地震灾区特大型泥石流基本特征值计算与分析

张生祥，何明阳，谢光辉

（四川省煤田地质局一三五队，四川 泸州 646000）

本次泥石流基本特征值的计算主要参照野外调查访问获取的泥痕、沟道断面等特征进行的，计算指标的确定主要针对拟设泥石流治理工程的需要进行计算的，对不同纵坡段比降的断面分别进行了流速、流量、泥石流流体冲击力、流体最大冲起高度及弯道超高等特征参数的计算。

该泥石流属于典型的暴雨沟谷型泥石流，“5.12”地震后流域内松散物源增加，暴发的频率为中～高频，发展的阶段属于发展期，流域内总的物源储量达 2053.68×104m3，其中动储量约 227.68×104m3，泥石流流速一般3.74～5.67m/s，泥石流流量909.84m3/s（50年一遇暴雨）、766.27 m3/s（20年一遇暴雨），50年一遇暴雨激发的泥石流一次过程总量约86.47×104m3，冲出的固体物质总量为43.75×104m3，20年一遇暴雨激发的泥石流一次过程总量约36.41×104m3，冲出的固体物质总量为18.43×104m3。结合多方面判断，泥石流规模属特大型泥石流。

1 泥石流容重确定

表1 泥石流流体现场称重表

1.1 现场配浆法

本次共在现场做了6组现场配浆试验，在现场由多位见过泥石流发生的当地居民回忆配制和认定泥石流样品，最后算出泥石流容重。根据式：

γc-泥石流容重（t/m3）；P1-桶与泥石流体总重（g）；P2-空桶重量（g）；V-桶内所盛泥石流体体积（cm3）；

通过现场试验各数据见表1。

通过现场试验计算各次称重的平均值为1.894 t/m3。

1.2 查表法

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录G泥石流沟易发程度数量化评分标准对该泥石流进行了评分，评分结果见表2。

表2 主沟及其主要支沟泥石流流体重度查表法结果统计表

1.3 综合取值

根据现场调查访问，该泥石流发生时，流体主要呈现粘稠状，水与块石、碎石含量约各占60%、40%，运动时石块以滚动方式向前推进，并伴随着“嘡嘡”声响。鉴于上述泥石流流体特征，采用《工程地质手册》（第四版）计算公式：

式中：ρw-水的密度（t/m3）；ds-固体颗粒相对密度（t/m3），一般取2.4～2.7，计算取值为2.50t/m3；f-固体物质体积和水的体积之比，计算时取3:2；

通过上述计算，泥石流容重值为：1.90t/m3，与《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）推荐的形态调查法对比，粘性泥石流重度应在1.6～2.3t/m3之间，但根据历史暴发情况来看，沟内流体组成物质多以块、碎石土组成的水石流为主。

由于该沟流域面积较大，泥石流暴发时的流体重度虽不可能在某个或某几个区域内始终保持恒定的重度值，但悬殊并不太大，因该流域内松散物源主要以块、碎石为主，流体性质将主要以水石流为主，尽管流体往下游运动，沿途的雨水补给、或沟道的淤积作用，但沟道内泥石流体的重度变化终究不会很大，况且在当地老乡见证下所做的重度试验只能代表当时老乡看见过的那次泥石流的流体重度，因“5.12”地震后流域内物源增多，其流体性质也将和以往暴发的泥石流有所不同。结合三种计算方法的可靠度，查表法应该是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，用来作为泥石流设计的依据更为适宜，另外两种方法做出的重度值可用来参考。故主沟泥石流流体重度取1.759t/m3。

3 泥石流运动特征参数计算

3.1 泥石流流量计算

3.1.1 雨洪法

用该方法计算是选用《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）中雨洪法计算泥石流流量，首先查《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》附图2-1～2-8，附表6得到北川县流域地区10min、1h、6h、24h相应暴雨计算参数如表3。

表3 北川县杨家沟流域地区1/6h、1h、6h、24h多年最大暴雨特征值

首先计算频率为1%、2%、5%、10%的暴雨洪水设计流量Qp，按推理公式：

式中，Sp--某频率的雨力，mm/h。其计算式为：Sp=Htp·tn-1；Htp—设计频率最大t小时暴雨量；n--暴雨参数；τ--汇流时间，h。μ--产流参数，mm/h。

L --主沟长度，km；J --主沟底坡降，‰；F--流域面积，km2。

计算过程如下：

流域面积F=9.80km2；沟长L=4.51km；沟床比降J=213.31‰；

汇流参数m= 0.221θ0.204=0.297；

通过计算得出的暴雨雨力计算结果见表4。

表4 暴雨洪水流量参数表

根据计算得出的暴雨雨力对流域的暴雨洪水流量进行计算，得出的结果见表5。

表5 暴雨洪水流量计算结果表

根据计算得出的暴雨洪峰流量，按《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）式Ⅰ.2计算泥石流流量：QC=(1+φ)QPDC

式中：DC：泥石流堵塞系数；φ：泥石流泥沙修正系数；根据上式得出杨家沟泥石流流量结果见表6。

表6 泥石流流量计算表

3.1.2 形态调查法

泥石流流量是泥石流工程防治最为重要的参数之一，对已发生泥石流流量的调查与计算，是确认泥石流运动特征的重要内容之一。对于非观测泥石流，主要采用中华人民共和国地质矿产行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中形态调查法的计算方法计算泥石流峰值流量。通过对泥石流遗留洪痕的调查(访问)与确认，确定该断面处泥石流的最高泥位，测量估算出泥石流通过时的过流断面面积。将断面面积乘以该断面处泥石流的瞬时流速，即可获得泥石流断面(峰值)流量。

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）中形态调查法，通过公式：Qc=Wc·Vc

因该泥石流属稀性泥石流，故计算流速选用《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）稀性泥石流流速计算公式Ⅰ.15：

Vc-为泥石流断面平均流速（m/s）；Wc-为泥石流断面面积（m2）。

通过计算可见，按形态调查法2008年“9.24”与采用雨洪法计算出的该泥石流暴发的频率2%（50年一遇）的泥石流流量接近。因此，计算泥石流流量采用雨洪法计算出的洪峰流量可行。

3.2 泥石流流速计算

3.2.1 流速

根据现场勘查及历史分析情况来看，流域内物源成分主要以块、碎石土为主，因此，流速计算的公式选用《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）中西南地区（铁二院）计算公式进行计算，计算公式如下：

表7 形态调查法计算各不同纵坡泥石流流量计算结果表（根据2008年“9.24”泥石流推测）

式中Vc—泥石流流速（m/s）；γH—泥石流固体物质重度（t/m3）；φ—泥石流泥沙修正系数；n—泥石流沟床糙率系数；Hc—平均泥深（m）；Ic—泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替。

3.2.2 泥石流中石块运动速度计算

表8 泥石流不同坡降条件下泥石流流速计算表

式中：VS——泥石流中大石块的移动速度(m/s)；dmax——泥石流堆积物中最大石块的粒径(m)，从现场调查情况来看，泥石流流域块石最大粒径5.0m左右；α——全面考虑的摩擦系数（泥石流容重、石块比重、石块形状系数、沟床比降等因素），此处α取4。由此计算结果见表9。

表9 泥石流中石块运动速度计算表

3.3 泥石流过程总量计算

采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中泥石流总量计算公式，根据泥石流历时T和最大流量Qc,算通过断面的一次泥石流总量Q，由下式计算：Q=0.264TQc

式中：T：泥石流历时，根据主沟沟道长度及历次泥石流暴发历时计算时取值 30分钟；Qc：不同频率下的泥石流流量。

表10 泥石流过程总量计算表

3.4 泥石流冲出固体物质总量计算

采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中泥石流一次冲出的固体物质总量计算公式：

式中：γc—泥石流重度（t/m3），计算时取值1.759t/m3；γH—泥石流中固体物质比重（t/m3），计算时取值2.50t/m3；γW—水的重度（t/m3），计算时取值1t/m3；

表11 泥石流冲出固体物质总量

3.5 泥石流整体冲击力计算

采用中华人民共和国地质矿产行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中泥石流冲击力计算公式：

式中，δ：泥石流整体冲击力（Pa）；γc：泥石流流体容重（kg/m3）；Vc：泥石流流速（m/s）；α：建筑物受力面与泥石流冲压方向夹角（°）；λ：建筑物形状系数，圆形建筑物取1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取1.47。

计算时取最不利情况，即建筑物受力面与泥石流冲压方向垂直，采用方形建筑物计算泥石流的整体冲击力。

3.6 泥石流最大冲起高度计算

表12 杨泥石流整体冲击力计算表

式中，ΔH—泥石流最大冲起高度（m）；ΔHc—泥石流爬高（m）；VC—泥石流平均流速（m/s）；b—泥石流迎面坡度的函数。

3.7 泥石流的弯道超高计算

采用中华人民共和国地质矿产行业标准《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DZ/T0220-2006)中泥石流弯道超高计算公式：

表13 泥石流最大冲起高度计算表

式中：Vc:泥石流流速（m/s）；Rc：凹岸曲率半径（m）；g：重力加速度（m/s2）；B：泥石流表面宽度（m），部分以洪痕宽度代替。

表14 泥石流弯道超高计算表

4 结语

泥石流特征值是泥石流灾害防治中难以实测和准确推算的极为重要的参数，它的计算往往具有一定程度的不确定性。它的确定往往需要通过大量的现场勘查工作，经过多种方法进行校核和验算，尽量保证其合理性、准确性和可靠性,最终结合工程特点综合分析确定。只有如此，才能为泥石流灾害防治工程提供可靠的设计参数。

[1] 陈宁生,崔鹏,刘中港,韦方强.;基于黏土颗粒含量的泥石流容重计算[J].中国科学E辑.2003(S1).

[2] 陈洪凯,唐红梅.泥石流两相冲击力及冲击时间计算方法[J].中国公路学报.2006(3).

[3] 国土资源部.中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/T 0220-2006 ,泥石流灾害防治工程勘查规范[s].2006.