師書冉，涂良權，沈衛(wèi)立

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院,許昌 461000）

北川縣櫻桃溝泥石流地質(zhì)特征與動力學參數(shù)分析

師書冉，涂良權，沈衛(wèi)立

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院,許昌 461000）

櫻桃溝泥石流位于汶川“5·12”大地震震中北川縣,是一條典型的溝谷型泥石流。本文在分析櫻桃溝泥石流溝流域和泥石流基本特征的基礎上,對形成泥石流的地形、水源、物源等基本條件進行了論述,并基于動力學原理,詳細計算了泥石流的重質(zhì)、流速、流量、沖出量等動力學參數(shù)。結(jié)構表明，櫻桃溝泥石流的流體密度為1.686 t/m3，流速為6.06 m/s,大塊石的運動速度為6.45 m/s，泥石流整體沖壓力為35.56 kPa，泥石流的最大沖起高度0.72 m,爬高1.15 m，彎道超高0.41 m。筆者以期為正確設置泥石流防治工程提供理論依據(jù)。

櫻桃溝;泥石流;地質(zhì)特征;動力學參數(shù)

1 引言

汶川“5·12”大地震形成大量崩塌、滑坡和其它松散堆積體，成為泥石流的固體物質(zhì)來源,致使地震災區(qū)泥石流活動頻率，規(guī)模大大增強[1-5]。

櫻桃溝泥石流位于汶川“5·12”大地震震中北川縣,是一條多期次老泥石流溝。1978年泥石流首次暴發(fā),溝水沖刷形成具有一定過水斷面的溝槽,泥石流規(guī)模約2.5萬m3。1998年雨季又暴發(fā)泥石流，并疊加在1978年堆積扇的基礎上,規(guī)模約1萬m3。2008年“9·24”強降雨導致北川縣櫻桃溝泥石流再次暴發(fā),摧毀櫻桃溝村、通寶溝村鄉(xiāng)村道路,掩埋拱橋1座和張家溝58戶民房240間,死亡1人,直接經(jīng)濟損失1020余萬元,災情等級屬于特大型。

2 泥石流地質(zhì)特征

櫻桃溝泥石流溝位于都壩河右岸,流域面積18.50 km2,主溝長7.00 km,平均縱坡度角8°,主溝兩岸呈“V”型峽谷,兩岸谷坡坡度40～70°。溝兩岸在地震前植被發(fā)育,地震后地質(zhì)災害發(fā)育,導致植被覆蓋率降低,殘坡積物發(fā)育,坡面切溝匯合后的大部分溝段溝水沖刷強烈；多條支溝內(nèi)在“9·24”強降雨作用下,沖出大量松散體匯集于櫻桃溝和通寶溝內(nèi),為泥石流的物源區(qū);櫻桃溝和通寶溝匯合后直接進入帳家溝,帳家溝為泥石流的流通區(qū),帳家溝出口及帳家溝與都壩河交匯段為泥石流的堆積區(qū)（圖1）。

形成區(qū)主溝段溝底在上段有零星松散層分布,大部分溝底可見基巖,溝底在下段有大量松散層分布,櫻桃溝和通寶溝溝內(nèi)下段堆積約有200萬m3碎塊石土,兩岸坡體上分布760萬m3坡積物,流通區(qū)溝兩岸主要為基巖,溝底在上游局部可見基巖,中下游均為沖積物覆蓋,堆積區(qū)溝底為泥石流堆積。溝底實測縱剖面見圖2。

2.1 形成區(qū)特征

形成區(qū)包括匯水區(qū)和物源區(qū),匯水區(qū)面積9.3 km2,物源區(qū)匯水面積6.2 km2,總面積17.9 km2,占泥石流流域面積的96.77%。

2.1.1 匯水區(qū)特征

分布于泥石流溝源區(qū),溝內(nèi)高程1100～2349 m,長度為3.30 km,主溝內(nèi)縱坡8～15°,平均坡度為11°,平面形態(tài)呈長條形,沿分水嶺呈圈椅狀,由兩條匯水的坡面形成一條沖溝,呈寬緩“V”型,溝內(nèi)長年有水,兩岸植被發(fā)育,生長著大量的針葉林和灌叢,植被覆蓋率為50%～60%。

2.1.2 物源區(qū)特征

分布于泥石流溝中段,高程930～1100 m,溝長2.0 km,平均坡度為11°,溝寬25～50 m不等,溝底全部為松散堆積物覆蓋,溝內(nèi)兩側(cè)坡體為松散物

質(zhì),在“5·12”特大地震作用下,大面積跨塌,加之受“9·24”強降雨作用下,沖刷和侵蝕坡體中部和坡腳大量泥石流堆積體;距溝底50～100 m地段兩岸谷坡坡度為40～60°,谷坡殘坡積物較發(fā)育,局部呈陡崖狀,中上部谷坡坡度30～45°度,相對較緩一些,總體呈“V”型峽谷。

在距溝底相對高差50 m的斜坡地帶的殘坡積物中有大量的崩塌和滑坡分布,并構成了泥石流的物源。組成物質(zhì)上部0.50～1.00 m為碎石夾粉土，含植物根系；中部5～30 m為松散碎石土，粒徑小于5 cm碎石占25%，5～20 cm碎石占70%，塊徑0.4～1.2 m塊石占5%，少量塊石大于2 m；下部為強風化頁巖或砂質(zhì)灰?guī)r。

2.2 流通區(qū)特征

圖1 櫻桃溝泥石流全貌Fig.1 Full view of the debris flow in Yingtao Gully

圖2 泥石流溝縱剖面圖Fig.2 Corss section of the debris flow in Yingtao Gully

分布于泥石流溝中下段,溝內(nèi)高程680～785 m，溝長1.00 km，平均縱坡3°，溝寬15～40 m不等，溝

底大部分地段被泥石流沖積物覆蓋，厚度為3～5 m，局部基巖出露;兩岸谷坡下部坡度為65～75°，中上部谷坡坡度50～60°度，總體呈“V”型峽谷，溝內(nèi)兩岸邊坡基巖裸露，谷坡殘坡積物受“5·12”地震影響，大部分崩落至溝內(nèi)。

2.3 堆積區(qū)特征

分布于泥石流溝溝口地帶，從溝出山口段內(nèi)就開始堆積，溝內(nèi)高程638～680 m，面積0.6 km2，占流域面積的3.23%，溝長0.7 km，平均縱坡3°，溝寬200～350 m不等，溝底為泥石流堆積，堆積方量約34萬m3。

泥石流左岸為張家溝滑坡，右岸為覆蓋第四系坡積物農(nóng)田，泥石流發(fā)生前溝內(nèi)右側(cè)為居民區(qū)，有張家溝58戶240間居民房，河流流向在左側(cè)，“9·24”暴發(fā)泥石流后，河流流向改為右側(cè)，摧毀所有居民房。

3 動力學參數(shù)分析

3.1 泥石流容重

采用現(xiàn)場試驗法確定泥石流容重值，選擇有代表性的堆積物攪拌成暴發(fā)時的泥石流流體狀態(tài)，采集三件樣品，分別測出樣品的總質(zhì)量和總體積,按式（1）計算泥石流容重[6～8]。計算得出，支溝堆積扇泥石流容重γc＝1.891 t/m3；主溝堆積扇泥石流容重

式中：

γc—泥石流容重（t/m3）;

Gc—試驗配制樣品重量（t）;

V—試驗配制樣品體積（m3）。

3.2 泥石流流量

3.2.1 泥石流峰值流量

采用“雨洪法”計算峰值流量，即假設泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉(zhuǎn)化為泥石流流量的假設條件下建立的計算方法[9-10]。其計算公式為：

式中：

Qc—頻率為P的泥石流峰值流量（m3/s）;

Qp—頻率為P的暴雨洪水設計流量（m3/s）;

φc—泥石流泥沙修正系數(shù)

γc—泥石流密度（t/m3）；

γw—清水的密度（t/m3）,取為1；

γH—泥石流中固體物質(zhì)比重（t/m3）,根據(jù)實際情況取為1.96 t/m3；

Dc—泥石流堵塞系數(shù),查經(jīng)驗表取Dc＝5.5。

（1）計算出不同頻率的暴雨洪水設計流量,各頻率下的暴雨洪水設計流量Qp計算成果見表1。

（2）按式（2）計算頻率為P的泥石流峰值流量Qc,計算結(jié)果見表2。

3.2.2 一次泥石流過程總量計算

表1 不同頻率的暴雨洪水設計流量Table 1 Calculation results of the design flow

表2 不同頻率的泥石流峰值流量Table 2 Calculation results of the peak flow

表3 一次泥石流的總量計算參數(shù)和成果表Table 3 Parameters and calculation results of the total volume

櫻桃溝泥石流為活動頻繁的粘性泥石流，其爆發(fā)頻率高，一般每年一次或數(shù)次，較大規(guī)模的活動10年左右一次；根據(jù)泥石流歷時T和最大流量Qc，按泥

石流暴漲暴落的特點，將其過程概化成五角形，按式（4）進行計算[11]。

式中：

Q—一次泥石流過程總量（m3）；

T—泥石流歷時（s）；

Qc—泥石流最大流量（m3/s）；

根據(jù)泥石流的實際情況，采用式（4）計算一次泥石流過程總量及一次沖出固體物質(zhì)總量見表3。

3.3 泥石流中單塊塊石運動速度

以堆積后的泥石流沖出物最大粒徑大體推求石塊運動速度的經(jīng)驗公式[12]：

式中：

Vs—泥石流中大石塊的移動速度（m／s）;

dmax—泥石流堆積物中最大石塊的粒徑（m），調(diào)查泥石流溝中最大塊徑2.6 m;

α—摩擦系數(shù)，全面考慮泥石流容重、石塊比重、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素，取α=4.0。

按式（5）計算可得出泥石流中大塊石的移動速度為6.45 m/s。

3.4 泥石流整體沖壓力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數(shù)[13]。泥石流體整體沖壓力公式：

式中：

δ—泥石流體整體沖擊壓力（Pa）；

g—重力加速度（m／s2），取g＝9.8 m／s2；

α—建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角（°）；

λ—建筑物形狀系數(shù),圓形建筑物λ＝1.0,矩形建筑物λ＝1.33，方形建筑物：λ＝1.47。

由式（6）計算可得泥石流整體沖壓力為35.56 kPa。

3.5 泥石流沖起高度、爬高和彎道超高

3.5.1 泥石流最大沖起高度ΔH

式中：

Vc—泥石流斷面平均流速（m/s）,按形態(tài)調(diào)查法推算Vc=3.75 m/s;

g—重力加速度（m／s2）,取g＝9.8 m／s2;

由式（7）計算可得泥石流最大沖起高度為0.72 m。

3.5.2 泥石流爬高ΔH

泥石流在爬高過程中由于受到溝床阻力的影響,其爬高ΔH計算式：

式中：

b—迎面坡度的函數(shù)。

由式（8）計算可得泥石流爬高ΔH為1.15 m。

3.5.3 泥石流的彎道超高

泥石流在彎道凹岸處有比水流更加顯著的彎道超高現(xiàn)象；根據(jù)彎道泥面橫比降動力平衡條件,推導出計算彎道超高的公式[13]：

式中：

Δh—彎道超高（m）；

R2—凹岸曲率半徑（m）,實測R2=6 m；

R1—凸岸曲率半徑（m）,實測R1=4.5 m；

VC—泥石流流速（m/s）。

由式（9）計算可得泥石流的彎道超高0.41 m。

本文計算結(jié)果與泥石流情況實際情況吻合，動力學參數(shù)計算結(jié)果較為可靠的，基本反映了櫻桃溝泥石流的流量特征，研究結(jié)果能夠指導溝谷泥石流防治工程理論計算工作。

4 結(jié)論

（1）汶川地震前，櫻桃溝歷史上發(fā)生過兩次泥石流，是一個低頻泥石流；地震后流域內(nèi)崩塌、滑坡發(fā)育，改變了櫻桃溝的泥石流形成條件，在“9·24”強降雨條件下地震當年即發(fā)生泥石流。地震后櫻桃溝演變?yōu)楦哳l—暴雨—溝谷型泥石流溝。

（2）櫻桃溝泥石流溝流域面積18.50 km2，溝兩岸在地震前植被發(fā)育，地震后植被覆蓋率降低，殘坡積物發(fā)育。多條支溝內(nèi)大量松散體在“9·24”強降雨作用下，沖出匯集于櫻桃溝和通寶溝，成為泥石流的物源區(qū)；張家溝為泥石流流通區(qū)；張家溝出口及張家溝與都壩河交匯段為泥石流堆積區(qū)。

（3）基于動力學理論計算，櫻桃溝泥石流的流體密度為1.686 t/m3；泥石流峰值流量見表2；一次泥石流過程總量見表3；泥石流流速為6.06 m/s,大塊石的運動速度為6.45 m/s;泥石流整體沖壓力為35.56 kPa；泥石流的最大沖起高度0.72 m,爬高1.15 m彎道超高0.41 m。

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Geological Characteristics and Dynamics Features of the Debris Flow in Yingtao Gully of Beichuan County,Sichuan Province

SHI Shu-ran,TU Liang-quan,SHEN Wei-li
(The Second Geo-exploration Institute of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration&mineral Develop ment, Xu Chang,461000,China)

The debris flow in Yingtao gully is a typical gully debris flow,which is located in Beichuan County, "5.12"Earthquake epicenter,Sichuan Province.Based on the basic features of the valley,the characteristics of the debris flow and forming conditions like topography,water source and sediment sources,are firstly analyzed. Then according to the dynamic parameters,the bulk density,flow rate,flow capacity and sediment flush-out,are calculated.It is suggested that the fluid dense of debris flow is 1.686 t/m3，flow rate is 6.45 m/s,whole impact force is 35.56 kPa,maximum surge wave height is 0.72 m,debris flow climb-up is 1.15 m,super elevation in bend is 0.41 m.The results can offer theory basis for setting debris flow control structure reasonably.

Yingtao gully;debris flow;geological characteristic;dynamic parameter

P694

A

1672－4135（2013）04－0034-05

2013-01-13

四川省地震災后恢復重建地質(zhì)災害防治專項

師書冉（1977-），女，工程師，2010年7月畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京）資源勘查工程專業(yè)，本科學歷，主要從事地質(zhì)災害防治工作，E-mail:34350129@qq.com。