李三明,张艳涛,汤江红

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

泥石流特征值的计算与确定
——以四川省石棉县出路沟泥石流为例

李三明,张艳涛,汤江红

(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)

作为泥石流防治工程的主要设计依据,泥石流特征值的计算与确定直接关系到防治工程的经济合理性、技术可行性、安全可靠性等。根据勘查规范,同时结合工程实例,对特征值计算所涉及的基本参数的选取,以及其对计算结果的影响进行了分析,对泥石流防治工程勘查设计有借鉴意义。

泥石流;特征值;计算;石棉县

0 引言

泥石流是山区较为常见的地质灾害现象。在中国西南地区,每年因泥石流暴发造成的损失相当巨大,泥石流灾害的防治显得尤为重要。作为泥石流防治工程的重要设计参数,泥石流的各项特征值的计算与确定直接关系到防治工程的经济合理性、技术可行性以及安全可靠性。

1 工程概况

四川省石棉县出路沟泥石流位于大渡河右岸,距石棉县城约40 km。出路沟流域主沟全长19.97 km,流域面积75.5 km2,勘查区内最高点海拔高程4 580 m,至前沿大渡河,海拔高程约940 m,相对高差约3 640 m,平均纵坡降143.21‰。形成区平均纵坡降173.6‰,长度14.86 km,汇水面积66.2 km2;流通区平均纵坡降68.78‰,长度1.57 km,汇水面积3.2 km2;堆积区纵坡降48.58‰,长度3.54 km,汇水面积6.1 km2。

出路沟泥石流属于粘性—低频—暴雨—沟谷型泥石流。1950年以来,已经发生过2次规模较大的泥石流❶李三明、张艳涛、刘平等,四川省石棉县出路沟泥石流应急勘查报告,2009。。

2 泥石流特征值的计算与确定[1]

泥石流沟特征值计算所需要的基本参数包括:汇水面积F、主沟长度L、主沟平均纵坡降Ic等,以上基本参数均可通过地形图、实测断面图等测量或计算确定。

2.1 泥石流流体重度

泥石流流体重度的测试方法主要有现场调查试验法和形态调查法两种。

(1)现场调查试验法 在需要测试的沟段,选取有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体状态,进行样品鉴定,然后分别测量出样品的总质量和总体积,按下式求出泥石流流体重度:

式中:γc——泥石流流体重度(t/m3);W——模拟试验配制流态样品重量(kg);V——模拟试验配制流态样品体积(m3)。

(2)形态调查法(查表法) 通过调查泥石流暴发时的泥石流流体特征和流体运动状况,按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZT0220—2006)(以下简称《规范》)表F.1确定泥石流流体重度。

除以上两种方法之外,《规范》G.2所列,根据泥石流沟易发程度数量化评分(N)与重度、关系对照表,亦可以综合分析,作为确定泥石流重度的考虑条件之一。

出路沟现场调查试验法测试结果:泥石流流体平均重度γc=1.72 t/m3。

形态调查法:出路沟泥石流流体呈稀粥状,泥石流重度为1.60～1.80 t/m3。

综合取值:泥石流流体重度为1.66 t/m3。

出路沟泥石流沟易发程度数量化评分标准综合判定的评分值为96分,堆积物重度γH=2.65 t/m3,按照《规范》G.2,对应泥石流重度为1.662 t/m3。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一,目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验公式,计算公式的选择应该根据泥石流流体性质分别选用。出路沟泥石流流体重度为1.66 t/m3,属粘性泥石流。粘性泥石流流速计算一般选用通用公式:

式中:nc——泥石流沟床粗糙率;Hc——计算断面平均泥深(m);Ic——泥石流水力坡降,采用沟床坡降代替(‰)。

对于某一特定的典型断面而言,泥石流水力坡降Ic以及平均泥深Hc往往都是可以通过测量或计算确定的,泥石流沟床粗糙率nc可根据《规范》表I.5查表确定。

勘查期间选择了四个有代表性的典型断面,进行了泥深(泥痕)调查测量(见图1),其中 Ⅰ—Ⅰ′、Ⅱ—Ⅱ′断面位于形成区,Ⅲ—Ⅲ′断面位于流通区,Ⅳ—Ⅳ′断面位于堆积区。

计算结果见表1。

图1 出路沟泥石流泥痕断面示意图Fig.1 Section schematic diagram ofmud of debris flow in outlet ditch

表1 泥石流流速计算结果表Table 1 Calculation results of debris flow velocity

2.3 泥石流峰值流量

频率为P的泥石流峰值流量的计算目前有两种方法:配方法和形态调查法。配方法的主要原理是以暴雨洪水流量为基础,乘以沟床堵塞系数以及一个与泥石流固体物质比例相关系数计算求得;形态调查法则是根据现场对泥石流泥痕的调查,利用过流断面面积乘以泥石流流速计算得到的数据。以上两种计算方法可以同时计算对比,最终综合确定泥石流峰值流量。

2.3.1 形态调查法

根据2003年8月6日暴发的泥石流4个典型泥痕断面现场调查测量的平均流速,求泥石流断面峰值流量Qc,计算公式如下:

式中:Wc——泥石流过流断面面积(m2);Vc——泥石流断面平均流速(m/s)。

计算结果见表2。

2.3.2 雨洪法

在泥石流与暴雨同频率、同步发生且计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的前提下,首先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量QP,然后选用堵塞系数,按公式进行泥石流流量Qc的计算。

表2 泥石流过流断面峰值流量计算成果表Table 2 Calculation results of peak flow of debris flow in flow cross sections

(1)频率为P的暴雨洪水流量计算(QP)

①按《四川省水文手册》推理公式计算❶四川省中小流域暴雨洪水计算手册,四川省水力电力厅,1984。,计算公式:式中:ψ——洪峰流量系数;SP——设计频率的暴雨雨力(mm/h);τ——洪峰流量汇流时间(h);n——暴雨强度衰减指数。

计算结果见表3。

表3 暴雨洪水流量计算结果表Table 3 Calculation results of storm flood flow

②按中国公路科学研究所提出的经验公式计算频率为P的暴雨洪峰流量QP:

当F≥3 km2时,QP=ψ·F2/3·s;当F<3 km2时,QP=ψ·F·s。

式中:ψ——径流系数;F——汇水面积(km2)(下同);s—雨强(mm/h)。

计算结果见表4。

表4 暴雨洪水流量计算结果表Table 4 Calculation results of storm flood flow

③按中国水科院提出的经验公式计算地表水汇水流量,频率为P的暴雨洪峰流量QP按下式计算:

式中:i——产流系数,一般取0.3～0.8;R——雨强(mm/h)。

计算结果见表5。

根据对比分析,在相同设计频率时,采用四川省水文手册推理公式、中国公路科学研究经验公式、中国水科院经验公式计算的清水流量QP较为接近,考虑到四川省水文手册推理公式是建立在较为完整可靠的地区性水文资料基础上的综合研究成果,有较强的区域代表性,因此,出路沟暴雨洪水流量取值确定按照四川省水文手册推理公式计算数据为准。

表5 暴雨洪水流量计算结果表Table 5 Calculation results of storm flood flow

(2)频率为P的泥石流洪峰流量(QP)(配方法)

计算公式:

式中:φ——泥石流泥砂修正系数,φ=(γc-γw)/(γH-γc);Dc——泥石流堵塞系数。

计算结果见表6。

表6 泥石流峰值流量计算结果表Table 6 Calculation results of peak flow of debris flow

综上所述,在(相当于)50年一遇降雨条件下,对沟口处泥石流峰值流量,利用形态调查法(Ⅳ断面)所得计算结果为538.48 m3/s,雨洪法计算结果为519.76 m3/s,结果基本一致,符合程度较高。综合分析,确定出路沟泥石流峰值流量为524.1 m3/s。

2.4 一次泥石流过程总量

一次泥石流过程总量Q计算,根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s),按泥石流暴涨暴落的特点,将其过程概化成五角形,按下式计算:

式中:K值的变化随流域面积(F)的大小而变化。当F<5 km2时,K=0.202;当5 km2

计算结果见表7。

表7 一次泥石流过程总量计算结果Table 7 Calculation results of total amount of debris flow

2.5 一次泥石流冲出固体物质总量QH

式中:γH——泥石流固体物质重度(t/m3);γc——泥石流流体重度(t/m3);γw——水的重度(t/m3)。

计算结果见表8。

表8 一次泥石流固体物质总量计算表Table 8 Calculation result of total amount of solid materical of debris flow

2.6 其他泥石流动力学特征值的计算确定

泥石流动力学特征值还包括泥石流整体冲击力、泥石流中大块石冲击力、泥石流最大冲起高度、泥石流爬高、弯道超高等,以上特征值均可直接采用规范提供的公式计算确定,在此不再赘述讨论。

3 泥石流特征值计算中主要指标确定的几点认识

泥石流特征值的计算方法主要包括形态调查法和配方计算法,在有可靠的区域水文资料的前提下,雨洪法可以作为计算和确定泥石流特征值的主要方法之一。采用雨洪法时,应优先采用水文手册推理计算公式;当勘查区缺乏可靠的区域水文资料时,可采用其他经验公式计算综合分析确定。

采用配方法计算频率为P的泥石流洪峰值流量Qc时,泥沙修正系数、沟道堵塞系数Dc的选取具有直接的影响作用。泥沙修正系数的确定有两种方法:①计算法,即通过公式=(γc-γw)/(γH-γc)计算求得;②查表法,即按照规范表G.2,根据泥石流易发程度数量化评分(N)值与重度的对应关系查表求得,宜优先采用计算法。沟道堵塞系数Dc应当结合沟道的具体情况,按照《规范》表I.1选取。由于表列取值范围较大,因此,勘查经验尤为重要,应根据沟道条件并结合泥石流历史、勘查经验综合判断确定。

一次泥石流过程总量Q的计算与确定是在Qc计算确定后,乘以流域汇水面积关系系数K、泥石流历时T计算求得,其中最关键的是泥石流历时T的确定。泥石流历时T首先应根据既往泥石流历史,再结合降雨强度、汇流面积、沟道堵塞情况综合分析确定。按照泥石流防治工程设计的设防条件(20～50年一遇暴雨),一般情况下,对中小流域,泥石流历时一般取1～2 h,降雨强度及汇流面积较大的可取偏大值;反之,则取偏小值。

勘查过程中,泥石流固体物质重度γH更易于较为准确地测试确定。相对而言,容易忽视泥石流流体重度γc的计算与确定的重要性,而简单地认为泥石流流体重度γc只是判别泥石流流体性质上起作用。应该注意到,在上述计算过程中,泥石流流体重度γc与一定频率时的泥石流洪峰值流量Qc、一次泥石流冲出固体物质总量QH的计算与确定均有直接关系,因此,勘查应重视泥石流流体重度γc的计算与确定,保证取值的准确性和可靠性。

4 结语

鉴于泥石流灾害的特性,泥石流特征值的计算往往具有一定程度的不确定性。因此,泥石流勘查应加强现场调查工作,尤其是泥石流历史的形态调查。在计算确定泥石流特征值时,各项计算参数的选取应当尽量保证其合理性、准确性和可靠性,采用多种方法综合分析确定,为泥石流灾害防治工程提供可靠的设计参数。

[1] DZT0220—2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[S].

(责任编辑:张 娅)

Calculation and Determ ination of Debris Flow Characteristic Value

LI Sanming,ZHANG Yantao,TANG Jianghan
(Wuhan Institute of Geological Engineering Exploration,Wuhan,Hubei430051)

As a major design basis for control project of debris flow,calculation and determination of debris flow characteristics directly relate to economic rationality,technical feasibility and safe reliability.With practical instances,the selection of basic parameters involved in calculation of characteristic valuea nd its impacton the results are analyzed,which is of certain reference to survey design for control project of debris flow.

debris flow;characteristic value;calculation;Shimian county

P642.23

A

1671-1211(2010)03-0297-04

2010-03-24;改回日期:2010-04-28

李三明(1968-),男,高级工程师,水文地质专业,从事岩土工程工作。E-mail:ls m361@126.com