典型区单沟泥石流的危险性评价

2023-10-12谢营，张健

山东水利 2023年9期

关键词：冲击力易发物源

谢营，张健

（山东省水利勘测设计院有限公司，山东济南 250014）

泥石流在我国是常见的地质灾害，在山区、丘陵地区易发，往往造成人员伤亡和经济损失。研究区受不合理采矿等人类工程活动影响，当地植被以及地表形态易被破坏并产生大量松散物。因此，对研究区进行泥石流危险性评价极为重要。

通过对研究区泥石流沟进行实地调查，并结合当地特点，综合考虑平台GIS 信息及已有的降雨资料等，计算流域内潜在泥石流的特征参数，依据计算数据对该泥石流沟进行了危险评价。

1 研究区概况

研究区以山地地形为主，由于不合理采煤，造成了严重的不良地质现象。研究区为当地现有4 条泥石流沟之一。所在村子已有部分住户搬迁，现今全村仍有59 户134 人受泥石流威胁。研究区占地总面积1.38 km2，距乡政府约4 km。

1.1 地貌与地层

研究区虽属低山丘陵地貌，但地表起伏较大，最大高差720 m。流域内两侧山坡坡度一般在30°～60°，主沟长约2.35 km，平均纵坡降约1.91%，汇水面积约1.38 km2。地形切割强烈，形态利于地表径流的汇集，且流水具有较强的水动力。

1.2 气象与水文

研究区多年平均汛期降雨量580 mm，蒸发量较小，多年平均最大24 h 雨量高达110 mm，集中在6-8 月，易在局部地区形成峰高量小的凶猛洪水，易诱发泥石流。

1.3 地震活动

据资料研究区未发生强震，仅受到多次远震的影响。根据《建筑抗震设计规范》，研究区地震烈度7°，设计基本地震加速度值为0.15 g。

1.4 植被覆盖

据实地调查，上游沟源区山体以乔木为主的树林保持良好，植被覆盖率达80%；流通区、堆积区沟道及两侧坡脚植被受到严重破坏，局部碎石状煤矸石堆积，植被覆盖率不足30%。

2 研究区泥石流形成条件与发育特征

2.1 研究区泥石流形成条件

泥石流的形成受多方面因素影响，除上文叙述的，有利的地形条件、突发性的水动力条件外，另一主要影响因素为松散的固体物源条件。

本研究区域泥石流沟的松散固体物质主要来源为人类工程活动产生的松散物堆积，包括采矿废弃物、切坡松散物、次生灾害松散堆积物。经调查物源总量约21.9 万m3，可参与泥石流活动物源动储量约5.1 万m3。

2.2 泥石流动力特征

1）泥石流流体重度。采用经验公式法和形态调查法计算，计算公式为：

式中：γc为泥石流重度，t/m3；K1为比降系数；KR为研究区岩石岩性系数；KL为形成区到源头的沟长与主沟总长度的比值；KO为泥石流补给系数；KA为泥石流沟谷中存在的松散物源总量系数。

泥石流的容重跟爆发周期有明显的关系，本文采用爆发频率P（次/年）分别为1%、2%、5%、10%，进行计算。计算公式为：

表1 不同设计频率下泥石流流体重度

2）泥石流峰值流量。泥石流峰值流量是影响泥石流的规模的最主要因素。由于研究区历史上未发生过泥石流灾害，应属于泥石流隐患沟，本文采用雨洪修正法进行计算。计算公式为：

式中：Qc为泥石流峰值流量，m3/s；Dc为堵塞系数；φ 为泥石流泥沙修正系数；QP为频率为P的暴雨洪峰流量，m3/s；泥石流峰值流量计算参数及结果见表2。

表2 泥石流流量计算参数及结果

3）泥石流流速。泥石流沟固体物源主要为煤矸石和碎石，以稀性泥石流和水石流为基本参照。按照地区经验公式计算泥石流流速：

式中：Vc为泥石流断面平均流速，m/s；R 为水力半径，m；I 为泥石流水力坡度，一般用沟床纵坡代替；mw为河床外阻力系数。经计算求得不同设计频率下泥石流流速见表3。

表3 不同设计频率下泥石流流速

4）一次泥石流过程总量。一次泥石流过程总量表征着流域内泥石流的规模，计算过程总量公式为：

式中：Q 为一次泥石流过程总量，m3；T 为泥石流历时，s；k 为经验系数；Qc为泥石流峰值流量，m3/s。求得不同频率下Q，结果见表4。

表4 不同设计频率下一次泥石流过程总量

5）一次泥石流固体冲出物。按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录I 提供的公式进行计算：

式中：QH为一次泥石流固体冲出物总量，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。

计算得到不同频率下，一次泥石流固体冲出物总量，其结果见表4。

6）泥石流整体冲击力。泥石流整体冲击力这一参数主要用于泥石流防灾减灾的工程设计，分为流体整体冲击力和单块最大冲击力。由于堆积区内主要物源块石粒径为煤矸石和碎石，未发现有巨石故本文不计算单块最大冲击力。泥石流整体冲击力计算公式为：

式中：δ 为泥石流整体冲压力，kPa；λ 为建筑物形状系数；g 为重力加速度，取g=9.8 m/s2。γc为泥石流重度，t/m3；Vc为泥石流平均流速，m/s；a 为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，取90°计算最严重时的危害冲击力。计算得到不同设计频率下泥石流整体冲击力，见表5。

表5 不同设计频率下泥石流整体冲击力

7）泥石流爬高和最大冲起高度。泥石流的爬高和冲起高度决定泥石流防治工程参数，其值越大，对防治工程的要求越高。计算公式如下：

式中：ΔH 为泥石流最大冲起高度，m；ΔHc为泥石流爬高，m；Vc为泥石流平均流速，m/s。计算得到不同设计频率下泥石流最大冲起高度和泥石流爬高见表6。

表6 不同设计频率下泥石流爬高、最大冲起高度

8）泥石流最大危险区面积。结合上述数据、泥石流物源分布及当地沟道下游地形地貌情况，计算泥石流最大危险区面积。

泥石流由上游冲向中游，由于沟道内沿线物源较多，泥石流物源会得到不断补充，而且由于沟道内煤矸石堆积，造成较陡的堆积坡面，会加大泥石流的流速以及物源的汇集，导致最后泥石流冲出沟口，进入下游的居民区。在P 为1%的频率下，预测泥石流的最大堆积范围为最大堆积长度0.86 km；最大堆积宽度0.55 km；堆积辐射角51.15°，最大危险范围0.26 km2；但是由实地调查数据可知，沟口宽度仅有0.17 km，完全达不到上述计算的0.55 km，而且泥石流扇形展开角会被两侧山体约束在44 °以内，致使堆积长度会向下游延伸。因此沟口的居民以及诸多民用建筑均受到威胁。