论文部分内容阅读
摘 要：泥石流防治工程设计的基础是其运动学和动力学特征参数。文章以丽江市玉龙县某泥石流为例，在分析泥石流形成条件的基础上，详细计算了泥石流的流体重度、流速、流量、冲出量、冲压力、冲高和超高等运动学和动力学特征参数，提出了“拦+护”相结合的综合防治建议。该泥石流防治方案可为该条泥石流防治提供技术支持，也可为同类工程提供参考。
关键词：泥石流；形成条件；特征参数；防治建议
泥石流的发生、发展是一个复杂的过程，其防治实践性、经验性很强，泥石流特征参数的定量分析计算较为复杂，需要综合考虑泥石流运动学和动力学方面的特征，最终确定较为符合实际情况的泥石流特征参数。本文以丽江市玉龙县某泥石流沟为例，对泥石流形成条件进行简要分析，根据实际情况结合相关规范对泥石流特征参数进行了详细分析和计算，提出有针对性的防治工程对策和思路，供技术人员参考。
一、泥石流形成条件
泥石流沟位于云南省丽江市玉龙县石头白族乡，距县城69km，距乡政府驻地1.5km。泥石流沟所在区域地壳运动以抬升为主，地表以剥蚀方式进行塑造，谷深坡陡，谷坡坡度一般在25°～40°之间，沟谷形态呈“V”型、“U”型，沟谷纵坡上陡下缓，平均纵坡303‰，平面形态呈中上游略宽，下游狭窄的“口袋”状，就地形条件而言，有利于物源和水源的聚集。沟域内降水较丰沛，多单点暴雨，为泥石流暴发提供了水源条件。物源方面，沟谷岸坡上出露寒武系下统羊坡组斜长二云石英片岩、斜长二云片岩、变粒岩、石英岩等变质岩及第四系残坡积物、崩坡积物、冲洪积物、泥石流堆积物等；沟岸滑坡、崩塌、活动性冲沟等不良地质现象发育，固体物源丰富，沟床宽缓地段及沟口附近堆积了大量泥石流堆积物，说明泥石流活动时强度较大。流域内丰富的松散固体物，加之单点暴雨或持续降雨的作用诱发大规模泥石流的危险性大大增加。根据泥石流易发程度数量化评分表，该泥石流综合得分为110分，属易发泥石流。泥石流目前直接威胁沟口村庄42户215人，直接威胁资产220万元，按照泥石流潜在危险性分级表，其潜在危险性等级为中型。
二、泥石流基本特征参数计算
泥石流基本特征参数主要反映的是泥石流的运动学特征。该泥石流沟基本特征参数计算主要参照和利用野外调查资料结合《云南省水文手册》（2007版）等进行，包括泥石流流体重度、流速、流量、一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物总量。
（一）泥石流流体重度。重度是泥石流最基本的特征参数之一，不仅直接影响工程的规模和效益，还对泥石流流体的性质起决定性作用。根据曾目睹泥石流暴发实况不同年龄、不同职业的当地群众和干部，对泥石流流体特征、运动性状的描述大体相同：泥石流流速较大，来势较猛，流体无阵性，为稀浆状，含大块石，多为卵砾石，流体呈稀浆状，具稀性泥石流特征。根据现场泥石流配方试验，泥石流流体密度γc=1.30～1.5t/m3间，建议取其平均值1.40t/m3作为设计参数。
（二）泥石流流速。目前，国内外确定泥石流流速的方法很多，由于不同泥石流流体性质不同，所在区域差异不同，具体计算时要考虑地区差异、泥石流性质等多种因素，结合泥石流特点和现场调查情况，选用适合泥石流特征的计算公式。现场调查发现，泥石流松散堆积物主要为碎块石，砂砾充填。鉴于泥石流堆积体特征，确定该条泥石流为稀性泥石流；在众多的稀性泥石流计算公式中，西南地区（铁二院）计算公式更符合云南省泥石流特征，确定采用该公式计算泥石流流速，计算公式：
式中：Vc—泥石流流速（m/s）；—清水河床糙率系数，n取0.06；R—水力半径（m），一般可用平均水深H（m）代替；I—泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替；φ—为泥石流泥沙修正系数，φ=（γc-γw）/（γh-γc）。γc—泥石流重度（t/m3），取1.4；γw—水重度（t/m3），取1.0；γh—固体物质比重（t/m3），取2.5。
计算泥石流流速的泥石流防治工程平面位置图（下图1）。
泥石流流速具体计算结果如下：
剖面位置（m）和沟道纵坡平均流速（m/s）分别为：1-1′（6.48）（0.289 ）；2-2′（6.35）（0.277）；3-3′（6.13）（0.258）；4-4′（6.03）（0.250）；5-5′（5.62）（0.217）；6-6′（5.61）（0.216）；7-7′（5.58）（0.214）；8-8′（5.51）（0.209）；9-9′（5.47）（0.206）；而各剖面位置的泥沙修正系数都是0.364、糟率系数n都是0.06、平均泥深都是1.0。（备注：平均泥深采用泥石流爆发时村庄附近泥深。）
（三）泥石流流量。根据泥石流防治工程设计要求，防治标准为Ⅲ级，即按30年一遇流量设计（P=3.33%），50年一遇流量校核（P=2%）。泥石流流量不仅反映了泥石流的强度、规模和泥石流的性质，而且还决定着泥石流防治工程构筑物的类型、结构和大小，是泥石流防治工程设计中重要的基本特征参数。
清水洪峰流量、泥石流流量计算方法多，本文经过多方面考虑，最终采用比较符合泥石流特征的方法来确定计算结果。
1.清水洪峰流量。水文研究所考虑了汇流时间、降雨强度、纵坡降等因素，更贴近工作区实际情况，计算公式：
QB=0.278 k i F/ t
式中：QB—最大清水流量（m3/s）；k—径流系数，0.3，查云南水文手册；i—平均1h降雨强度（mm/h），查云南水文手册；F—流域面积（km2）；t—流域汇流时间（h），按下式计算；
计算公式：t=0.278×L/（m×J1/3×θ1/4）
式中：L—沿主河从出口断面至分水岭最长距离（km）；J—沿流程L的平均比降（计算时以小数计）；m—汇流参数，m=0.50θ0.36，θ=L/（J1/3*F1/4）。 2.泥石流流量。泥石流流量计算采用如下公式：
QC=QB（1+φ）Dc
式中：QC—泥石流流量（m3/s）；QB—泥石流沟清水洪峰流量（m3/s）；φ—泥石流修正系数；φ=（γc-1）/（γh-γc）；Dc—稀性泥石流阵流堵塞系数，取1.1；γc—泥石流重度（t/m3），1.4；γh—固体物质比重（t/m3），取2.5；
（四）一次泥石流过程总量和泥石流固体冲出物总量。一次泥石流总量往往不具备实测的条件，只能是一个粗略的概算。计算方法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程概化为五角形，按规范公式计算：
Q=KTQc
一次泥石流固体冲出物总量按下式计算：
QH=Qφ
三、泥石流动力学特征参数计算
泥石流动力学特征参数包括泥石流整体冲击压力、爬高和最大冲起高度、弯道超高等，这些参数应在泥石流基本参数计算的基础上，确定泥石流防治工程方案，结合拟建工程部位特点而进行的计算。该泥石流防治工程安全等级为Ⅲ级，按照设计要求进行泥石流动力学特征参数计算。
（一）泥石流整体冲击力。泥石流冲击力包括泥石流整体冲压力和单个大石块冲击力两部分。单个大块石的冲击力对工程建筑物的威胁要远大于流体动压力，并往往是导致工程损毁的主要原因。该泥石流固体物源以碎石、砾石和块石为主，根据调查，最大粒径为3.7×1.4×0.7m，单块石冲击力较大。
1.泥石流整体冲压力计算。采用铁二院（成昆、东川两线）的计算公式：
式中：δ—泥石流体整体冲击压力（Pa）；g—重力加速度（m/s2），取g=9.8m/s2；Vc—泥石流流速（m/s）；a—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；λ—建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。
2.单个大块石冲击力计算。
式中：F—泥石流单个石块冲击力（N）；r—动能折减系数，对圆端属正面撞击，采用r=0.3；Vc—泥石流流速，m/s；W—巨石质量，kg；a—受力面与泥石流冲击力方向所夹的角，°；c1，c2—巨石与受力物弹性变形系数，m/kN，采用船筏与受力物撞击的数值c1+c2=0.005；
（二）泥石流冲起高度与弯道超高计算。
1.泥石流冲起高度计算。泥石流冲起高度的计算，采用《泥石流防治工程技术》中的公式进行计算。
△H=α
式中：△H—泥石流冲起高度，m；α—动能改正系数，泥石流取1.1；Vc—泥石流流速；g—重力加速度，m/s2，取g=9.8m/s2。
2.泥石流弯道超高计算。泥石流弯道超高《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录I规定的I.26公式进行计算。
△h=2.3lg
式中：△h—泥石流弯道超高，m；Vc—泥石流流速，m/s，取护岸堤开始位置的流速；g—重力加速度，m/s2，取g=9.8m/s2；R2—凹岸曲率半径，m；R1—凸岸曲率半径，m。
通过计算，在拟设护岸堤处的最大弯道超高为0.94m，该处泥石流径流深1.0m，超高后泥石流高度将近2.0m，易产生大量的泥石流堆积物，泥石流可能冲入沟口河两岸的村庄，从而威胁村民的人身财产安全。
四、泥石流防治建议
该泥石流沟道总体特征为中上游纵坡降大，中下游逐渐变缓，沟谷总体较窄，局部地段有陡缓交替、宽窄相间的变化特点，沟谷局部基岩出露，沟床狭窄，利于设置格栅坝、拦渣坝。沟谷特点决定了泥石流堆积物的分布特点，主要堆积在沟谷中游宽缓的沟床内及沟口地段。
根据防治目标，结合沟道纵坡特征、堆积物分布特征及沟谷两岸物源分布特征，制定泥石流防治方案为“拦+护”相结合的综合治理思路，采用“格栅坝+拦渣坝+双侧护岸堤”防治工程进行治理，防治工程平面布置图见图1。
在1-1′、2-2′剖面处修建格栅坝，拦挡上游的大块石，减少到达下游的固体物质量，降低泥石流重度；3-3′～9-9′剖面设置拦渣坝，拦挡沟谷泥石流物源，同时通过泥石流物质的回淤压脚起到稳固沟床、降低纵坡降、减轻两岸滑坡、崩塌的作用。在4-4′～5-5′剖面之间为泥石流堆积区，沟水下切侵蚀作用较强烈，在该段设置固床坝，稳固沟床，减轻沟水下切侵蚀作用。自9-9′剖面至泥石流入主河河口段设置双侧护岸堤，主要目的是排泄泥石流物质、洪水，同时减小在居民点的河道曲率，增大曲率半径，减小弯道超高，以保护河谷两岸村庄、农田安全。各防治工程详细的计算和设计过程因篇幅原因在本文中不再详述。
五、结语
泥石流特征参数不仅可以反映泥石流的规模、强度和流体性质，还直接决定着泥石流防治工程的类型、结构和尺寸，是泥石流研究和防治工程设计的基础。本文重点对云南丽江玉龙县某泥石流的重度、流速、流量、冲出量、冲压力、冲起高度和弯道超高等运动学和动力学参数进行了分析计算，为泥石流的防治设计和科学治理提供了依据。
根据该泥石流的特征和防治目标，确定该泥石流防治工程采用“格栅坝+拦挡坝+双侧护岸堤”拦护相结合的综合治理方案，并充分考虑泥石流的运动学和动力学特征，防治工程实施后，可以有效的保护泥石流沟口村庄、农田的安全。
参考文献
[1] 吴积善，田连权，康志成等.泥石流及其综合治理[M].北京：科学出版社，1993.
[2] 杨东旭，游勇，陈晓清等.汶川震区陕陡型泥石流典型特征与防治[J].水文地质工程地质，2015，42（1）：146-153.
[3] 袁颖，王帅伟，满兵.四川都江堰椿芽树沟泥石流特征参数计算及防治工程设计[J].中国地质灾害与防治学报，2015，26（2）：51-56.
关键词：泥石流；形成条件；特征参数；防治建议
泥石流的发生、发展是一个复杂的过程，其防治实践性、经验性很强，泥石流特征参数的定量分析计算较为复杂，需要综合考虑泥石流运动学和动力学方面的特征，最终确定较为符合实际情况的泥石流特征参数。本文以丽江市玉龙县某泥石流沟为例，对泥石流形成条件进行简要分析，根据实际情况结合相关规范对泥石流特征参数进行了详细分析和计算，提出有针对性的防治工程对策和思路，供技术人员参考。
一、泥石流形成条件
泥石流沟位于云南省丽江市玉龙县石头白族乡，距县城69km，距乡政府驻地1.5km。泥石流沟所在区域地壳运动以抬升为主，地表以剥蚀方式进行塑造，谷深坡陡，谷坡坡度一般在25°～40°之间，沟谷形态呈“V”型、“U”型，沟谷纵坡上陡下缓，平均纵坡303‰，平面形态呈中上游略宽，下游狭窄的“口袋”状，就地形条件而言，有利于物源和水源的聚集。沟域内降水较丰沛，多单点暴雨，为泥石流暴发提供了水源条件。物源方面，沟谷岸坡上出露寒武系下统羊坡组斜长二云石英片岩、斜长二云片岩、变粒岩、石英岩等变质岩及第四系残坡积物、崩坡积物、冲洪积物、泥石流堆积物等；沟岸滑坡、崩塌、活动性冲沟等不良地质现象发育，固体物源丰富，沟床宽缓地段及沟口附近堆积了大量泥石流堆积物，说明泥石流活动时强度较大。流域内丰富的松散固体物，加之单点暴雨或持续降雨的作用诱发大规模泥石流的危险性大大增加。根据泥石流易发程度数量化评分表，该泥石流综合得分为110分，属易发泥石流。泥石流目前直接威胁沟口村庄42户215人，直接威胁资产220万元，按照泥石流潜在危险性分级表，其潜在危险性等级为中型。
二、泥石流基本特征参数计算
泥石流基本特征参数主要反映的是泥石流的运动学特征。该泥石流沟基本特征参数计算主要参照和利用野外调查资料结合《云南省水文手册》（2007版）等进行，包括泥石流流体重度、流速、流量、一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物总量。
（一）泥石流流体重度。重度是泥石流最基本的特征参数之一，不仅直接影响工程的规模和效益，还对泥石流流体的性质起决定性作用。根据曾目睹泥石流暴发实况不同年龄、不同职业的当地群众和干部，对泥石流流体特征、运动性状的描述大体相同：泥石流流速较大，来势较猛，流体无阵性，为稀浆状，含大块石，多为卵砾石，流体呈稀浆状，具稀性泥石流特征。根据现场泥石流配方试验，泥石流流体密度γc=1.30～1.5t/m3间，建议取其平均值1.40t/m3作为设计参数。
（二）泥石流流速。目前，国内外确定泥石流流速的方法很多，由于不同泥石流流体性质不同，所在区域差异不同，具体计算时要考虑地区差异、泥石流性质等多种因素，结合泥石流特点和现场调查情况，选用适合泥石流特征的计算公式。现场调查发现，泥石流松散堆积物主要为碎块石，砂砾充填。鉴于泥石流堆积体特征，确定该条泥石流为稀性泥石流；在众多的稀性泥石流计算公式中，西南地区（铁二院）计算公式更符合云南省泥石流特征，确定采用该公式计算泥石流流速，计算公式：
式中：Vc—泥石流流速（m/s）；—清水河床糙率系数，n取0.06；R—水力半径（m），一般可用平均水深H（m）代替；I—泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替；φ—为泥石流泥沙修正系数，φ=（γc-γw）/（γh-γc）。γc—泥石流重度（t/m3），取1.4；γw—水重度（t/m3），取1.0；γh—固体物质比重（t/m3），取2.5。
计算泥石流流速的泥石流防治工程平面位置图（下图1）。
泥石流流速具体计算结果如下：
剖面位置（m）和沟道纵坡平均流速（m/s）分别为：1-1′（6.48）（0.289 ）；2-2′（6.35）（0.277）；3-3′（6.13）（0.258）；4-4′（6.03）（0.250）；5-5′（5.62）（0.217）；6-6′（5.61）（0.216）；7-7′（5.58）（0.214）；8-8′（5.51）（0.209）；9-9′（5.47）（0.206）；而各剖面位置的泥沙修正系数都是0.364、糟率系数n都是0.06、平均泥深都是1.0。（备注：平均泥深采用泥石流爆发时村庄附近泥深。）
（三）泥石流流量。根据泥石流防治工程设计要求，防治标准为Ⅲ级，即按30年一遇流量设计（P=3.33%），50年一遇流量校核（P=2%）。泥石流流量不仅反映了泥石流的强度、规模和泥石流的性质，而且还决定着泥石流防治工程构筑物的类型、结构和大小，是泥石流防治工程设计中重要的基本特征参数。
清水洪峰流量、泥石流流量计算方法多，本文经过多方面考虑，最终采用比较符合泥石流特征的方法来确定计算结果。
1.清水洪峰流量。水文研究所考虑了汇流时间、降雨强度、纵坡降等因素，更贴近工作区实际情况，计算公式：
QB=0.278 k i F/ t
式中：QB—最大清水流量（m3/s）；k—径流系数，0.3，查云南水文手册；i—平均1h降雨强度（mm/h），查云南水文手册；F—流域面积（km2）；t—流域汇流时间（h），按下式计算；
计算公式：t=0.278×L/（m×J1/3×θ1/4）
式中：L—沿主河从出口断面至分水岭最长距离（km）；J—沿流程L的平均比降（计算时以小数计）；m—汇流参数，m=0.50θ0.36，θ=L/（J1/3*F1/4）。 2.泥石流流量。泥石流流量计算采用如下公式：
QC=QB（1+φ）Dc
式中：QC—泥石流流量（m3/s）；QB—泥石流沟清水洪峰流量（m3/s）；φ—泥石流修正系数；φ=（γc-1）/（γh-γc）；Dc—稀性泥石流阵流堵塞系数，取1.1；γc—泥石流重度（t/m3），1.4；γh—固体物质比重（t/m3），取2.5；
（四）一次泥石流过程总量和泥石流固体冲出物总量。一次泥石流总量往往不具备实测的条件，只能是一个粗略的概算。计算方法根据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程概化为五角形，按规范公式计算：
Q=KTQc
一次泥石流固体冲出物总量按下式计算：
QH=Qφ
三、泥石流动力学特征参数计算
泥石流动力学特征参数包括泥石流整体冲击压力、爬高和最大冲起高度、弯道超高等，这些参数应在泥石流基本参数计算的基础上，确定泥石流防治工程方案，结合拟建工程部位特点而进行的计算。该泥石流防治工程安全等级为Ⅲ级，按照设计要求进行泥石流动力学特征参数计算。
（一）泥石流整体冲击力。泥石流冲击力包括泥石流整体冲压力和单个大石块冲击力两部分。单个大块石的冲击力对工程建筑物的威胁要远大于流体动压力，并往往是导致工程损毁的主要原因。该泥石流固体物源以碎石、砾石和块石为主，根据调查，最大粒径为3.7×1.4×0.7m，单块石冲击力较大。
1.泥石流整体冲压力计算。采用铁二院（成昆、东川两线）的计算公式：
式中：δ—泥石流体整体冲击压力（Pa）；g—重力加速度（m/s2），取g=9.8m/s2；Vc—泥石流流速（m/s）；a—建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）；λ—建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。
2.单个大块石冲击力计算。
式中：F—泥石流单个石块冲击力（N）；r—动能折减系数，对圆端属正面撞击，采用r=0.3；Vc—泥石流流速，m/s；W—巨石质量，kg；a—受力面与泥石流冲击力方向所夹的角，°；c1，c2—巨石与受力物弹性变形系数，m/kN，采用船筏与受力物撞击的数值c1+c2=0.005；
（二）泥石流冲起高度与弯道超高计算。
1.泥石流冲起高度计算。泥石流冲起高度的计算，采用《泥石流防治工程技术》中的公式进行计算。
△H=α
式中：△H—泥石流冲起高度，m；α—动能改正系数，泥石流取1.1；Vc—泥石流流速；g—重力加速度，m/s2，取g=9.8m/s2。
2.泥石流弯道超高计算。泥石流弯道超高《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）附录I规定的I.26公式进行计算。
△h=2.3lg
式中：△h—泥石流弯道超高，m；Vc—泥石流流速，m/s，取护岸堤开始位置的流速；g—重力加速度，m/s2，取g=9.8m/s2；R2—凹岸曲率半径，m；R1—凸岸曲率半径，m。
通过计算，在拟设护岸堤处的最大弯道超高为0.94m，该处泥石流径流深1.0m，超高后泥石流高度将近2.0m，易产生大量的泥石流堆积物，泥石流可能冲入沟口河两岸的村庄，从而威胁村民的人身财产安全。
四、泥石流防治建议
该泥石流沟道总体特征为中上游纵坡降大，中下游逐渐变缓，沟谷总体较窄，局部地段有陡缓交替、宽窄相间的变化特点，沟谷局部基岩出露，沟床狭窄，利于设置格栅坝、拦渣坝。沟谷特点决定了泥石流堆积物的分布特点，主要堆积在沟谷中游宽缓的沟床内及沟口地段。
根据防治目标，结合沟道纵坡特征、堆积物分布特征及沟谷两岸物源分布特征，制定泥石流防治方案为“拦+护”相结合的综合治理思路，采用“格栅坝+拦渣坝+双侧护岸堤”防治工程进行治理，防治工程平面布置图见图1。
在1-1′、2-2′剖面处修建格栅坝，拦挡上游的大块石，减少到达下游的固体物质量，降低泥石流重度；3-3′～9-9′剖面设置拦渣坝，拦挡沟谷泥石流物源，同时通过泥石流物质的回淤压脚起到稳固沟床、降低纵坡降、减轻两岸滑坡、崩塌的作用。在4-4′～5-5′剖面之间为泥石流堆积区，沟水下切侵蚀作用较强烈，在该段设置固床坝，稳固沟床，减轻沟水下切侵蚀作用。自9-9′剖面至泥石流入主河河口段设置双侧护岸堤，主要目的是排泄泥石流物质、洪水，同时减小在居民点的河道曲率，增大曲率半径，减小弯道超高，以保护河谷两岸村庄、农田安全。各防治工程详细的计算和设计过程因篇幅原因在本文中不再详述。
五、结语
泥石流特征参数不仅可以反映泥石流的规模、强度和流体性质，还直接决定着泥石流防治工程的类型、结构和尺寸，是泥石流研究和防治工程设计的基础。本文重点对云南丽江玉龙县某泥石流的重度、流速、流量、冲出量、冲压力、冲起高度和弯道超高等运动学和动力学参数进行了分析计算，为泥石流的防治设计和科学治理提供了依据。
根据该泥石流的特征和防治目标，确定该泥石流防治工程采用“格栅坝+拦挡坝+双侧护岸堤”拦护相结合的综合治理方案，并充分考虑泥石流的运动学和动力学特征，防治工程实施后，可以有效的保护泥石流沟口村庄、农田的安全。
参考文献
[1] 吴积善，田连权，康志成等.泥石流及其综合治理[M].北京：科学出版社，1993.
[2] 杨东旭，游勇，陈晓清等.汶川震区陕陡型泥石流典型特征与防治[J].水文地质工程地质，2015，42（1）：146-153.
[3] 袁颖，王帅伟，满兵.四川都江堰椿芽树沟泥石流特征参数计算及防治工程设计[J].中国地质灾害与防治学报，2015，26（2）：51-56.