昆明東川區坪子地泥石流形成機制及動力學特征

崔文華，趙蓓蕾

(西南有色昆明勘測設計(院)股份有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省科普資源信息中心，云南 昆明，650021)

東川小江流域是我國泥石流災害嚴重地區[1]，其突出特點是溝谷數量多、密度大、活動頻繁、破壞損失嚴重、防治困難[2]。坪子地泥石流位于昆明東川區湯丹鎮江西村坪子地小組，處云貴高原西部橫斷山脈南緣，瀾滄江水系與金沙江水系分水嶺地帶，屬瀾滄江水系。沿溝谷兩岸地勢陡峻，巖體破碎，地表坡積層堆積較厚，支溝發育。沿溝谷兩側不穩定斜坡隨處可見，水土流失嚴重，泥石流形成條件較為充分。泥石流為季節性溝谷，由西向東徑流，注入坪子地小組東側溝道內。流域呈長條形，分為形成區和流通-堆積區，形成區又分為水源亞區和物源亞區，見圖1。

1 泥石流形成條件

1.1 地形地貌條件

坪子地泥石流所在區域屬變質巖侵蝕溶蝕山地地貌，流域面積0.08km2，主溝全長520m，底寬1m～6m。泥石流溝域整體位于分水嶺一側，山脊走向北偏東，地形起伏變化大，地勢西高東低，最高海拔1965.11m，最低點為C3沖溝與主溝交匯處海拔1579.75m，相對高差385.36m。斜坡地形從分水嶺至主溝交匯處呈緩-陡-緩。分水嶺到1890m段較緩，坡度9°～25°，坡面侵蝕相對較弱；1890m～1770m段較陡，斜坡坡度40°～48°，坡面侵蝕較嚴重，滑坡、不穩定斜坡等是泥石流松散固體物質最集中的坡段，易形成泥石流；1770m～1660m段較緩，總坡度約13°，斜坡坡度變緩，是泥石流堆積消亡區。泥石流出村后隨著溝道坡降減緩，在這一區段轉變為攜砂洪水進入村莊東側主溝內。

2.2 物源條件

坪子地泥石流固體松散物源主要有滑坡類、坡面侵蝕類、溝床沖刷及人工堆積類等，以滑坡、不穩定斜坡類為主。項目區滑坡有1處，不穩定斜坡有3處，形成的固體物質儲量約1755m3，是泥石流松散固體物質主要來源之一。其中H1滑坡、BW1和BW2不穩定斜坡位于物源亞區左岸，BW3不穩定斜坡雖位于泥石流流域范圍外，但其垮塌堆積物可經①號道路流水攜帶進入泥石流溝道內。滑坡、不穩定斜坡可直接參與泥石流方量為1044 m3。表1。

2.3 水源條件

東川區地處低緯高原，主體氣候屬亞熱帶季風氣候。受地形高差懸殊和不同氣流的影響，構成顯著的立體氣候和干雨季節分明的特點。坪子地泥石流主溝道平均縱坡降468.73‰。具短時間內地表水匯聚的條件，水流湍急，對溝床及溝岸沖刷能力強。年平均降雨量838mm，5月20日至10月20日為雨季，降雨量占年降雨量88%，其中6月至7月雨量最為集中，約占年降雨量的40%；干季12月至次年1月降雨量僅為年降雨量的2.5%。據湯丹鎮氣象觀測資料顯示：該區最大日降雨量107.5mm～108mm，最大小時降雨量46.2mm。泥石流流域匯水區地面坡度陡，地表逕流短，雨季降水落地后具快速匯聚溝谷、流量大、變幅快特點，極易形成山洪，為泥石流形成提供水源和水動力條件。

圖1 坪子地泥石流工程地質平面圖

表1 坪子地泥石流地質災害特征綜合一覽表[3]

3 泥石流基本動力學特征分析

3.1 泥石流流體與固體顆粒容重

選擇泥石流流通-堆積區較典型泥石流體地段現場采樣，選擇3-4位目擊者，根據當時目擊狀況配置泥石流體樣品，進而得出泥石流重度參考值，計算公式見1，根據結果(表2)，泥石流重度2.00t/m3～2.22t/m3，平均值2.13t/m3，屬粘性泥石流。泥石流堆積物以角礫、碎石、粘性土為主，碎塊石巖性為板巖，經驗取ρh=2.60t/m3作為泥石流固體顆粒容重。

rc=Gc/V

(1)

式中γc-泥石流體重度(kg/m3)；Gc-樣品總重；V-泥石流樣品體積(m3)

3.2 流速計算

坪子地泥石流屬粘性泥石流，流速計算按《泥石流災害防治工程勘查規范》(DZ/T0220-2006)規定，采用綜合通用公式[4]：

式中VC-泥石流流速(m/s)；K-粘性泥石流流速系數；HC-平均泥深(m)；IC-泥位縱坡(‰)。

流速計算斷面選擇泥石流流通區4-4，剖面、5-5，剖面、6-6，剖面、13-13，剖面和15-15，剖面等斷面。流速系數采用內插法；縱坡取實測河床坡度；平均泥深據實測斷面量取，泥痕位置選未漫流地段作平均泥深。計算結果見表3。5個斷面分布在300m范圍內，越往溝口流速越小，主要由于溝道縱坡減小，斷面加寬，泥石流逐漸減速。

表2 坪子地泥石流流體重度計算表

表3 坪子地泥石流流速計算表

3.3 泥石流流量計算

泥石流溝床縱坡降陡、主溝道長度短，故假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生，先按水文方法計算斷面不同頻率下小流域暴雨洪峰流量，然后選用堵塞系數，計算泥石流流量：

QC=(1+φ)QP·DC

(3)

式中QC-頻率P泥石流洪峰值流量(m3/s)；QP-頻率P暴雨洪水設計流量(m3/s)，計算公式：

Qp=q×F2/3×n；

(4)

式中q-設計斷面平均洪峰模數，據云南省水文手冊查4.5；F-匯水面積(km2)，將道路匯水面積包含在內；n-洪峰流量倍比系數，據云南省水文手冊查10年一遇為1.65，30年一遇為2.15(內插法計算)；φ-泥石流泥沙修正系數。

φ=(rC-rw)/(rH-rc)

(5)

式中rC-泥石流重度(t/m3)，根據前面章節為2.13t/m3；rw-清水重度(t/m3)；rH-泥石流中固體物質重度(t/m3)，取2.6t/m3；DC-泥石流堵塞系數，取1.6。

形態調查法計算公式為[5]：Qc=WcVc

(6)

式中Qc-泥石流斷面峰值流量(m3/s)；Wc-泥石流過流斷面面積(m2)；Vc-泥石流斷面平均流速(m/s)。計算參數及計算結果詳見表4、表5。

表4 坪子地泥石流不同頻率流量表

表5 坪子地泥石流流量計算表

3.4 一次泥石流過程總量計算

一次泥石流總量Q可根據泥石流歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s)進行概算，公式為：

Q=KTQc

(7)

當流域面積F<5km2，K=0.202；T(s)根據實際地形情況結合經驗取35s；

一次泥石流沖出固體物質總量QH按公式計算：QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(8)

式中γH-泥石流固體物質比重(t/m3)；γc-泥石流容重(t/m3)；γw-水容重(t/m3)。計算參數及計算結果詳見表6。

表6 一次泥石流固體物質總量計算成果表

3.5 泥石流沖擊力計算

泥石流沖擊力計算包括整體沖壓力和單個大石塊沖擊力計算。

式中P-泥石流沖壓力(kpa)；λ-建筑物形狀系數，圓形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47；g-重力加速度(m/s2)，g=9.8m/s2；γc-泥石流重度(t/m3)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；α-建筑物受力面與泥石流沖壓力方向夾角(°)。結果見表7。

式中FS-單塊巨石撞擊力(KN)；VC-泥石流流速；r-動能折減系數，正面撞擊時取0.3；α-受力面與泥石流撞擊面撞擊角取90°；C1、C2-巨石與建筑物彈性變形系數，若采用船筏與橋墩臺撞擊系數，C1+C2=0.005；W-巨石重量，取最大直徑0.3m。結果表8。

3.6 泥石流沖起高度和彎道超高

式中VC-泥石流流速；g-重力加速度，9.8m/s2；

式中：b-面坡度函數；VC-泥石流流速；g-重力加速度9.8m/s2；計算結果見表9。

表7 泥石流整體沖壓力計算表

表8 泥石流石塊沖擊力計算表

表9 泥石流沖起高度計算成果表

(2)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。計算公式：

式中Δh-泥石流彎道超高(m)；Vc-泥石流平均流速(m/s)；R2-凹岸曲率半徑(m)；R1-凸岸曲率半徑(m)；g-重力加速度(m/s)。

本次勘查選擇15-15，剖面溝道轉彎處計算，結果見表10，泥石流彎道超高0.04m。

表10 泥石流彎道超高計算表

3.7 泥石流類型及規模

根據實際調查及計算資料分析，按照泥石流災害防治工程勘查規范相關條文標準對坪子地泥石流分類屬暴雨性、混合溝谷、高頻、小型泥石型粘性泥石流。

根據現場調查，坪子地泥石流一次堆積方量約46.581m3(10年一遇)，洪峰流量約9.329m3/s(10年一遇)。基于一次堆積方量為主要因素考慮，坪子地泥石流為小型泥石流。

4 結 論

(1)昆明東川江西村坪子地泥石流分為形成區和流通-堆積區，形成區又分為水源亞區和物源亞區，泥石流的形成是地形地貌因素與物源特征及水源特征三個因素綜合形成的結果。

(2)按泥石流堆積段所處地貌位置、流域形態、流體性質、發育階段、固體物質一次最大沖出量等劃分，該泥石流屬于暴雨性、溝谷、高頻、小型泥石型、粘性泥石流。