空心寨沟沟谷型泥石流动力学特性研究

2020-11-10戴志清毕丹李贵朋石风格王忠福王博

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2020年5期

戴志清, 毕丹, 李贵朋, 石风格, 王忠福, 王博

(1.中国能源建设集团科技发展有限公司,北京 100029; 2.中油辽河工程有限公司,辽宁盘锦 124010; 3.华北水利水电大学,河南郑州 450046)

泥石流是一种三相混合体,由石、砂、土等固体物质、水及气体组成,在重力作用的驱动下沿山坡或者沟谷运动,是地质灾害中常见且经常产生灾难性后果的灾害之一[1-2]。泥石流通常是突发性的,具有较长的运移距离和较强的冲击力,对山区的村庄和基础设施项目造成巨大威胁[3-4]。系统开展泥石流的发育特征及动力学特性分析，对泥石流的危险性分析、危害范围确定及防治工程措施制定都具有重要意义[5-6]。国内外很多学者已对其开展了大量的研究。罗健等[7]从地形地貌、物源分布、降雨特征等方面研究了龙王沟泥石流的动力学特征。田树峰等[8]通过现场调查、现场试验及无人机航测,分析了绵九—平武段高速泥石流的动力学参数特征,同时研究了其危害性及危害范围。唐川等[9]通过卫片解译、现场调查等方法,对映秀镇红椿沟泥石流的形成机制及动力学过程特征进行了研究。王纯祥等[10]采用深度积分的二维数值模型，结合GIS模拟了泥石流的动力学过程及危害范围。OUYANG C J等[11-13]利用基于深度积分的Massflow数值分析方法进行了滑坡、泥石流等地质灾害动力学过程的数值模拟,还原了真实灾害的发生过程。倪化勇等[14]通过设计室内物理模型试验,利用人工降雨技术对暴雨条件下冲沟型泥石流的形成演化机理及动力学特征开展了系统的研究。以上研究主要集中在泥石流的动力学特征及动力学过程上,对泥石流的形成因素及致灾机制研究较少。

本文以四川省松潘县岷江乡新塘村空心寨沟泥石流为研究背景,采用地面调查、室内试验、现场试验、定性分析及定量评价相结合的方法,分析空心寨沟泥石流的基本特征,确定动力学相关参数,同时总结泥石流的形成影响因素、分布规律及致灾机制。相关研究结论可为空心寨沟泥石流防治措施的选择及设计提供重要参考。

1 研究区域地质环境

1.1 地理位置

空心寨沟泥石流位于四川省松潘县岷江乡新塘村岷江右岸。泥石流分布区地理坐标为：北纬32°26′58.1″,东经103°40′15.2″,该处距松潘县县城约60 km。空心寨沟泥石流沟口处分布有新塘村,同时213国道通过该处,交通便利。

1.2 气象水文

研究区域在气候分区上属于川西高原气候Ⅱ区。该区域的西北部气候寒冷干燥,东南部则相对较湿润温和。气象资料显示,该区域多年来平均气温5.9 ℃,极端最高气温30 ℃,极端最低气温-21 ℃。每年5月至10月上旬降水量约占全年降水量的80%,多年平均降雨量为723.2 mm,多年平均蒸发量达1 127.1 mm,多年平均相对湿度为64%。根据统计的水文资料显示,该区域20 min最大降水量为21.4 mm,1 h最大降水量为25.3 mm,24 h最大降水量为45.5 mm。图1为松潘县1971—2000年30 a间的月平均降雨量。

图1 松潘县1971—2000年月平均降雨量

1.3 地形地貌

空心寨沟流域总体上属深切构造侵蚀中山及高山地形,泥石流沟由白相房沟、中干槽沟、沙路堂沟及帽子沟汇集组成。沟域内整体上地形陡峻,临空地形富足,为沟域内发育崩塌、滑坡、不稳定斜坡等不良地质现象提供了条件,同时为沟域内泥石流固体物源的汇集及流通提供了有利条件。沟域形态为细长条形,上游宽度30～80 m,下游宽度50～200 m。沟域面积21.28 km2,主沟长9.4 km。沟域分布不对称,左侧地形坡度较陡峭,分布有老滑坡体和崩塌,右侧较窄且地形陡峭,可见滑坡和坡面流发育。主沟沟域内最高点高程为4 321.5 m,位于西北侧尼地山峰,最低点高程为2 657.0 m,位于空心寨沟汇入岷江河口处,相对高差达1 664.5 m。地貌分区如图2所示。

1.4 地层岩性

研究区域主要出露的地层有第四系松散堆积层(Q4)和三叠系中统杂谷脑组(T2z),详细地层岩性特征如下：

2)三叠系中统杂谷脑组(T2z)。区域内以三叠系中统杂谷脑组(T2z)的钙质泥质砂板岩为主,局部夹炭质砂页岩。因其组成物质不同,岩层的结构、构造有所区别。主要在沟道右岸山坡陡崖处以基岩露头的形式展现,易风化,强风化层厚度5～10 m;岩体裂隙发育,岩石整体上破碎,多呈碎块状。

1.5 地质构造

研究区域地处中国南北向地震带,区域发育有岷江、雪山及虎牙3条主要的断裂带。区域内地震活动较频繁,场地地震烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.20g,地震动反应谱特征周期为0.40 s。松潘县的地震与活动断裂的受力方向基本一致,为地震多发县,由地震引发的地质灾害较为多见。1976年，小河强烈地震,引发山崩、河道堵塞,泥石流冲毁农田、村庄等,危害严重。

1.6 水文地质条件

根据地下水赋存条件,将研究区域内地下水划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两种类型。

1)松散岩类孔隙水。多分布于斜坡及河流阶地地带,通常是指富集在第四系松散堆积物中的孔隙水,受降雨及地表水补给的斜坡地带的地下水,常由高向低沿着土层内部孔隙以及相对密实隔水层径流,途中部分进入基岩裂隙中参与基岩裂隙水的补给,部分在沟谷等地势相对低洼处以泉的方式排泄。此类地下水具有季节性,流量受季节性影响较大,雨季后一般枯竭,分布不均,无统一地下水水位,水量一般较小。受降雨、地表水及河水侧向补给的河流阶地处地下水,分布相对较均匀,有统一的地下水位,水量较大。

2)基岩裂隙水。该类地下水主要包括构造破碎带裂隙水以及变质岩裂隙水两类,多赋存于三叠系中统杂谷脑组(T2z)砂质板岩、石灰岩、砂页岩裂隙中。由于研究区域处于断层破碎带上,岩体破碎加之裂隙发育,为地下水的赋存创造了有利条件,加之溶蚀溶孔、溶隙作用,可形成富水区。

1.7 人类工程活动

研究区域内人类工程活动相对较强烈,主要包括村民生产生活开挖用地和砍伐树林等。大量的耕种开挖用地和砍伐树林,破坏了表层土体的原生稳定结构以及植被根系对土体的维稳控制作用,造成土质松散。当遇到地表径流时,松散的土层将发生水土流失，从而给沟床输送大量的固体物质,促进了泥石流的发育及形成。

2 泥石流的基本特征

2.1 沟谷特征

空心寨沟位于岷江乡新塘村,呈近南北向展布,由北向南流入岷江。沟系呈条带状,整体上沟道顺直,局部有小拐弯,沟谷形态多呈“U”字形。沟道上游多为小冲沟,宽度2～3 m,深度1～2 m,呈“V”字形,植被覆盖率85%以上。空心寨主沟位于空心寨沟右侧,沟道长9 400 m,平均纵坡降177‰,沟域内高程分布范围为2 657～4 321.5 m,上游宽度为30～80 m,下游宽度为50～200 m,沟道整体顺直,以下切为主。泥石流平面图如图3所示。

图3 泥石流平面图

2.2 泥石流物源分布特征

空心寨沟物源结构松散,主要来源为老滑坡堆体和泥石流堆积体。据现场调查,以上堆积体集中堆于沟底和两岸,处于不稳定～潜在不稳定状态。沟谷上游以下切作用为主,坡降较大,堆积体物源主要分布在该处,因此，启动泥石流的可能性较大。在遇到强降雨时,堆积体可能发展成为空心寨沟泥石流的启动物源,同时靠坡脚的堆积物起动的可能性较大。当沟谷内流量不断增大时,则很有可能继续引发沟中潜在不稳定物源启动成为泥石流物源。综合以上分析,在目前条件下,一旦遇到特大或大暴雨,形成较大规模泥石流的可能性就会增加,从而威胁到新塘村的安全。

2.3 形成区特征

从地形特征上看,泥石流形成区域为中高山地貌,沟谷较宽,沟道内有泥石流暴发后停积的固体物质。沟底高程3 110～4 170 m,最大高差为1 060 m，沟谷长度约5 100 m；两侧山体较陡峭,坡度25°～54°。特殊的地形创造了优良的地表汇水条件,泥石流汇水面积达13.7 km2。泥石流沟道宽度为30～50 m，总体较顺直,岸坡陡峭且纵坡坡降较大,沟道多呈“V”形,以冲刷下切作用为主,侧岸掏蚀为辅。沟床内地质灾害发育,存在多处崩坡积物,主要以碎块石土为主,粒径一般在0.5 m以下,部分粒径达到1.5 m,崩坡堆积物为泥石流的补充物源,对引发泥石流也起到非常重要的作用。

2.4 流通区特征

泥石流流通区如图4所示。流通区主要通过改变泥石流的动力学参数从而对泥石流的流通运动产生影响。在流通区沟道比降较大处,泥石流下泄便会得到加速,同时泥石流的流速、冲击力、破坏力等便会同步增大;反之，则减小。空心寨沟的泥石流流通区高程为2 702～3 440 m,最大高差达738 m,整个流通区面积约6.4 km2,沟长约4 865 m,坡降为139.7‰。沟道宽20～80 m,沟道两侧坡体的自然坡度多大于70°。

图4 泥石流流通区

泥石流过后,底部堆积物中岩块较多；中上部为块石体堆,黏粒含量较少;上部植被较发育,以灌木、乔木为主;表层多为植腐层。沿沟道发育有数处滑坡堆积体,方量多为1 500～50 000 m3,为泥石流的发育提供了一定物源补给,一旦泥石流发生,这些物质直接参与到泥石流中。沟道底部多处形成跌水,坎落落差2～5 m。在泥石流过后,沟道泥痕稀少。

2.5 堆积区特征

作为泥石流主要泛滥场所的堆积区,是泥石流危害最大的区域。通常,堆积区的坡度较缓,泥石流在此处所受的阻力会增大,导致其流速减小,并沿途不断堆积。空心寨沟堆积区长约1 000 m,宽约300 m,面积约0.3 km2,高程为2 702～2 650 m,最大高差约50 m,平均纵坡降166.7‰。空心寨沟沟口附近主要为冲洪积堆积物,两侧为岷江一级阶地。空心寨沟冲沟是在一级阶地上改造而成的,沟内常年流水,雨季以洪流为主。对空心寨沟堆积扇的颗粒组成进行了大量测试,结果表明：堆积物以碎石、块石为主；堆积物的颗粒组成中以粒径21～40 cm的块石为主，粒径10～20 cm的碎石次之。泥石流堆积区如图5所示。

图5 泥石流堆积区

3 泥石流形成机制分析

1)丰富的松散固体物质条件。空心寨沟所在区域地质构造复杂,松潘断裂从沟两侧斜坡通过,新构造运动抬升强烈,导致岩体破碎,同时第四系松散层分布范围广且厚度大。因此，松散固体物质储量达到57.1×104m3,堆积的大量松散物质成为泥石流发生的物源基础。同时，地震严重破坏了该区域岩土体原始的稳定状态。2008年“5·12”汶川特大地震叠加后续多次余震的反复作用,导致该区域山体及堆积体变得松散，从而引发多处山体滑坡、崩塌等地质灾害,进一步为泥石流的发生提供了物源。

2)适宜的地形条件。空心寨沟主流域的地形较陡,平均纵坡降177‰,特别是上游陡坡区纵比降高达212.3‰。陡峭的沟道为泥石流的形成提供了有利的势能条件。

3)充足的水源条件。空心寨沟区域位于四川盆地西北边缘,降雨充沛,多年平均降雨量达723.2 mm,最大年降雨量达940 mm。据松潘县气象资料,该区域全年降雨量的75%～80%都集中在5—10月份,并且降雨量随地形的增高而加大。丰富的降雨为泥石流暴发提供了充足的水源条件。

4 泥石流特征值分析

4.1 泥石流流体类型

泥石流堆积物是泥石流暴发后残留下来的松散堆积物，这些堆积物一般分布在流通区和堆积区。通过对泥石流堆积物的分析,可以判断出泥石流的性质。由于空心寨沟泥石流为发生过的泥石流,经现场试验，采用称重法测得堆积物密度为1.90 t/m3,据此判定空心寨沟泥石流为黏性泥石流。

4.2 泥石流流速

流速是表征泥石流流动性质的重要参数。目前，关于泥石流流速的计算公式中，将泥石流类型主要分为两大类,即稀性泥石流和黏性泥石流。空心寨沟泥石流为黏性泥石流,参考《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2006)[15],黏性泥石流的流速计算公式为：

(1)

式中：VC为泥石流的流速,m/s;nC为黏性泥石流沟床的粗糙率;R为水力半径,m;I为泥石流的水面坡度或沟床纵坡，‰。不同频率P下，空心寨沟泥石流流速的计算结果见表1。

表1 不同频率下空心寨沟泥石流的流速

4.3 泥石流流量

在雨洪法中常假设泥石流与暴雨同频率、同步发生,依据水文方法计算出断面在不同频率下的暴雨洪峰流量,对应的计算公式如下：

QC=QP(1+φ)DC,

(2)

φ=(γC-γW)/(γH-γC),

(3)

(4)

SP=HtPtn3-1,

(5)

(6)

式中：QC为频率P时泥石流的洪峰值流量,m3/s;QP为频率P时暴雨洪水的设计流量,m3/s;φ为泥石流泥沙修正系数;γC为泥石流的密度,t/m3;γW为清水的密度,t/m3;γH为泥石流中固体物质的密度,t/m3;DC为泥石流堵塞系数;τ为汇流时间，s;L为主沟长度,km;J为沟道纵比降,‰;m为汇流参数;μ为产流参数;SP为频率P时的雨力,mm/h;HtP为设计频率P下最大t小时暴雨量;n、n3为暴雨参数。

不同频率P下,空心寨沟泥石流的流量数据计算结果见表2。