清水沟泥石流堆积扇范围及堵河高度预测

刘万林 吴 军

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710021)

清水沟泥石流堆积扇范围及堵河高度预测

刘万林1吴 军2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710021)

对清水沟泥石流工程地质特征进行了介绍，运用刘希林一次泥石流堆积范围模型，结合清水沟泥石流实际情况及相关参数室内外试验结果，推测出了清水沟泥石流暴发后的堆积形态及范围，可为后期泥石流的危险范围预测提供依据，最后提出了泥石流的防治建议。

泥石流，工程地质，堆积范围，形态预测

0 引言

泥石流是暴雨或者地震后连续降雨后产生的一种破坏性巨大的地质灾害。国内对于泥石流的研究相对丰富。洪磊等[1]基于现场调查资料结合有细颗粒水石流启动条件法对泥石流的启动机理进行了详细研究，进而可为后期危险性评估提供参考。杨小凤等[2]使用不同方法对四川汶川七盘沟泥石流危险性进行评估，结果可为应急预警提供参考依据。周仲礼等[3]基于决策树理论对泥石流的危险性进行评估，发现与实际结果吻合性较好。此外，众多学者通过物理模型等方法对于泥石流的形成过程进行模拟分析，乐茂华等[4]基于固液两相流模型对泥石流速度在垂向上的分布进行研究，发现泥石流中的固相参数与本构关系中的模型参数有联系。室内等比例物理模型研究表明，泥石流的浓度以及流量比对其后期的堵江问题影响较大[5]。其中泥石流流动方向与河道的交会角、主河流速以及泥石流含水量等因素对于其堵江的影响较大[6]。泥石流龙头高度是反映泥石流规模的重要指标之一，研究发现泥石流的龙头与沟道物质级配、坡度以及流量之间均有一定联系，可根据以上因素对泥石流龙头高度建立更深的认识[7]。

泥石流研究中，除发生机理外，泥石流发生后堆积物形态及破坏范围对于泥石流的危险性评估也是至关重要的因素。基于现场调查结合刘希林一次泥石流堆积模型对清水沟泥石流的堆积形态和范围进行预测，可为后期泥石流的危险范围预测提供依据。

1 工程概况

清水沟流域(如图1所示)总体呈南北走向，沟道弯曲，流域形态呈上宽下窄的扇形。沟谷内植被稀少，仅在下游沟床内有若干棵孤树。两侧山坡及上游沟床基岩裸露，且表层岩体风化严重。该流域全长约6.79 km，面积约23.7 km2，四季流水。最高点

高程3 750 m，入开都河处高程1 780 m，最大高差1 970 m，平均沟床纵比降283.6‰。

清水沟泥石流形成区有4条支沟，支沟的沟床比降特征为：

1号支沟：位于主沟左侧，总体走向与主沟上段近似平行。沟道长约4.56 km，支沟口最低高程2 090 m，后缘分水岭高程约3 750 m，垂直高差约1 660 m。支沟两侧岸坡平均坡度30°～35°，沟谷呈不对称V型。该支沟平均沟床比降约367.7‰。

2号支沟：位于主沟右侧，总体走向与主沟上段近似平行。沟道长约4.22 km，支沟口最低高程2 130 m，后缘分水岭高程约3 700 m，垂直高差约1 570 m。支沟两侧岸坡平均坡度30°～35°，沟谷呈不对称V型。该支沟平均沟床比降约358.5‰。

3号支沟：位于主沟右侧，总体走向与主沟上段近似平行。沟道长约3.21 km，支沟口最低高程2 300 m，后缘分水岭高程约3 600 m，垂直高差约1 300 m。支沟两侧岸坡平均坡度30°～35°，沟谷呈不对称V型。该支沟平均沟床比降约404.9‰。

4号支沟：位于主沟右侧，总体走向与主沟上段近似平行。沟道长约3.24 km，支沟口最低高程2 400 m，后缘分水岭高程约3 500 m，垂直高差约1 100 m。支沟两侧岸坡平均坡度30°～35°，沟谷呈不对称V型。该支沟平均沟床比降约332.3‰。

2 工程地质特性

清水沟沟道总体较弯曲，两侧岸坡陡峭，沟谷形态呈“V”字型。谷底高程2 100 m以上段，沟道内植被稀少，沟床宽约10 m～30 m，两侧山坡为碎石土覆盖，偶见巨石。谷底高程2 100 m以下段，纵坡降较大，两侧山坡近直立，且沟道较窄，谷底宽约5 m～10 m；沟道内有若干树木，两侧山坡基岩裸露，沟床内以粒径50 cm左右的大块石堆积为主，可见最大块石直径达8 m。沟谷出口沟床内主要为大块石堆积，细粒物质含量较少；沟道两侧堆积少量泥石流侧向堆积物，主要为大块碎石，含少量粘土；由于此沟谷纵坡降较大，形成的泥石流堆积扇大部分堆积于开都河河道内。

清水沟两侧山体出露的基岩地层为泥盆系中统纤闪石绿帘石岩、砂质凝灰岩以及志留系上统的灰岩；沟道两侧及沟坡大量堆积第四系全新统崩坡积块石、碎石土，磨圆度较差；沟道底部两侧堆积少量第四系全新统洪积块碎石。

3 堆积扇范围及堵河高度预测

本次研究运用刘希林的一次泥石流堆积(危险范围)范围模型，结合清水沟泥石流现场调查实际情况及相关参数室内外试验结果，推测清水沟泥石流暴发后的堆积形态及范围。计算公式如下[8]：

a=0.493 5×l2

(1)

(2)

(3)

式中：a——一次泥石流堆积面积，m2；

l——最大堆积长度，m;

d——一次泥石流最大堆积厚度，m；

V——一次松散固体物质最大补给量，m3；

G——堆积区坡度，(°)；

rc——泥石流重度，g/cm3。

适用条件，当rc=1和G=0时模型不能使用。

预测精度为：a的平均相对误差为11.83%；l的平均相对误差为9.5%；d的平均相对误差为7.8%。

运用该模型对清水沟一次泥石流堆积范围进行预测时，一次松散固体物质可能补给量取前面的一次泥石流最大冲出固体物质总量的计算结果，G取堆积区的平均纵坡坡度，对清水沟泥石流堆积扇现场勘测，纵坡坡度为4.0°，取其平均纵坡坡度为4.0°，容重取1.359 g/cm3。将各频率下的参数值代入上式，即可求出各频率下一次泥石流堆积范围参数。清水沟各计算参数及堆积范围计算结果见表1。

建议在工程兴建期及今后工程运行期加强对与工程密切相关的泥石流沟谷进行现场巡视工作，设立降雨监测站以及泥石流的报警站，预报可能发生较大规模泥石流对人员及其工程造成的危害。为了防止大的孤、块石对沟口的道路或构(建)筑物的危害，建议采用桩林、钢格栅支撑，还可以充分利用大的孤块石形成的阻挡功能，也不影响水及细小颗粒的流出。在沟口附近修建排导槽，将沟谷冲下来的物质直接向下游引排。

表1 设计频率计算参数值及堆积范围计算结果

由于清水沟流域面积大，松散固体物质来源丰富，植被覆盖率较低，发生堵河泥石流的概率大，但是即使100年一遇的泥石流也不会影响厂房的安全，建议在堵河期间进行疏浚。

4 结语

通过对清水河泥石流沟的现场调查，对泥石流区域的工程地质特征进行分析。在此基础上，利用刘希林模型对于清水沟泥石流堆积物的范围及堵河高度进行预测，发现清水沟泥石流发生的危险性较高。对此，提出了泥石流的防治对策以及建议。

[1] 洪 磊,马润勇,章晓余.青海加吾矿区玛日当沟泥石流启动机理研究[J].工程地质学报,2017,25(2):472-479.

[2] 杨小凤,朱 军,曹云刚,等.基于不同方法的泥石流危险性评价对比分析——以四川汶川七盘沟泥石流为例[J].中国地质灾害与防治学报,2017,28(1):22-29.

[3] 周仲礼,张乾荣,曹赛男.基于决策树理论的泥石流危险性评价研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2017,36(4):76-80.

[4] 乐茂华,韩其为,方春明.基于固液两相流模型的泥石流流速垂向分布研究[J].水利学报,2017,48(2):168-174.

[5] 宋 志,邓荣贵,陈泽硕,等.磨西河泥石流堵断大渡河物理模拟与早期识别[J].吉林大学学报(地),2017(1):163-170.

[6] 朱大鹏,秦粮凯,何其多.基于物理模拟试验的泥石流汇江效应初步研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(S2):3680-3688.

[7] 王 洋,崔 鹏,王兆印,等.泥石流龙头的形成及特征研究[J].水利学报,2017,48(4):473-479.

[8] 刘希林,唐 川.泥石流危险性评价[M].北京：科学出版社,1995.

The deposit range and hight prediction of debris flow in Qingshuigou river

Liu Wanlin1Wu Jun2

(1.XibeiEngineeringCo.,Ltd,PowerConstructionCorporationofChina，Xi’an710065，China;2.Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710021,China)

The engineering geological characteristics of Qingshuigou were introduced based on the field investigation. Combining practical situation testing data and the related parameters of indoor test results with Liuxilin model to calculate the range and height of deposit. It has provided some quidance for predicting post debris flow hazard scope, and finally puts forward debris flow preventing suggestions.

debris flow, engineering geology, accumulation scope, morphology prediction

1009-6825(2017)21-0054-02

2017-05-19

刘万林(1980- )，男，工程师； 吴 军(1979- )，男，高级工程师

P642.23

A