，破坏了泥石流冲毁后的地形特征，造成了泥痕调查中的误差。

因泥石流属于冰雪融水性泥石流，在计算水量时，可以用面积作为水量的比较参数，在选取的6条泥痕剖面中，最上游和最下游的泥痕位置处的流域面积相差1.7%，说明流量相差也在1.7%左右，防治工程位置就在这6条剖面之间，所以流量的计算参数近似取同一值。

综合上述因素，为保证防治工程的安全性，考虑将峰值最大值作为本次泥石流防治的工程参数进行计算。

表7 泥石流峰值计算一览表

2.2.6 雨洪计算法

将选取的各参数，代入公式4中进行计算，泥石流峰值流量(Qc)，计算结果见表8。

表8 泥石流峰值流量(Qc)计算结果一览表

通过形态调查法和雨洪法两种方法对50 a一遇泥石流峰值流量进行计算，计算结果分别为92.26 m3/s、93.2 m3/s，由此可见，两种计算方法所求结果基本一致，说明计算结论真实可靠。

最终，泥石流峰值流量(Qc)取值为93.2 m3/s。

2.3 一次泥石流总量计算

一次泥石流总量根据泥石流历时T(s)和最大流量(m3/s)进行计算，计算公式如下：

Q=KTQc

(5)

当10 km2

F=5～10 km2，K=0.113；

F=10～100 km2，K=0.037 8；

F>100 km2，K<0.025 2。

参数的选取。根据泥石流汇流面积579 km2，确定K=0.025 2；根据调查访问情况，2010年4月19日，青河县气温上升高，冰雪融化进入高峰期，萨尔布拉克沟所在流域爆发洪水，洪水从早晨11点左右，一直持续到下午4点30分左右，泥石流历时按330分钟，即T=19 800 s；泥石流峰值流量(Qc)为93.2 m3/s。

计算结果。将选取的各参数，代入公式5中进行计算，计算结果见表9。

表9 一次泥石流总量(Q)计算结果一览表

2.4 一次泥石流冲出的固体物质总量

2.4.1 计算方法

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

(6)

式中：γC为泥石流重度(t/m3)；γW为清水的重度(t/m3)；γH为泥石流固体物质比重(t/m3)。

2.4.2 参数的选取

泥石流流体重度(γC)为1.53 t/m3；泥石流固体物质比重(γH)为2.49 t/m3；清水重度(γW)为1.0 t/m3，一次泥石流总量(Q)为46 503 m3。

2.4.3 计算结果

将选取的各参数，代入公式6中进行计算，计算结果见表10。

表10 一次冲出的固体物质总量(QH)计算结果一览表

2.5 泥石流中石块运动速度

2.5.1 计算方法

(7)

式中：Vs为泥石流中大石块的移动速度(m/s)；dmax为泥石流堆积物中最大石块的粒径(m)；a为全面考虑的摩擦系数，3.5

2.5.2 参数的选取

根据现场调查结果，泥石流堆积物中最大石块的粒径为0.35 m；摩擦系数(a)取4.0。

2.5.3 计算结果

将选取的各参数，代入公式7中进行计算，计算结果为：

2.6 泥石流整体冲击压力

2.6.1 计算方法

(8)

式中：δ为泥石流整体冲击压力(Kpa)；g为重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角(°)；为泥石流重度(KN/m3)；Vc为泥石流流速(m/s)；λ为建筑物形状系数，矩形建筑物取1.33。

2.6.2 参数的选取

泥石流对拟建坝的整体冲压力按拦挡坝进行计算，按拟建拦砂坝坝体与泥石流冲压方向的夹角为90°；泥石流重度为14.6 KN/m3；拟建坝按矩形考虑，建筑物系数取1.33，流速按各泥痕剖面处流速进行分别计算。

2.6.3 计算结果

将选取的各参数，代入公式8中进行计算，计算结果见表11，泥石流体整体冲压力δ为4.76～26.68 KPa。

2.7 泥石流最大冲起高度

2.7.1 计算公式

(9)

式中：△H为泥石流最大冲起高度(m)；Vc为泥石流流速(m/s)，其它参数含义同前。

2.7.2 参数的选取

流速按各泥痕剖面处流速进行分别计算。

2.7.3 计算结果

将选取的各参数，代入公式9中进行计算，计算结果见表11，由计算结果可知：泥石流最大冲起高度△H为0.12～0.69 m。

3 泥石流特征值结论可信度评价

本次计算泥石流特征值的可信度从以下几个方面进行评述。首先各计算公式的选取是按规范要求进行，公式选取正确；泥石流流量(泥石流特征值中的主要参数)计算采用两种方法进行相互验证，且结果基本吻合，可信度高；其次，各计算公式中的参数均为现场通过各种手段获得，如：泥石流固体物质重度通过现场重度试验获得、泥石流沟纵坡通过地形测量获得、泥痕高度和泥石流过流断面根据现场测量获得、泥石流发生历时根据现场调查访问获得，因此，各参数选取依据充分，可信度高。综上，泥石流特征值的计算结论是真实可信的。

表11 泥石流峰值计算一览表

4 结语

研究区位于青河县塔克什肯镇萨尔布拉克沟中，布尔根河北侧，萨尔布拉克村泥石流沟地貌单元为低山丘陵区；区内主要赋存基岩裂隙水和松散岩类孔隙水。对萨尔布拉克村泥石流沟布设七条泥痕剖面，选取六条作为水文计算断面，通过计算，得到泥石流特征参数：暴雨洪峰流量35.4 m3/s，泥石流流速3.67 m/s，泥石流峰值流量92.26 m3/s；一次泥石流过程的总量46 503 m3，一次固体物质总量为16 541 m3。

[1]新疆水文水资源局.额尔齐斯河地表水评价报告.2006.2.

[2]新疆水文水资源局.工程水文分析计算.2003.2.

[3]泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T0220-2006).

[4]泥石流灾害防治工程设计规范(DZ/T0239-2004).

[5]岩土工程勘察规范(2009年版)(GB50021-2009).

[6]工程岩体试验方法标准(GB/T50266-1999).

[7]水利学.中国建筑工业出版社.

[8]农田水利工程.科学出版社.