廖德武

（貴州地礦工程勘察有限公司，貴陽 550081）

1 前言

泥石流是一種全球性的自然災害，因其形成過程復雜、暴發(fā)突然、來勢兇猛、歷時短暫、破壞力強成為山區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的一大災害［1]。本文對岔溝泥石流運動特征及誘發(fā)因素進行分析，闡述泥石流流體重度、泥石流流速及泥石流洪峰流量等運動特征相互關(guān)系，并分析降雨量作為誘發(fā)因素與運動特征之間的相互聯(lián)系，為泥石流地區(qū)類似工程防災減災提供可靠基礎(chǔ)資料。

岔溝泥石流［2－3]災害共發(fā)生過大小規(guī)模的泥石流3次，分別是2003年6月23日、2005年7月29日（該次沖毀2棟房屋導致2人死亡）以及2012年7月12日，對當?shù)氐拇迕裾Ｉ顜砹溯^大的威脅。

2 泥石流溝域概況

岔溝泥石流溝域內(nèi)大量砍伐樹木，大面積墾植耕種，土體變得疏松保水能力下降，表層土體松散。泥石流的發(fā)育高程約1 323～1 875 m，相對高差552 m，主溝長約2.4 k m，縱坡降115‰～175‰，集雨面積約2.8 k m2，主溝道走向約73°，主溝道常年有水，水量受季節(jié)性影響較大，有次級沖溝4條，在平面上呈樹枝狀分布。溝域分布見圖1。

圖1 岔溝溝域分布圖Fig.1 Chagou valleys

3 泥石流形成條件

泥石流形成條件包括地形地貌條件、物源條件、水源條件三個方面。各個條件特征分析如下：

3.1 地形地貌

泥石流地區(qū)地貌上為侵蝕中低山溝谷斜坡，微地形主要為“V”型溝谷，次級沖溝4條在平面上呈樹枝狀分布。兩岸支流發(fā)育程度相似，兩岸谷坡坡度25°～55°，自然斜坡坡度較陡，表現(xiàn)為山高坡陡，匯水面積大，主溝坡降為最高標高2 024 m，最低標高1 342 m，相對高差682 m，較大的高差與較大的匯水面積在暴雨時使地表水能夠迅速匯聚，從而帶走坡面大量松散固體物質(zhì)運動對溝道的沖刷，激發(fā)泥石流暴發(fā)的機理。

3.2 物源條件

根據(jù)實地調(diào)查不良地質(zhì)現(xiàn)象有7處小型滑坡和5處小型崩塌危巖體，并且區(qū)域上處于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之畢節(jié)北西向構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象為岔溝泥石流提供了豐富的物質(zhì)來源。泥石流溝溝域范圍內(nèi)的儲存的松散固體物質(zhì)主要有三種類型：一是崩塌、滑坡以及溝岸側(cè)蝕等不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的松散固體物質(zhì)堆積體，二是溝岸斜坡淺地表殘坡積層，三是泥石流主溝堆積物。

據(jù)調(diào)查不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的松散固體物質(zhì)2.07×104m3，及泥石流本身堆積的堆積體13.7×104m3，每年溝岸斜坡淺地表殘坡積層將有1.53×104m3可能參與泥石流活動。因此，可能參與泥石流活動的松散物質(zhì)儲量總計約17.3×104m3，為泥石流形成提供了豐富而集中的松散固體物質(zhì)，在暴雨時為泥石流產(chǎn)生提供豐富的物質(zhì)來源。

3.3 水源條件

我國泥石流暴發(fā)的水源主要是降雨，因此泥石流發(fā)生時間與暴雨頻發(fā)的時間同期［4]，災害區(qū)處于高海拔低緯度區(qū)，屬暖溫帶季風濕潤氣候，雨量充沛，氣候溫和，冬無嚴寒，夏無酷暑，無霜期較長。氣候特點：最熱7月均溫21.8℃，最冷1月均溫2.4℃，年平均氣溫11.8℃。自1992年以來：近20 a各年的降雨均集中在5～9月，最大日降雨量也集中出現(xiàn)在各年這段時間，單日最大降雨量出現(xiàn)在2006年6月29日，其降雨量為146.1 mm；近20 a每年累積降雨量在638.7～1 101 mm之間，年平均降雨量864.75 mm，多年評估降雨量為954.20 mm。年降水量（圖2）的71%～76%集中在5～9月，為泥石流暴發(fā)提供有充足的水源條件。集中的降水產(chǎn)生洪水強烈沖蝕地表及侵蝕溝谷，促使并加劇滑坡體、不穩(wěn)定邊坡及崩塌體活動，增加溝內(nèi)的松散堆積物。利于坡面地表水的匯集，在大暴雨或持續(xù)強降雨匯集的水體，為泥石流的形成提供了水動力條件。

4 泥石流運動特征

泥石流屬于溝谷型泥石流，分別是2003年6月23日、2005年7月29日以及2012年7月12日，由于泥石流活動頻率高，持續(xù)時間短、規(guī)模大，屬于中頻型粘性泥石流。

對泥石流的運動特征進行分析，是為了泥石流防治工程提供可靠的設(shè)計參數(shù)。

圖2 年降雨量資料圖Fig.2 Annual rainfall

4.1 泥石流流體的容重

泥石流的容重是很關(guān)鍵的參數(shù)，除對泥石流流體的性質(zhì)起決定性作用外，還直接影響工程的規(guī)模和經(jīng)濟效益［5]。采用現(xiàn)場大容重試驗法：在泥石流溝的3個集中堆積區(qū)選取具有代表性堆積物開挖3個坑，采取堆積物樣品，分別測試樣品的總質(zhì)量和總體積，按下列公式求出泥石流流體容重，選用下式計算：

式中，γC為泥石流流體密度（t／m3）；GC為樣品的總質(zhì)量（t）；V 為樣品的總體積（m3），測試得出岔溝泥石流平均容重值為1.76 t／m3。計算過程見表1。

表1 泥石流流體容重現(xiàn)場測試結(jié)果表Table.1 Field test results of the volu me weight of debris flows

4.2 泥石流流速

泥石流流速是表征泥石流運動特征的重要指標之一，泥石流流體性質(zhì)屬粘性泥石流，選擇粘性泥石流流速計算公式：

式中，VC為通過調(diào)查斷面的泥石流平均流速（m／s）；K為粘性泥石流流速系數(shù)，根據(jù)《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》表Ⅰ.3內(nèi)查法求得；HC為調(diào)查斷面的平均泥深（m）；取HC＝1.40 m；IC為泥石流水力坡度（%），以溝道縱坡降代替；計算結(jié)果QC＝1.80 m／s。

4.3 泥石流流量

4.3.1 形態(tài)調(diào)查法

形態(tài)調(diào)查法［6]根據(jù)泥石流泥痕及溝槽形態(tài)，測量泥位高和過流斷面面積，計算流量，選用下式計算：

式中，QC為調(diào)查斷面的泥石流峰值流量（m3／s）；WC為調(diào)查斷面的過流面積（m2）；VC為通過調(diào)查斷面的泥石流平均流速（m／s）。計算結(jié)果QC＝16.32 m3／s。

4.3.2 雨洪修正法［6]

沈壽長等［7]認為：斯氏公式中的堵塞附加流量不能實際反映泥石流的堵塞陣流現(xiàn)象。雨洪修正法從調(diào)查情況及治理應達到的目標（即在50 a一遇的暴雨作用下，泥石流不致構(gòu)成重大危害），以下按50 a一遇的暴雨強度作為治理工程措施設(shè)防標準，進行泥石流流量計算，暴雨時的最大洪峰量采用推理公式計算，有關(guān)參數(shù)的確定依據(jù)是《貴州省中小流域暴雨洪水計算手冊》。

式中，QC為頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3／s）；QP為頻率為P的暴雨洪峰值流量（m3／s）；DC為泥石流堵塞系數(shù)，查表取2.0；φ＝（γC－γW）／（γH－γC），φ＝0.72，γC為泥石流流體重度（t／m3）；γC＝1.76 t／m3；γW為清水重度（t／m3）；γW＝1.0 t／m3；γH為固體顆粒重度（t／m3），γW＝2.65 t／m3；計算結(jié)果QC＝17.20 m3／s。

4.4 一次沖出泥石流總量

4.4.1 一次沖出泥石流流體總量

通過斷面的一次泥石流總量可根據(jù)泥石流歷時T和斷面峰值流量QC按下式進行計算：

式中，Q為一次泥石流流體總量（m3）；T為泥石流歷時（s），調(diào)查得約1 h，共9 000 s；QC為通過計算斷面的最大流量（m3／s），取QC＝17.20；K ＝0.202（取自《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》1.1.3條）。計算結(jié)果Q＝2.502×104m3。

4.4.2 一次沖出泥石流固體物質(zhì)總量

式中，γC為泥石流流體重度（t／m3），取值為1.76；γW為清水重度（t／m3），取值為1.0；γH為固體顆粒重度（t／m3），取值為2.65。計算結(jié)果QH＝1.80×104m3。

4.5 泥石流的沖擊力

泥石流沖擊力可分為流體整體沖壓力和個別石塊體沖擊力兩種。

4.5.1 泥石流整體沖壓力

泥石流流體沖壓力用下式計算：

式中，δ為泥石流流體整體沖擊力（k Pa）；g為重力加速度，取9.8 m／s2；a為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，本次取值為90°，γc為泥石流流體容重（t／m3）；VC為泥石流斷面平均流速（m／s）；λ為建筑物形狀系數(shù)，本次按矩形建筑物取值為1.33。計算結(jié)果δ＝10.61（k Pa）。

4.5.2 泥石流中大塊石的沖擊力

泥石流中大塊石的沖擊力按下式計算：

式中，F(xiàn)C為泥石流體中大塊石的沖擊力（k N）；r為動能折減系數(shù)，本次取值0.3；VC為大塊石運動速度（m／s）；W 為大塊石質(zhì)量，C1、C2為巨石、構(gòu)筑物的彈性變形系數(shù)（m／k N），C1＋C2＝0.005；a為建筑物受力面與大塊石沖擊方向的夾角，本次取值90°。計算結(jié)果：FC＝142.49 k N。

4.6 泥石流沖起高度和彎道超高

4.6.1 泥石流沖起高度

式中，ΔH為沖起高度（m）；VC為大塊石運動速度（m／s）；VC＝1.80 m／s；b為迎面坡度的函數(shù)。計算結(jié)果：ΔH＝0.13 m。

4.6.2 泥石流彎道超高

式中，ΔH為彎道超高（m）；BC為泥石流表面寬度（m）；BC＝12 m；RC為溝道中線的曲率半徑（m），本次取值取RC＝60 m。計算結(jié)果：Δh＝1.88 m。

5 泥石流類型劃分

通過以上分析，岔溝泥石流類型如表2。

表2 泥石流類型劃分表Table 2 Classifications of debris flows

6 泥石流誘發(fā)因素分析

岔溝泥石流溝域形態(tài)呈橢圓形，泥石流的發(fā)育高程約1 323～1 875 m，相對高差552 m，主溝長約2.4 k m，縱坡降115‰～175‰，集雨面積約2.8 k m2，兩岸谷坡坡度25°～55°，自然斜坡坡度較陡，有利于暴雨時地表水迅速匯聚，流量能迅速增大。據(jù)水文資料，近20年每年累積降雨量在638.7～1 101 mm之間，年平均降雨量864.75 mm，多年評估降雨量為954.20 mm。年降水量（圖2）的71%～76%集中在5～9月，為泥石流暴發(fā)提供充足的水動力條件。

岔溝泥石流形成區(qū)，根據(jù)實地調(diào)查不良地質(zhì)現(xiàn)象有7處小型滑坡和5處小型崩塌危巖體，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象為岔溝泥石流形成提供了豐富的物質(zhì)來源，增加泥石流的重度，加強泥石流的動力性能［8]。

7 結(jié)語

本文通過對岔溝泥石流流運動特征及誘發(fā)因素，泥石流運動特征含重度、流速、流量等參數(shù)進行分析，誘發(fā)因素中主要的降雨條件進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）岔溝泥石流區(qū)域上處于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之畢節(jié)北西向構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，巖土軟硬相間，在區(qū)域內(nèi)為泥石流提供了大量松散物質(zhì)來源，主溝長約2.4 k m，縱坡降115‰～175‰，流域面積約2.8 k m2，為泥石流形成提供了必要條件。

（2）岔溝泥石流從泥石流集水區(qū)地貌特征劃分為暴雨溝谷型泥石流，從泥石流堆積物的物質(zhì)組成劃分為粘性泥石流，從泥石流的發(fā)展階段劃分為發(fā)展期泥石流，從發(fā)生頻率劃分為低頻泥石流。

（3）通過對岔溝泥石流流運動特征分析，該泥石流容重為1.76 t／m3，泥石流流速為1.80 m／s。據(jù)調(diào)查不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的松散固體物質(zhì)2.07×104m3，及泥石流本身堆積的堆積體13.7×104m3，每年溝岸斜坡淺地表殘坡積層將有1.53×104m3可能參與泥石流活動。因此，可能參與泥石流活動的松散物質(zhì)儲量總計約17.3×104m3，泥石流規(guī)模為中型。

（4）岔溝泥石流主要為暴雨激發(fā)，大暴雨是引發(fā)泥石流的主要因素，加之地形地貌有利于泥石流物質(zhì)的匯集和成災，且有豐富而集中的松散固體物質(zhì)。因此，在長時間降雨與大暴雨時，誘發(fā)泥石流的可能性大。

［1]劉麗，陳洪凱.泥石流運動力學研究現(xiàn)狀及趨勢［J].重慶交通大學學報，2010，29（2）：233－234.

［2]貴州地礦工程勘察有限公司.貴州省七星關(guān)區(qū)大河鄉(xiāng)岔溝泥石流勘查報告［R].貴州貴陽：貴州地礦工程勘察有限公司，2010.

［3]廖德武.貴州七星關(guān)區(qū)大河鄉(xiāng)岔溝泥石流形成條件分析［J].貴州科學，2014，32（1）：35－36.

［4]朱中禮，劉希林，尚志海.四川省北川縣趙家溝地震次生泥石流形成條件分析［J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2010，21（4）：60－61.

［5]程尊蘭.泥石流設(shè)計流量中容重的計算方法［J].泥石流，1995，122（5）：95－97.

［6]中華人民共和國國土資源部.泥石流災害防治工程勘察規(guī)范（DZ／T0220－2006）［S].2006.

［7]沈壽長，譚炳炎.泥石流防治理論與實踐［M].成都：西南交通大學出版社，1991.

［8]熊煒，范文，等.竹林關(guān)大柴溝大型泥石流的形成機制與發(fā)展趨勢［J].災害學，2012，27（4）：95－96.