典型區單溝泥石流的危險性評價

謝 營，張 健

（山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250014）

泥石流在我國是常見的地質災害，在山區、丘陵地區易發，往往造成人員傷亡和經濟損失。研究區受不合理采礦等人類工程活動影響，當地植被以及地表形態易被破壞并產生大量松散物。因此，對研究區進行泥石流危險性評價極為重要。

通過對研究區泥石流溝進行實地調查，并結合當地特點，綜合考慮平臺GIS 信息及已有的降雨資料等，計算流域內潛在泥石流的特征參數，依據計算數據對該泥石流溝進行了危險評價。

1 研究區概況

研究區以山地地形為主，由于不合理采煤，造成了嚴重的不良地質現象。研究區為當地現有4 條泥石流溝之一。所在村子已有部分住戶搬遷，現今全村仍有59 戶134 人受泥石流威脅。研究區占地總面積1.38 km2，距鄉政府約4 km。

1.1 地貌與地層

研究區雖屬低山丘陵地貌，但地表起伏較大，最大高差720 m。流域內兩側山坡坡度一般在30°～60°，主溝長約2.35 km，平均縱坡降約1.91%，匯水面積約1.38 km2。地形切割強烈，形態利于地表徑流的匯集，且流水具有較強的水動力。

1.2 氣象與水文

研究區多年平均汛期降雨量580 mm，蒸發量較小，多年平均最大24 h 雨量高達110 mm，集中在6-8 月，易在局部地區形成峰高量小的兇猛洪水，易誘發泥石流。

1.3 地震活動

據資料研究區未發生強震，僅受到多次遠震的影響。根據《建筑抗震設計規范》，研究區地震烈度7°，設計基本地震加速度值為0.15 g。

1.4 植被覆蓋

據實地調查，上游溝源區山體以喬木為主的樹林保持良好，植被覆蓋率達80%；流通區、堆積區溝道及兩側坡腳植被受到嚴重破壞，局部碎石狀煤矸石堆積，植被覆蓋率不足30%。

2 研究區泥石流形成條件與發育特征

2.1 研究區泥石流形成條件

泥石流的形成受多方面因素影響，除上文敘述的，有利的地形條件、突發性的水動力條件外，另一主要影響因素為松散的固體物源條件。

本研究區域泥石流溝的松散固體物質主要來源為人類工程活動產生的松散物堆積，包括采礦廢棄物、切坡松散物、次生災害松散堆積物。經調查物源總量約21.9 萬m3，可參與泥石流活動物源動儲量約5.1 萬m3。

2.2 泥石流動力特征

1）泥石流流體重度。采用經驗公式法和形態調查法計算，計算公式為：

式中：γc為泥石流重度，t/m3；K1為比降系數；KR為研究區巖石巖性系數；KL為形成區到源頭的溝長與主溝總長度的比值；KO為泥石流補給系數；KA為泥石流溝谷中存在的松散物源總量系數。

泥石流的容重跟爆發周期有明顯的關系，本文采用爆發頻率P（次/年）分別為1%、2%、5%、10%，進行計算。計算公式為：

表1 不同設計頻率下泥石流流體重度

2）泥石流峰值流量。泥石流峰值流量是影響泥石流的規模的最主要因素。由于研究區歷史上未發生過泥石流災害，應屬于泥石流隱患溝，本文采用雨洪修正法進行計算。計算公式為：

式中：Qc為泥石流峰值流量，m3/s；Dc為堵塞系數；φ 為泥石流泥沙修正系數；QP為頻率為P的暴雨洪峰流量，m3/s；泥石流峰值流量計算參數及結果見表2。

表2 泥石流流量計算參數及結果

3）泥石流流速。泥石流溝固體物源主要為煤矸石和碎石，以稀性泥石流和水石流為基本參照。按照地區經驗公式計算泥石流流速：

式中：Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；R 為水力半徑，m；I 為泥石流水力坡度，一般用溝床縱坡代替；mw為河床外阻力系數。經計算求得不同設計頻率下泥石流流速見表3。

表3 不同設計頻率下泥石流流速

4）一次泥石流過程總量。一次泥石流過程總量表征著流域內泥石流的規模，計算過程總量公式為：

式中：Q 為一次泥石流過程總量，m3；T 為泥石流歷時，s；k 為經驗系數；Qc為泥石流峰值流量，m3/s。求得不同頻率下Q，結果見表4。

表4 不同設計頻率下一次泥石流過程總量

5）一次泥石流固體沖出物。按照《泥石流災害防治工程勘查規范》附錄I 提供的公式進行計算：

式中：QH為一次泥石流固體沖出物總量，m3；Q 為一次泥石流過程總量，m3；γc為泥石流重度，t/m3；γw為水的重度，t/m3；γH為泥石流固體物質的重度，t/m3。

計算得到不同頻率下，一次泥石流固體沖出物總量，其結果見表4。

6）泥石流整體沖擊力。泥石流整體沖擊力這一參數主要用于泥石流防災減災的工程設計，分為流體整體沖擊力和單塊最大沖擊力。由于堆積區內主要物源塊石粒徑為煤矸石和碎石，未發現有巨石故本文不計算單塊最大沖擊力。泥石流整體沖擊力計算公式為：

式中：δ 為泥石流整體沖壓力，kPa；λ 為建筑物形狀系數；g 為重力加速度，取g=9.8 m/s2。γc為泥石流重度，t/m3；Vc為泥石流平均流速，m/s；a 為建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角，取90°計算最嚴重時的危害沖擊力。計算得到不同設計頻率下泥石流整體沖擊力，見表5。

表5 不同設計頻率下泥石流整體沖擊力

7）泥石流爬高和最大沖起高度。泥石流的爬高和沖起高度決定泥石流防治工程參數，其值越大，對防治工程的要求越高。計算公式如下：

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。計算得到不同設計頻率下泥石流最大沖起高度和泥石流爬高見表6。

表6 不同設計頻率下泥石流爬高、最大沖起高度

8）泥石流最大危險區面積。結合上述數據、泥石流物源分布及當地溝道下游地形地貌情況，計算泥石流最大危險區面積。

泥石流由上游沖向中游，由于溝道內沿線物源較多，泥石流物源會得到不斷補充，而且由于溝道內煤矸石堆積，造成較陡的堆積坡面，會加大泥石流的流速以及物源的匯集，導致最后泥石流沖出溝口，進入下游的居民區。在P 為1%的頻率下，預測泥石流的最大堆積范圍為最大堆積長度0.86 km；最大堆積寬度0.55 km；堆積輻射角51.15°，最大危險范圍0.26 km2；但是由實地調查數據可知，溝口寬度僅有0.17 km，完全達不到上述計算的0.55 km，而且泥石流扇形展開角會被兩側山體約束在44 °以內，致使堆積長度會向下游延伸。因此溝口的居民以及諸多民用建筑均受到威脅。

3 基于數量化綜合評判方法的評價

3.1 評判方法

以泥石流數量化綜合評判結果反映泥石流的易發程度，其大小直接反應泥石流危險度的大小。結合《泥石流災害防治工程勘查規范》附錄表G“泥石流溝的數量化綜合評判及易發程度等級標準”，對影響泥石流發育的各項影響因子。逐項打分，最后得出總的評分結果。按照泥石流易發程度定量判別標準對泥石流的易發程度進行等級判定。

3.2 評價結果分析

根據上文計算出的泥石流基本特征參數，進行逐項打分，最后得出本研究區易發程度評分為95 分，根據泥石流易發程度定量判別標準判別為中等易發程度。