洪 磊，王 輝，劉 坤

（1. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2. 中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引言

加吾礦區(qū)隸屬青海省同德縣巴溝鄉(xiāng)，成礦區(qū)帶上位于西秦嶺汞—銻礦帶西段之共和—澤庫(kù)印支期汞、砷、銅、鉛、金成礦亞帶之內(nèi)，礦產(chǎn)資源豐富。然而，本區(qū)大地構(gòu)造位置上處于秦昆銜接部位的共和盆地內(nèi)部[1，2]。作為青藏高原腹地，晚新生代以來(lái)，在印度板塊北北東向推擠作用下，地殼變形強(qiáng)烈[3]，活動(dòng)斷裂極其發(fā)育，歷史地震活動(dòng)頻繁；加之氣候環(huán)境特殊、地勢(shì)險(xiǎn)要等因素造成區(qū)域上崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)強(qiáng)烈，并為孕育泥石流災(zāi)害奠定了豐富的物源基礎(chǔ)。而礦區(qū)內(nèi)瑪日當(dāng)溝因其特殊的溝道地形及流域特征使得該流域泥石流災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重危害礦區(qū)礦產(chǎn)資源勘查及開(kāi)采工作，并對(duì)溝道下游通往興?？h城公路及然果村落居民的人身安全形成極大隱患（圖1）。因此，開(kāi)展該溝泥石流的調(diào)查工作，有效預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生顯得尤為必要。

探究泥石流動(dòng)力特征是指導(dǎo)預(yù)防此類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外有關(guān)泥石流動(dòng)力特征的研究成果已相當(dāng)豐富。由于對(duì)泥石流動(dòng)力特征研究的現(xiàn)實(shí)意義主要落實(shí)在災(zāi)害防治工作上，所以有關(guān)此領(lǐng)域的研究多是針對(duì)具體的泥石流災(zāi)害進(jìn)行的。譬如，2010 年，宋志等[4]對(duì)貢嘎山東坡雅家埂河特大型泥石流動(dòng)力特征作了詳細(xì)分析，并在此基礎(chǔ)上反演泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析其形成機(jī)理；江岳安等[5]對(duì)四川康定江咀溝泥石流動(dòng)力特征做過(guò)調(diào)查研究；張自光等[6]對(duì)都江堰市八一溝泥石流同樣獲得過(guò)動(dòng)力特征方面的研究成果。盡管如此，大多數(shù)已有研究成果多局限于丘陵-低中高山地區(qū)的泥石流災(zāi)害，而對(duì)于海拔在3000m 以上的青藏高原區(qū)內(nèi)因受人類采礦活動(dòng)影響的礦山型泥石流災(zāi)害的動(dòng)力特征研究相對(duì)較少。本文以高原地區(qū)礦山型泥石流災(zāi)害為對(duì)象，在分析前人研究成果資料基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際調(diào)查結(jié)果，對(duì)礦區(qū)瑪日當(dāng)溝泥石流災(zāi)害的動(dòng)力特征作系統(tǒng)分析，以期為該區(qū)泥石流的防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 泥石流發(fā)育背景

瑪日當(dāng)溝流域位于加吾礦區(qū)中部偏北，全長(zhǎng)可達(dá)4.16km，溝道迂回曲折，總體走向北東，呈往南東向凸起的弓形展布，支溝不發(fā)育（圖1），流域面積約6.06km2，溝床平均比降192‰，兩側(cè)山體坡角多在70°以上。溝道下游溝口海拔約2900m，上游山頂海拔高度近4000m，垂直高差約達(dá)1000m。然而就局部地形而言，下游段因河水切割作用地形相對(duì)高差可達(dá)40～50m；中上游段因整體抬升，相對(duì)高差較小，約為10～20m；最上游泥石流形成區(qū)山高坡陡，相對(duì)高差超過(guò)60m。

圖1 瑪日當(dāng)溝地形及流域分區(qū)特征圖Fig.1 The terrain and watershed partition characteristics of Maridang gully

流域內(nèi)地層巖性主要為碳質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖以及第四系松散堆積物，碳質(zhì)板巖原巖主要為含碳質(zhì)泥巖或頁(yè)巖，變質(zhì)程度低，抗壓性能差，性脆易破碎，含碳質(zhì)較多易沿層間滑動(dòng)；砂質(zhì)板巖極易風(fēng)化破碎；第四系地層未經(jīng)充分壓實(shí)，土質(zhì)疏松。此外，礦區(qū)內(nèi)人類采礦工程活動(dòng)所形成的剝土及礦渣更是任意堆放，這些均為泥石流的發(fā)生提供了充分的物質(zhì)來(lái)源。

區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷拇箨懜咴?，?jù)同德縣氣象局資料，該區(qū)年平均降水量300～400mm，每年5—9 月份為主要降水期，其中在7—9 月份常有特大暴雨。礦區(qū)內(nèi)的河流主要為黃河，另有規(guī)模較小的黃河支流水系發(fā)育，汛期為5—9 月份。盡管該區(qū)年降雨量相對(duì)較少，但季節(jié)分配不均勻，過(guò)于集中在7—9 月份，該時(shí)期降雨量占全年降雨量的70%以上。如此密集程度的降雨，必然導(dǎo)致雨量的增加，為該地區(qū)泥石流的暴發(fā)提供了充足的水動(dòng)力條件。

2 泥石流流域分區(qū)特征

2.1 形成區(qū)

瑪日當(dāng)溝上游形成區(qū)為高陡的山脊圍成的“V”字型山谷，三面環(huán)山，一面出口，呈半圓弧形。該區(qū)海拔高程在3300～3560m 之間，面積約為1.41km2，主溝長(zhǎng)約1.14km，寬度較小，在2～4m 間不等，山坡坡角可達(dá)30°～60°，溝床平均縱坡降265‰。坡面上常發(fā)育有許多沖溝，區(qū)內(nèi)植被覆蓋較好，基巖裸露不明顯（圖2），僅在溝道兩側(cè)出露，巖性以砂質(zhì)板巖為主，表層風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙和各類結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖石較為破碎，易崩落滑塌。溝道內(nèi)多為風(fēng)化強(qiáng)烈的碎石及塊石，顆粒較大，粒徑大多集中于2～8cm 之間。

圖2 瑪日當(dāng)溝泥石流形成區(qū)形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of debris flow formation area at Maridang gully

2.2 流通區(qū)

瑪日當(dāng)溝流通區(qū)段溝谷位于海拔高程2950～3300m 之間，面積約為2.77km2，溝長(zhǎng)約2.75km，寬約5～15m，谷壁坡角超過(guò)60°，溝床平均縱坡坡降較之形成區(qū)明顯變緩，約為149‰。溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)主要為碎石，顆粒粒徑大多在2～8cm 之間，另有采礦棄渣及風(fēng)化形成的殘坡積物，顆粒較小，粒徑小于2mm 且以砂粒居多，粉粒與粘粒亦有所發(fā)育。溝道兩側(cè)植被破壞明顯，基巖出露，巖性多為炭質(zhì)板巖與砂質(zhì)板巖，巖體風(fēng)化破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。溝道局部地段坡度很大，近直立產(chǎn)出，形成4處跌水現(xiàn)象，高度在0.5～2m 之間（圖3）；另有一處卡口現(xiàn)象發(fā)育，寬度僅為1～2m（圖4）。

圖3 跌水（E）Fig.3 Waterfall（E）

圖4 卡口（W）Fig.4 Bayonet（W）

2.3 堆積區(qū)

瑪日當(dāng)溝堆積區(qū)地形平緩，古泥石流堆積扇發(fā)育，位于海拔高程2930～2950m 之間，長(zhǎng)度接近0.3km，溝床縱坡降僅為78‰。溝道兩側(cè)坡體植被破壞明顯，水土流失嚴(yán)重，出露地層以第四系為主。在距離溝口不遠(yuǎn)處是一條通往興?？h城的公路，再往西是然果村村落以及探礦人員的營(yíng)房（圖1、5）。因此，一旦暴發(fā)泥石流，不僅影響礦山的安全生產(chǎn)，而且對(duì)下游公路設(shè)施及人員的生命財(cái)產(chǎn)安全也構(gòu)成極大威脅。

圖5 瑪日當(dāng)溝泥石流堆積區(qū)形態(tài)特征（W）Fig.5 Morphological characteristics of debris flow accumulation area at Maridang gully（W）

3 動(dòng)力學(xué)特征

3.1 泥石流容重

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式以及形態(tài)調(diào)查結(jié)合相關(guān)規(guī)范綜合確定等是確定泥石流容重的幾種主要方法。本文在對(duì)瑪日當(dāng)溝泥石流易發(fā)程度（表1）進(jìn)行評(píng)分的基礎(chǔ)上，計(jì)算得出數(shù)量化評(píng)分（N）值，再利用其與泥石流容重及（1+φ）之間的關(guān)系對(duì)照表（表2），確定泥石流流體的容重[7]。

表1 瑪日當(dāng)溝泥石流易發(fā)程度評(píng)判表

表2 數(shù)量化評(píng)分（N）值與流體容重及（1+φ）關(guān)系對(duì)照表（部分）

據(jù)表1、2，確定瑪日當(dāng)溝泥石流的流體容重約為γc=1.710t/m3，呈稀粥狀，為稀性泥石流或水石流。既然泥石流是地形、物源及水動(dòng)力條件綜合作用的產(chǎn)物，那么確定泥石流容重也必然要考慮水動(dòng)力條件的影響。泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范DZ/T0220-2006[7]是在引入泥石流暴發(fā)周期這一時(shí)間概念的前提下，將泥石流水動(dòng)力條件影響因素定量化，給出以下經(jīng)驗(yàn)公式：

其中，γc′為泥石流設(shè)計(jì)容重；T 為泥石流暴發(fā)周期。

據(jù)公式1 計(jì)算得出瑪日當(dāng)溝泥石流設(shè)計(jì)容重（表3）。

表3 瑪日當(dāng)溝泥石流不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下容重值

3.2 泥石流流速

國(guó)內(nèi)外有關(guān)泥石流流速的計(jì)算方法很多，有理論的、半理論的以及經(jīng)驗(yàn)的。瑪日當(dāng)溝為典型的溝谷型稀性泥石流，同時(shí)考慮到研究區(qū)地處西北地區(qū)，故采用適合西北地區(qū)的稀性泥石流計(jì)算公式更為合理。本文選取三種不同的推薦公式（表4） 綜合確定泥石流流速。

表4 泥石流流速計(jì)算推薦公式

據(jù)野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果，結(jié)合類似經(jīng)驗(yàn)，取γH=2.70t/m3、R=H=1.25m、J=0.192、mc=15，求得不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下泥石流流速平均值（表5）。

表5 瑪日當(dāng)溝泥石流不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下流速值

表6 泥石流堵塞系數(shù)Dc 值

3.3 泥石流峰值流量

本文采用雨洪修正法計(jì)算瑪日當(dāng)溝不同設(shè)計(jì)暴發(fā)頻率下的泥石流峰值流量。假設(shè)泥石流暴發(fā)頻率與暴雨頻率相同，且同步發(fā)生，計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部變成泥石流流量。先利用水文方法《小流域暴雨洪峰流量計(jì)算》[10]計(jì)算小流域內(nèi)斷面在不同暴雨頻率下的洪水峰值流量（推理公式5），再利用東川公式（6）計(jì)算泥石流峰值流量[11]：

其中：Qp為洪水峰值流量；Qc為泥石流的峰值流量；ψ 為洪峰徑流系數(shù)；Sp表示設(shè)計(jì)頻率為P 的暴雨雨力（mm/h），即最大1h 的暴雨量；τ 為匯流時(shí)間（h）；n 為暴雨參數(shù)；F 為流域面積（km2）；Dc為堵塞系數(shù)（表6），Φ 同前；

表7 瑪日當(dāng)溝泥石流峰值流量計(jì)算過(guò)程表

公式5、6 中各計(jì)算參數(shù)值依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料與《小流域暴雨洪峰流量計(jì)算》[10]確定，瑪日當(dāng)溝設(shè)計(jì)頻率下的最大暴雨量、暴雨特征參數(shù)、溝谷特征以及泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果如表7所示。

4 結(jié)論

（1） 瑪日當(dāng)溝流域具有暴發(fā)泥石流災(zāi)害的有利地形、物源以及水動(dòng)力條件；

（2） 瑪日當(dāng)溝為標(biāo)準(zhǔn)型泥石流溝，流域分區(qū)特征顯著；

（3） 瑪日當(dāng)溝泥石流屬典型的溝谷型稀性泥石流或水石流，該流域十年一遇、二十年一遇、五十年一遇、一百年一遇以及兩百年一遇的泥石流峰值流量分別為54.19 m3/s、76.23 m3/s、129.51 m3/s、196.03 m3/s、278.86 m3/s。