太行山區(qū)泥石流調(diào)查及計(jì)算方法探討

郭友根

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

太行山區(qū)泥石流調(diào)查及計(jì)算方法探討

郭友根

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司)

摘 要:通過(guò)對(duì)太行山區(qū)泥石流調(diào)查方法的整理和計(jì)算方法的比較，更接近實(shí)際地反映泥石流流量的真實(shí)狀況，為泥石流的定性定量以及后續(xù)計(jì)算提出了一點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞:太行山區(qū);泥石流調(diào)查;泥石流流量計(jì)算

泥石流是威脅山區(qū)鐵路、公路等交通設(shè)施的地質(zhì)危害之一。泥石流可直接埋沒(méi)車(chē)站，鐵路，摧毀路基、橋涵等設(shè)施，致使交通中斷，還可引起正在運(yùn)行的火車(chē)顛覆，造成重大的人身傷亡事故。有時(shí)泥石流匯入河道，引起河道大幅度變遷，間接毀壞鐵路及其它構(gòu)筑物，甚至迫使道路改線(xiàn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。建國(guó)以來(lái)，泥石流給我國(guó)鐵路造成了無(wú)法估計(jì)的巨大損失。

和順至邢臺(tái)鐵路位于山西省和順縣、左權(quán)縣及河北省邢臺(tái)地區(qū)，線(xiàn)路西接陽(yáng)涉鐵路和順站，東接京廣鐵路邢臺(tái)站，從太行之巔的陽(yáng)涉鐵路和順站至京廣鐵路邢臺(tái)站，兩接軌站高差達(dá)1 200 m，線(xiàn)路橫穿太行山脈，加強(qiáng)泥水石流的調(diào)查和計(jì)算對(duì)本次鐵路選線(xiàn)設(shè)計(jì)有重大指導(dǎo)意義。

1 泥石流的成因特點(diǎn)及類(lèi)型

1.1 成因特點(diǎn)

(1)必須有豐富的松散固體物質(zhì)

泥石流之所以不同于一般水流，因?yàn)樗写罅康墓腆w物質(zhì)，巖層破碎、節(jié)理發(fā)達(dá)、出現(xiàn)斷層帶。

(2)水源

水是激發(fā)泥石流爆發(fā)的重要條件，是泥石流的組成部分和搬運(yùn)介質(zhì)。

(3)地形地貌

①形成泥石流的地形特征是陡峻和高差大，我國(guó)泥石流就多發(fā)生在具有這種特征的高原邊緣的陡峻坡面上和深切的河谷中，由于山高溝深地勢(shì)陡峻，河溝縱坡大，流域形狀便于泥石流的匯集，是泥石流的集散地，固體物質(zhì)積零為整，一待暴雨山洪激發(fā)，將溝中多年積存的固體物質(zhì)，揭底拉槽順著陡峻的溝谷沖向下游形成泥石流。

②泥石流流域的地貌，一般可劃分為三個(gè)區(qū)段:形成區(qū)位于流域上游，多為高山環(huán)抱的山間盤(pán)地，滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象很發(fā)育水土流失嚴(yán)重，山坡極不穩(wěn)定;流通區(qū)溝槽較順直、穩(wěn)定、縱坡較大、多呈峽谷地形;堆積區(qū)呈扇形、錐形或帶形。大小石塊混雜堆積，地面起伏，坎坷不平。

以上三個(gè)區(qū)段非固定不變，在泥石流發(fā)育過(guò)程中三者互相轉(zhuǎn)化，除典型的泥石流流域外，有時(shí)會(huì)缺少某一區(qū)段。

1.2 類(lèi)型

(1)泥流

顆粒均勻，由粒徑小于0.005 mm的粘粒和小于0.05 mm的粉粒組成，偶夾砂和圓礫，大部分屬粘性泥流，也有稀性的。

(2)泥石流

顆粒差異大，由粘粒、粉粒、砂、圓礫、碎石塊等大小不同的粒徑組成，有粘性也有稀性危害程度大于泥流。

(3)水石流堆積物分選性強(qiáng)，有圓礫、碎塊石及沙組成，夾少量粘粒和粉粒，屬稀性泥石流。

2 調(diào)查內(nèi)容及方式方法

調(diào)查類(lèi)容 調(diào)查項(xiàng)目 主要調(diào)查方法河流名稱(chēng) 地形圖，流域狀況調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)訪(fǎng)問(wèn)流域面積 地形圖圈匯最大洪水流量 洪痕調(diào)查，水力學(xué)公式推算河道長(zhǎng)度 地形圖點(diǎn)繪河道平均坡降 實(shí)測(cè)地形圖進(jìn)行計(jì)算地質(zhì)狀況 通過(guò)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)描繪的地質(zhì)圖或地質(zhì)文獻(xiàn)堆積扇的調(diào)查堆積寬 地形圖點(diǎn)繪堆積長(zhǎng) 地形圖點(diǎn)繪分散角 地形圖點(diǎn)繪堆積面積 地形圖點(diǎn)繪堆積坡度 地形圖點(diǎn)繪災(zāi)害狀況調(diào)查災(zāi)害形態(tài) 沙流泥流水石流發(fā)生的月份 現(xiàn)場(chǎng)訪(fǎng)問(wèn)調(diào)查前兆現(xiàn)象記錄 現(xiàn)場(chǎng)訪(fǎng)問(wèn)災(zāi)害發(fā)生后沖刷深度和沖刷量 實(shí)測(cè)周?chē)ㄖ锏钠茐那闆r 實(shí)拍，訪(fǎng)問(wèn)

3 計(jì)算方法

3.1 雨洪修正法

其中，Qc為泥石流流量，m3/s;QP為按一般河流計(jì)算，符合橋涵洪水頻率規(guī)定的設(shè)計(jì)流量，m3/s;Dc為泥石流堵塞系數(shù);φc為泥石流修正系數(shù)。

3.2 泥痕調(diào)查法

其中，Wc為泥石流過(guò)流斷面積，m2;υc為泥石流流速，m/s。

稀性泥石流υc值按式(3)計(jì)算:

其中，n為一般河流的河槽糙率系數(shù);R為水力半徑，m;Ic為泥石流水面(或溝底)坡度;其他符號(hào)同前。

粘性泥石流的υc公式分西北、西南地區(qū)，在勘測(cè)中曾研制如下經(jīng)驗(yàn)公式，可資參考。

西北公式

其中，hc為泥石流流深(或泥石流水力半徑Rc)，m;kc為粘性泥石流流速系數(shù)。

以上兩種方法均是基于長(zhǎng)期泥石流調(diào)查研究過(guò)程中逐漸積累得到的經(jīng)驗(yàn)性公式。雖然能在某種程度上解決問(wèn)題，但存在著計(jì)算方法粗放、計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定等問(wèn)題。所得計(jì)算結(jié)果也不盡如人意，很難反映實(shí)際情況。而將數(shù)值模擬計(jì)算方法引入泥石流流量計(jì)算過(guò)程，增加能夠更詳盡描述其特性的計(jì)算因子，并提出計(jì)算模型，有助于對(duì)泥石流規(guī)模及危害程度進(jìn)行精細(xì)的量化控制，從而為線(xiàn)路選擇及橋涵專(zhuān)業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作提供盡可能準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

3.3 泥石流流量的模擬計(jì)算方法

根據(jù)泥石流粘性顆粒的含量，對(duì)于粘性泥石流，通用的指數(shù)流變方程可以表示為

其中，h為水深;y為距河床的距離;u為沿水流方向的點(diǎn)流速;γm為泥石流水沙混合體的容重;μ為動(dòng)力粘滯系數(shù);η為指數(shù)方程中的粘性剪切力指數(shù)(對(duì)賓漢流體，η=1);τi為內(nèi)部剪切力;τy為屈服應(yīng)力。如果將Si表示為屈服應(yīng)力、粘性和有關(guān)水力要素的函數(shù)，可以得到

有關(guān)參數(shù)一般表示為體積含沙量的函數(shù)。一般來(lái)講，粘性泥石流要求較小的流速和較大的水深來(lái)克服水沙混合體的屈服應(yīng)力τy。此項(xiàng)技術(shù)一般適合于模擬河床比降小于(20°～30°)的泥石流。

3.4 計(jì)算方法的驗(yàn)證

太行山中某溝溝口以上流域面積F=30 km2，流域長(zhǎng)度L=7 km，主溝槽平均坡度I=130‰，百年一遇設(shè)計(jì)流量Q1%=110 m3/s。流域內(nèi)山坡陡峻，地表松散固體物質(zhì)豐富，堆積形態(tài)各異，多為卵礫石堆狀，其中，粒徑在0.2～0.8 m之間的約占50%以上，1.0～2.5 m之間的約占30%。該溝為單一匯水溝型，無(wú)較大支流匯入，匯流時(shí)間屬短歷時(shí)，洪水陡漲陡落。按《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》雨洪修正法取Qp=135 m3/s，Dc按照現(xiàn)場(chǎng)勘察情況取輕微值1.4，c經(jīng)估算為1.7～1.9之間，得出溝口處泥石流流量Qc=300 m3/s。

泥痕調(diào)查法計(jì)算得到的泥石流瞬時(shí)流量Qc為230 m3/s。

由模擬計(jì)算得到的溝口處泥石流瞬時(shí)流量Qc為280 m3/s。

由于模擬計(jì)算采用了更為細(xì)膩影響泥石流流量的參數(shù)，比如各種因素引起的摩阻坡降、動(dòng)力粘滯系數(shù)等等。模擬計(jì)算接近實(shí)際情況，因此結(jié)果更為可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

在通過(guò)探討泥石流調(diào)查方法及流量計(jì)算的合理性，由于各種地質(zhì)，地貌情況不一樣所采取調(diào)查方式側(cè)重點(diǎn)和計(jì)算方法參數(shù)取值不一，仔細(xì)的調(diào)查和分析泥石流發(fā)生，發(fā)展的過(guò)程、機(jī)理和規(guī)律對(duì)指導(dǎo)山區(qū)鐵路大線(xiàn)設(shè)計(jì)具有重要的意義。在對(duì)泥石流流量的計(jì)算中，應(yīng)盡可能全面考慮其影響因子，并在建模過(guò)程中予以合理分配。在得出計(jì)算結(jié)果后，也應(yīng)該結(jié)合其他資料進(jìn)一步進(jìn)行分析，以便給出最趨合理的計(jì)算結(jié)果。

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［1］鐵道第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999:338-352.

［2］蘭恒星，周成虎，王小波.泥石流本構(gòu)關(guān)系及動(dòng)力學(xué)模擬研究現(xiàn)狀綜述［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，(3):22-23.

［3］工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:911.

［4］洪正修.泥石流流速公式探討［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，(1):26-33.

中圖分類(lèi)號(hào):U416

C

1008-3383(2011)06-0111-02

收稿日期:2011-05-04