泥石流基本特征值的计算——以云南省双廊镇甸心洪沟泥石流为例

王荐霖

(成都理工大学,四川 成都 610059)

泥石流灾害与人类工程活动息息相关,尤其是在中国西南地区,每年因泥石流暴发造成的损失相当巨大,这使得泥石流灾害的防治显得尤为重要[1]。泥石流基本特征值作为泥石流灾害防治设计的重要依据,采用合理的计算方法,对其结果的安全性与可靠性有着极其重要的意义。

1 工程概况

甸心洪沟位于云南省双廊镇长育村。该泥石流沟谷中上游沟道较窄,纵坡降较陡,沟道形态呈现出典型的“V”字型。泥石流以冲刷为主,中下游沟道较宽,纵坡相对较小,以淤积沉积为主。

甸心洪沟沟长约5.08 km,河源高程2 850 m,最低点位于洱海边缘地带,高程为1 964 m,最大高差886 m,沟道平均纵坡降180‰。沟口—沟顶为陡坡地形,坡度30°～40°,局部>40°,沟口以下为堆积区,为缓坡地形,地形坡度一般为5°～15°,平均纵坡降68‰,流域总面积10.57 km2。

自上世纪80年代以来,甸心洪沟多次发生泥石流灾害,由于近年来在堆积区上新建居民建筑及公路对原泥石流堆积区地貌改动较大,很难调查泥石流冲出物质堆积范围及危害区范围信息,通过对当地居民访问,其回忆最大一次泥石流导致较多房屋被冲毁,停靠路边的拖拉机被冲入洱海,由此表明当时泥石流规模应达到中型以上,结合甸心洪沟泥石流沟道内可移动物源非常丰富,可移动物源约14.90万m3,极端暴雨条件下可形成中型规模泥石流。综上所述,甸心洪沟泥石流属沟谷型暴雨型形成期低频稀性泥石流。

2 泥石流基本特征值计算

由于此次甸心洪沟泥石流并无监测资料，因此，其泥石流基本特征值的计算主要以野外调查获取的泥痕、沟道断面等特征为参照，并结合拟设工程的需要综合获取[2]。需计算获取的泥石流基本特征值包括：泥石流流体重度及固体物质密度、设计清水洪峰流量、泥石流流速、泥石流流量、一次泥石流过流总量、一次泥石流固体冲出物总量。

2.1 泥石流流体重度及固体密度

泥石流流体重度需采用形态调查法和现场重度配方法,并结合量化评分综合确定[3]。现场重度配方法采用《工程地质手册》(第四版)中的变种公式计算[4],如下:

式中:γc为泥石流重度(t/m3);Gc为配制泥浆重量(t);V为配制泥浆体积(m3)。

形态调查判定泥石流浆体为稠浆状,容重为1.40～1.50 t/m3;现场重度配方法流体密度为1.44～1.49 t/m3,平均值为1.46 t/m3,由于受取样的限制,较大碎块石不能参与配浆试验,所得出的试验值偏小,本次综合后取泥石流容重为1.50 g/cm3。考虑到该泥石流沟堆积物以粗颗粒为主,其原岩成分主要为灰岩,根据经验,泥石流固体密度取2.60 t/m3。

2.2 设计清水洪峰流量

清水洪峰流量采用中国水利水电科学院提出的经验公式及大理水文法两种方法计算地表水汇水流量。

(1) 中国水利水电科学院经验公式法。依据《泥石流防治工程技术》第三章中的相关公式进行计算[5]。计算结果见表1。

汇流面积F≥3 km2时,Qp=0.278φSF2/3;

汇流面积F<3 km2时,Qp=0.278φSF。

式中:QP为频率为P的暴雨洪峰流量;φ为产流系数;S为设计1 h降雨强度(mm/h);F为各断面汇水面积(km2)。

表1 甸心洪沟泥石流各断面清水洪峰流量计算结果表(中国水利水电科学院经验公式法)Table 1 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully

(2) 大理水文法。计算公式参照《云南省水文手册》(表2),计算结果见表3。

表2 大理水文法计算公式Table 2 Calculation formula of Dali hydrologic method

表3 甸心洪沟泥石流各断面清水洪峰流量计算结果表(大理水文法)Table 3 Calculation result table of peak discharge in each section of debris flow in the meadow gully(Dali hydrologic method)

经过两种方法计算结果对比,虽然中国水利水电科学院经验公式法计算结果更加保守,但大理的地方计算公式更能因地制宜地说明该地区的实际情况,更符合该地区的实际现状,故采用大理水文法计算清水洪峰流量。

2.3 泥石流流速

根据调查和泥石流重度计算,泥石流重度<1.6 t/m3,属稀性泥石流。本次采用稀性泥石流流速计算公式(西南地区)计算各断面流速,即《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2016)中的公式[6]。

式中:Vc为泥石流平均流速(m/s);1/n为河床糙率系数;φ为泥石流修正系数;γH为泥石流固体物质密度(t/m3);R为水力半径,一般用平均泥深Hc(m)代替;Ic为泥石流水力坡度(‰),用沟床纵坡代替。

表4 泥石流流速计算成果表Table 4 Results table of velocity calculation of debris flow

2.4 泥石流流量

2.4.1 雨洪法

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2016)中的公式进行计算[6](表5)。

Qc=(1+φ)QBDc

式中:Qc为频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);QB为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);Dc为泥石流堵塞系数,根据沟谷特征查经验表。

2.4.2 形态调查法

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2016)中的公式进行计算[6](表6)。

Qc=WcVc

式中:Qc为泥石流断面峰值流量(m3/s);Wc为泥石流过流断面面积(m2);Vc为泥石流断面平均流速(m/s)。

对比两种方法计算结果表,采用形态调查法求得的泥石流峰值流量普遍大于雨洪法(P=3.33%降雨频率)计算求得的结果,总体上两种方法的计算结果是相对应的。但是,采用形态调查法计算结果没有暴雨频率的概念,仅能代表当次泥石流的特征值,而雨洪法则根据现有沟域面积进行计算,具有预测性质。因此,泥石流峰值流量采用雨洪法。

2.5 一次泥石流过流总量

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T 0220—2016)中的公式进行计算,一次泥石流总量Q(表7)。

表5 泥石流流量计算表(雨洪法)Table 5 Calculation table of discharge of debris flow(rain flood method)

表6 泥石流流量计算(形态调查法)Table 6 Calculation table of discharge of debris flow(morphologic investigation method)

Q=K×T×Qc

式中:当流域面积F<5 km2时,K=0.202;F=5～10 km2时,K=0.113;F=10～100 km2时,K=0.037 8;F>100 km2时,K<0.025 2;Q为一次泥石流的总量(m3);T为泥石流历时(s);Qc为泥石流的洪峰流量(m3/s)。

表7 一次泥石流过流总量计算表Table 7 Volume table of debris flow

根据计算结果,对比降雨标准,上一次暴发泥石流时,甸心洪沟40 min降雨强度频率近30年一遇,所以该次泥石流强度频率为3.30%,计算甸心洪沟泥石流冲出量约16 366.0 m3。

2.6 一次泥石流固体冲出物总量

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》(DT/T 0220—2016)进行计算[6](表8)。

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

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)。

根据计算,上一次暴发泥石流强度频率按3.3%计,甸心洪沟一次泥石流冲出固体物质量约5 728.0 m3,与堆积区估算量基本一致。

表8 一次泥石流固体冲出物总量计算成果表Table 8 Results of the calculation of the total amount of solid debris flow in a debris flow

3 计算结果的设计应用

在进行泥石流灾害防治设计时,经专家探讨,甸心洪沟泥石流采用以“拦挡”为主,并在下游辅以“排导、护岸”的防治思路。

在进行谷坊坝、拦挡坝结构设计时,根据泥石流流体重度、流速等相关因素确定坝身尺寸,其坝体的库容应大于泥石流过流总量,且坝体溢流口的大小应满足泥石流的过流;在进行下游双边护岸堤结构设计时,在满足其自身结构稳定的前提下,同样还需满足泥石流的过流。

4 结语

(1) 通过工程实例,采用规范公式,经相关专家审核过后,基本特征值的计算结果具有较高的安全性及可靠性,能够为甸心洪沟泥石流的防治设计提供重要依据。依托该计算结果,可进行可行性研究及施工图设计,能够保护该地区居民约3 000余人,解除泥石流灾害对居民及建筑的威胁,达到明显的减灾效益。

(2) 由于现场试验条件的制约、村民记忆的偏差等因素,会导致泥石流基本特征值计算结果有误差。本文主要在于为泥石流基本特征值的计算提供思路、方法,在实际生产过程中,可用多次测量取平均值、多种方法对比综合取值的方法,来尽量减小误差。

[1] 李三明,张艳涛,汤江红.泥石流特征值的计算与确定[J].资源环境与工程,2010,24(3):297-300.

[2] 张生祥,何明阳,谢光辉.地震灾区特大型泥石流基本特征值计算与分析[J].四川地质学报,2014,34(s2):36-40.

[3] Б.С.Степанов,孟河清.泥石流特征值的计算问题[J].力学进展,1987,17(4):98-106.

[4] 常士骠,张苏民.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

[5] 王继康.泥石流防治工程技术[M].北京:中国铁道出版社,1996.

[6] 四川省国土资源厅.泥石流灾害防治工程勘察规范:DZ/T0220—2016[S].北京:中国标准出版社，2016.