青海加吾矿区玛日当沟泥石流流域分区与动力特征分析

洪 磊，王 辉，刘 坤

（1. 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2. 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710000）

0 引言

加吾矿区隶属青海省同德县巴沟乡，成矿区带上位于西秦岭汞—锑矿带西段之共和—泽库印支期汞、砷、铜、铅、金成矿亚带之内，矿产资源丰富。然而，本区大地构造位置上处于秦昆衔接部位的共和盆地内部[1，2]。作为青藏高原腹地，晚新生代以来，在印度板块北北东向推挤作用下，地壳变形强烈[3]，活动断裂极其发育，历史地震活动频繁；加之气候环境特殊、地势险要等因素造成区域上崩塌、滑坡等地质灾害效应强烈，并为孕育泥石流灾害奠定了丰富的物源基础。而矿区内玛日当沟因其特殊的沟道地形及流域特征使得该流域泥石流灾害频发，严重危害矿区矿产资源勘查及开采工作，并对沟道下游通往兴海县城公路及然果村落居民的人身安全形成极大隐患（图1）。因此，开展该沟泥石流的调查工作，有效预防灾害的发生显得尤为必要。

探究泥石流动力特征是指导预防此类地质灾害发生的关键，国内外有关泥石流动力特征的研究成果已相当丰富。由于对泥石流动力特征研究的现实意义主要落实在灾害防治工作上，所以有关此领域的研究多是针对具体的泥石流灾害进行的。譬如，2010 年，宋志等[4]对贡嘎山东坡雅家埂河特大型泥石流动力特征作了详细分析，并在此基础上反演泥石流运动过程，分析其形成机理；江岳安等[5]对四川康定江咀沟泥石流动力特征做过调查研究；张自光等[6]对都江堰市八一沟泥石流同样获得过动力特征方面的研究成果。尽管如此，大多数已有研究成果多局限于丘陵-低中高山地区的泥石流灾害，而对于海拔在3000m 以上的青藏高原区内因受人类采矿活动影响的矿山型泥石流灾害的动力特征研究相对较少。本文以高原地区矿山型泥石流灾害为对象，在分析前人研究成果资料基础上，结合矿区地质灾害的实际调查结果，对矿区玛日当沟泥石流灾害的动力特征作系统分析，以期为该区泥石流的防治工作提供科学依据。

1 泥石流发育背景

玛日当沟流域位于加吾矿区中部偏北，全长可达4.16km，沟道迂回曲折，总体走向北东，呈往南东向凸起的弓形展布，支沟不发育（图1），流域面积约6.06km2，沟床平均比降192‰，两侧山体坡角多在70°以上。沟道下游沟口海拔约2900m，上游山顶海拔高度近4000m，垂直高差约达1000m。然而就局部地形而言，下游段因河水切割作用地形相对高差可达40～50m；中上游段因整体抬升，相对高差较小，约为10～20m；最上游泥石流形成区山高坡陡，相对高差超过60m。

图1 玛日当沟地形及流域分区特征图Fig.1 The terrain and watershed partition characteristics of Maridang gully

流域内地层岩性主要为碳质板岩、砂质板岩以及第四系松散堆积物，碳质板岩原岩主要为含碳质泥岩或页岩，变质程度低，抗压性能差，性脆易破碎，含碳质较多易沿层间滑动；砂质板岩极易风化破碎；第四系地层未经充分压实，土质疏松。此外，矿区内人类采矿工程活动所形成的剥土及矿渣更是任意堆放，这些均为泥石流的发生提供了充分的物质来源。

区内气候属典型的大陆高原型，据同德县气象局资料，该区年平均降水量300～400mm，每年5—9 月份为主要降水期，其中在7—9 月份常有特大暴雨。矿区内的河流主要为黄河，另有规模较小的黄河支流水系发育，汛期为5—9 月份。尽管该区年降雨量相对较少，但季节分配不均匀，过于集中在7—9 月份，该时期降雨量占全年降雨量的70%以上。如此密集程度的降雨，必然导致雨量的增加，为该地区泥石流的暴发提供了充足的水动力条件。

2 泥石流流域分区特征

2.1 形成区

玛日当沟上游形成区为高陡的山脊围成的“V”字型山谷，三面环山，一面出口，呈半圆弧形。该区海拔高程在3300～3560m 之间，面积约为1.41km2，主沟长约1.14km，宽度较小，在2～4m 间不等，山坡坡角可达30°～60°，沟床平均纵坡降265‰。坡面上常发育有许多冲沟，区内植被覆盖较好，基岩裸露不明显（图2），仅在沟道两侧出露，岩性以砂质板岩为主，表层风化强烈，节理裂隙和各类结构面发育，岩石较为破碎，易崩落滑塌。沟道内多为风化强烈的碎石及块石，颗粒较大，粒径大多集中于2～8cm 之间。

图2 玛日当沟泥石流形成区形态特征Fig.2 Morphological characteristics of debris flow formation area at Maridang gully

2.2 流通区

玛日当沟流通区段沟谷位于海拔高程2950～3300m 之间，面积约为2.77km2，沟长约2.75km，宽约5～15m，谷壁坡角超过60°，沟床平均纵坡坡降较之形成区明显变缓，约为149‰。沟道内松散固体物质主要为碎石，颗粒粒径大多在2～8cm 之间，另有采矿弃渣及风化形成的残坡积物，颗粒较小，粒径小于2mm 且以砂粒居多，粉粒与粘粒亦有所发育。沟道两侧植被破坏明显，基岩出露，岩性多为炭质板岩与砂质板岩，岩体风化破碎，节理裂隙发育。沟道局部地段坡度很大，近直立产出，形成4处跌水现象，高度在0.5～2m 之间（图3）；另有一处卡口现象发育，宽度仅为1～2m（图4）。

图3 跌水（E）Fig.3 Waterfall（E）

图4 卡口（W）Fig.4 Bayonet（W）

2.3 堆积区

玛日当沟堆积区地形平缓，古泥石流堆积扇发育，位于海拔高程2930～2950m 之间，长度接近0.3km，沟床纵坡降仅为78‰。沟道两侧坡体植被破坏明显，水土流失严重，出露地层以第四系为主。在距离沟口不远处是一条通往兴海县城的公路，再往西是然果村村落以及探矿人员的营房（图1、5）。因此，一旦暴发泥石流，不仅影响矿山的安全生产，而且对下游公路设施及人员的生命财产安全也构成极大威胁。

图5 玛日当沟泥石流堆积区形态特征（W）Fig.5 Morphological characteristics of debris flow accumulation area at Maridang gully（W）

3 动力学特征

3.1 泥石流容重

现场调查实验、经验公式以及形态调查结合相关规范综合确定等是确定泥石流容重的几种主要方法。本文在对玛日当沟泥石流易发程度（表1）进行评分的基础上，计算得出数量化评分（N）值，再利用其与泥石流容重及（1+φ）之间的关系对照表（表2），确定泥石流流体的容重[7]。

表1 玛日当沟泥石流易发程度评判表

表2 数量化评分（N）值与流体容重及（1+φ）关系对照表（部分）

据表1、2，确定玛日当沟泥石流的流体容重约为γc=1.710t/m3，呈稀粥状，为稀性泥石流或水石流。既然泥石流是地形、物源及水动力条件综合作用的产物，那么确定泥石流容重也必然要考虑水动力条件的影响。泥石流灾害防治工程勘查规范DZ/T0220-2006[7]是在引入泥石流暴发周期这一时间概念的前提下，将泥石流水动力条件影响因素定量化，给出以下经验公式：

其中，γc′为泥石流设计容重；T 为泥石流暴发周期。

据公式1 计算得出玛日当沟泥石流设计容重（表3）。

表3 玛日当沟泥石流不同设计暴发频率下容重值

3.2 泥石流流速

国内外有关泥石流流速的计算方法很多，有理论的、半理论的以及经验的。玛日当沟为典型的沟谷型稀性泥石流，同时考虑到研究区地处西北地区，故采用适合西北地区的稀性泥石流计算公式更为合理。本文选取三种不同的推荐公式（表4） 综合确定泥石流流速。

表4 泥石流流速计算推荐公式

据野外实际调查结果，结合类似经验，取γH=2.70t/m3、R=H=1.25m、J=0.192、mc=15，求得不同设计暴发频率下泥石流流速平均值（表5）。

表5 玛日当沟泥石流不同设计暴发频率下流速值

表6 泥石流堵塞系数Dc 值

3.3 泥石流峰值流量

本文采用雨洪修正法计算玛日当沟不同设计暴发频率下的泥石流峰值流量。假设泥石流暴发频率与暴雨频率相同，且同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部变成泥石流流量。先利用水文方法《小流域暴雨洪峰流量计算》[10]计算小流域内断面在不同暴雨频率下的洪水峰值流量（推理公式5），再利用东川公式（6）计算泥石流峰值流量[11]：

其中：Qp为洪水峰值流量；Qc为泥石流的峰值流量；ψ 为洪峰径流系数；Sp表示设计频率为P 的暴雨雨力（mm/h），即最大1h 的暴雨量；τ 为汇流时间（h）；n 为暴雨参数；F 为流域面积（km2）；Dc为堵塞系数（表6），Φ 同前；

表7 玛日当沟泥石流峰值流量计算过程表

公式5、6 中各计算参数值依据当地气象资料与《小流域暴雨洪峰流量计算》[10]确定，玛日当沟设计频率下的最大暴雨量、暴雨特征参数、沟谷特征以及泥石流峰值流量计算结果如表7所示。

4 结论

（1） 玛日当沟流域具有暴发泥石流灾害的有利地形、物源以及水动力条件；

（2） 玛日当沟为标准型泥石流沟，流域分区特征显著；

（3） 玛日当沟泥石流属典型的沟谷型稀性泥石流或水石流，该流域十年一遇、二十年一遇、五十年一遇、一百年一遇以及两百年一遇的泥石流峰值流量分别为54.19 m3/s、76.23 m3/s、129.51 m3/s、196.03 m3/s、278.86 m3/s。