泥石流运动特征及动力学特征分析

杨 诚，刘召军

(贵州水利水电工程咨询有限责任公司，贵阳550000)

0 引言

泥石流是洪水或者暴雨将地面松软的土壤冲刷稀释后形成的拥有巨大能量的洪流，泥石流的面积、体积以及流量巨大。泥石流是一种灾害性质的地质现象，泥石流的爆发来势汹涌，破坏性极强，往往对周边居住者的人身安全带来极大的威胁。拦渣坝作为泥石流灾害治理的主要工程措施，能起到控制和减轻泥石流灾害，拦蓄泥石流固体物质、减少泥石流冲刷及冲击力、抑制泥石流的发育及爆发规模的作用［1］。

1 泥石流运动特征与动力学特征

要治理泥石流，必须对其运动特征进行详细的了解，对于泥石流运动特征和动力特征的定性分析，是认识泥石流和进行泥石流防治工程设计的基本数据［2］。由于泥石流发生时无实际观测数据，对各泥石流沟的分析，主要根据查访资料，类比利用目前泥石流运动特征及动力特征的研究成果进行分析。

1.1 泥石流流体重度

按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》确定的泥石流重度和泥沙修正系数，其结果见表1。

表1 上游主、支沟泥石流流体重度查表法结果统计表

1.2 泥石流流量

为满足泥石流勘查评价及防治工程设计的需要，选择该泥石流治理拦渣坝布置处作为控制段而进行泥石流流量的计算。

泥石流流量的计算，主要有雨洪法及形态调查法2种方法。拦渣坝所处的河近年爆发过泥石流，因距离现在时间较为久远，泥石流过后的泥深已无法判断，故形态调查法已不适用于本工程，故按照雨洪法进行计算，计算公式为:

式中:Qc为泥石流断面峰值流量，1T13/S;φ为泥沙修正系数，采用查表法得到的结果见表1;Qp为暴雨洪峰流量(计算结果见表2);Dc为堵塞系数，根据泥石流堵塞系数De值表确定，详见表2。

表2 泥石流堵塞系数De值表

1.3 泥石流流速计算

拦渣坝所处的河泥石流为稀性泥石流流俸，拦渣坝处的泥石流流速计算采用《泥石流防治工程设计规范》中计算公式为:

式中:Vc为泥石流流速，m/s;γh－为泥石流固体物质重度，取2.5 t/m3;φ为泥石流固体物质重度，取2.5t/m3;φ为泥石流泥沙修正系数;泥石流重度，取1.54 t/m3，查表得φ=0.56:1为泥石流沟床糙率系数，根据《泥石流防治指南》，取糙率系数为15，n=0.067;Hc为平均泥深，取2.6m;Ic为泥位纵坡率，以拦渣坝处沟道纵坡率代替，为0.036。

经计算得:

现场调查拦渣坝处泥石流体最大块石粒径为60 cm，查《泥石流防治指南》泥石流粗颗粒起动流速Vd值表，粒径60 cm块石启动流速为3.9 m/s;根据《泥石流防治指南＞沙莫夫启动流速公式为:

综上，泥石流设计流速取3.9 m/s。

1.4 一次泥石流过流总量

一次泥石流过流总量按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》提供的计算公式为:

式中:Q为一次泥石流过程总量，m3;T为泥石流历时，s;Qc为泥石流最大流量，m/s。

根据第3.10节计算的设计洪水过程线及调查访问情况，确定不同频率下的泥石流历时，计算得各频率下一次泥石流过流总量见表3。

表3 拦渣坝一次泥石流过流总量计算

1.5 一次泥石流固体冲出物

一次泥石流固体冲出物，见表4。

表4 拦渣坝一次泥石流固体物质冲出量

1.6 泥石流整体冲压力

泥石流整体冲压力按《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239-2004)3.1—8中的计算公式为:

式中:P为泥石流冲压力，t/m2;λ为建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47;拦渣坝设计取λ=1.33;Vc为泥石流重度，t/n13;Ve泥石流平均流速，m/s;α为建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角，°;初定挡水面坝坡为1∶0.7，对应的取60°。

2 泥石流的主要防治措施

控制泥石流运动的防治体系-采用拦挡坝、谷坊、排导沟、停淤场等工程措施，调整和疏导泥石流流通途径和淤积场地，减少灾害破坏损失，本工程根据当地的实际情况，采用拦渣坝对泥石流进行控制和治理［3］。

3 拦渣坝的布置

拦渣坝的布置可以有效的对泥石流进行阻挡，减少灾害的破坏性。以下将针对拦渣坝建设的材料和布置进行分析。

3.1 坝体主要材料

本工程采用C15埋石混凝土，需要砂石骨料约2.7×104。由于坝址区及附近均为泥质灰岩夹砂岩与泥页岩地层，岩石强度软硬相间，虽泥质灰岩强度满足要求，但分选困难，不能作为砂石骨料料场使用。本工程砂石骨料需要到望谟县城附近购买。

3.2 分缝

根据坝体不均匀沉降及变形缝布置的构造要求，在拦渣坝的河床坝段按25 m间距及右岸EL 890.0 m码道中间位置，共设置3道变形缝，变形缝缝宽2～3 cm，填入沥青浸渍的木板条、预制的沥青砂浆板条、油毡片。

轴线所处地形为对称的“V”型横向河谷，坝轴线一带未见断裂构造发育，裂隙较发育，两岸基岩裸露，左、右岸均为逆向坡地质结构，出露地层为扳纳组(T2b)，为青灰色薄至中厚层泥质灰岩夹黄绿色砂岩及泥页岩，河床处为深0～32 m的泥石流堆积物，其成分为漂(块)卵砾石层。

3.3 坝体及坝内孔道布置

3.3.1 坝身泄流孔及排水孔

根据现场勘查情况，拦渣坝上游最大泥石流块石粒径为60 cm，汛期河道主流基本处于河床中间位置，根据《泥石流防治指南》的要求，在溢流坝段中间位置EL992.5 m，EL989.0 m，EL985.5 m，EL980.0 m高程各设置一排泄疏孔，孔数为32个，泄疏孔采用预埋内径¢1 000 mm的预制管形成，纵坡为5%，其中EL980.0高程对应现枯期河道锅流处的8个泄流孔兼排水孔，以疏通泥石流堆积体内积水，并兼做枯期河水下泄通道，泄流孔进口段采用30 cm厚C25混凝上现浇，同时采工字钢设置拦污栅拦截泥石流中的大粒径块石。

3.3.2 坝基排水

为减少坝基扬压力的作用，在拦渣坝溢流坝段EL 982.0 m高程、距坝踵6.0 m处布置纵横向排水通道，并在坝基布置一排¢100间距2 m排水孔。

拦渣坝河床坝段标准断面见图1。

图1 拦渣坝河床坝段标准断面图

3.3.3 坝顶溢流口的设计内容

根据现场勘查情况，坝址处汛期主流方向处于河谷中间，因此，将溢流坝段布置于河谷中间，初拟溢流口底宽44 m深5.0 m(含安全超高0.5 m)，采用梯形断面，溢流口与非溢流坝段按1∶1坡比衔接。

溢流口允许道流能力按《水力计算手册》第3-1-2章节，宽项堰自由溢流的公式计算，计算公式为:

式中:Q为过坝泥石流流量，m3/s;b为溢流口净宽，m;n为溢流口数，取1;H0为包括行进流速水头的堰前水头，即:

式中:v0为行进流速，取泥石流流速3.9 m/s;m为自由溢流的流量系数，与堰型、堰高等边界条件有关;查《水力计算手册》表3—1—1取0.35;σc为侧收缩系数，本工程溢流口无引渠，取σc=1。

溢流口设计尺寸及流量复核计算结果见表5所示。

表5 油亭拦渣坝坝顶溢流口过流能力复核计算表

可知，初拟溢流口底宽44 m，深5.0 m(含安全高度0.5 m)，采用梯形断面，溢流口与非溢流坝段按1∶1坡比衔接，可满足要求。

4 主要工程地质问题

河床坝基持力层的选择，主要取决于岩土体的物理力学性状特征及构筑物的型式及功能。本工程为浆砌石拦渣坝，对地基要求不是很严格。坝基河床下伏基岩为板纳组(T2b)青灰色薄至中厚层泥质灰岩与泥页岩及黄绿色砂岩互层，强度软硬相间，选择基岩强风化层作为坝基持力层也可以满足设计要求。本工程选择以基岩强风化层作为持力层，考虑岩体在风化层内较为破碎，完整性较差，对坝基进行固结灌浆补强处理。

左、右岸边坡不高，建议边坡开挖在实施过程中及时作好支护处理即可。

5 结语

贵州省望谟县是一个多山的地区，大多数的群众居住于山谷或者山坡处，然而随着经济的发展牺牲了部分地区的森林资源导致山体滑坡、泥石流等自然灾害频繁发生，为了切实保护好当地人民群众的生命安全，必须加强拦渣坝的建设，尽量使泥石流的灾害降至最低，同时，各地应加强水土保持工作，真正做到杜绝泥石流灾害的发生。

［1］赵元伟，唐付岭，黄永泽，等.崇州市鸡冠山乡苟家村大岩沟泥石流成因分析［J］.地下空间与工程学报，2011(02):403-407.

［2］李冠奇，魏鸿，谷明成，等.泥石流拦挡坝优化设计［J］.地质灾害与环境保护，2009，20(02):29-32.

［3］陈洪凯，唐红梅，鲜学福.沟谷泥石流运动过程模型试验［J］.自然灾害学报，2009(06):160-165.