唐家沟泥石流灾害分析及防治措施对比研究

高菊英 付占岭 朱思军

(三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌 443002)

我国泥石流灾害严重[1],特别是2010年泥石流灾害给我国造成严重的经济损失.2010年8月7日22时许,甘南藏族自治州舟曲县突降特大暴雨,引发特大山洪泥石流,总体积750万m3,致1470多人遇难,280多人失踪,造成巨大经济损失.唐家沟为一条老泥石流沟,据调查,唐家沟几乎每年都会发生小规模泥石流,危害较严重,对其实施防治工程十分必要.

1 流域特征及泥石流成灾条件

唐家沟泥石流位于雅安市石棉县草科乡和坪村3组南西唐家沟,沟口地理坐标为东经102°04′45″,北纬29°22′59″.据调查,唐家沟几乎每年都会发生小规模泥石流,将沟口乡级电站公路桥涵堵塞,造成了一定的经济财产损失.“5◦12”地震后,沟域内不良地质现象增多,松散固体物源量增加,泥石流易发程度高.沟口右侧老泥石流堆积扇逐年发生垮塌,对居住于老泥石流堆积扇上的15户居民构成威胁,其危险性较大.成灾条件[2-4]如下:

(1)地形地貌:唐家沟流域地形呈叶脉状,发育11条支沟,主沟道全长约9.8 km,沟宽一般30～100 m,流域面积约33.3 km2.主沟沟头最高点高程为3753m,沟口与田湾交汇处高程为1624m,相对高差2129m,主沟平均纵坡降217‰,其中三级电站取水坝处以上沟段纵坡陡峻,平均纵坡317.5‰,而以下沟段总体上纵坡略缓,纵坡112～186‰.沟谷平面上弯道发育,谷宽总体上游窄,下游略宽.

(2)物源条件:唐家沟沟口缓坡平台上堆积有巨石及漂砾(Q4sef+pl),其厚度几米到十几米不等,沟谷两侧山脚下崩坡积物较发育,沿沟向内可见沟右侧发育有较多崩塌等不良地质现象,沟内泥石流固体物源较丰富(以沟道老泥石流堆积物源为主),可提供泥石流的固体物源总量34×104m3,可参与泥石流活动的动储量10.39×104m3.

(3)水源条件:该沟常年有水,支沟多为季节性冲沟,唐家沟中上游地区年降水量900～1200mm,降雨量主要集中在5～9月,10min雨强2.52mm.踏勘时期清水流量0.3～0.9m3/s,预计暴水洪峰流量可达17～96m3/s.降雨多以暴雨或阵雨出现,特别是地域性大到暴雨为泥石流暴发提供了丰富水源.

(4)人类工程活动:乡级电站公路横穿唐家沟沟口,桥涵修建过低,导致泥石流物质在桥涵处大量淤积.另外,唐家沟三级、二级电站的修建,挤占了原有河道.导致唐家沟水流在电站修建处流速加快,加大了对两岸第四系土层及老泥石流堆积体的冲刷,更易携带大量泥沙块石,也为泥石流的形成提供了物源.

2 泥石流发生规模及发展趋势

唐家沟泥石流属暴雨沟谷型泥石流,从发生频率看属高频泥石流,发展阶段属发展期.通过野外调查、试验和计算,唐家沟泥石流容重为1.558 t/m3,流通堆积区流速为0～3.52m/s,近期一次泥石流(2009年)历时约20min,流通堆积区峰值流量29.84m3/s,泥石流过流总量为0.95×104m3,固体物质冲出量为0.32×104m3,泥石流规模为小型.

按照泥石流活动强度判别标准[5],结合唐家沟泥石流补给长度、松散物贮量、松散体变形量大小,暴雨强度指标等综合判定,唐家沟泥石流活动强度较强,遇强降雨泥石流发生的可能性大.

3 灾情分析

(1)险情:根据唐家沟威胁对象及潜在的经济损失综合判定,其险情级别为大型.

(2)易发程度:根据泥石流沟域基本特征和参数,唐家沟泥石流易发程度评分为81分,属轻度易发,防治工程安全等级应定为三级.

(3)泥石流的综合致灾能力F:按表1中四因素分级量化总分值判别:F=9～7,综合致灾能力较强.

表1 综合致灾能力分级量化表

(4)受灾体(建筑物)的综合承(抗)能力E:根据量化分析表2,E=7～9,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力差.

表2 综合承灾能力分级量化表

4 防治工程设计

根据唐家沟的地理位置,区域形态,地形地貌及物源条件等综合分析,初步拟定两套方案对唐家沟泥石流进行防护治理[6-7].

4.1 设计参数的确定[8-9]

泥石流峰值流量、一次泥石流固体物质冲出量、泥石流冲压力以及泥石流爬高、最大冲起高度及弯道超高是设计防护堤和丁字坝断面及结构的主要参数.

(1)泥石流峰值流量:本设计采用中国水利科学院水文研究所提出的小汇水面积设计流量公式进行坡面地表排水最大洪峰流量的确定.选用峰值流量计算公式:

式中,Qp为设计频率地表水汇流量(m3/s);φ为径流系数;i为最大平均暴雨强度(mm/h);τ为流域汇流时间(h);n为暴雨公式指数;Sp为暴雨降雨强度(mm/h);F为汇水面积(km2),汇水面积由排水沟平面布置图量测得出.计算结果见表3.

表3 泥石流峰值流量

(2)泥石流固体冲出量:据计算结果和分析测试结果,唐家沟泥石流过流总量为Q=0.95×104m3,一次泥石流固体冲出量计算选用下式:

式中,QH为一次泥石流冲出固体物质总量(m3);Q为一次泥石流过流总量(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).计算结果见表4.

表4 一次泥石流固体冲出量

(3)泥石流整体冲压力:计算过程主要选择拟布设拦挡工程部位断面进行计算,整体冲压力计算公式如下:

式中,Fσ为泥石流整体冲压力(kPa);λ为建筑物形状系数,矩形建筑物λ=1.33;γc为泥石流重度(kN/ m3),取γc=15.58 kN/m3;g为重力加速度(m/s2); Vc为泥石流平均流速(m/s),取Vc=3.52 m/s;α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角(°),取α= 33°.计算结果见表5.

表5 泥石流整体冲压力

(4)泥石流爬高和最大冲起高度:泥石流遇反坡,由于惯性作用,将沿直线前进的现象称为爬高.泥石流遇阻,其动能瞬间转化为势能,撞击处使泥浆及包裹的石块飞溅起来,称为泥石流的冲起.计算公式为:

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);b为泥石流迎面坡度的函数.计算结果见表6.

表6 唐泥石流爬高和冲起高度

(5)泥石流弯道超高:指泥石流在沟槽转弯处因凹岸处流速较快,流体增厚,凸岸一侧流速较慢,流体变薄而产生超高的现象,当凹岸为陡壁时将对凹岸产生强大的侵蚀作用.

泥石流弯道超高选用如下计算公式:

式中,Δ h为泥石流弯道超高(m);Vc为泥石流平均流速(m/s);R为主流中心曲率半径(m);g为重力加速度(m/s);B为泥面宽度(m).计算结果见表7.

表7 泥石流弯道超高

4.2 防治方案布置

方案1:在唐家沟下游二级电站以下至沟口段即C-C′断面布置防护堤,保护和坪村3组居民的生命财产安全,并且可以起到对电站公路路堤及路边居民住宅的防护作用.

防护堤采用M10浆砌石结构,根据计算确定防护堤断面尺寸特征见表8.

表8 方案1防护堤断面尺寸特征

方案2:为了防止唐家沟泥石流对村级电站公路的冲击和侧向淘蚀作用,在上游原泥石流分流区右岸河道即13-13′断面修建丁字坝,将泥石流引向左河道,同时拓宽左河道狭窄部位以满足泥石流的过流量,起到对电站公路路堤及路边居民住宅的防护作用.

丁字坝采用M10浆砌石结构,根据计算确定丁字坝断面尺寸特征见表9.

表9 方案2丁字坝断面尺寸特征

5 防治工程方案比选择优

(1)从技术可行性对比看:两种方案都具有较好的工程施工地形和场地条件,工程施工区沿沟泥石流堆积物含有大量块石堆积,工程方案结构设计中施工材料部分可就地取材,可节约施工成本,减少泥石流松散固体物源的作用.但方案2改变了原泥石流的流向,增大了泥石流对左岸河道的冲刷,增加了开挖量.

(2)从实施效果对比看:方案1,2都可以保护和坪村3组居民的生命财产安全,起到对电站公路路堤及路边居民住宅的防护作用.但方案2丁字坝的规模比方案1防护堤的规模大,工程量大,耗资大,对场区自然环境及生产生活、道路通行影响也较大.

(3)从工程投资对比看:方案1拟建防护堤工程投资估算为105.7万元,方案2拟建丁字坝工程投资估算为193.04万元.

通过两套方案的技术、经济和实施效果的比选,综合考虑技术可行性、治理效果和工程投资等方面的因素,选择方案1作为泥石流防治工程设计方案.

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