官壩河泥石流動力學特征參數(shù)

李 俊，陳寧生

（1．四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都610065；2．中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，成都610041）

25萬km2的青藏高原東南緣內(nèi)發(fā)育有11個構造斷陷湖［1］，這些構造斷陷湖都不同程度地受到泥石流侵蝕帶來的泥沙淤積的影響。滇池、瀘沽湖、洱海、邛海均地處構造活躍區(qū)，地震頻繁，人為生態(tài)破壞嚴重，使得這些區(qū)域的山洪和泥石流發(fā)育［2－9］。山洪和泥石流攜帶大量的泥沙進入湖泊，使其呈現(xiàn)嚴重萎縮的趨勢。目前人們已經(jīng)認識到僅修建河堤或排導槽并不能解決青藏高原東南緣湖泊的泥沙淤積問題，還必須進行有效的工程治理。青藏高原東南緣眾多的高原構造斷陷湖中，邛海的泥沙淤積問題最具有代表性。日益嚴峻的泥沙淤積使邛海面臨著生死存亡的憂患［10－11］。據(jù)調(diào)查，西昌市邛海北岸的官壩河平均每年流入邛海泥沙量為15萬m3，并且泥沙每年平均向邛海推進的距離為55m。同時，邛海南岸的鵝掌河將大量泥沙帶入邛海［12］，鵝掌河輸入邛海的泥沙有4．96萬m3，并且泥沙每年平均向邛海推進距離為2m［6］。因此，本文通過總結國內(nèi)外泥石流防治工程的研究現(xiàn)狀［13］，選取治理難度較大的典型泥石流防治工程，如邛海官壩河泥石流防治工程，采用合理的方法計算其泥石流動力學特征參數(shù)，并給出官壩河泥石流防治建議。以期為治理青藏高原東南緣構造斷陷湖區(qū)域內(nèi)的山洪和泥石流提供參考。

1 官壩河流域概況

官壩河系邛海的一級支流，位于西昌市川興鎮(zhèn)東北方，屬青藏高原東南部螺髻山系，東連昭覺縣，北接喜德縣，西與著名的瀘山風景區(qū)遙相對應。早更新世末，沿川滇菱形斷塊的東側邊界斷裂曾發(fā)生強烈的拉張性斷陷活動，并在西昌附近形成了一個北北西向的地塹地壘系，其中有大興單斷同生斷陷盆地［14］，受川滇南北向構造作用影響，官壩河流域地形地貌較為復雜。海拔2 700m以上區(qū)域主要為中高山剝蝕地貌，約占流域總面積的27．7%；海拔高程為1 700～2 700m區(qū)域主要為深切峽谷，約占流域總面積的59．9%，溝道多呈“V”字型，滑坡、崩塌和坡面泥石流發(fā)育；海拔高程1 500～1 700m地帶斷陷盆地發(fā)育。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，推測張巴寺河上游處可能有一斷層，走向呈北西—南東向，傾角50°左右，該斷層經(jīng)過地區(qū)巖體破碎，崩塌滑坡發(fā)育，為泥石流的發(fā)生提供了大量物源。官壩河基本情況見表1。

官壩河物源豐富，總物源為1．2×107m3，物源動儲量為1．16×106m3。動物源主要集中于張巴寺河上游。官壩河流域上游裸地區(qū)產(chǎn)生了大量的細顆粒，經(jīng)分析認為這些細顆粒以山洪泥石流方式進入邛海。

表1 官壩河基本參數(shù)

2 官壩河泥石流活動特征和邛海泥沙淤積特征

2．1 1998年官壩河泥石流特征值參數(shù)

2．1．1 容重 2010年5月調(diào)查了官壩河流域的泥石流歷史活動（表2）。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)三處明顯的1998－07－06官壩河泥石流洪痕，分別為1—1′，2—2′，3—3′斷面。但由于后期水流改造，難以采集到泥石流原樣，根據(jù)現(xiàn)場顆分實驗結果（圖1），采用基于黏粒含量的泥石流容重計算方法［15］和根據(jù)泥石流沉積物計算泥石流容重計算方法［16］，取這兩種計算結果的平均值作為官壩河泥石流容重值。計算結果表明，張巴寺河沿程容重逐漸降低，泥石流漿體運動至斷面2—2′處以后，容重值由2．33 g／cm3降低至1．69g／cm3，官壩河泥石流由黏性過渡到稀性。官壩河其他支流如麻雞窩河和新仁寺河容重值分別為1．79g／cm3和1．93g／cm3，屬于過渡性泥石流，而大蘿卜溝泥石流容重值為1．65g／cm3，屬于稀性泥石流。官壩河流域泥石流總體屬于過渡性—黏性泥石流［17］。

表2 官壩河泥石流歷史活動情況和容重

2．1．2 流量 采用雨洪法［18］計算各斷面處的泥石流洪峰流量（表3），然后用泥石流形態(tài)調(diào)查法［18］進行校核（表4）。

計算結果表明，雨洪法和形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流峰值流量較為接近，官壩河泥石流的最大洪峰流量出現(xiàn)在1—1′斷面處為813．7m3／s，比斷面7—7′的泥石流洪峰流量大。分析認為，由于1—1′斷面以下的河流為寬淺泥石流灘地，沖出出山口后斷面逐漸展寬，泥石流流速降低，泥石流漿體沿程停淤，最后導致泥石流在入海口處流量降低。

圖1 官壩河各斷面處沉積物顆分曲線

2．1．3 一次泥石流固體物質(zhì)總量 目前國內(nèi)外還沒有好的方法計算泥石流固體總量，因此采用泥石流五邊形法［18］，粗略計算了1998年7月6日官壩河斷面7—7′處一次泥石流固體物質(zhì)總量（表5）。

通過大量的實地走訪，確認1998年7月6日官壩河泥石流為百年一遇的泥石流。計算結果表明，1998年7月6日官壩河入海口處一次泥石流固體物質(zhì)總量46．4萬m3，另外通過現(xiàn)場實地調(diào)查，官壩河入海口處1998年泥石流堆積物為69．0萬m3，故可判斷剩余22．6萬m3泥石流體來源于同年的其他小規(guī)模山洪泥石流和常流水期間被水流所攜帶的懸移質(zhì)。說明1998年官壩河進入邛海的泥沙以山洪泥石流方式運移的泥沙總量最大，因此官壩河泥石流的工程治理對減少邛海泥沙淤積問題具有重要意義。

表3 雨洪法計算的泥石流洪峰流量

表4 形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流洪峰流量

表5 官壩河泥石流斷面7－7′的一次泥石流總量和一次泥石流固體物質(zhì)總量

2．2 1952—2003年邛海泥沙淤積特征

據(jù)調(diào)查與測量，邛海水面面積從1952年的31 km2減少到2003年的27．4km2，按50a計算，則邛海平均每年約減少7．2萬m2，50a邛海面積萎縮11．6%。邛海的庫容由1952年的3．2億m3減少到2003年的2．93億m3（表6），最大水深和平均水深也由原來的34．0m和14．0m降低至2003年的18．32 m 和10．95m［12］。

表6 邛海典型年份淤積變化

據(jù)表6，邛海面積和庫容變化率為0．16%，水深和平均水深變化率分別為0．9%和0．43%，面積、庫容和水深變化都說明邛海正在不斷地萎縮，按此變化率計算，則邛海的壽命將只有600a左右。

據(jù)調(diào)查，2010年的邛海面積為27km2，泥沙淤積現(xiàn)狀嚴重（圖2）。2003—2010年，邛海水面面積平均每年約減少5萬m2，8a內(nèi)邛海水面面積萎縮了1．45%。近年來邛海流域在小箐溝、鵝掌河實施的水土保持工程對入海泥沙起到了一定的控制作用，其他未進行工程治理的流域依然十分嚴重。2008—2009年官壩河河口泥沙推進90m，高倉河河口泥沙前進20m。通過對邛海1952—2003年泥沙淤積特征的分析和官壩河98年百年一遇泥石流的動力學特征參數(shù)計算結果可知，僅通過修建河堤或排導槽并不能解決邛海的泥沙淤積問題，還須依賴于有效的工程治理。

2．3 官壩河泥石流動壓力和沖擊力

依據(jù)舟曲泥石流的大石塊沖擊力計算實例［19］，基于1998年7月6日官壩河泥石流動壓力和大石塊沖擊力，分別采用鐵二院公式［20］和基于彈塑性理論的泥石流大石塊沖擊力計算方法［21］（表7），計算擬建混凝土攔砂壩的動壓力和大石塊沖擊力。現(xiàn)場調(diào)查1998年官壩河泥石流最大石塊直徑為6m。官壩河溝道堆積大石塊巖石類型為紅砂巖，大石塊密度取2．31g／cm3。

圖2 2010年官壩河入海口處泥沙現(xiàn)狀

表7 官壩河泥石流動壓力和大石塊沖擊力

3 官壩河泥石流防治建議

總結了官壩河泥石流的活動歷史、動力學特征參數(shù)和邛海泥沙淤積特征，建議官壩河泥石流的防治原則應以保護官壩河上游居民和保護邛海為主，盡量減少官壩河上游滑坡和崩塌物產(chǎn)生的細顆粒進入邛海，結合官壩河溝道地形地貌特征、物源量和動力學特征參數(shù)，建議在官壩河主溝及各支溝下游處設置以攔擋細顆粒為主的攔砂壩和修建排導槽并定時清淤，以減少進入邛海的泥沙。同時在主溝及各支溝上游有施工條件的地方盡量多修建谷坊，以形成谷坊壩群效應，起到穩(wěn)固溝床，攔擋大顆粒作用，在保護官壩河上游居民的安全，同時減輕下游攔砂壩的攔擋壓力。另外考慮了地震和極端降雨情況，建議攔砂壩和谷坊采用高強度混凝土，確保其施工質(zhì)量。

4 討 論

官壩河泥石流容重計算采用了兩種截然不同的方法，這兩種方法在計算官壩河泥石流最大容重值時存在較大波動，而計算其他支溝泥石流容重偏差較小。這是由于目前基于物體顆粒級配的泥石流容重計算的不成熟和青藏高原東南緣構造斷陷湖泥石流溝的特殊性引起的結果，即泥石流搬運的粗大顆粒堆積在溝床中，而泥石流演化成高含沙水流以后細顆粒隨洪水進入湖中，調(diào)查中無法獲得更全面的顆分資料。因而進一步研究青藏高原東南緣構造斷陷湖的泥石流溝容重值變化過程存在困難。另外1998年官壩河向邛海以山洪泥石流方式運移的泥沙總量占當年邛海泥沙淤積總量的67．2%。說明泥石流對邛海可持續(xù)利用非常不利。最后總結了官壩河百年一遇的清水流量497m3／s與集水面積106．64km2成5倍關系，其他斷面的百年一遇清水流量與面積之比在4～7倍之間浮動，可為計算川滇地區(qū)其他構造斷陷湖的泥石流溝提供經(jīng)驗估算公式。

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