特殊地形及物源限制条件对泥石流暴发规模的影响研究——以青海加吾矿区玛日当沟泥石流为例

洪 磊，王 辉，刘 坤

(1. 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；(2. 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710000)

0 引言

加吾矿区行政区划属青海省同德县巴沟乡，位于西秦岭汞-锑矿带西段，共和—泽库印支期汞-砷-铜-铅-金成矿亚带，矿藏丰富。矿区大地构造位置处于秦岭—昆仑衔接部位，坐落于高原共和盆地内部[1-2]。晚新生代以来，本区作为青藏高原腹地，在印度板块NNE向推挤趋势下，地壳形变强烈[3]，活动断裂极为发育，地震频发；同时因气候环境特殊，昼夜温差明显、地势险要等因素造成区域上崩塌、滑坡等地质灾害多发，为孕育泥石流灾害奠定了物质基础。而矿区内玛日当沟更是因其特殊的沟道地形和流域特征使得该流域泥石流灾害频发，严重危害矿区矿产勘查与开采工作，并对沟道下游县道公路，乃至然果村居民的人身安全构成较大危害(图1)。因此，开展该流域泥石流的勘察工作，有效预防灾害的发生尤为重要。

探究泥石流暴发规模是指导泥石流灾害防治设计的关键，而其本质在于对泥石流动力特征的分析，国内外有关泥石流发生规模的研究成果已相当丰富。譬如，邓茂林等[4](2013)在分析流域概况及泥石流形成区、流通区和堆积区基本特征的基础上，对客基沟形成泥石流的地形、水源、物源3个基本条件进行深入论述，分析计算泥石流的重度、流速、流量、固体冲出量、冲压力等动力学参数，预测客基沟泥石流暴发类型属中型暴雨型稀性泥石流。裴钻等[5](2015)以四川安县高川乡流域泥石流为例，综合采取现场勘查、遥感图像分析、历史资料对比分析等方法，分析了极震区泥石流动力特征受地形、地层、物源等因素的影响，特别是泥石流暴发过程中深侵蚀和溃决对泥石流动力特征的影响。甘建军等[6](2017)以江西省修水县卢庄沟暴雨型泥石流为例，通过现场调查和室内试验，对泥石流发育特征及动力学特征进行分析，为此类山洪灾害防治及流域水工程安全提供了很好的借鉴。尽管如此，大多数已有研究成果多是基于《泥石流灾害防治工程勘查规范DZ/T 0220-2006》及相关经验公式，而对于因受特殊地形及物源限制，且海拔高程在3000 m以上的青藏高原区内，因受人类采矿活动影响的矿山型稀性泥石流灾害的暴发规模的研究相对较少。本文以高原山区矿渣复合型泥石流灾害为对象，在分析前人研究成果基础上，结合矿区地质灾害的实际调查结果，依据《泥石流灾害防治工程勘查规范DZ/T 0220-2006》、相关经验公式和费祥俊等(2004)关于含有细颗粒水石流起动条件理论对玛日当沟泥石流暴发规模作了详细对比分析，以期为该区泥石流的防治工作提供科学指导。

图1 玛日当沟地貌及流域分区特征图Fig.1 The terrain map showing watershed partition characteristics of Maridang gully

1 泥石流成灾背景

玛日当沟平面位置处于加吾矿区中部以北，沟道形似往南东向凸起的弓形，曲折迂回，总体呈NE走向，支沟发育少(图1)，全长4.20 km，流域面积6.10 km2，平均纵坡192‰，两翼坡体陡立，角度常超过70°。下游沟口海拔约2900 m，沟道上游海拔近高程4000 m，最大高差超过1000 m。局部地形相对高差在各流域分区差异较显著，其中，下游段因谷水切割作用地形相对高差一般40～50 m；中上游段因整体抬升，相对高差较小，一般10～20 m；流域最上游形成区山高坡陡，相对高差大于60 m。

流域内基岩因两侧坡体剥蚀而出露地表，主要为碳质、砂质板岩，沟道内主要为全新统松散冲洪积和残坡积覆盖层。碳质板岩原岩为含碳质泥岩或页岩，变质程度低，抗压性能差，性脆易碎，且易沿含碳质较多的夹层滑动；砂质板岩其矿物成分极易风化破碎。本区新构造活动强烈，受区域挤压应力作用，岩体极易产生碎裂。此外，松散覆盖层未经充分压实，土体蓬松；矿区内堆放了多处采矿形成的剥土与弃渣，这些构成了泥石流丰富的物源基础。

区内为典型的高原大陆型气候，同德县气象局资料表明，区内年平均降水量300～400 mm，集中降水在5—9月份，而7—9月份降雨强度趋于峰值，并常伴有特大暴雨。矿区范围主要河流为黄河，发育小规模支流水系，汛期一般在5—9月份。尽管该区年降雨量相对较少，但过于集中在7—9月份，该时期降雨量超过全年降雨量的70%。集中降雨必然导致降雨强度的增加，为区内泥石流的发生提供了充足的水动力。

2 泥石流动力特征

2.1 泥石流容重

现场调查实验、经验公式以及形态调查结合相关规范综合确定等是确定泥石流容重的几种主要方法。本文在对玛日当沟泥石流易发程度(表1)进行评分的基础上，计算得出数量化评分(N)值，再利用其与泥石流流体容重(γC)及(1+Φ)之间的关系对照表(表2)，确定泥石流流体的容重[7]，其中Φ为泥石流修正系数。

据表1、表2，确定玛日当沟泥石流的流体容重约为γC=1.710 t/m3，呈稀粥状，为稀性泥石流或水石流。既然泥石流是地形、物源及水动力条件综合作用的产物，那么确定泥石流容重也必然要考虑水动力条件的影响。泥石流灾害防治工程勘查规范DZ/T 0220-2006[7]是在引入泥石流暴发周期这一时间概念的前提下，将泥石流水动力条件影响因素定量化，给出经验公式(1)：

γ′C=γC+0.122ln10-2T。

(1)

表1 玛日当沟泥石流易发程度评判表Table 1 Judgment of debris flow occurrence degree in Maridang Gully

表2 数量化评分(N)值与流体容重及(1+Φ)关系对照(部分)Table 2 Relationship comparison between quantitative score and fluid bulk density

据式(1)计算得出玛日当沟泥石流设计容重(表3)。

表3 玛日当沟泥石流不同设计暴发频率下容重值Table 3 Density of debris flow at different design outbreak frequencies in Maridang Gully

的密度；P为暴发频率。

2.2 泥石流流速

国内外有关泥石流流速的计算方法很多，有理论的、半理论的以及经验的。玛日当沟为典型的沟谷型稀性泥石流，同时考虑到研究区地处西北地区，故采用适合西北地区的稀性泥石流计算公式更为合理。本文选取3种不同的推荐公式[8-9](表4)，综合确定泥石流流速。

据野外实际调查结果，结合类似经验，取γH=2.70 t/m3、R=H=1.25 m、J=0.192、mC=15，求得不同设计暴发频率下泥石流流速平均值(表5)。

3 泥石流暴发规模

洪磊等[10]2017年通过调查、采样分析等基础工作，对玛日当沟的沟道地形与颗粒物源分级作了详细分析。结果显示，该泥石流沟沟床平均比降192‰，全长4.20 km，沟道迂回曲折，总体呈缓坡上深之趋势，陡坎、跌水等现象少发育，且坎高不大，可视为近似直线上升的沟道；与此同时该流域内物源固体颗粒大，平均值取式(3)与式(4)求得。

表4 泥石流流速计算推荐公式Table 4 Recommended formula for debris flow velocity calculation

表5 玛日当沟泥石流不同设计暴发频率下流速值Table 5 Velocity of debris flow at different design outbreak frequencies in Maridang Gully

中粗细颗粒所占的比例恰好非常接近0.8(当取颗粒粒径d=0.05 mm作为粗细颗粒界限分级时)。在此基础上，依据费祥俊等(2004)关于含有细颗粒水石流起动条件理论成果，对玛日当沟泥石流起动机理作了系统研究。结果表明，在泥石流流域特殊地形及物源限制条件下，该流域泥石流流体具有如下规律特征，即满足流体流速VC≥5.35 m/s；容重γC≤1.511 t/m3。而根据《泥石流灾害防治工程勘查规范DZ/T 0220-2006》和相关经验公式的计算结果发现，随泥石流暴发周期的延长，流体容重会随之增加，流速会相应减小，且没有限值。

分析表明，在相同降雨条件下(达到泥石流临界雨量值)，泥石流的容重越大，其峰值流量也越大。若再考虑相同历时情况下，一次泥石流过程总量及冲出固体物质总量也越大，相应泥石流的规模亦越大，破坏性越强。因此，在矿区玛日当沟泥石流防治工作中，为安全起见，应考虑临界状态，取泥石流流体容重γC=1.511 t/m3。

当依据细颗粒水石流起动条件理论取泥石流流速与容重为临界值，即流速VC=5.35 m/s；容重γC=1.511 t/m3时，泥石流流速与容重刚好介于规范和相关经验公式计算得出的10年一遇与20年一遇规模之间。因此，该泥石流沟20年及以上一遇规模的泥石流防治工程设计应按容重及流速的临界值计算进行设防，这样即能保证工程安全，又相较于按规范与经验公式的计算结果进行设防更经济节约。

4 泥石流防治依据

1次泥石流过程总量是其固体物质和水的总和，玛日当沟泥石流为暴雨冲刷型，按照单峰连续流理论进行计算。通过断面一次泥石流的总量WC，据式(5)计算：

WC=19QCT/72

(5)

结合泥石流流体容重，确定冲出固体物质的总量WS据式(6)计算：

(6)

式中：T为泥石流历时(取1h)；QC为泥石流峰值流量；其余各参数意义同前。

流体冲击力不仅是泥石流防治工程设计的重要依据，同时也为揭示泥石流流体结构及其动力学特征提供理论指导。主要涉及两个方面的内容，即泥石流整体冲击力和单块最大冲击力：

1)泥石流整体冲击力

依据公式(7)计算：

(7)

其中：ζ为流体整体冲击力，kPa；χC为泥石流流体重度，kN/m3；α为冲击力作用于受力面的夹角，本文计算考虑最不利情况，取90°；λ为块体形状系数，圆形、似圆状取1，矩形取1.33，方形取1.47，根据本次野外调查，取1.33代入计算；g为重力加速度，9.8 m/s2；其余各参数意义同前。

2)单块最大冲击力

泥石流流体中单个块体对工程设施的破坏作用常常为建筑物损毁的主要原因，因此，必须加强对单个块体冲击力的研究。依据公式(8)计算：

(8)

其中：ε为单块巨石冲击力，kN；к为动能折减系数，一般针对正面撞击，取值0.3；M为巨石质量，t；σ为弹性变形系数(巨石σ1、建筑物σ2)，m/kN，计算采用船筏与桥墩台的撞击模型(σ1+σ2=0.005)；其余各参数意义同前，计算参数的选取均为使得冲击力最大的情形。

运用泥石流动力特征参数的计算方法，求得玛日当沟泥石流不同暴发频率下的动力特征参数值(表6)，并以此作为科学有效防治的重要依据。研究表明，随着降雨汇流过程的逐渐深入，玛日当沟泥石流容重不断增大，流速则不断减小，流体冲击力随之减少，当容重(或流速)达到临界值以后，冲击力也趋于定值。

表6 玛日当沟泥石流的动力特征参数(特殊地形与物源限制条件下)Table 6 List of dynamic parameters of debris flow in Maridang Gully

值流量；QC为泥石流峰值流量；WC为一次泥石流总量；WS为冲出固体物质总量；ζ为泥石流整体冲击力；ε为单块冲击力。

5 结论

1)玛日当沟流域具有暴发泥石流灾害的有利地形、物源以及水动力条件。

2)在特殊地形及物源限制条件下，由于泥石流起动的容重与流速受限制，玛日当沟20年及以上一遇规模的泥石流实际暴发规模相较于规范及经验公式计算结果偏小。

3)玛日当沟20年及以上一遇规模的泥石流防治工程设计应按容重及流速的临界值计算进行设防，这样即能保证工程安全，又相较于按规范与经验公式的计算结果进行设防更经济节约。

4)随降雨强度增加(达临界雨强)，玛日当沟泥石流规模随之增大，但流体冲击力最终会趋于定值，计算发现，玛日当沟20年及以上一遇规模的泥石流流体冲击力为57.52 kPa。