西藏某水電站工程區八腳溝泥石流基本特征及動力學特性研究

孫興偉，唐志強，王敬勇

(1.華東勘察設計院(福建)有限公司，福建 福州 350003；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.華東勘察設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

泥石流是是指在山區或者其他溝谷深壑，地形險峻的地區，因為暴雨、暴雪或者其他自然災害引發的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及十塊的特殊洪流[1],泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物質容量大和破壞力強等特點[2-3]。揭示泥石流的成因機制[4-5]，計算泥石流的基本特征值，系統的開展泥石流的動力學特征分析[6-8]，對泥石流的防治工程的制定和方案設計有著重要的意義。

本文以西南某水電站工程區八腳溝泥石流為研究背景，采取現場調查、遙感解譯、勘探試驗及室內實驗等手段，查明了泥石流的地形條件、物源條件等基本特征，揭示了泥石流的形成規律和成因機制；并通過公式對泥石流特征值進行了分析。研究成果為八腳溝泥石流的防治工程的制定和方案設計提供了重要依據。

1 流域地質特征

1.1 地形地貌

八腳溝位于擬建水電站上壩址下游0.17 km處，溝口與河流交匯點位于東經92°26′37″，北緯29°15′12″。八腳溝流域面積約1.62 km2，流域最高海拔4 843 m，于高程3 317 m匯入河流(見圖1)，高差約1 526 m，主溝長約2.68 km，主溝總體縱坡降569.4‰。

圖1 八腳溝泥石流遙感圖

1.2 地層巖性

八腳溝出露的地層從溝源到溝口依次為晚白堊系門朗組(K2M)、第三系溶母棍巴組(E2R)。第四系(Q4)堆積物主要發育在溝床、兩側谷坡下部和緩坡地帶。分述如下：

八腳溝流域上部主要出露的地層為晚白堊系門朗組(K2M)，主要分布高程在5 230 m以上段，占整個流域面積的2%。巖性主要為中-細粒角閃黑云石英二長閃長巖，巖體整體呈塊狀，相對堅硬完整。

流域中出露第三系溶母棍巴組(E2R)，主要巖性為中粒角閃黑云二長花崗巖，其間偶爾可見中性巖脈，巖體整體呈塊狀，相對堅硬完整。

第四系堆積物(Q4)

泥石流堆積物(Q4sef)：分布在溝口、主溝兩側及溝床平緩處；崩坡積物(Q4col+dl)：零星分布于主溝兩側坡腳處；殘坡積物(Q4el+dl)：主要分布在溝內高海拔圓滑山頭、平緩山坡、夷平面及低凹的地方；冰水堆積物(Q4gfl)：主要分布在溝內高海拔較高的山頭。

綜上所述，該流域底層巖性相對簡單，大部分巖石堅硬完整，谷坡整體穩定性較好。

1.3 地質構造

研究區內巖體總體較完整，結構面發育特征如下：節理(1)：N30°E/NW∠52°，延伸長度0.5～0.8 m，間距1～3 mm，面粗糙，閉合無充填，弱風化；節理(2)：N40°W/SW∠86°，延伸長度1～3 m，間距10～30 cm，面粗糙，張開1～3 mm，無充填，弱風化；節理(3)：N25°E/SE∠32°，延伸長度0.5～0.8 m，間距10～30 cm，面稍粗糙，局部微張1～3 mm，充填粉土，弱風化。

1.4 水文地質特征

八腳溝水量較小，枯水季節經常發生斷流，該溝水流主要靠冰雪融水補給。溝谷后緣基巖出露，松散覆蓋層分布較少，地表徑流系數比較大，有利于水源的匯集；溝谷下游側坡腳及溝口附近有崩坡積物連續發育，表層植被發育，降雨部分滲入堆積體形成孔隙水。

2 泥石流的基本特征

2.1 地形地貌及溝道特征

八腳溝總體上由S向N展布，溝谷流域面積1.62 km2，流域最高海拔4 843 m，于高程3 317 m匯入河流，高差約1 526 m，主溝長約2.68 km，主溝總體縱坡降約569.40‰(如圖2)。溝谷總體上寬下窄。3 990 m高程以上地形開闊，溝谷兩岸邊坡較陡，基巖裸露，有利于水源的匯集，該段主溝溝道順直，溝道寬約10～30 m，溝谷整體上呈“U”字型；中游段溝谷切割較淺，縱坡降較大，溝谷彎道比較發育，溝道右岸連續分布有崩坡積體；下游段地形開闊，縱坡降相對較小，有利于泥石流堆積，溝道兩岸及溝道中堆積物較豐富，為泥石流和崩坡積的混雜堆積。

圖2 溝谷縱比降圖

根據泥石流形成條件、運動機制、松散固體物源分布及流域植被形態，大致將溝域劃分為三個區：

匯水物源區：溝上游海拔3 990 m以上地勢開闊，溝道較寬，發育支溝，溝谷整體呈“U”字型。其后緣為三面環山的簸箕形，坡面及坡腳有一定量崩坡積物，該區主要功能為提供匯水作用并能提供部分物源，將該區劃分為匯水-物源區。

流通區：高程3 591～3 379 m之間溝谷坡降總體相對較陡，可劃分為流通區。

堆積區：高程3 379～3 350 m為泥石流堆積區。

2.2 匯水物源區特征

匯水物源區分布于高程3 990～4 843 m，高差約853 m，該區長度1.31 km，總體縱坡降651‰(圖3)。該段主要地貌特征為，地形較為開闊，兩岸邊坡較陡，坡面植被較少，地表徑流系數較大，加之后緣呈三面環山的“簸箕”形，比利于水源的匯集。坡面及溝道中分布有一定量的松散物源，主要為塊碎石土，地表土體將以坡面侵蝕物源形式參與泥石流，該區主要功能是為泥石流的形成匯集水源和提供部分物源。

圖3 泥石流匯水物源區遙感圖

2.3 流通區特征

八腳溝泥石流的流通區高程為3 990～3 384 m，高差606 m，溝道長度約0.96 km，溝道總體縱坡降631‰(圖4)。

圖4 泥石流流通區遙感圖

該區溝床及右岸植被較發育，溝谷切割較淺，彎道發育，左岸岸坡基巖裸露，局部巖體受多組結構面切割比較破碎，存在高位危巖，右岸連續分布有大量的松散覆蓋層，覆蓋層可見厚度約10 m，堆積物主要為碎石土，堆積較密實，坡面主要為低矮的灌木叢，溝道內分布有崩落的巨石，極易堵塞溝道形成堰塞，為泥石流暴發提供水動力條件和物源條件。總體而言，流通區縱坡降較大，加速功能明顯，沿途還能提供一定量物源。

總體而言，流通區縱坡降較大，加速功能明顯，溝谷兩側分布有較多的松散物質，沿途還能提供一定量物源。

2.4 堆積區特征

堆積區高程為3 384～3 317 m，高差約68 m，長約291 m，平均縱坡降為234‰，該區可分為兩段，上游高高程段坡度較大，該段堆積物主要為泥石流與崩坡積物的混合堆積，下游段地形較緩，主要為泥石流和河流相的混合堆積(圖5)。堆積厚度約15 m左右，堆積區泥石流堆積物方量約13.73×104m3。坡面上有少量喬木和灌木叢。

圖5 泥石流堆積區地貌圖

3 泥石流成因機制分析

八腳溝泥石流整體縱坡降較陡，溝域呈長條形，溝內無長期水流，溝道切割很淺，從地形上和物源補給特征上看，比較有利于泥石流的暴發。

八腳溝水量較小，枯水季節經常發生斷流，現今冰雪覆蓋層較薄，主要以接受大氣降雨補給為主，谷坡地形陡峻，溝床基巖裸露，有利于地表降水的徑流和匯集，因此暴雨形成的地表徑流是引發泥石流的主要水源。

八腳溝流通區上游段溝道較窄，溝谷兩側基巖裸露，表層發育少量植被，局部巖體受多組結構面切割較破碎，存在較多高位危巖，極易發生崩落，目前溝道內分布有一些崩落的巨石，由于溝道較窄，極易堵塞溝道，發生堰塞，進一步增大水流的動力條件，該段縱坡降較大，溝道順直，加速功能明顯；流通區下游段溝道較窄，切割不深，兩側分布有豐富的松散物源，緊鄰溝道極易受到水流沖刷，局部發生失穩參與泥石流運動。

綜上，從成因機制分析，八腳溝泥石流屬于“暴雨-堰塞-潰決”型泥石流。

4 泥石流特征值分析

4.1 泥石流類型

經野外調查,主溝兩側岸坡多為陡傾岸坡，高高程及溝道兩側基巖大面積出露，巖體較完整，低高程堆積體中等密實，表面生長有灌木和喬木。塌方區主要集中在流通區，但流通區較短，塌方區集中，溝岸沖刷嚴重。因此可判斷該溝的塌方程度較嚴重，塌方程度系數和平均坡度均按照較嚴重的塌方程度取值，確定塌方程度系數A取0.9，平均坡度IC取360，最后代入公式得到該溝泥石流容重1.426 t/m3；故八腳溝泥石流為稀性泥石流。

4.2 泥石流流量

泥石流流量按照雨洪修正法原理；采用東川公式計算該溝在設計概率下的泥石流峰值流量，暴雨時的最大洪水流量采用推理公式計算結果。計算過程中涉及到的公式如下：

QC=QB(1+φ)DC

(1)

(2)

根據以上公式，求出不同頻率下的八腳溝泥石流的流量數據結果見表1：

表1 不同頻率P下八腳溝泥石流流量 m3/s

4.3 一次泥石流總量

確定八腳溝泥石流的一次泥石流總量Q，主要依據泥石流歷時T和最大流量QC兩個參數，涉及的計算公式如下：

Q=KTQC

(3)

QH=Q(γC-γw)/(γH-γw)

(4)

式中：Q為一次泥石流總量，m3；QH為一次泥石流沖出固體物質總量；QC泥石流最大流量，m3；T為泥石流歷時，s；K為修正系數，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形計算，K取0.264。

根據上述公式，八腳溝泥石流的一次泥石流總量以及固體物質總量計算結果見表2。

表2 不同頻率P下八腳溝泥石流一次泥石流總量以及固體物質總量

4.4 泥石流沖擊力

泥石流整體沖擊力和單塊塊石的最大撞擊力是驗算泥石流防治工程強度的重要參數。

4.4.1 泥石流整體沖擊力

泥石流整體沖壓力按《泥石流災害防治工程設計規范》(DZ/T0239-2004)3.1-3式計算：

(5)

式中：F為泥石流整體沖擊力，Pa；γc為泥石流重度，KN/m3；VC為泥石流平均流速，m/s；α為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，(°)；λ為建筑物形狀系數。

計算過程主要選擇擬布設攔擋工程部位(如蓄水位高程處)各斷面進行計算，建筑物形狀系數按矩形建筑取λ=1.33，泥石流整體沖壓力計算參數及計算結果詳見表3。

表3 八腳溝50 a一遇泥石流整體沖擊力計算表

4.4.2 單塊塊石的最大撞擊力

泥石流單塊塊石的最大沖擊力根據規范DZ/T0220-2006，可采用以下公式計算：

(6)

式中：Fs為單塊巨石的撞擊力，tf；Vc為泥石流流速，m/s；γ為動能折減系數，W為塊石質量，t；C1、C2為巨石與建筑物的彈性變形系數。

撞擊力計算均考慮成最危險情況，即有關參數采用沖擊力最大的數值，并只考慮正面撞擊，其相應計算結果見表4。

表4 八腳溝50 a一遇泥石流撞擊力計算表

4.5 泥石流最大沖起高度和爬高

泥石流最大沖起高度和爬高根據《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220-2006)附錄I，可以采用下列公式進行計算：

(7)

(8)

式中：ΔH為泥石流最大沖起高度，m；ΔHC為泥石流爬高，m；VC為泥石流平均流速，m/s；b為泥石流迎面坡度的函數。

八腳溝50 a一遇泥石流的最大沖起高度和爬高計算結果見表5。

表5 八腳溝50 a一遇泥石流爬高和沖起高度計算表

4.6 泥石流彎道超高

泥石流彎道超高指泥石流在溝槽轉彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側流速較慢，流體變薄而產生超高的現象，當凹岸為陡壁時將對凹岸產生強大的侵蝕作用。

泥石流彎道超高按照規范(DZ/T0239-2004)4.1-4中的公式進行計算：

(9)

式中：Δh為泥石流彎道超高，m；R為主流中心曲率半徑，m；B為泥面寬度，m。

八腳溝50 a一遇泥石流彎道超高計算結果見表6。

表6 八腳溝50 a一遇泥石流彎道超高計算表

5 結語

(1)八腳溝流域面積為1.84 km2，溝長約2.68 km，水系簡單，溝內植被覆蓋較好；松散固體物質總量約135.14×104m3，其中以溝道堆積物和溝道兩側崩坡積物為主，不穩定物源量約30.96×104m3。

(2)通過調查分析，八腳溝為低頻-暴雨-堰塞-潰決-溝谷型稀性泥石流。

(3)通過系統的研究八腳溝泥石流的動力學特征，并著重計算了泥石流的沖擊力、一次泥石流總量等參數；為八腳溝泥石流的防治工程的制定和方案設計提供了重要依據。