甘肅舟曲三眼峪溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)計(jì)算

鄧 虎，陳寧生，胡桂勝，4，盧 陽(yáng)，4

(1.成都理工大學(xué)，四川成都610059;2.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都610041;4.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100049)

2011-08-07 T 23:40左右，甘肅甘南藏族自治州舟曲縣發(fā)生強(qiáng)降雨引發(fā)的特大泥石流災(zāi)害。縣城北面的羅家峪、三眼峪溝泥石流下泄，由北向南沖向縣城，造成沿河房屋被沖毀，5 km長(zhǎng)500 m寬的區(qū)域被夷為平地。泥石流堵塞嘉陵江上游支流白龍江形成堰塞湖。電力、交通、通訊中斷。截至8月17日16:00，泥石流致使1 270人遇難，474人失蹤，住院70人［1］。甘肅舟曲三眼峪溝流域系白龍江左岸一級(jí)支流，流域面積 25.75 km2，呈“瓢”狀(圖1)。溝谷總體上呈南北向展布，地勢(shì)北高南低，屬典型的高山峽谷地形。流域最高點(diǎn)陡石山海拔3 828 m，最低點(diǎn)入河口處僅1 340 m，相對(duì)高差選2 488 m。三眼峪溝主要由大峪溝和小峪溝2條支溝匯流而成，在峪門(mén)口又匯入了龍廟溝、硝水溝和板子腳溝，主溝長(zhǎng) 6.8 km，溝床平均比降 24.1%［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1823年至今的187年間，該溝先后發(fā)生12次較大規(guī)模泥石流，并對(duì)縣城造成危害，小規(guī)模的泥石流約每3～4年發(fā)生一次。“8.7”舟曲特大泥石流災(zāi)害為該區(qū)歷史上最大的一次泥石流災(zāi)害事件，其中三眼峪溝受災(zāi)最嚴(yán)重(圖2，資料來(lái)源于國(guó)土資源部和國(guó)家測(cè)繪局)。筆者于8月11日趕到災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取了三眼峪溝相關(guān)資料，并根據(jù)這些資料分別對(duì)三眼峪溝及其支溝(大峪溝、小峪溝)的泥石流3大動(dòng)力學(xué)特征參數(shù):流速、流量、沖擊力進(jìn)行分析與計(jì)算。計(jì)算結(jié)果對(duì)舟曲三眼峪溝泥石流防治工程參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定參考作用，對(duì)災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建具有重要意義。

1 泥石流流速與流量計(jì)算

由于測(cè)量泥石流動(dòng)力學(xué)特征值是相當(dāng)困難的，加上試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和相關(guān)儀器還有不少難以突破的關(guān)鍵性問(wèn)題，故迄今為止可以直接引用的資料還很少，大多數(shù)都是處在探討和試驗(yàn)階段。又因受研究水平的限制，建立有實(shí)用價(jià)值的理論公式尚有困難，故現(xiàn)在多數(shù)計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，其參數(shù)往往根據(jù)觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)資料確定［3］。

泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的最重要參數(shù)之一［4］。目前泥石流流速計(jì)算公式為半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式，概括起來(lái)一般分為稀性泥石流流速計(jì)算公式、黏性泥石流計(jì)算公式和泥石流中大石塊運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式3類(lèi)［3］。三眼峪溝泥石流按黏性泥石流(容重2.0 g/cm3)計(jì)算公式計(jì)算其流速。

1)東川泥石流改進(jìn)公式［5］

式中:K為黏性泥石流流速系數(shù)，用表1內(nèi)插;Hc為計(jì)算斷面的平均泥深，m;Ic為泥石流水力坡度，‰，一般可用溝床縱坡代替。

表1 黏性泥石流流速參數(shù)K值Tab.1 Parameter K of viscous debris flow velocity

式(1)計(jì)算值與實(shí)測(cè)流速對(duì)比，基本可用，誤差偏于安全。

2)甘肅武都地區(qū)黏性泥石流流速計(jì)算公式［6］

式中:Mc為泥石流溝床糙率系數(shù);其他符號(hào)同式(1)。

式(2)適用于中阻型泥石流，即流體中的土體顆粒粗大，漿體組成成分上以粉土居多，溝床比較粗糙，河床阻力較大。

3)通用公式［7］

式中:nc為黏性泥石流的溝床糙率;其他符號(hào)同式(1)。

式(3)是根據(jù)西藏古鄉(xiāng)溝、云南東川蔣家溝和甘肅武都火燒溝199次泥石流3 000多陣次觀測(cè)資料得出，資料來(lái)源于不同地區(qū)多種泥石流，其適用范圍寬，較為通用。

1.1 大峪溝流速流量計(jì)算

通過(guò)對(duì)大峪溝實(shí)地調(diào)查并選取3個(gè)實(shí)測(cè)斷面(圖3)，計(jì)算流速與流量，計(jì)算結(jié)果如表2。

圖3 三眼峪大峪溝斷面Fig.3 Section of Dayu gully

斷面 1:Hc=(5 sin30+3 sin35)/2=2.11 m;溝道平均縱坡6°，縱坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=91.56 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=10.40，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.100。

斷面2:Hc=1.9 m;溝道平均縱坡6°，縱坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=136.8 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=16，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.077。

斷面3:Hc=4.7 m;溝道平均縱坡5°，縱坡比降 Ic=0.087，流速系數(shù) K=5.6，洪痕斷面面積 S=133.01 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=14，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.050。

表2 大峪溝泥石流流速與流量計(jì)算Tab.2 Flow velocity and flow calculation of Dayu gully debris flow

通過(guò)對(duì)大峪溝3個(gè)斷面的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)斷面計(jì)算所得到的泥石流流速、流量有較大的差別，其主要原因是野外采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在一定誤差(如野外采集到Hc，溝道平均縱坡等)。

1.2 小峪溝流速流量計(jì)算

通過(guò)對(duì)小峪溝實(shí)地調(diào)查并選取1個(gè)實(shí)測(cè)斷面(圖4)，其流速與流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

小峪溝斷面:Hc=2 m;溝道平均縱坡8°，縱坡比降Ic=0.141，黏性泥石流流速系數(shù)K=10，洪痕斷面面積S=51 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=16，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.077。

圖4 三眼峪小峪溝斷面示意Fig.4 Section of Xiaoyu gully

表3 小峪溝泥石流流速與流量計(jì)算Tab.3 Flow velocity and flow calculation of Xiaoyu gully debris flow

1.3 三眼峪溝口流速流量計(jì)算

通過(guò)對(duì)三眼峪溝口實(shí)地調(diào)查并選取1個(gè)實(shí)測(cè)斷面(圖5)，其流速與流量計(jì)算結(jié)果如表4。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)三眼峪溝口流速與大、小峪溝斷面流速比較接近，但三眼峪溝口流量與大、小峪溝斷面流量之和存在一定的差別，其主要原因是在斷面野外測(cè)量時(shí)存在一定的誤差并且大、小峪溝在匯流三眼峪溝前存在一定的分流，這點(diǎn)也導(dǎo)致三眼峪溝口流量小于大、小峪溝斷面流量之和。

三眼峪溝口斷面:Hc=5.2 m;溝道平均縱坡3.5°，比降 Ic=0.061，流速系數(shù) K=5，洪痕斷面面積S=156.8 m2，泥石流溝床糙率系數(shù)Mc=14，黏性泥石流的溝床糙率nc=0.100。

表4 三眼峪溝口泥石流流速與流量計(jì)算Tab.4 Flow velocity and flow calculation of Sanyanyu gully debris flow

圖5 三眼峪溝口斷面1示意Fig.5 Section 1 of Sanyanyu gully

1.4 三眼峪溝泥石流中塊石流速

在缺乏大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，以堆積后的泥石流沖出物最大粒徑大體推求石塊運(yùn)動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式［8］為:

通過(guò)對(duì)三眼峪溝泥石流堆積區(qū)大塊石的實(shí)地測(cè)量(圖6、圖7)得到溝口堆積扇區(qū)堆積的最大顆粒直徑為7.5 m，從而計(jì)算得出泥石流中塊石流速為10.95 m/s。

式中:Vs為泥石流中大石塊的移動(dòng)速度，m/s;dmax為泥石流堆積物中最大石塊的粒徑，m;α為全面考慮的摩擦系數(shù)(泥石流重度、石塊密度、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素)，3.5≤α≤4.5，平均取 4.0。

2 泥石流沖擊力計(jì)算

泥石流沖擊力由泥石流漿體動(dòng)壓力和大塊石撞擊力兩部分組成，而造成結(jié)構(gòu)破壞的主要因素是大塊石的沖擊。泥石流的沖擊力既是泥石流危害度評(píng)估、建筑物抗泥石流強(qiáng)度評(píng)估的重要指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)各種泥石流防治工程是的重要參量，在實(shí)施泥石流防治工程時(shí)，最關(guān)鍵的問(wèn)題是量化泥石流沖擊力，它直接關(guān)系到防治結(jié)構(gòu)的選用尺寸擬定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等［9］。

2.1 泥石流整體沖壓力

目前泥石流整體沖壓力計(jì)算公式為半經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式，具體計(jì)算方法如下:

鐵二院(成昆、東川兩線(xiàn))公式［10］:

式中:δ為泥石流體整體沖擊壓力，Pa;γc為泥石流容重，g/cm3;g 為重力加速度，m/s2，取 9.8 m/s2;Vc為泥石流流速，m/s;α為建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，(°);λ為建筑物形狀系數(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。把 γc=2.0 t/m3;Vc=8.79m/s;α =90°;λ =1.33代入到公式(5)中，得到泥石流整體沖壓力為2.1 ×104kPa。

2.2 泥石流中大塊石沖擊力計(jì)算

對(duì)舟曲三眼峪溝進(jìn)行了實(shí)地勘察，其堆積區(qū)大塊石分布見(jiàn)圖6。野外測(cè)量堆積區(qū)最大塊石尺寸為7.5 m ×7 m ×5.5 m，如圖7。針對(duì)泥石流攔擋壩這種情況，選取3種方法分別對(duì)舟曲三眼峪溝泥石流大塊石沖擊力進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 舟曲三眼峪溝泥石流大塊石沖擊力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of impact force of massive stone of debris flow

從表5計(jì)算結(jié)果來(lái)看，第1種方法計(jì)算結(jié)果較第2、3種方法偏差較大，故該計(jì)算結(jié)果不予采用。舟曲三眼峪溝泥石流堆積區(qū)大塊石沖擊力計(jì)算結(jié)果采用第2、3種方法計(jì)算結(jié)果的平均值即F=1.7×107kN。

3 防災(zāi)減災(zāi)建議

通過(guò)上面的分析與計(jì)算，得出三眼峪溝口流速流量分別為 8.79，1 378.27 m3/s，泥石流中塊石的速度為10.95 m/s;三眼峪支溝大峪溝流速流量分別為 9.06，1 141.24 m3/s;三眼峪支溝小峪溝流速流量分別為 9.34，476.34 m3/s;三眼峪溝泥石流整體沖壓力為2.1×104kPa，大塊石沖擊力為1.7×107kN。

針對(duì)甘肅舟曲三眼峪溝泥石流災(zāi)害提出如下具體防災(zāi)減災(zāi)建議:

1)開(kāi)展泥石流溝谷判識(shí)與危險(xiǎn)性評(píng)估，為泥石流防治與減災(zāi)提供基礎(chǔ)，加強(qiáng)防控重點(diǎn)防控區(qū)的泥石流災(zāi)害;

2)加強(qiáng)氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，重點(diǎn)加強(qiáng)極端氣候條件下山地災(zāi)害形成機(jī)理與區(qū)域分異規(guī)律研究，增強(qiáng)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)水平;

3)加強(qiáng)區(qū)域泥石流災(zāi)害成災(zāi)規(guī)律的研究，以山地災(zāi)害形成機(jī)理研究為基礎(chǔ)，構(gòu)建與完善山地災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、預(yù)報(bào)體系，提高防災(zāi)、減災(zāi)能力與水平，系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)害規(guī)劃推動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警和資源信息共享系統(tǒng);

4)以科學(xué)選址、統(tǒng)籌規(guī)劃積極推進(jìn)山區(qū)城鎮(zhèn)規(guī)劃與建設(shè)，讓避泥石流災(zāi)害，減少損失。

［1］李旭麗.甘肅舟曲泥石流死亡人數(shù)上升到1254人［N/OL］.新華網(wǎng)，2010-08-17［2011-05-27］.http://www.tibet.cn/sd2010/qznsl/zxxx/201008/t20100817_618148.htm.

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