泥石流入?yún)R對主河演變的影響

泥石流入?yún)R對主河演變的影響

摘要本文綜合分析了泥石流與主河相互作用時，產(chǎn)沙量、顆粒組成、交匯角及主支流量比等各種因素對主河演變的影響。關(guān)于泥石流對主河的影響目前的研究還很少，遠(yuǎn)沒有達(dá)到定量的水平。本文也只是一種定性的分析，從相關(guān)的資料出發(fā)，通過適當(dāng)?shù)姆治鐾评?，闡述各種因素對主河演變的影響效果。文章還根據(jù)各作用因素的作用效果，提出了幾點治理意見。

關(guān)鍵詞泥石流;顆粒組成交匯角主支流量比基金項目

自然界中河流總是不斷地進(jìn)行調(diào)整，使其與來水來沙條件相適應(yīng)。這種調(diào)整有時表現(xiàn)為斷面形狀的改變，有時則表現(xiàn)為縱坡的變化，外界條件變化劇烈時，還可能表現(xiàn)為河流形態(tài)的改變。按照描述河流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的河相關(guān)系方程，河流的平衡狀態(tài)主要與多年平均流量Q、多年平均含沙量S、懸沙中值粒徑d50和河流相對可沖性參數(shù)m1/Dm1/2(m1為穩(wěn)定邊坡系數(shù)、Dm為床沙中值粒徑)有關(guān)[1]?？梢姾恿鱽砩沉考皝砩辰M成對河流穩(wěn)定的影響很大。發(fā)生在山區(qū)的泥石流驟然間將大量包含各種粒徑的泥沙輸入主河，在短時間內(nèi)改變主河水沙組成及局部邊界條件，對主河水沙特性、運動特性及演變規(guī)律等都帶來深遠(yuǎn)的影響。下面分別從幾個方面對泥石流的這種影響作一簡要分析。1泥石流沙量對主河演變的影響泥石流是山坡上松散固體經(jīng)雨水等因素激發(fā)而產(chǎn)生的一種高含沙流體。泥石流發(fā)生地坡度一般較陡，通常在10°以上。由于堆積物中分散著大量粒徑小于的粘性顆粒，對水流的粘性產(chǎn)生了顯著的影響，大大減小了粗顆粒泥沙的沉速，使其具有較大的挾沙能力。這種高含沙流體具有強(qiáng)大的沖刷能力，大大增加了進(jìn)入主河的沙量。進(jìn)入主河以后，由于坡度變小，泥沙發(fā)生嚴(yán)重的淤積，使河流斷面展寬，河漫灘發(fā)育，在相當(dāng)長的區(qū)段內(nèi)河流向平原化發(fā)展。以云南東川蔣家溝為例，1965年爆發(fā)的泥石流最大流量達(dá)1000m3/s以上。最大一次泥石流總量達(dá)萬m3,全年沖下來的固體物質(zhì)約450萬m3。協(xié)流域除蔣家溝外，還有多條較大的泥石流溝，其固體物質(zhì)儲量和輸送量如表1所示。小江干流兩側(cè)共有大小泥石流溝幾十條，每年向協(xié)輸送固體物質(zhì)二、三千萬立方米，如此大的沙量嚴(yán)重超出了協(xié)的搬運能力，造成主河的淤積。協(xié)屬于山區(qū)性河流，而河漫灘卻非常發(fā)育。過去協(xié)河寬不過一百米左右，現(xiàn)在普遍展寬達(dá)200m左右，一些區(qū)段更寬達(dá)600m以上。同時隨著河床的不斷淤高，河道遷徙多變，枯水期水流散亂，主流擺動不定,河流屬于游蕩型,河勢變化迅速,有些區(qū)段甚至一天數(shù)變。2泥石流堆積物組成特征的影響對于主河的演變,邊界條件的影響作用很大。對于山區(qū)性河流，由于河流縱坡陡，河流挾沙能力大，而邊界一般由堅硬的基巖組成，所以通常沖淤變化很微弱。但由于泥石流這種特有的輸沙現(xiàn)象,極大地改變了主河的沖淤過程及邊界阻力條件,進(jìn)而影響主河的演變。對于山區(qū)河流，由于沙以下泥沙顆粒通常屬于沖瀉質(zhì)范疇,山坡上沖蝕下來的泥沙一般很少在河段內(nèi)落淤，所以一般山區(qū)河流淤積現(xiàn)象不嚴(yán)重。但由于泥石流所特有的搬運大顆粒物質(zhì)的能力，其輸沙組成中大顆粒含量特別高。進(jìn)入主河后，這些大顆粒很難再繼續(xù)運動，常就地落淤，造成河道淤積。表2列出了協(xié)流域各主要泥石流溝堆積物的組成。由表2可以看出，泥石流堆積物中粒徑超過2mm的含量普遍在60%以上，超過10mm的一般也在40%以上，這樣大的顆粒在水流作用下通常都很難起動。即使在洪水期被帶動輸向下游，也很容易重新淤落，造成主河河床的淤積，使河床抬高。協(xié)有些區(qū)段河床平均每年抬高25cm以上,這與來沙組成過粗是很有關(guān)系的。另一方面，由于分選作用逐漸產(chǎn)生床沙粗化，增大了河床阻力，為滿足主河輸沙要求，主河床縱向比降必將逐漸增大。這將引發(fā)一系列其他因素的調(diào)整。

3入?yún)R角、泥石流流速及主支流量比的影響兩股不同方向、不同流速、不同流量流體的相互摻混常會在交匯口附近一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生回流，回流區(qū)內(nèi)流速降低泥沙沉積，形成堆積體?；亓鲄^(qū)的尺度與支流入?yún)R角大小、支流流速及主支流量比密切相關(guān)。據(jù)調(diào)查，泥石流入?yún)R主河一般有三種形式，銳角入?yún)R、直角入?yún)R、鈍角入?yún)R，尤以前兩種形式為多見。如圖1所示。三種情況下、泥石流與水流作用形式不同。對于情況(a),主河水流將對泥石流發(fā)生推動作用，增加了泥石流順河向的動能。使泥石流體被推向下游，其所形成的堆積體體積自然就較小，對水流的阻礙作用小。(b)、(c)兩種情況則恰恰相反，泥石流出溝口后順河向流速分量為零,甚至為負(fù)值，無疑增加了泥石流物質(zhì)在溝口的堆積時間，加強(qiáng)了阻水能力，其所形成的堆積區(qū)也相對較大。在堆積體作用下，水流流路束窄，并彎向?qū)Π?，在對岸產(chǎn)生局部沖刷，將危及對岸的安全。同時由于卡口效應(yīng)將引起上游水位升高，流速變緩，泥沙淤積，對防洪和河道穩(wěn)定都是不利的。泥石流與主河流量對比關(guān)系與入?yún)R角度的影響具有相似性。泥石流流量小時，溝口堆積物被主河帶向下游很難聚積，則形成分離區(qū)小，對上下游影響也就小。當(dāng)泥石流流量相對很大，超出主河搬運能力時，形成的堆積區(qū)也就大。極限情況下，堵江阻水，則其影響就更加突出了。如1957年7月2日，大白泥溝泥石流堵斷協(xié)一小時，水位升高，此后河床被淤高近2m。目前，關(guān)于泥石流與主河交匯的分離區(qū)的研究很少。對于主、支水流交匯分離區(qū)尺寸與入?yún)R角和主、支流量比的關(guān)系，如圖2所示?？梢娺@與前面的分析是一致的。隨流量的增加和入?yún)R角度的加大，分離區(qū)縱、橫向尺度都將加大。對于泥石流入?yún)R，由于泥石流特有的高容重物質(zhì)和所具有的較大的慣性作用，很難與水流混合。清水水流所出現(xiàn)的分離區(qū)形式也就是我們所說的堆積區(qū)。由于泥沙的沉積，抬高了交匯口處的基面，進(jìn)一步降低了主河的作用能力，在尺度上，堆積區(qū)要比清水交匯的分離區(qū)為大。泥石流流速的影響也是一個不容忽視的問題。流速沿橫斷面分量的大小，實際決定了中等以下粒徑顆粒的運動軌跡。入?yún)R速度小時，這些相對較小粒徑可能直接被主河帶往下游較遠(yuǎn)區(qū)域或直接在溝口側(cè)回流區(qū)內(nèi)就地沉積。當(dāng)泥石流流速過大，而主河斷面相對較窄時，在慣性作用下，泥石流有可能直接沖向?qū)Π叮趯Π队俜e成和前述情況相對的對岸堆積體，使主流迫向溝口一側(cè)。這一方面保護(hù)了被沖刷、淘蝕的對岸，另一方面又產(chǎn)生對老堆積區(qū)的沖刷。泥石流沖向?qū)Π肚闆r下，河道局部范圍內(nèi)沖淤部位都將發(fā)生改變，對河道演變的影響一般都是很強(qiáng)烈的。4各支溝相互作用的影響單一泥石流對于主河的影響，一般來講只在局部范圍內(nèi)起作用。在溝口上、下游相當(dāng)長度以外，其對主河形態(tài)的影響越來越小。但當(dāng)河流兩側(cè)有多條泥石流溝存在時，各支溝對主河的聯(lián)合作用，其效果更明顯，對主河演變的影響作用更大，有時甚至完全改變了主河河型。還是以協(xié)為例，其兩側(cè)有大小支溝50多條，沿河交叉分布，不斷伸向主河，擠壓主河水流，束窄流路。主河在堆積區(qū)間迂回穿行，形成彎曲型河流，如圖3所示。5減輕泥石流入?yún)R不利影響的對策泥石流作為一種驟然發(fā)生的災(zāi)害現(xiàn)象，與主河作用的時間短暫，但其對主河造成的影響卻是深遠(yuǎn)的。目前要從根本上治理泥石流還不可能，這里擬就前文中提到的各因素，談幾點治理意見，希望對減小泥石流對主河的影響有所助益。(1)固土防沙：水土保持，減少松散固體物質(zhì)儲量，降低侵蝕模數(shù)，可減少泥石流產(chǎn)沙的影響。(2)支溝上適當(dāng)間距修筑與支溝成一定交角的擋土設(shè)施：改變泥石流的流向，增加流路長度，消減泥石流能量，有利于大顆粒物質(zhì)的沉積，從而減續(xù)入主河泥石流的粒徑尺寸。(3)改變溝口處泥石流流向：修建側(cè)向?qū)Я髟O(shè)施，使入?yún)R泥石流在主河作用下更易被帶向下游。(4)各支溝間隔治理，緩解其聯(lián)合作用。

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