“7·10”連山大橋泥石流運動特征與溝道堵潰分析

胡桂勝, 陳寧生, 游　勇, 李　俊

(中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所, 成都 610041)

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“7·10”連山大橋泥石流運動特征與溝道堵潰分析

胡桂勝, 陳寧生, 游勇, 李俊

(中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所, 成都 610041)

[摘要]計算 “7·10”四川省汶川縣連山大橋泥石流運動參數，分析泥石流運動與堵潰特征，揭示“7·10”連山大橋泥石流災害成因，為合理選擇泥石流治理方案提供科學依據。通過對連山大橋泥石流災害進行的現場勘查、泥石流運動特征參數(泥石流容重、流速、流量、一次總量及沖擊力)的計算、溝道泥石流堵潰特征的分析，結果表明連山大橋泥石流為黏性泥石流，主溝泥石流流速為4.2～9.3 m/s，配方法計算得到的泥石流峰值流量(41.8 m3/s)遠小于形態調查法得到的流量(出山口176.4 m3/s)，百年一遇泥石流一次總量為6 620 m3，塊石最大沖擊力為4 955 kN。“7·10”連山大橋泥石流災害主要成因為泥石流在運動過程中發生2次堵潰，泥石流流量劇增。針對連山大橋泥石流溝現狀，進行泥石流工程治理和監測預警工作是十分必要的。

[關鍵詞]連山大橋泥石流；運動特征參數；堵潰

Analysis of dynamic characteristic parameters and block and

2013年7月10日凌晨3點至12日上午8點，汶川縣7條溝暴發泥石流災害。其中，耿達鄉幸福溝泥石流掩埋了部分大熊貓研究中心和部分災后重建房屋；威州鎮七盤溝泥石流造成了人員死亡與失蹤、房屋被淹甚至沖毀；G213線羊店1組(綿虒鎮羊店村)后山坡面泥石流掩埋了都汶高速該路段和部分羊店村1組居民房屋；G213線鋤頭溝(綿虒鎮羌鋒村)掩埋了G213線、造成了3人傷亡；G213線桃關溝泥石流(銀杏鄉桃關村)造成了桃關溝工業園區8家工廠受損、2個電站損毀、桃關村安置區696人受災；綿虒鎮高點村瓦窯溝泥石流造成高點村27戶民房、綿虒服務區配電房被掩埋；G213線連山大橋(銀杏鄉原連山村)泥石流造成了都汶高速連山大橋段、G213線該路段損毀嚴重、交通完全中斷，岷江河段淤積2～3 m。上述溝道在歷史上都曾發生過泥石流，部分溝道在近期泥石流活動依舊十分活躍，頻繁的泥石流災害對當地居民的生命財產、交通安全構成嚴重威脅，并制約著當地社會經濟的發展。筆者以連山大橋泥石流為例，通過實地勘察與分析對其運動特征參數和堵潰特征進行分析，以期為合理選擇泥石流治理方案提供科學依據，也為該區域泥石流研究奠定基礎。

1研究區概況

連山大橋溝位于汶川縣銀杏鄉原連山村，是岷江左岸的Ⅰ級支溝，溝口即都汶高速公路連山大橋及G213線。溝口地理坐標為東經103°29′49″，北緯31°11′24″，國道G213與都汶高速貫穿堆積區前緣，交通便利。研究區位于長江流域的岷江水系，屬東南季風氣候向干旱半干旱氣候的過渡地帶，即漩(口)映(秀)地區濕潤氣候向威(州)綿(虒)地區半干旱氣候過渡地帶。據汶川氣象站的資料，區域內年最大降雨量為618.8 mm，月最大降雨量為211.1 mm，日最大降雨量66.7 mm。據阿壩州水文水資源勘測局資料，連山大橋附近河段設計洪峰流量按設計頻率1%、2%、5%分別為3 630 m3/s、3 270 m3/s、2 790 m3/s，斷面平均流速為4.1～5.4 m/s。

研究區地形總體上屬于深切割侵蝕、剝蝕構造中山地形，溝域內總體上地形陡峻，形態為葫蘆形，屬“V”型溝谷。該溝道縱向長1.34 km，流域最高海拔高度為2 184 m，最低點溝口海拔高度為1 025 m，相對高差為1 159 m；陡坡沿南北向展布，上部陡峻，坡度約60°，局部地方近于直立，中下部由于崩坡積及泥石流堆積體而較為平緩，約30°～35°。流域面積小，主溝短而較順直，兩側谷坡坡度在35°～45°，平均縱坡降約為483‰，非常有利于泥石流的形成。溝域內由于受茂汶斷裂和映秀斷裂的控制，在其圍限的斷塊上，出露地層較為單一，主要為晉寧-澄江期的第四期花崗巖和第三期的斜長巖、閃長巖。

2泥石流運動特征參數計算與分析

2.1泥石流容重

泥石流容重確定方法主要采用了配樣法和統計分析方法[1]。

經詢問曾見過泥石流發生性狀的村民，將漿體攪拌成當時泥石流漿體濃度(其中主要參照2013年7月10日和7月12日泥石流的性狀，見圖1)并稱質量，量測漿體體積，計算其重度作為泥石流流體的重度(表1)。

陳寧生等通過對中國西南地區大量泥石流溝的資料統計，提出泥石流黏土顆粒(<0.005 mm)含量與泥石流容重存在以下關系[2]

表1　連山大橋泥石流容重配方法計算結果

圖1　泥石流容重現場配樣Fig.1　The method of completing the square of debris flow density

γc=-1.32×103x7-5.13×102x6

+8.91×102x5-55x4+34.6x3

-67x2+12.5x+1.55

(1)

式中：γc泥石流容重；g取9.8 m/s2；x為泥石流堆積物中黏粒占粒徑<60 mm的含量。

通過對研究區典型泥石流原狀堆積物進行樣品采集并進行室內顆粒分析試驗，依據式(1)，各溝黏粒含量及泥石流容重計算結果見表2。

表2　利用黏粒含量計算容重的計算結果

泥石流的容重通常隨著其規模的變化而變化，因而泥石流的性質也會隨著規模的變化而變化。泥石流容重與暴發頻率的關系，目前研究較少，也沒有相應的規范。查閱有關資料發現[3,4]，據不完全統計，100年一遇以內的泥石流的容重與頻率有一定的關系[5]，即

γc′=γc+0.122lnp′;p′=0.01T

(2)

式中：γc′為不同頻率泥石流的容重；γc為百年一遇泥石流容重；p′為暴發頻率系數；T為泥石流暴發周期。

依據公式(2)推算出各溝不同頻率泥石流的容重值見表3。

2.2泥石流流速

結合中國西南山區泥石流的特征，采用下面泥石流流速計算公式計算泥石流流速(vc)。

表3　連山大橋溝不同頻率泥石流容重值

(1)稀性泥石流[6,7]

(3)

其中

式中：Mc為稀性泥石流溝床的糙率系數；a為阻力系數；rc為泥石流水力半徑，通常用泥深來代替；Ic為泥石流水力坡度；γc為泥石流流體容重；γw為水的容重，取10 kN/m3；γs為泥石流固體物質的容重，取26.5～27.0 kN/m3。

(2)黏性泥石流[6,7]

(4)

式中：nc為泥石流溝糙率；rc為泥石流水力半徑，通常用泥深來代替；Ic為泥石流水力坡度。

根據各溝勘測的泥石流洪痕斷面,選取相關參數，計算出各溝不同斷面流速(表4、圖2)。

2.3泥石流流量

泥石流流量是泥石流工程治理最為重要的參數之一[8]。對于非觀測泥石流，其計算方法主要有形態調查法和雨洪法。

2.3.1形態調查法

根據泥石流暴發時留下的痕跡(泥痕)確定該次泥石流的最高泥位，并通過調訪確定在最高泥位的泥石流通過后，斷面變化的情況。“7·10”連山大橋泥石流流量計算結果如表5。

2.3.2雨洪法

先按水文方法計算出不同頻率下小流域的暴雨洪峰流量[9]，然后考慮溝道的堵塞情況，選用堵塞系數，按下式計算泥石流流量。

采用雨洪法計算的連山大橋溝暴雨洪峰流量結果如表6。

表4　連山大橋溝不同斷面泥石流流速計算結果

圖2　連山大橋泥石流溝縱剖面圖Fig.2　The longitudinal profile map of the Lianshan bridge gully

根據連山大橋溝道特征，其泥石流堵塞系數(Dc)取3和2，計算出不同斷面的不同頻率泥石流的峰值流量(表7)。

對比表6和表7的計算結果，采用形態調查法求得的泥石流峰值流量計算結果普遍遠大于雨洪法求得的結果，主要原因是溝道存在堵潰，致使泥石流峰值流量成數倍增加。雨洪法未能考慮這一情況，因此，“7·10”泥石流峰值流量采用表6形態調查法計算求得的結果。

表5　連山大橋溝形態調查法泥石流流量計算結果

表6　連山大橋溝暴雨洪峰流量計算結果

表7　連山大橋溝泥石流峰值流量計算結果

2.4泥石流一次總量和固體物質總量

根據泥石流歷時t和最大流量Qc，通過斷面一次泥石流漿體總量Wc由(5)式[6,7]計算，其結果見表8。

(5)

研究發現，一次泥石流漿體總量與一次泥石流固體物質的總量存在一定的關系[8]。對于連續性的泥石流，一次泥石流固體物質總量(Ws)與漿體總量(Wc)的關系如(6)式，其結果見表8。

(6)式中：γw為水的容重；γc為泥石流的容重；γs為固體物質的容重；cv為泥石流中土體的體積濃度。

表8不同頻率下的一次泥石流總量和固體物質總量

Table 8　The calculation results of the total volume of one debris flow

2.5泥石流沖擊力

泥石流沖擊力是泥石流治理工程設計的重要參數，包括泥石流流體動壓力和泥石流最大顆粒的沖擊力。

2.5.1泥石流流體動壓力計算

泥石流流體是非均勻流體，其內部結構和沖擊過程十分復雜，本文從理論公式出發，選取根據實測資料而進行修正的理論公式[10]

(7)式中：F為泥石流沖壓力；λ為建筑物形狀系數，矩形建筑物λ=1.33；vc為泥石流平均流速；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，取90°。計算結果見表9。

表9　連山大橋溝泥石流整體沖壓力計算結果

2.5.2泥石流最大顆粒的沖擊力計算

目前泥石流大顆粒沖擊力的確定還沒有形成系統的計算方法，本文選取應用較廣泛的彈性碰撞法來計算大石塊的沖擊力[11]

F=Kcna2/3

(8)

n1=1/m2。

式中：Kc為修正系數，一般取0.1；Rs2為大顆粒半徑；μ1、μ2為材料和球體(石塊)的泊松比；m2為石塊的質量；E1、E2為材料和石塊的彈性模量；v為石塊的相對速度。

通過對各泥石流溝進行全面調查，測量溝床中泥石流搬運的最大石塊的平均直徑為3.2 m，石塊相對流速取泥石流漿體流速的70%，采用彈性撞擊法進行泥石流流體中最大石塊的沖擊力計算。泥石流最大塊石沖擊力計算結果如表10。

表10　彈性撞擊法泥石流沖擊力計算結果

計算結果表明，當抗沖對象不同，最大顆粒的沖擊力也相差很大。就以上4種材料來看，當抗沖物體的表面為橡膠、木材和水泥砂漿等抗沖材料時，沖擊力為167～4 955 kN。

3泥石流流量過程與堵潰特征分析

根據上述形態調查法計算確定的連山大橋溝泥石流流量過程如圖3所示。

從圖3可以看出，連山大橋溝泥石流流量過程線有2處較為明顯的流量突變，它們分別是2號斷面到3號斷面(流量由33.6 m3/s增加至62.4 m3/s，增加了近1倍)、4號斷面到5號斷面(流量由73.2 m3/s增加至157.8 m3/s，增加了1倍多)。根據對泥石流現場勘查，得出造成泥石流流量陡增的原因主要是在3號、5號斷面有較大滑坡或較多的大塊石(即泥石流堵潰點)。而在這些堵潰點中以5號斷面處的堵潰最為嚴重。因為，根據上述泥石流流量過程我們可以判斷連山大橋溝至少有2處堵潰點，分別是H07滑坡下游坡腳處、石皮子下游H04滑坡下游坡腳處(圖4)。

圖3　連山大橋溝泥石流流量過程線Fig.3　The process line of the flow in the Lianshan bridge gully debris flow

根據上述的判斷方法和標準，并通過調查與統計連山大橋溝溝道較大滑坡與大塊石的位置，可以得出可能存在的泥石流堵潰點(即潛在泥石流堵潰點)。從泥石流勘查現場分析(圖5)，石皮子以上流域雖然比降較大，但跌坎現象不明顯，因此除了H07滑坡坡腳處泥石流堵潰點以外可能不存在其他的潛在泥石流堵潰點。石皮子以下流域除了有較大的滑坡，而且跌坎現象比較明顯，因此推斷H02、H01滑坡坡腳處、溝口2處鄰近跌坎(8號斷面至9、10號斷面出現跌坎較多，跌坎沖刷深度較大，平均深度約4 m。8號斷面到9號、10號斷面，流量由176.4 m3/s增加至198.1 m3/s，增加了22 m3/s)為潛在泥石流堵潰點(圖5)。

圖4　泥石流堵潰點Fig.4　The second block and burst places of the debris flow(A)第1處堵潰點(N31°11′21.43″ , E103°30′42.7″; H:1480.0 m); (B)第2處堵潰點(N31°11′21.16″ , E103°30′17.6″; H:1248.1 m)

圖5　連山大橋溝潛在泥石流堵潰點Fig.5　The potential block and burst places of the debris flow

4結 語

2013年7月10日至12日，汶川縣共有7條溝暴發了泥石流災害，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。這些泥石流溝在歷史上都曾發生過不同規模的泥石流，在近、現代也不同程度地出現過泥石流活動。“5·12”汶川地震后，各流域松散固體物質儲量豐富，區域降水充沛，極端氣候突出，加之有利的地形地貌，泥石流暴發的基本條件依然十分充足，具有再次發生泥石流的可能。特別在強震、干濕循環的氣候變化環境、不合理的人類活動等因素耦合作用下，仍可能會發生超過百年一遇的泥石流。連山大橋泥石流溝就是其中的代表之一，針對連山大橋泥石流溝現狀，進行泥石流工程治理和監測預警工作是十分必要的。

[參考文獻]

[1] 吳積善，康志成，田連權，等.云南蔣家溝泥石流觀測與研究[M].北京:科學出版社,1990: 62-70.

Wu J S, Kang Z C, Tian L Q,etal. The Observation and Research of Debris Flow in Jiangjiagou, Yunnan [M]. Beijing: Science Press, 1990: 62-70. (In Chinese)

[2] 陳寧生,崔鵬,高延超,等.黏土顆粒含量對泥石流啟動的影響作用分析[C]//第二十五屆全國土工測試學術研討會論文集.杭州:浙江大學出版社,2008: 216-221.

Chen N S, Cui P, Gao Y C,etal. Clay content affects on the mechanism of gravelly soil failure and debris flow initiation[C]// Memoir of the 25th Geotechnical Testing Scientific Seminar Nationwide. Haizhou: Zhengjiang University Press, 2008: 216-221. (In Chinese)

[3] Tang C, Zhu J, Li W L,etal. Rainfall triggered debris flows following the Wenchuan earthquake [J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68(2): 187-194.

[4] 費祥俊,舒安平.泥石流運動機理與災害防治[M].北京:清華大學出版社, 2004: 21-36.

Fei X J, Shu A P. Dynamics and Hazard Mitigation of Debris Flow [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 21-36. (In Chinese)

[5] 周必凡,李德基,羅德富,等.泥石流防治指南[M].北京:科學出版社,1991:125-129.

Zhou B F, Li D J, Luo D F,etal. Guide to Prevention of Debris Flow [M]. Beijing: Science Press, 1991: 125-129. (In Chinese)

[6] Takahashi T. Estimation of potential debris flows and their hazardous zones, soft countermeasures for a disaster[J]. Natural Disaster Science, 1981(1): 57-59.

[7] 陳光曦,王繼康,王林海.泥石流防治[M].北京:中國鐵道出版社,1983:151-162.

Chen G X, Wang J K, Wang L H. The Prevention of Debris Flow[M]. Beijing: China Railway Publishing House Press, 1983: 151-162. (In Chinese)

[8] 王學武,石豫川,黃潤秋,等.多級模糊綜合評判方法在泥石流評價中的應用[J].災害學,2004,19(2):1-6.

Wang X W, Shi Y C, Huang R Q,etal. Application of multi-layer fuzzy comprehensive evaluation method in debris flow assessment [J]. Journal of Catostrophology, 2004, 19(2): 1-6. (In Chinese)

[9] 陳寧生,楊成林,周偉,等.泥石流勘查技術[M].北京:科學出版社,2011:55-60.

Chen N S, Yang C L, Zhou W,etal. Investigation Technology for Debris Flows [M ]. Beijing: Science Press, 2011: 55-60. (In Chinese)

[10] Chen C L. Generalized viscoplastic modeling of debris flow [J]. Journal of the Hydraulic Division, ASCE, 1988, 114(3): 237-258.

[11] 何思明,吳永,沈均.泥石流大塊石沖擊力的簡化計算[J].自然災害學報,2009,18(5):51-56．

He S M, Wu Y, Shen J. Simplified calculation of impact force massive stone in debris flow [J]. Journal of Natural Disasters, 2009, 18(5): 51-56. (In Chinese)

[第一作者] 王維早(1976-)，男，碩士，副教授，研究方向：地質災害防治, E-mail:wangvz2005@126.com。

burst characteristics of Lianshan bridge debris flow in

Wenchuan, Sichuan on July 10, 2013

HU Gui-sheng, CHEN Ning-sheng, YOU Yong, LI Jun

KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcesses,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,

ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China

Abstract:The paper calculates the dynamic characteristic parameters of the Lianshan bridge debris flow outbreaking disasters on July 10, 2013 in Wenchuan, Sichuan. It analyzes the dynamic characteristics and the block and burst characteristics of the debris flow gully. And it reveals the cause of the debris flow disaster. These researches provide scientific basis for selecting the prevention measures of the Lianshan bridge debris flow. The paper calculates the dynamic characteristic parameters of the debris flow including density, velocity of debris flow, flow of debris flow, total volume and impact analyzes the changing process of the debris flow, and studies the blocking and burst characteristics of the debris flow. The results show that the debris flow of the Lianshan bridge is viscous. The velocity of the debris flow is 4.2～9.3 m/s. The calculated peak flow rate of the debris flow (41.8 m3/s) by the rain flood method is far less than that by the investigation method (176.4 m3/s). The total volume of the debris flow is 0.662×104m3. The maximal impact of the debris flow is 4955 kN. The main cause is that the gully has two obvious blocks and bursts in the process of the debris flow movement, and the flow of debris flow has increased. According to the current situation of the Lianshan bridge debris flow gully, the work of the debris flow engineering management and monitoring and early warning is very necessary.

Key words:Lianshan bridge; debris flow; dynamic parameter; block and burst characteristics

[基金項目]國家重點基礎研究發展計劃項目(2013CB733200); 中國地質調查局項目(12120113010100); 四川省科技支撐計劃項目(2012SZ0066)。

[收稿日期]2015-03-27。

[文章編號]1671-9727(2015)06-0649-09

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.02

[文獻標志碼][分類號] P642.23 A