茂县瓦窑沟泥石流动力学特征分析与防治对策研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 茂县瓦窑沟泥石流动力学特征分析 与防治对策研究 摘 要：“5 12”地震引发了大 量的次生地质灾害，对灾区人民的生命 财产安全形成了严重威胁，为灾后重建 工作遗留重大的安全隐患。本文通过对 瓦窑沟形成泥石流的地形、水源、物源 三个基本条件进行了深入论述，计算了 泥石流的重度、流速、流量、冲出量等 动力学参数，并分析了泥石流的发展趋 势，最后根据泥石流危险性和被保护对 象的重要性，提出了相应的防治对策。 中国论文网 /8/view-12880596.htm 关键词：瓦窑沟泥石流；动力学 参数；防治措施；茂县 Analysis of the Maoxian -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 Wayaogou kinetic characteristics of debris flow and some countermeasures Liu De-bing Abstract： 5 12 earthquake triggered a large number of secondary geological disasters form a serious threat to the safety of the lives and property of the people in the disaster areas， left behind a significant security risk for the reconstruction work. In this paper， the formation of debris flow Wayaogou terrain， water sources， provenance three basic conditions in-depth exposition， calculated mudslides severe， flow rate， flow， out of the amount of kinetic parameters， and analysis of the debris flow trends， Finally， according to the risk of debris and the importance of the protected object， the corresponding countermeasures. Key words： Wayaogou -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 mudslides； kinetic parameters； prevention measures； Maoxian 引言 “5 12”地震引l 了大量的滑 坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害。截 至 2008 年 7 月 20 日，42 个重灾县（市） 震后新增可统计地质灾害隐患多达 8627 处，其中泥石流 837 处1。这些次生地 质灾害对灾区人民的生命财产安全形成 严重威胁，对灾后重建工作有较大影响 2。 瓦窑沟泥石流位于茂县富顺乡境 内，属一条低频老泥石流沟。 “5.12”地震 后，沟域内发生了多处滑坡、崩塌现象， 灾后重建筑路产生大量弃渣，形成了新 的物源。目前，瓦窑沟泥石流所处发展 阶段为小周期内的发展期（壮年期） ， 在持续降雨或短时高强度暴雨的诱发下 极易复活，暴发中频中小型粘性弃渣 泥石流3。瓦窑沟泥石流一旦再次暴发， 将直接威胁到堆积区上富顺乡场镇 21 户居民约 170 人的生命财产安全，以及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 区内的 S302 省道的正常运营。因此， 研究瓦窑沟泥石流的基本特征、形成条 件、动力学参数，预测其暴发规模，提 出切实可行的防治方案十分必要。 1.瓦窑沟泥石流流域发育特征 瓦窑沟沟域平面形态呈不规则的 树叶状，纵向长约 4.80km，主沟长 4.62km，平均宽度 0.68km，沟域面积 3.23km2，其中汇水面积约 3.05km2， 约占沟域面积的 94.1%。沟域内，地形 最高标高约 2182m，最低标高 1198m， 相对高差 984m，沟谷平均坡降为 178.1。 根据其沟谷变化特点，可将其分 为四段，即沟源段、上游段、中游及下 游段。其中，沟源段呈三面环山的漏斗 状地形，植被茂密，利于汇水，主沟沟 床纵坡沟谷纵坡大，平均 362.6；上 游流段沟谷宽缓，两侧羽状冲沟发育， 主要的支沟仅一条，为位于主沟左岸的 无名小沟，主沟沟道浅坦，沟床纵坡平 均 127.5；中游流段沟谷陡立，沿途 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 分布有崩塌岩堆及弃土等，主沟沟道蜿 蜒，沟床纵坡平均 130.8；下游为泥 石流堆积扇，下游至沟口呈堆积扇地貌， 扇上人口密集，扇缘突出挤压土门河河 道，主沟沟道在居民聚居区内浅坦，入 河口处沟道深切。 1.1 泥石流清水区 该区为瓦窑沟沟源段，其分水岭 最高标高约 2182m，此段流域呈三面环 山的陡坡地貌，区内斜坡坡度在 40以 上，汇水面积约 0.55km2，占流域总汇 水面积的 18.0%。主沟沟道宽 13m， 平均流向 167，沟谷坡降 362.6；其 沟水不仅来源于大气降水，还接受上游 基岩裂隙水的补给，其中地下水排泄形 成了该沟的常年性流量，本次实测流量 为 1.82L/s，另据访问，暴雨时水位一般 上涨 0.51.0m 左右，涨落迅速。区段 内植被茂密，水土保持较好，未见有集 中物源。 1.2 泥石流形成流通区 该区主沟沟床标高 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 16801250m，高差 430m，流段长度 3.19km，汇水面积约 2.50 km2。主沟蜿 蜒呈反 S 形，流向 150180135，沟 谷平均降 129.0，沟道被公路弃渣堵 塞严重。两岸谷坡变化大，其中上游沟 谷宽缓，沟道浅坦，两侧岸坡坡度一般 为 25左右，主要为耕地，乔木仅零星 分布，局部存在水土流失现象，植被覆 盖率仅为 3040%；中游急剧缩拢成 V 形峡谷，沟道深切，普遍生长有乔木 及灌木（除公路弃渣毁坏沟段外） ，两 侧谷坡坡度一般为 4050，局部地段 岸坡陡立，为茂密的乔木、灌木混合林 地，植被覆盖率达 80%以上。 按照泥石流物源的成因类型、补 给途径等，可将瓦窑沟泥石流流域内的 物源划分为人工弃渣、坡面坡残积物、 崩塌岩堆及沟道坡洪积物等 4 类。 （1）人工弃渣 共 18 处，弃渣堆储量 一般为 0.050.15104m3，最大约 0.3104 m3；大多堆积松散，堆积坡角 一般 4050 ，尚未达到天然休止角， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 在公路下边坡的弃渣在雨后时有溜滑现 象发生。所有弃渣堆的静储量约 2.3104 m3，可参与泥石流活动的动储 量约 1.3104 m3。 （2）坡面物源 广泛分布在瓦窑 沟上游地区的斜坡地带，一般由碎石土 组成，堆积厚度一般 25m，局部达 10m 以上，分布面积约 2.8104m2，总 储量不小于 19.8104 m3。 （3）崩塌岩堆 主要有 5 处，分 布在中游的西岸陡坡上，堆积松散，但 未引起堵沟。各堆积方量一般约 0.050.10104 m3，总方量约 0.60104 m3，采用坡率法估算其动储量约 0.20104 m3。 （4）系牢镌 主要由碎石土 组成，表部松散堆积层普遍厚约 0.52m，分布面积约 4.2104 m2，物 质储量约 6.3104 m3；根据沟道的纵坡 变化情况、访问到的历史洪水涨落情况 分析，按沟道表层松散堆积物 1/4 可启 动考虑，推断沟道堆积物的动储量约 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 1.6104 m3。 瓦窑沟泥石流的物源总量约 28.95104 m3，可启动的动储量总计约 4.12104 m3。 1.3 泥石流堆积区 堆积区地形相对低缓，扇面坡度 约 510，总体扇长 390m，扇缘宽约 620m，扇体面积为 0.191km2，扇体上 为富顺乡场镇区，人口密集。瓦窑沟由 扇体中部切割而过，沟道曲折，形成了 两级沟岸。现沟床宽度 510m，纵坡 上缓下陡，一般 67.8202.4，平均 119.8，沟道切割深度 215m 不等， 局部侵蚀切割至基岩，部分沟段沟岸可 见漂、卵石层出露；入河口见小堆积扇， 严重挤压河道，扇体长 80m，宽 120m，由次棱角状的块、碎石土组成， 已生长有茂密乔木，充分说明距前期泥 石流的暴发时间久远，其后泥石流活动 性减弱、规模变小，故地貌演变以侵蚀、 切割为主。 2.泥石流形成条件 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 2.1 地形条件 瓦窑沟沟源段三面环山，地形陡 峭，汇水面积约为 0.55 km2，利于汇水， 为泥石流的形成提供大量的水源；上游 面积 1.86 km2，两岸山体坡度 2540 左右，松散堆积层广泛分布，存在水土 流失现象，对给泥石流提供固体物源较 为有利；瓦窑沟中游两岸山体在 4060，该范围面积约为 0.64 km2， 该区域主要为泥石流的形成提供固体物 源和部分水源。因此，当遇到强降水的 条件，分布于瓦窑沟两侧岸坡的松散固 体物质容易被冲蚀进入沟道内，成为泥 石流活动的物源。从地形上看，土门河 下切高度达 2030m；显然主河的下切 速度大于支沟，利于泥石流的发展4。 2.2 水源条件 只有在快速、强烈的水源补给条 件下才能形成泥石流。在足够的水体条 件下，松散碎屑物质才有可能沿河床产 生运移和移动，如果缺少相当数量的水， 产生的则是例如崩塌、滑坡之类的斜坡 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 重力现象，而不是形成泥石流。因此， 水动力条件在泥石流的产生起着相当重 要的作用。瓦窑沟流域内，多年平均降 水量 490.7mm，年最大降水量 598.7mm，24h 最大降水量约 90mm；6h 最大降雨量约 65mm，1h 最 大降雨量约 28mm，10min 最大降雨量 9mm；而本地区 1h 泥石流触发雨量的 临界值为 20mm。可见，该区激发泥石 流形成的暴雨条件是充分的。 2.3 物源条件 瓦窑沟泥石流的可启动物源主要 是公路弃渣，次为沟床堆积物及沟道两 侧的残坡积物，崩塌岩堆沟床堆积物储 量最少。其中，弃渣堆和崩塌岩堆主要 分布在中游峡谷地带，大多已侵占沟床、 部分堵塞沟道，由于堆积物颗粒粒径普 遍较小（D50=3250mm） ， 加之该段 沟道纵坡大，因此最易参与洪水而形成 泥石流；沟道坡洪积物及两侧坡残积物 总储量虽大，但由于其分布区沟槽宽缓， 沟道纵坡小，水动力条件较差，故其补 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 给量不大（主要为细颗粒物质）且能否 启动则与水动力条件相关。 进而可判断，近期内瓦窑沟爆发 泥石流的机率较大，但由于主要可启动 物源（弃渣）的储量有限，因此在长期 内属于极低频泥石流。 3.泥石流运动和动力学参数分析 瓦窑沟在至少 60 年内未发生过 泥石流，其爆发频率属极低频（大于 1 次/50 年） 。由于无泥石流发生时的实际 观测数据，不具备进行模拟试验的条件， 对该泥石流沟的分析，主要是依据现场 调查访问资料，类比利用目前泥石流运 动特征及动力特征研究的成果进行的。 3.1 泥石流流体重度 泥石流流体重度主要根据泥石流 易发程度数量化评分，查泥石流灾害 防治工程勘查规范 （DZ/T 0220- 2006）附录表 G.2，并结合模拟试验综 合确定。 （1）查表法 瓦窑沟主沟（全域） 泥石流易发程度量化得分 91 分。根据 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 数量化评分（N）与重度、 （1+）关系 对照，瓦窑沟主沟泥石流重度 c为 1.628t/m3，对应 1+为 1.624。 （2）工程类比 通常物源的数量 越多，泥石流的规模越大、频率也越高， 而且容重也大。历史上爆发的泥石流的 容重和性质已经不能代表将来泥石流的 容重和性质了。本次研究根据西南山区 具有土源数据和泥石流性质特征的 28 条泥石流沟的统计，用流域单位面积所 拥有的松散固体物质方量为标准，统计 分析获得已经发生过泥石流的容重与土 源数量的关系，见表 1。 对上述泥石流流域单位面积物源 量与泥石流容重之间的关系进行分析， 可表示如下： 式中：x单位面积物源量 （m3/m2） ； y容重（g/cm3） 瓦窑沟流域面积 3.23km2，计算 流域内单位面积的松散物质约为 1.267m3，带入拟合方程（公式 1）可类 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 比得瓦窑沟泥石流容重为 1.759g/cm3。 （3）综合取值 上述两种 方法计算的泥石流容重值均大于 1.6t/m3，故可判定瓦窑沟泥石流流体性 质属粘性。考虑到查表法取值结果受工 程经验影响，而类比法则受类比条件如 地域性差异、区域降雨条件等的制约， 故采用两者平均取值确定，即： 1.721g/cm3。 3.2 泥石流流速 泥石流流速与泥石流流量、泥石 流体容重、泥石流物质的矿物组成和级 配成分以及沟道内其他要素都有很密切 的关系，是一个决定着泥石流动力学性 质的最为重要的参数之一，目前泥石流 流速计算公式多为半经验或经验公式。 因距前一次泥石流时间较久 （70a 以前） ，泥位高度已无法确定，本 次采取以下方法进行流速计算：首先， 根据最近一次泥石流堆积物中最大粒径 推求冲出时的流速；然后选用具有多次 冲刷痕迹的典型断面进行试算；由于前 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 期泥石流均檎承阅嗍流，因此在泥 石流的运动过程中，流体中的大石块运 动速度是略小于流体速度，故可大致确 定该次泥石流的泥位高度，从而可综合 确定泥石流的流速。 根据泥石流重度判定，瓦窑沟主 沟泥石流属粘性泥石流，按规范采用粘 性泥石流通用公式进行流速计算5，公 式如下： 式中：Vc 泥石流断面平均流速 （m/s） ； Mc 泥石流沟床糙率，按规范 表 I.3 内插； Hc计算断面平均泥深（m） ， 本文取 1.12m； Ic 泥石流水力坡度（） ，取流 域形成区至流通区加权平均坡降，本文 取 176.3。 经计算，瓦窑沟主沟泥石流流速 为 6.58m/s。 3.3 泥石流流量 目前，进行泥石流流量计算的方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 法主要有雨洪法和形态调查法两种。经 笔者计算分析发现，采用形态调查法求 得的泥石流峰值流量计算结果普遍略小 于雨洪法求得的结果。分析其原因，采 用形态调查法计算结果没有暴雨频率的 概念，仅能代表当次泥石流的特征值， 而雨洪法则根据现有沟域面积、沟域植 被发育分布情况和径流系数进行计算， 具有预测性质。因此，本文仅列举了采 用雨洪法的计算结果及综合取值。 （1）设计洪水流量计算 采用四川省中小流域暴雨洪水 计算手册推荐的推理公式计算设计频 率条件下的洪水洪峰流量，计算公式如 下： 式中：QB设计洪峰流量 （m3/s ） ； 洪峰径流系数，=1- 1.10n/Sp； SP暴雨雨力（mm/h） ，SP =H24p 24n-1； F流域汇水面积（km2） ，取 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 16 3.05 km2； 汇流参数，= （ 1-n）nn/（1- n） （Sp/hRn） 1/（1-n） ； 流域汇流时间（h） ，=0 - 1/（4-n） ； n暴雨公式指数，取 n=n2p=1+1.661lg（H6p/H24p ） ； 0 产流历时（ h） ， 0=0.2783/（ 4-n）/（mJ1/3/L） （SF） 1/（4-n） ； m产流参数， m=0.2210.204（=1 30 时） ，反算得 m=0.320； 流域特征系数，=L /（ J1/3F1/4） ； L主沟长度（km） ，取 4.62km； J主沟沟床坡降（） ，取加权 平均值，取 176.3； hR 地面径流深（mm） ， hR=H24p； 降雨历时 24h 的径流系数， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 17 查表取 0.5； D大流域面积修正系数， D=1/（1+0.016 F0.6） 。 瓦窑沟泥石流流域设计洪峰流量 计算参数及结果见表 2。 （2）泥石流峰值流量计算 以瓦窑沟流域可能产生的最大清 水流量为依据，按照雨洪修正法原理5， 泥石流流量按下式进行计算。 式中：Qc 泥石流峰值流量 （m3/s ） ； QB频率为 P 的暴雨洪峰设计 流量（m3/s ） ； 泥砂修正系数，=（c- w）/（H-c） ，计算得 =0.670。 Dc泥石流沟堵塞系数，本文取 1.3。 瓦窑沟流域设计泥石流峰值流量 计算参数及结果见表 3。 3.4 一次泥石流过流总量 一次泥石流总量 Q 的计算，可根 据泥石流历时和最大流量，按照泥石流 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 18 的发生具有暴涨暴落的特点，将其过程 线概化成五边形5，计算公式如下： 根据调查访问情况综合分析，瓦 窑沟泥石流物源丰富，泥石流一次经历 时间较长。因此 T 按持续时间 15min 考 虑。 3.5 一次泥石流固体冲出物 一次泥石流过程中冲出的固体物 质总量不仅与泥石流规模有关，而且与 泥石流性质、固体物物理特征等有关。 一次泥石流冲出固体物质体总量按下式 计算5： 式中：QH一次冲出固体物质 体总量（104m3） ； Q一次泥石流过程总量 （104m3） ； C泥石流流体重度， 1.721t/m3； W水的重度，1t/m3。 不同设计暴雨频率下，瓦窑沟一 次泥石流过程总量（Q） 、一次泥石流冲 出固体物质体总量（QH）计算结果见 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 19 表 4。 4.泥石流防治对策 泥石流的防治要坚持防治结合、 生物措施与工程措施结合、民办与公助 相结合，对易发生泥石流地区采取：稳、 拦、排、停、封等相结合的防治措施。 常见的工程措施有：跨越工程、穿过工 程、防护工程、排导工程、拦挡工程。 通过控制泥石流的固体物质和暴雨、洪 水径流