昆明东川区坪子地泥石流形成机制及动力学特征

崔文华，赵蓓蕾

(西南有色昆明勘测设计(院)股份有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省科普资源信息中心，云南 昆明，650021)

东川小江流域是我国泥石流灾害严重地区[1]，其突出特点是沟谷数量多、密度大、活动频繁、破坏损失严重、防治困难[2]。坪子地泥石流位于昆明东川区汤丹镇江西村坪子地小组，处云贵高原西部横断山脉南缘，澜沧江水系与金沙江水系分水岭地带，属澜沧江水系。沿沟谷两岸地势陡峻，岩体破碎，地表坡积层堆积较厚，支沟发育。沿沟谷两侧不稳定斜坡随处可见，水土流失严重，泥石流形成条件较为充分。泥石流为季节性沟谷，由西向东径流，注入坪子地小组东侧沟道内。流域呈长条形，分为形成区和流通-堆积区，形成区又分为水源亚区和物源亚区，见图1。

1 泥石流形成条件

1.1 地形地貌条件

坪子地泥石流所在区域属变质岩侵蚀溶蚀山地地貌，流域面积0.08km2，主沟全长520m，底宽1m～6m。泥石流沟域整体位于分水岭一侧，山脊走向北偏东，地形起伏变化大，地势西高东低，最高海拔1965.11m，最低点为C3冲沟与主沟交汇处海拔1579.75m，相对高差385.36m。斜坡地形从分水岭至主沟交汇处呈缓-陡-缓。分水岭到1890m段较缓，坡度9°～25°，坡面侵蚀相对较弱；1890m～1770m段较陡，斜坡坡度40°～48°，坡面侵蚀较严重，滑坡、不稳定斜坡等是泥石流松散固体物质最集中的坡段，易形成泥石流；1770m～1660m段较缓，总坡度约13°，斜坡坡度变缓，是泥石流堆积消亡区。泥石流出村后随着沟道坡降减缓，在这一区段转变为携砂洪水进入村庄东侧主沟内。

2.2 物源条件

坪子地泥石流固体松散物源主要有滑坡类、坡面侵蚀类、沟床冲刷及人工堆积类等，以滑坡、不稳定斜坡类为主。项目区滑坡有1处，不稳定斜坡有3处，形成的固体物质储量约1755m3，是泥石流松散固体物质主要来源之一。其中H1滑坡、BW1和BW2不稳定斜坡位于物源亚区左岸，BW3不稳定斜坡虽位于泥石流流域范围外，但其垮塌堆积物可经①号道路流水携带进入泥石流沟道内。滑坡、不稳定斜坡可直接参与泥石流方量为1044 m3。表1。

2.3 水源条件

东川区地处低纬高原，主体气候属亚热带季风气候。受地形高差悬殊和不同气流的影响，构成显著的立体气候和干雨季节分明的特点。坪子地泥石流主沟道平均纵坡降468.73‰。具短时间内地表水汇聚的条件，水流湍急，对沟床及沟岸冲刷能力强。年平均降雨量838mm，5月20日至10月20日为雨季，降雨量占年降雨量88%，其中6月至7月雨量最为集中，约占年降雨量的40%；干季12月至次年1月降雨量仅为年降雨量的2.5%。据汤丹镇气象观测资料显示：该区最大日降雨量107.5mm～108mm，最大小时降雨量46.2mm。泥石流流域汇水区地面坡度陡，地表迳流短，雨季降水落地后具快速汇聚沟谷、流量大、变幅快特点，极易形成山洪，为泥石流形成提供水源和水动力条件。

图1 坪子地泥石流工程地质平面图

表1 坪子地泥石流地质灾害特征综合一览表[3]

3 泥石流基本动力学特征分析

3.1 泥石流流体与固体颗粒容重

选择泥石流流通-堆积区较典型泥石流体地段现场采样，选择3-4位目击者，根据当时目击状况配置泥石流体样品，进而得出泥石流重度参考值，计算公式见1，根据结果(表2)，泥石流重度2.00t/m3～2.22t/m3，平均值2.13t/m3，属粘性泥石流。泥石流堆积物以角砾、碎石、粘性土为主，碎块石岩性为板岩，经验取ρh=2.60t/m3作为泥石流固体颗粒容重。

rc=Gc/V

(1)

式中γc-泥石流体重度(kg/m3)；Gc-样品总重；V-泥石流样品体积(m3)

3.2 流速计算

坪子地泥石流属粘性泥石流，流速计算按《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)规定，采用综合通用公式[4]：

式中VC-泥石流流速(m/s)；K-粘性泥石流流速系数；HC-平均泥深(m)；IC-泥位纵坡(‰)。

流速计算断面选择泥石流流通区4-4，剖面、5-5，剖面、6-6，剖面、13-13，剖面和15-15，剖面等断面。流速系数采用内插法；纵坡取实测河床坡度；平均泥深据实测断面量取，泥痕位置选未漫流地段作平均泥深。计算结果见表3。5个断面分布在300m范围内，越往沟口流速越小，主要由于沟道纵坡减小，断面加宽，泥石流逐渐减速。

表2 坪子地泥石流流体重度计算表

表3 坪子地泥石流流速计算表

3.3 泥石流流量计算

泥石流沟床纵坡降陡、主沟道长度短，故假设泥石流与暴雨同频率、且同步发生，先按水文方法计算断面不同频率下小流域暴雨洪峰流量，然后选用堵塞系数，计算泥石流流量：

QC=(1+φ)QP·DC

(3)

式中QC-频率P泥石流洪峰值流量(m3/s)；QP-频率P暴雨洪水设计流量(m3/s)，计算公式：

Qp=q×F2/3×n；

(4)

式中q-设计断面平均洪峰模数，据云南省水文手册查4.5；F-汇水面积(km2)，将道路汇水面积包含在内；n-洪峰流量倍比系数，据云南省水文手册查10年一遇为1.65，30年一遇为2.15(内插法计算)；φ-泥石流泥沙修正系数。

φ=(rC-rw)/(rH-rc)

(5)

式中rC-泥石流重度(t/m3)，根据前面章节为2.13t/m3；rw-清水重度(t/m3)；rH-泥石流中固体物质重度(t/m3)，取2.6t/m3；DC-泥石流堵塞系数，取1.6。

形态调查法计算公式为[5]：Qc=WcVc

(6)

式中Qc-泥石流断面峰值流量(m3/s)；Wc-泥石流过流断面面积(m2)；Vc-泥石流断面平均流速(m/s)。计算参数及计算结果详见表4、表5。

表4 坪子地泥石流不同频率流量表

表5 坪子地泥石流流量计算表

3.4 一次泥石流过程总量计算

一次泥石流总量Q可根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)进行概算，公式为：

Q=KTQc

(7)

当流域面积F<5km2，K=0.202；T(s)根据实际地形情况结合经验取35s；

一次泥石流冲出固体物质总量QH按公式计算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(8)

式中γH-泥石流固体物质比重(t/m3)；γc-泥石流容重(t/m3)；γw-水容重(t/m3)。计算参数及计算结果详见表6。

表6 一次泥石流固体物质总量计算成果表

3.5 泥石流冲击力计算

泥石流冲击力计算包括整体冲压力和单个大石块冲击力计算。

式中P-泥石流冲压力(kpa)；λ-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；g-重力加速度(m/s2)，g=9.8m/s2；γc-泥石流重度(t/m3)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；α-建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角(°)。结果见表7。

式中FS-单块巨石撞击力(KN)；VC-泥石流流速；r-动能折减系数，正面撞击时取0.3；α-受力面与泥石流撞击面撞击角取90°；C1、C2-巨石与建筑物弹性变形系数，若采用船筏与桥墩台撞击系数，C1+C2=0.005；W-巨石重量，取最大直径0.3m。结果表8。

3.6 泥石流冲起高度和弯道超高

式中VC-泥石流流速；g-重力加速度，9.8m/s2；

式中：b-面坡度函数；VC-泥石流流速；g-重力加速度9.8m/s2；计算结果见表9。

表7 泥石流整体冲压力计算表

表8 泥石流石块冲击力计算表

表9 泥石流冲起高度计算成果表

(2)泥石流弯道超高

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。计算公式：

式中Δh-泥石流弯道超高(m)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；R2-凹岸曲率半径(m)；R1-凸岸曲率半径(m)；g-重力加速度(m/s)。

本次勘查选择15-15，剖面沟道转弯处计算，结果见表10，泥石流弯道超高0.04m。

表10 泥石流弯道超高计算表

3.7 泥石流类型及规模

根据实际调查及计算资料分析，按照泥石流灾害防治工程勘查规范相关条文标准对坪子地泥石流分类属暴雨性、混合沟谷、高频、小型泥石型粘性泥石流。

根据现场调查，坪子地泥石流一次堆积方量约46.581m3(10年一遇)，洪峰流量约9.329m3/s(10年一遇)。基于一次堆积方量为主要因素考虑，坪子地泥石流为小型泥石流。

4 结 论

(1)昆明东川江西村坪子地泥石流分为形成区和流通-堆积区，形成区又分为水源亚区和物源亚区，泥石流的形成是地形地貌因素与物源特征及水源特征三个因素综合形成的结果。

(2)按泥石流堆积段所处地貌位置、流域形态、流体性质、发育阶段、固体物质一次最大冲出量等划分，该泥石流属于暴雨性、沟谷、高频、小型泥石型、粘性泥石流。