甘肃舟曲三眼峪沟泥石流动力学特征参数计算

邓 虎，陈宁生，胡桂胜，4，卢 阳，4

(1.成都理工大学，四川成都610059;2.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都610041;3.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041;4.中国科学院 研究生院，北京100049)

2011-08-07 T 23:40左右，甘肃甘南藏族自治州舟曲县发生强降雨引发的特大泥石流灾害。县城北面的罗家峪、三眼峪沟泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，5 km长500 m宽的区域被夷为平地。泥石流堵塞嘉陵江上游支流白龙江形成堰塞湖。电力、交通、通讯中断。截至8月17日16:00，泥石流致使1 270人遇难，474人失踪，住院70人［1］。甘肃舟曲三眼峪沟流域系白龙江左岸一级支流，流域面积 25.75 km2，呈“瓢”状(图1)。沟谷总体上呈南北向展布，地势北高南低，属典型的高山峡谷地形。流域最高点陡石山海拔3 828 m，最低点入河口处仅1 340 m，相对高差选2 488 m。三眼峪沟主要由大峪沟和小峪沟2条支沟汇流而成，在峪门口又汇入了龙庙沟、硝水沟和板子脚沟，主沟长 6.8 km，沟床平均比降 24.1%［2］。据统计，自1823年至今的187年间，该沟先后发生12次较大规模泥石流，并对县城造成危害，小规模的泥石流约每3～4年发生一次。“8.7”舟曲特大泥石流灾害为该区历史上最大的一次泥石流灾害事件，其中三眼峪沟受灾最严重(图2，资料来源于国土资源部和国家测绘局)。笔者于8月11日赶到灾区现场，通过对灾害现场调查获取了三眼峪沟相关资料，并根据这些资料分别对三眼峪沟及其支沟(大峪沟、小峪沟)的泥石流3大动力学特征参数:流速、流量、冲击力进行分析与计算。计算结果对舟曲三眼峪沟泥石流防治工程参数设计具有一定参考作用，对灾区恢复重建具有重要意义。

1 泥石流流速与流量计算

由于测量泥石流动力学特征值是相当困难的，加上试验测试技术和相关仪器还有不少难以突破的关键性问题，故迄今为止可以直接引用的资料还很少，大多数都是处在探讨和试验阶段。又因受研究水平的限制，建立有实用价值的理论公式尚有困难，故现在多数计算采用经验和半经验公式，其参数往往根据观测或实验资料确定［3］。

泥石流流速是决定泥石流动力学性质的最重要参数之一［4］。目前泥石流流速计算公式为半经验或经验公式，概括起来一般分为稀性泥石流流速计算公式、黏性泥石流计算公式和泥石流中大石块运动速度计算公式3类［3］。三眼峪沟泥石流按黏性泥石流(容重2.0 g/cm3)计算公式计算其流速。

1)东川泥石流改进公式［5］

式中:K为黏性泥石流流速系数，用表1内插;Hc为计算断面的平均泥深，m;Ic为泥石流水力坡度，‰，一般可用沟床纵坡代替。

表1 黏性泥石流流速参数K值Tab.1 Parameter K of viscous debris flow velocity

式(1)计算值与实测流速对比，基本可用，误差偏于安全。

2)甘肃武都地区黏性泥石流流速计算公式［6］

式中:Mc为泥石流沟床糙率系数;其他符号同式(1)。

式(2)适用于中阻型泥石流，即流体中的土体颗粒粗大，浆体组成成分上以粉土居多，沟床比较粗糙，河床阻力较大。

3)通用公式［7］

式中:nc为黏性泥石流的沟床糙率;其他符号同式(1)。

式(3)是根据西藏古乡沟、云南东川蒋家沟和甘肃武都火烧沟199次泥石流3 000多阵次观测资料得出，资料来源于不同地区多种泥石流，其适用范围宽，较为通用。

1.1 大峪沟流速流量计算

通过对大峪沟实地调查并选取3个实测断面(图3)，计算流速与流量，计算结果如表2。

图3 三眼峪大峪沟断面Fig.3 Section of Dayu gully

断面 1:Hc=(5 sin30+3 sin35)/2=2.11 m;沟道平均纵坡6°，纵坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系数K=10，洪痕断面面积S=91.56 m2，泥石流沟床糙率系数Mc=10.40，黏性泥石流的沟床糙率nc=0.100。

断面2:Hc=1.9 m;沟道平均纵坡6°，纵坡比降Ic=0.105，黏性泥石流流速系数K=10，洪痕断面面积S=136.8 m2，泥石流沟床糙率系数Mc=16，黏性泥石流的沟床糙率nc=0.077。

断面3:Hc=4.7 m;沟道平均纵坡5°，纵坡比降 Ic=0.087，流速系数 K=5.6，洪痕断面面积 S=133.01 m2，泥石流沟床糙率系数Mc=14，黏性泥石流的沟床糙率nc=0.050。

表2 大峪沟泥石流流速与流量计算Tab.2 Flow velocity and flow calculation of Dayu gully debris flow

通过对大峪沟3个断面的计算，可以发现3个断面计算所得到的泥石流流速、流量有较大的差别，其主要原因是野外采集到的基础数据存在一定误差(如野外采集到Hc，沟道平均纵坡等)。

1.2 小峪沟流速流量计算

通过对小峪沟实地调查并选取1个实测断面(图4)，其流速与流量计算结果见表3。

小峪沟断面:Hc=2 m;沟道平均纵坡8°，纵坡比降Ic=0.141，黏性泥石流流速系数K=10，洪痕断面面积S=51 m2，泥石流沟床糙率系数Mc=16，黏性泥石流的沟床糙率nc=0.077。

图4 三眼峪小峪沟断面示意Fig.4 Section of Xiaoyu gully

表3 小峪沟泥石流流速与流量计算Tab.3 Flow velocity and flow calculation of Xiaoyu gully debris flow

1.3 三眼峪沟口流速流量计算

通过对三眼峪沟口实地调查并选取1个实测断面(图5)，其流速与流量计算结果如表4。通过计算可以发现三眼峪沟口流速与大、小峪沟断面流速比较接近，但三眼峪沟口流量与大、小峪沟断面流量之和存在一定的差别，其主要原因是在断面野外测量时存在一定的误差并且大、小峪沟在汇流三眼峪沟前存在一定的分流，这点也导致三眼峪沟口流量小于大、小峪沟断面流量之和。

三眼峪沟口断面:Hc=5.2 m;沟道平均纵坡3.5°，比降 Ic=0.061，流速系数 K=5，洪痕断面面积S=156.8 m2，泥石流沟床糙率系数Mc=14，黏性泥石流的沟床糙率nc=0.100。

表4 三眼峪沟口泥石流流速与流量计算Tab.4 Flow velocity and flow calculation of Sanyanyu gully debris flow

图5 三眼峪沟口断面1示意Fig.5 Section 1 of Sanyanyu gully

1.4 三眼峪沟泥石流中块石流速

在缺乏大量实验数据和实测数据的情况下，以堆积后的泥石流冲出物最大粒径大体推求石块运动速度的经验公式［8］为:

通过对三眼峪沟泥石流堆积区大块石的实地测量(图6、图7)得到沟口堆积扇区堆积的最大颗粒直径为7.5 m，从而计算得出泥石流中块石流速为10.95 m/s。

式中:Vs为泥石流中大石块的移动速度，m/s;dmax为泥石流堆积物中最大石块的粒径，m;α为全面考虑的摩擦系数(泥石流重度、石块密度、石块形状系数、沟床比降等因素)，3.5≤α≤4.5，平均取 4.0。

2 泥石流冲击力计算

泥石流冲击力由泥石流浆体动压力和大块石撞击力两部分组成，而造成结构破坏的主要因素是大块石的冲击。泥石流的冲击力既是泥石流危害度评估、建筑物抗泥石流强度评估的重要指标，也是设计各种泥石流防治工程是的重要参量，在实施泥石流防治工程时，最关键的问题是量化泥石流冲击力，它直接关系到防治结构的选用尺寸拟定和结构设计等［9］。

2.1 泥石流整体冲压力

目前泥石流整体冲压力计算公式为半经验或经验公式，具体计算方法如下:

铁二院(成昆、东川两线)公式［10］:

式中:δ为泥石流体整体冲击压力，Pa;γc为泥石流容重，g/cm3;g 为重力加速度，m/s2，取 9.8 m/s2;Vc为泥石流流速，m/s;α为建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角，(°);λ为建筑物形状系数，圆形建筑物λ=1.0，矩形建筑物λ=1.33，方形建筑物λ=1.47。把 γc=2.0 t/m3;Vc=8.79m/s;α =90°;λ =1.33代入到公式(5)中，得到泥石流整体冲压力为2.1 ×104kPa。

2.2 泥石流中大块石冲击力计算

对舟曲三眼峪沟进行了实地勘察，其堆积区大块石分布见图6。野外测量堆积区最大块石尺寸为7.5 m ×7 m ×5.5 m，如图7。针对泥石流拦挡坝这种情况，选取3种方法分别对舟曲三眼峪沟泥石流大块石冲击力进行计算，具体结算结果见表5。

表5 舟曲三眼峪沟泥石流大块石冲击力计算结果Tab.5 Calculation results of impact force of massive stone of debris flow

从表5计算结果来看，第1种方法计算结果较第2、3种方法偏差较大，故该计算结果不予采用。舟曲三眼峪沟泥石流堆积区大块石冲击力计算结果采用第2、3种方法计算结果的平均值即F=1.7×107kN。

3 防灾减灾建议

通过上面的分析与计算，得出三眼峪沟口流速流量分别为 8.79，1 378.27 m3/s，泥石流中块石的速度为10.95 m/s;三眼峪支沟大峪沟流速流量分别为 9.06，1 141.24 m3/s;三眼峪支沟小峪沟流速流量分别为 9.34，476.34 m3/s;三眼峪沟泥石流整体冲压力为2.1×104kPa，大块石冲击力为1.7×107kN。

针对甘肃舟曲三眼峪沟泥石流灾害提出如下具体防灾减灾建议:

1)开展泥石流沟谷判识与危险性评估，为泥石流防治与减灾提供基础，加强防控重点防控区的泥石流灾害;

2)加强气象预测预报，重点加强极端气候条件下山地灾害形成机理与区域分异规律研究，增强区域灾害预警预报水平;

3)加强区域泥石流灾害成灾规律的研究，以山地灾害形成机理研究为基础，构建与完善山地灾害监测预警、预报体系，提高防灾、减灾能力与水平，系统进行灾害规划推动监测预警和资源信息共享系统;

4)以科学选址、统筹规划积极推进山区城镇规划与建设，让避泥石流灾害，减少损失。

［1］李旭丽.甘肃舟曲泥石流死亡人数上升到1254人［N/OL］.新华网，2010-08-17［2011-05-27］.http://www.tibet.cn/sd2010/qznsl/zxxx/201008/t20100817_618148.htm.

［2］马东涛，祁龙.三眼峪沟泥石流灾害及其综合治理［J］.水土保持通报，1997，17(4):26-31.MA Dong-tao，QI Long.Study on comprehensive controlling of debris flow hazard in Sanyanyu Gully［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，1997，17(4):26-31.

［3］吴积善，田连权，康志成.泥石流及其综合治理［M］.北京:科学出版社，1993:99-110.

［4］陈宁生，杨成林，李战鲁，等.泥石流弯道超高与流速计算关系的研究:以巴塘通戈顶沟地震次生泥石流为例［J］.四川大学学报:工程科学版，2009，41(3):165-171.CHEN Ning-sheng ，YANG Cheng-lin，LI Zhan-lu，et al.Research on the relationship between the calculation of debris flow velocity and its super elevation in bend［J］.Journal of Sichuan University:Engineering Science，2009，41(3):165-171.

［5］费祥俊，舒安平.泥石流运动机制与灾害防治［M］.北京:清华大学出版社，2003:1-100.

［6］朱亮璞.遥感图像地质解译教程［M］.北京:地质出版社，1981:83-109.

［7］费祥俊，舒安平.泥石流运动机制与灾害防治［M］.北京:清华大学出版社，2003:80-95.

［8］张倬元.工程地质勘察［M］.北京:地质出版社，1981:8-20.

［9］何思明，吴永，沈均.泥石流大块石冲击力的简化计算［J］.自然灾害学报，2009，18(5):51-56.HE Si-ming，WU Yong，SHEN Jun.Simplified calculation of impact force of massive stone in debris flow［J］.Journal of Natural Disasters，2009，18(5):51-56.

［10］周必凡，李德基，罗德富.泥石流防治指南［M］.北京:科学出版社，1991:78-102.

［11］［日］水山.砂防ダムレニ对わゐ土石流衝擊力算定こユの问题点［M］.日本:新砂防，昭和54年:112-114.

［12］章书成袁建模.泥石流冲击力及其测试［C］//中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊第4号:中国泥石流研究专辑.北京:科学出版社，1985:269-274.