泥石流運(yùn)動(dòng)特征值計(jì)算方法-

1、.泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)特征值計(jì)算方法以*x村泥石流溝為例摘要：文章在前期地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)治理區(qū)泥石流運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，包括泥石流流量、流速、整體沖擊力、沖起高度、彎道超高等，并對(duì)該泥石流溝提出治理建議。關(guān)鍵詞：泥石流；運(yùn)動(dòng)參數(shù)1，前言泥石流是山區(qū)特有的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，由暴雨或上游冰雪消融形成的攜帶有大量泥土和石塊的間歇性洪流。具有突然發(fā)生、來(lái)勢(shì)兇猛、歷史短暫、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)。沿途沖毀道路橋梁，淹沒(méi)房屋農(nóng)田，阻塞河道，在頃刻間造成巨大災(zāi)害,應(yīng)該要注意防。泥石流勘查指在收集已有資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)繪、勘探（鉆探、物探等）、試驗(yàn)等手段，對(duì)泥石流活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行的有關(guān)泥石流的形成、活動(dòng)、堆積特征、發(fā)展

2、趨勢(shì)與危害等方面的各種實(shí)地調(diào)查、綜合分析與評(píng)判，為泥石流防治方案的選擇和防治工程的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。其中泥石流運(yùn)動(dòng)特征值的包括流量、流速、沖擊力、彎道超高等，泥石流的這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)不僅反映了泥石流的規(guī)模、強(qiáng)度和流體性質(zhì), 其確定方法和計(jì)算結(jié)果還直接決定著泥石流防治建筑物的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和尺寸,是泥石流研究和防治工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2，治理區(qū)概況2.1 治理區(qū)位置治理區(qū)位于*x西北方向，處于*風(fēng)景區(qū)，行政區(qū)劃上隸屬于*x鎮(zhèn)。中心點(diǎn)坐標(biāo)為北緯*，東經(jīng)*。該地區(qū)分布有S213省道（*x公路），交通較為便利。2.2 地質(zhì)環(huán)境背景 （1）地形地貌：治理區(qū)地處燕山南麓，屬低山丘陵地區(qū)，海拔標(biāo)高+240487m?？傮w

3、地形北高南低，相對(duì)高差90180m，治理區(qū)溝谷發(fā)育，呈“V”型及“U”型，谷寬2060m。溝谷兩側(cè)山體坡度較陡，自然坡度角區(qū)約為5575°，部分巖質(zhì)邊坡近乎直立，溝床縱坡15°，單溝溝谷為南北向，溝谷第四系坡積，殘積物較厚，植被較發(fā)育。圖1治理區(qū)地形地貌圖（2）地層巖性：治理區(qū)一帶區(qū)域地層，除第四系坡積，洪積層外，主要為侏羅系中上統(tǒng)髫髻山期巖漿巖，成分主要為安山巖，分布廣，厚度大，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，杏仁構(gòu)造，同時(shí)存在少量粗安巖，粗面巖，火山碎屑巖。（3）構(gòu)造：治理區(qū)區(qū)域?qū)倨榉宀枇鹆R斷裂西南段，走向?yàn)楸睎|50°，斷裂向西北傾斜，傾角60°左右，為一壓剪

4、性西北盤(pán)向東南上沖之?dāng)嗔?。本區(qū)北部發(fā)育燕山中期褶皺，為一系列北東45°左右的褶皺，空間上呈斜列式，剖面上向斜呈斜歪寬大的槽狀，背斜呈狹窄的脊?fàn)?，軸面略向北西倒轉(zhuǎn)、傾向東南，延伸1015km。主要為治理區(qū)北部的四海向斜，該向斜由髫髻山組組成，為一部構(gòu)造較復(fù)雜、受多次構(gòu)造重疊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由西南至東北。（4）水文地質(zhì)：根據(jù)地下水賦存條件，治理區(qū)地下水類(lèi)型分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。其中第四系孔隙水主要賦存于山麓坡積、沖洪積地帶，沉積物主要為碎石土、砂礫石層，砂土層，含水層分布不均勻?；鶐r裂隙水主要為巖漿巖裂隙孔隙水。噴出巖在全區(qū)皆有分布，巖性主要為侏羅系安山巖，粗安巖，巖性較堅(jiān)硬，

5、抗風(fēng)化能力強(qiáng)，裂隙不發(fā)育，泉水出露少，富水條件極差，受季節(jié)影響很大。治理區(qū)地下水受降雨補(bǔ)給，就地排泄，有零星泉水出露，地形低洼處風(fēng)化裂隙帶中地下水較豐富，構(gòu)造破碎帶含水層較厚，雨季水量較大。（5）工程地質(zhì)：治理區(qū)第四系主要分布與治理區(qū)溝谷兩側(cè)的山坡、坡角、溝谷地帶，主要成分為圓礫、碎石及亞砂土充填，顏色為土黃色，厚度不均，為1.03.0m，附著在坡面、坡角處，膠結(jié)度較差，在雨水沖刷下易下滑流失。 治理區(qū)安山巖微風(fēng)化，層狀、塊狀結(jié)構(gòu)。野外鑒定錘擊聲清脆，有回彈，震手，難擊碎，浸水后有輕微吸水反應(yīng)，巖石屬較堅(jiān)硬巖。治理區(qū)燕山中期晚期侵入巖，巖性為石英二長(zhǎng)巖、花崗斑巖，巖體較堅(jiān)硬，但巖石性質(zhì)較脆，風(fēng)

6、化裂隙發(fā)育，巖體較破碎，易形成崩塌危巖體。3，泥石流溝發(fā)育現(xiàn)狀3.1泥石流溝概況據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，治理區(qū)發(fā)育泥石流溝1條，發(fā)育于治理區(qū)北部，高程+475m，溝道全長(zhǎng)約800m，溝谷以*x為界限，北部為較寬闊“U”型谷，南側(cè)溝槽橫斷面多呈“V”型，平均縱比降12.5%，流域面積0.54km2。溝域高差約200m，溝谷地質(zhì)條件較為復(fù)雜，局部有崩塌體和不穩(wěn)定邊坡等不良地質(zhì)體分布。泥石流物源形成區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)特征見(jiàn)表1。表1 溝谷分區(qū)特征表流域分區(qū)面積（km2）地形地貌特征溝道特征松散堆積物類(lèi)型形成區(qū)0.50地形高差較大，溝道標(biāo)高約+320487m，平均縱比降10%，山體坡度較陡，平均坡度35°

7、;。兩側(cè)山坡主要為耕地及林地，為陡坡區(qū)、斜坡區(qū)、微斜坡區(qū)，水土保持較好。平面形態(tài)總體上較順直，基本無(wú)大而急的彎道，溝道兩側(cè)為崩塌、坡積體形成的碎塊石土覆蓋。主要為沿溝兩側(cè)的松散坡積層及溝底堆積物，總計(jì)儲(chǔ)量約20×104m3流通區(qū)及堆積區(qū)0.04高程介于320250m地勢(shì)由緩至陡，平均縱比降為15%以*x為界，北部溝道形態(tài)多呈“U”型，溝寬一般1020m，深度多在14m，*以南溝道形態(tài)多呈“V”型，溝寬510m。為泥石流，及崩塌堆積物，總計(jì)儲(chǔ)量約1.0×104 m33.2泥石流類(lèi)型治理區(qū)泥石流災(zāi)害隱患按動(dòng)力條件劃分，屬于暴雨型泥石流，即泥石流一般在充分的前期降雨和當(dāng)場(chǎng)暴雨激發(fā)

8、作用下形成，有后續(xù)性，能重復(fù)發(fā)生。按集水區(qū)地貌特征分類(lèi)，屬溝谷型泥石流。治理區(qū)溝谷以流域?yàn)橹芙?，泥石流的形成區(qū)和流通區(qū)分界較明顯，輪廓呈啞鈴狀，并以溝槽為中心，物源區(qū)松散堆積體分布在溝槽兩岸及河床上，部分邊坡存在崩塌危巖，溝蝕作用較為強(qiáng)烈。按流體組成和流體性質(zhì)分，屬水石型（稀性）泥石流，溝谷巖漿巖發(fā)育，流體物質(zhì)組成中粉砂，粘粒含量極少，無(wú)粘性，為牛頓體，溝槽表面較干凈，無(wú)泥漿殘留，溝谷多為粒徑大于2.0mm的各級(jí)粒度的砂、礫、卵、漂石，不均勻分布，分選性較差。4，泥石流運(yùn)動(dòng)特征為滿足泥石流勘查評(píng)價(jià)及防治工程設(shè)計(jì)的需要，本次在不同溝段選擇了3處較典型斷面（見(jiàn)圖2）進(jìn)行泥石流運(yùn)動(dòng)特征值的計(jì)算。依據(jù)

9、*防汛應(yīng)急預(yù)案汛情預(yù)警發(fā)布參考綜合指標(biāo)規(guī)定，*地區(qū)二十年一遇（P=5%），五十年一遇（P=2%），百年一遇（P=1%）暴雨強(qiáng)度分別取30 mm/h、50mm/h、70mm/h。圖2治理區(qū)溝谷地形圖（1）泥石流流量本次計(jì)算采用雨洪法。即在泥石流與暴雨同頻率，且同步發(fā)生、計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量的假設(shè)下建立的計(jì)算方法。因治理區(qū)泥石流類(lèi)型為水石流，接近于山洪，適宜用此方法計(jì)算。其計(jì)算步驟是先按水文方法計(jì)算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量（計(jì)算方法查閱水文手冊(cè)），然后選擇堵塞系數(shù)，按式（1.1）計(jì)算泥石流流量。（1.1）式中：Qc頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）；Qp頻

10、率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量（m3/s）；可參照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DZ/T02202006）表G.2選?。?泥石流泥沙修正系數(shù)；Dc泥石流堵塞系數(shù)，通過(guò)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DZ/T02202006）表I-1選取。當(dāng)匯水面積F3km2時(shí)，（1.2）式中：暴雨徑流系數(shù)；F匯水面積（km2）；s小時(shí)雨強(qiáng)（mm/h）。據(jù)此，求得的各斷面部位暴雨洪峰流量（Qp）詳見(jiàn)表2。表2*x溝谷主要斷面暴雨洪峰流量計(jì)算表位置剖面編號(hào)匯水面積（km2）暴雨強(qiáng)度（mm/h）徑流系數(shù)洪峰流量（m3/s）P=1%P=2%P=5%P=1%P=2%P=3%*x門(mén)洞1-10.357050300.32.041.460.8

11、8溝谷中游2-20.447050300.32.571.831.1溝谷下游3-30.507050300.32.922.081.25依據(jù)上述Qp，算得泥石流峰值流量Qc如表3。表3*x溝谷主要斷面泥石流峰值流量計(jì)算表位置剖面編號(hào)匯水面積（km2）暴雨洪峰強(qiáng)度（m3/s）泥沙修正系數(shù)泥石流堵塞系數(shù)泥石流峰值流量（m3/s）P=1%P=2%P=5%P=1%P=2%P=3%*x門(mén)洞1-10.352.041.460.881.6111.54.933.532.13溝谷中游2-20.442.571.831.11.6112.08.285.893.54溝谷下游3-30.502.922.081.251.6112.09

12、.416.704.03（2）一次過(guò)流總量根據(jù)治理工程的需要，*x溝谷按50年一遇（P=2%）的暴雨洪水條件進(jìn)行設(shè)計(jì)嗎，暴雨強(qiáng)度為50 mm/h。一次泥石流總量Q可通過(guò)計(jì)算法和實(shí)測(cè)法確定。實(shí)測(cè)法精度高，但因往往不具備測(cè)量條件，只是粗略的概算。計(jì)算法依據(jù)泥石流歷時(shí)T（s）和最大流量Qc（m3/s），按照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DT/T0220-2006），附錄I提供的公式計(jì)算一次性泥石流過(guò)流總量。因近30年來(lái)該溝谷未發(fā)生大規(guī)模泥石流，據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窕貞洠昙敬_有小規(guī)模山洪爆發(fā)，導(dǎo)致下游積水較深，歷時(shí)1個(gè)小時(shí)左右，一般泥石流峰值歷時(shí)T（s）為2060min，本次計(jì)算選取60min。.（1.3）當(dāng)F5k

13、m 2時(shí)，K取0.202則主要斷面泥石流一次過(guò)流總量計(jì)算如表4所示。表4 *x溝谷主要斷面泥石流過(guò)流總量計(jì)算表位置剖面編號(hào)50年一遇暴雨工況下泥石流峰值流量（m3/s）持續(xù)時(shí)間（s）泥石流沖出量（104m3）*x門(mén)洞1-13.5336000.26溝谷中游2-25.8936000.43溝谷下游3-36.7036000.49假設(shè)50年一遇降雨條件下，該溝谷發(fā)生泥石流，則依據(jù)一次泥石流固體沖出物按照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DT/T0220-2006）附錄I提供的計(jì)算公式計(jì)算：/（1.4）式中，一次泥石流沖出物質(zhì)量（m3）； 一次泥石流過(guò)程總量（m3）；泥石流重度（t/ m3）；水的重度（t/ m3

14、）；泥石流固體物質(zhì)的重度（t/ m3）。由于*x泥石流以往沒(méi)有監(jiān)測(cè)資料，故需通過(guò)野外調(diào)查結(jié)合查表發(fā)來(lái)確定，因治理區(qū)泥石流類(lèi)型為水石流，流體呈稀漿狀，重度較低，結(jié)合泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DT/T0220-2006）表F.1及表G.2，綜合選取為1.4 t/ m3；因松散固體堆積物主要為砂土、礫石，及部分碎石，因砂礫石重度約1.5 t/ m3，而礫石、卵石重度在2.02.3t/ m3之間，碎石、塊石重度約在2.5 t/ m3左右，故按照各松散物質(zhì)組成，泥石流固體物質(zhì)的重度取2.0 t/ m3。則*x潛在泥石流溝谷在50年一遇降雨條件下，一次泥石流固體沖出物質(zhì)量見(jiàn)表5。表5*x溝谷主要斷面泥石流

15、固體沖出量計(jì)算表位置剖面編號(hào)50年一遇暴雨工況下泥石沖出量（104m3/s）泥石流重度(t/ m3)水重度(t/ m3)泥石流固體物質(zhì)重度(t/ m3)一次泥石流固體沖出量（104m3/s）*x門(mén)洞1-10.261.412.00.104溝谷中游2-20.431.412.00.172溝谷下游3-30.491.412.00.196（3）泥石流流速泥石流流速是決定泥石流動(dòng)力力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，本次計(jì)算根據(jù)治理區(qū)泥石流發(fā)育類(lèi)型，流體組成等因素，采用市政推薦的地區(qū)稀性泥石流經(jīng)驗(yàn)公式。.(1.5)式中，泥石流斷面平均流速（m/s）；河床外阻力系數(shù)，通過(guò)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DZ/T02202006

16、）表I-1選?。?a=.（1.6）水力半徑（m），一般可用平均水深H（m）代替； 泥石流水力坡度，一般可用溝床縱坡代替。依據(jù)上述計(jì)算條件，50年一遇暴雨條件下，溝谷主要斷面泥石流平均流速計(jì)算結(jié)果如表6所示。表6 *x溝谷主要斷面泥石流平均流速計(jì)算表位置剖面編號(hào)水力半徑（m）溝谷縱坡I（）河床外阻力系數(shù)泥石流斷面平均流速（m/s）*x門(mén)洞1-10.41206.01.77溝谷中游2-20.41503.81.14溝谷下游3-30.51503.81.33（4）泥石流整體沖擊力泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，泥石流整體沖壓力按泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)（DZ/T0239-2004），公式3.1

17、8計(jì)算：.（1.7）式中，P泥石流整體沖擊壓力（KN）；建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物=1.33；泥石流重度（KN / m3）；泥石流斷面平均流速（m/s）；建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角。假設(shè)各斷面布設(shè)治理工程（攔擋、排導(dǎo)），則各斷面泥石流整體沖擊壓力計(jì)算結(jié)果如表7。表7*x溝谷主要斷面泥石流整體沖擊壓力計(jì)算表位置剖面編號(hào)建筑物形狀系數(shù)泥石流重度（KN/ m3）泥石流平均流速（m/s）受力面與泥石流沖壓方向的夾角泥石流沖積壓力P（KN）*x門(mén)洞1-11.3313.721.7790°5.83溝谷中游2-21.3313.721.1490°2.42溝谷下游3-31.3313.7

18、21.3390°3.29（5）泥石流沖起高度泥石流遇反坡，由于慣性作用，將沿直線前進(jìn)的現(xiàn)象稱為爬高；泥石流遇阻，其動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，撞擊處使泥漿及包裹的石塊飛濺起來(lái)，稱為泥石流的沖起。因治理區(qū)近年未發(fā)生過(guò)較大規(guī)模的泥石流，無(wú)明顯泥痕，故以計(jì)算值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。泥石流爬高和最大沖起高度按照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DT/T0220-2006）附錄I提供的公式計(jì)算：.（1.8）式中，泥石流最大沖起高度（m）；泥石流爬高（m）；泥石流平均流速（m）；b迎面坡度的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。表8*x溝谷主要斷面泥石流沖起高度及爬高計(jì)算表位置剖面編號(hào)泥石流平均流速（m/s）泥石流最大沖起高度（m）泥石流爬高（m）*x門(mén)洞1-11.770.160.26溝谷中游2-21.140.070.11溝谷下游3-31.330.090.14（6） 泥石流的彎道超高彎道超高是因?yàn)槟嗍髟跍喜坜D(zhuǎn)彎處因凹岸處流速較快，流體增厚，凸岸一側(cè)流速較慢，流體變薄產(chǎn)生的超高現(xiàn)象。泥石流彎道超高按照泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)（DT/T0220-2006）公式I.26計(jì)算：（1.9）式中，彎道超高；凹岸曲率半徑；凸岸曲率半徑；泥石流流速。計(jì)算結(jié)果如表9所示。表9*x主要