泥石流运动特征值计算方法-.doc

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泥石流运动参数特征值计算方法

——以xxxxx村泥石流沟为例

摘要：

文章在前期地质调查基础上，对治理区泥石流运动参数进行了详细计算，包括泥石流流量、流速、整体冲击力、冲起高度、弯道超高等，并对该泥石流沟提出治理建议。

关键词：

泥石流；运动参数

1，前言

泥石流是山区特有的一种不良地质现象，由暴雨或上游冰雪消融形成的携带有大量泥土和石块的间歇性洪流。

具有突然发生、来势凶猛、历史短暂、破坏力强的特点。

沿途冲毁道路桥梁，淹没房屋农田，阻塞河道，在顷刻间造成巨大灾害,应该要注意防范。

泥石流勘查指在收集已有资料的基础上，结合测绘、勘探（钻探、物探等）、试验等手段，对泥石流活动区域进行的有关泥石流的形成、活动、堆积特征、发展趋势与危害等方面的各种实地调查、综合分析与评判，为泥石流防治方案的选择和防治工程的设计提供基础资料。

其中泥石流运动特征值的包括流量、流速、冲击力、弯道超高等，泥石流的这些运动参数不仅反映了泥石流的规模、强度和流体性质,其确定方法和计算结果还直接决定着泥石流防治建筑物的类型、结构和尺寸,是泥石流研究和防治工程设计的基础。

2，治理区概况

2.1治理区位置

治理区位于xxxxx西北方向，处于xxxxxx风景区，行政区划上隶属于xxxxx镇。

中心点坐标为北纬xxxxxx，东经xxxxxx。

该地区分布有S213省道（xxx公路），交通较为便利。

2.2地质环境背景

（1）地形地貌：

治理区地处燕山南麓，属低山丘陵地区，海拔标高+240～487m。

总体地形北高南低，相对高差90～180m，治理区沟谷发育，呈“V”型及“U”型，谷宽20～60m。

沟谷两侧山体坡度较陡，自然坡度角区约为55～75°，部分岩质边坡近乎直立，沟床纵坡15°，单沟沟谷为南北向，沟谷内第四系坡积，残积物较厚，植被较发育。

图1治理区地形地貌图

（2）地层岩性：

治理区一带区域地层，除第四系坡积，洪积层外，主要为侏罗系中上统髫髻山期岩浆岩，成分主要为安山岩，分布广，厚度大，斑状结构，块状构造，杏仁构造，同时存在少量粗安岩，粗面岩，火山碎屑岩。

（3）构造：

治理区区域属崎峰茶—琉璃庙断裂西南段，走向为北东50°，断裂向西北倾斜，倾角60°左右，为一压剪性西北盘向东南上冲之断裂。

本区北部发育燕山中期褶皱，为一系列北东45°左右的褶皱，空间上呈斜列式，剖面上向斜呈斜歪宽大的槽状，背斜呈狭窄的脊状，轴面略向北西倒转、倾向东南，延伸10～15km。

主要为治理区北部的四海向斜，该向斜由髫髻山组组成，为一内部构造较复杂、受多次构造重叠的复合结构，由西南至东北。

（4）水文地质：

根据地下水赋存条件，治理区地下水类型分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。

其中第四系孔隙水主要赋存于山麓坡积、冲洪积地带，沉积物主要为碎石土、砂砾石层，砂土层，含水层分布不均匀。

基岩裂隙水主要为岩浆岩裂隙孔隙水。

喷出岩在全区皆有分布，岩性主要为侏罗系安山岩，粗安岩，岩性较坚硬，抗风化能力强，裂隙不发育，泉水出露少，富水条件极差，受季节影响很大。

治理区地下水受降雨补给，就地排泄，有零星泉水出露，地形低洼处风化裂隙带中地下水较丰富，构造破碎带含水层较厚，雨季水量较大。

（5）工程地质：

治理区第四系主要分布与治理区沟谷两侧的山坡、坡角、沟谷地带，主要成分为圆砾、碎石及亚砂土充填，颜色为土黄色，厚度不均，为1.0～3.0m，附着在坡面、坡角处，胶结度较差，在雨水冲刷下易下滑流失。

治理区安山岩微风化，层状、块状结构。

野外鉴定锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎，浸水后有轻微吸水反应，岩石属较坚硬岩。

治理区燕山中期晚期侵入岩，岩性为石英二长岩、花岗斑岩，岩体较坚硬，但岩石性质较脆，风化裂隙发育，岩体较破碎，易形成崩塌危岩体。

3，泥石流沟发育现状

3.1泥石流沟概况

据现场调查，治理区发育泥石流沟1条，发育于治理区北部，高程+475m，沟道全长约800m，沟谷以xxx为界限，北部为较宽阔“U”型谷，南侧沟槽横断面多呈“V”型，平均纵比降12.5%，流域面积0.54km2。

沟域高差约200m，沟谷内地质条件较为复杂，局部有崩塌体和不稳定边坡等不良地质体分布。

泥石流物源形成区、流通区及堆积区特征见表1。

表1沟谷分区特征表

流域分区

面积（km2）

地形地貌特征

沟道特征

松散堆积物

类型

形成区

0.50

地形高差较大，沟道标高约+320～487m，平均纵比降10%，山体坡度较陡，平均坡度35°。

两侧山坡主要为耕地及林地，为陡坡区、斜坡区、微斜坡区，水土保持较好。

平面形态总体上较顺直，基本无大而急的弯道，沟道两侧为崩塌、坡积体形成的碎块石土覆盖。

主要为沿沟两侧的松散坡积层及沟底堆积物，总计储量

约20×104m3

流通区及堆积区

0.04

高程介于320～250m地势由缓至陡，平均纵比降为15%

以xxx为界，北部沟道形态多呈“U”型，沟宽一般10～20m，深度多在1～4m，xx以南沟道形态多呈“V”型，沟宽5～10m。

为泥石流，及崩塌堆积物，总计储量约1.0×104m3

3.2泥石流类型

治理区泥石流灾害隐患按动力条件划分，属于暴雨型泥石流，即泥石流一般在充分的前期降雨和当场暴雨激发作用下形成，有后续性，能重复发生。

按集水区地貌特征分类，属沟谷型泥石流。

治理区沟谷以流域为周界，泥石流的形成区和流通区分界较明显，轮廓呈哑铃状，并以沟槽为中心，物源区松散堆积体分布在沟槽两岸及河床上，部分边坡存在崩塌危岩，沟蚀作用较为强烈。

按流体组成和流体性质分，属水石型（稀性）泥石流，沟谷岩浆岩发育，流体物质组成中粉砂，粘粒含量极少，无粘性，为牛顿体，沟槽表面较干净，无泥浆残留，沟谷内多为粒径大于2.0mm的各级粒度的砂、砾、卵、漂石，不均匀分布，分选性较差。

4，泥石流运动特征

为满足泥石流勘查评价及防治工程设计的需要，本次在不同沟段选择了3处较典型断面（见图2）进行泥石流运动特征值的计算。

依据《xxxx防汛应急预案》汛情预警发布参考综合指标规定，xxxx地区二十年一遇（P=5%），五十年一遇（P=2%），百年一遇（P=1%）暴雨强度分别取30mm/h、50mm/h、70mm/h。

图2治理区沟谷地形图

（1）泥石流流量

本次计算采用雨洪法。

即在泥石流与暴雨同频率，且同步发生、计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的假设下建立的计算方法。

因治理区泥石流类型为水石流，接近于山洪，适宜用此方法计算。

其计算步骤是先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量（计算方法查阅水文手册），然后选择堵塞系数，按式（1.1）计算泥石流流量。

……………………………………………（1.1）

式中：

Qc——频率为P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；

Qp——频率为P的暴雨洪水设计流量（m3/s）；

——可参照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220—2006）表G.2选取；

——泥石流泥沙修正系数；

Dc——泥石流堵塞系数，通过《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220—2006）表I-1选取。

当汇水面积F＜3km2时，

…………………………………………………（1.2）

式中：

——暴雨径流系数；

F——汇水面积（km2）；

s——小时雨强（mm/h）。

据此，求得的各断面部位暴雨洪峰流量（Qp）详见表2。

表2xxxxx沟谷主要断面暴雨洪峰流量计算表

位置

剖面编号

汇水面积（km2）

暴雨强度（mm/h）

径流系数

洪峰流量（m3/s）

P=1%

P=2%

P=5%

P=1%

P=2%

P=3%

xxx门洞

1-1’

0.35

70

50

30

0.3

2.04

1.46

0.88

沟谷中游

2-2’

0.44

70

50

30

0.3

2.57

1.83

1.1

沟谷下游

3-3’

0.50

70

50

30

0.3

2.92

2.08

1.25

依据上述Qp，算得泥石流峰值流量Qc如表3。

表3xxxxx沟谷主要断面泥石流峰值流量计算表

位置

剖面编号

汇水面积（km2）

暴雨洪峰强度（m3/s）

泥沙修正系数

泥石流堵塞系数

泥石流峰值流量（m3/s）

P=1%

P=2%

P=5%

P=1%

P=2%

P=3%

xxx门洞

1-1’

0.35

2.04

1.46

0.88

1.611

1.5

4.93

3.53

2.13

沟谷中游

2-2’

0.44

2.57

1.83

1.1

1.611

2.0

8.28

5.89

3.54

沟谷下游

3-3’

0.50

2.92

2.08

1.25

1.611

2.0

9.41

6.70

4.03

（2）一次过流总量

根据治理工程的需要，xxxxx沟谷按50年一遇（P=2%）的暴雨洪水条件进行设计吗，暴雨强度为50mm/h。

一次泥石流总量Q可通过计算法和实测法确定。

实测法精度高，但因往往不具备测量条件，只是粗略的概算。

计算法依据泥石流历时T（s）和最大流量Qc（m3/s），按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006），附录I提供的公式计算一次性泥石流过流总量。

因近30年来该沟谷未发生大规模泥石流，据当地居民回忆，雨季确有小规模山洪爆发，导致下游积水较深，历时1个小时左右，一般泥石流峰值历时T（s）为20～60min，本次计算选取60min。

…………………………………………….（1.3）

当F＜5km2时，K取0.202

则主要断面泥石流一次过流总量计算如表4所示。

表4xxxxx沟谷主要断面泥石流过流总量计算表

位置

剖面编号

50年一遇暴雨工况下泥石流峰值流量（m3/s）

持续时间

（s）

泥石流冲出量（104m3）

xxx门洞

1-1’

3.53

3600

0.26

沟谷中游

2-2’

5.89

3600

0.43

沟谷下游

3-3’

6.70

3600

0.49

假设50年一遇降雨条件下，该沟谷发生泥石流，则依据一次泥石流固体冲出物按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录I提供的计算公式计算：

/…………………………………（1.4）

式中，——一次泥石流冲出物质量（m3）；

——一次泥石流过程总量（m3）；

——泥石流重度（t/m3）；

——水的重度（t/m3）；

——泥石流固体物质的重度（t/m3）。

由于xxxxx泥石流以往没有监测资料，故需通过野外调查结合查表发来确定，因治理区泥石流类型为水石流，流体呈稀浆状，重度较低，结合《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）表F.1及表G.2，综合选取为1.4t/m3；因松散固体堆积物主要为砂土、砾石，及部分碎石，因砂砾石重度约1.5t/m3，而砾石、卵石重度在2.0～2.3t/m3之间，碎石、块石重度约在2.5t/m3左右，故按照各松散物质组成，泥石流固体物质的重度取2.0t/m3。

则xxxxx潜在泥石流沟谷在50年一遇降雨条件下，一次泥石流固体冲出物质量见表5。

表5xxxxx沟谷主要断面泥石流固体冲出量计算表

位置

剖面编号

50年一遇暴雨工况下泥石冲出量（104m3/s）

泥石流重度

（t/m3）

水重度

（t/m3）

泥石流固体物质重度

（t/m3）

一次泥石流固体冲出量

（104m3/s）

xxx门洞

1-1’

0.26

1.4

1

2.0

0.104

沟谷中游

2-2’

0.43

1.4

1

2.0

0.172

沟谷下游

3-3’

0.49

1.4

1

2.0

0.196

（3）泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力力学性质的重要参数之一，本次计算根据治理区泥石流发育类型，流体组成等因素，采用北京市政设计院推荐的北京地区稀性泥石流经验公式。

……………………………………….（1.5）

式中，——泥石流断面平均流速（m/s）；

——河床外阻力系数，通过《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220—2006）表I-1选取；

a=…………………………………..（1.6）

——水力半径（m），一般可用平均水深H（m）代替；

——泥石流水力坡度，一般可用沟床纵坡代替。

依据上述计算条件，50年一遇暴雨条件下，沟谷主要断面泥石流平均流速计算结果如表6所示。

表6xxxxx沟谷主要断面泥石流平均流速计算表

位置

剖面编号

水力半径（m）

沟谷纵坡I（‰）

河床外阻力系数

泥石流断面平均流速（m/s）

xxx门洞

1-1’

0.4

120

6.0

1.77

沟谷中游

2-2’

0.4

150

3.8

1.14

沟谷下游

3-3’

0.5

150

3.8

1.33

（4）泥石流整体冲击力

泥石流冲击力是泥石流防治工程设计的重要参数，泥石流整体冲压力按《泥石流灾害防治工程设计规范》（DZ/T0239-2004），公式3.1—8计算：

………………………………………….（1.7）

式中，P——泥石流整体冲击压力（KN）；

——建筑物形状系数，矩形建筑物=1.33；

——泥石流重度（KN/m3）；

——泥石流断面平均流速（m/s）；

——建筑物受力面与泥石流冲压方向的夹角。

假设各断面布设治理工程（拦挡、排导），则各断面泥石流整体冲击压力计算结果如表7。

表7xxxxx沟谷主要断面泥石流整体冲击压力计算表

位置

剖面编号

建筑物形状系数

泥石流重度（KN/m3）

泥石流平均流速（m/s）

受力面与泥石流冲压方向的夹角

泥石流冲积压力P

（KN）

xxx门洞

1-1’

1.33

13.72

1.77

90°

5.83

沟谷中游

2-2’

1.33

13.72

1.14

90°

2.42

沟谷下游

3-3’

1.33

13.72

1.33

90°

3.29

（5）泥石流冲起高度

泥石流遇反坡，由于惯性作用，将沿直线前进的现象称为爬高；泥石流遇阻，其动能瞬间转化为势能，撞击处使泥浆及包裹的石块飞溅起来，称为泥石流的冲起。

因治理区内近年未发生过较大规模的泥石流，无明显泥痕，故以计算值作为设计依据。

泥石流爬高和最大冲起高度按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录I提供的公式计算：

………………………………….（1.8）

式中，——泥石流最大冲起高度（m）；

——泥石流爬高（m）；

——泥石流平均流速（m）；

b——迎面坡度的函数。

计算结果见表8。

表8xxxxx沟谷主要断面泥石流冲起高度及爬高计算表

位置

剖面编号

泥石流平均流速（m/s）

泥石流最大冲起高度（m）

泥石流爬高（m）

xxx门洞

1-1’

1.77

0.16

0.26

沟谷中游

2-2’

1.14

0.07

0.11

沟谷下游

3-3’

1.33

0.09

0.14

（6）泥石流的弯道超高

弯道超高是因为泥石流在沟槽转弯处因凹岸处流速较快，流体增厚，凸岸一侧流速较慢，流体变薄产生的超高现象。

泥石流弯道超高按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）公式I.26计算：

……………………………………（1.9）

式中，——弯道超高；

——凹岸曲率半径；

——凸岸曲率半径；

——泥石流流速。

计算结果如表9所示。

表9xxxxx主要断面泥石流超高计算表

位置

剖面编号

凸岸曲率半径（m）

凹岸曲率半径（m）

泥石流平均流速（m/s）

泥石流弯道超高（m）

xxx门洞

1-1’

115.0

118.5

1.77

0.010

沟谷中游

2-2’

23.0

26.0

1.14

0.016

沟谷下游

3-3’

44.0

49.0

1.33

0.019

5，结论

xxxxx治理区地形地貌属山丘陵地区，雨季降水集中于7～9月，沟道形态多呈“V”型，地质构造较复杂，断裂带较发育，基岩节理裂隙发育，岩浆活动较发育，喷出岩及侵入岩皆有分布，工程地质条件属山间谷地和块状结构岩体段，岩体较破碎，雨季为泥石流提供了固体松散物质堆积，区域内主要地质灾害为泥石流，综合评估为中易发程度，对下游居民威胁程度较大，可能造成的损失较严重。

依据现场调查分析，xxxxx潜在泥石流沟按动力条件划分，属于暴雨型泥石流；按集水区地貌特征分类，属沟谷型泥石流；按流体组成和流体性质分，属水石型（稀性）泥石流；并根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）对50年一遇降雨情况下泥石流运动特征参数进行了计算，为后续治理工程设计提供依据。

针对治理区地质灾害发育特征，建议选取局部浮土石清运+浆砌石护坡+浆砌石挡墙+浆砌石护堤+沟道防护的治理措施，能够有效减轻泥石流地质灾害隐患，带来良好的社会、经济、环境效益。

参考文献：

1、《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220—2006）；

2、《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009版）；

3、《xxx区防汛应急预案》（2006）；