泥石流特征值的计算与确定——以四川省石棉县出路沟泥石流为例
2024-03-26
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第24卷第3期 20lO年6月 资源环境与工程 Resources Environment&Engineering VoL 24.No.3 June,2010 泥石流特征值的计算与确定 以四川省石棉县出路沟泥石流为例 李三明,张艳涛,汤江红 (武汉地质工程勘察院,湖北武汉430051) 摘要:作为泥石流防治工程的主要设计依据,泥石流特征值的计算与确定直接关系到防治工程的经济合 理性、技术可行性、安全可靠性等。根据勘查规范,同时结合工程实例,对特征值计算所涉及的基本参数 的选取,以及其对计算结果的影响进行了分析,对泥石流防治工程勘查设计有借鉴意义。 关键词:泥石流;特征值;计算;石棉县 中图分类号:P642.23 文献标识码:A 文章编号:1671—1211(2010)03-0297—04 0 引言 泥石流是山区较为常见的地质灾害现象。在中国 西南地区,每年因泥石流暴发造成的损失相当巨大,泥 石流灾害的防治显得尤为重要。作为泥石流防治工程 2‘1 方法主要有现场调查试验 法和形态调查法两种。 (1)现场调查试验法在需要测试的沟段,选取 有代表性的堆积物搅拌成暴发时的泥石流流体状态, 进行样品鉴定,然后分别测量出样品的总质量和总体 积,按下式求出泥石流流体重度: 的重要设计参数,泥石流的各项特征值的计算与确定直 接关系到防治工程的经济合理性、技术可行性以及安全 可靠性。 V 1 工程概况 四川省石棉县出路沟泥石流位于大渡河右岸,距 石棉县城约40 km。出路沟流域主沟全长19.97 km,流 式中: ——泥石流流体重度(t/m ); 配制流态样品重量(kg); 品体积(m )。 模拟试验 模拟试验配制流态样 域面积75.5 km ,勘查区内最高点海拔高程4 580 m,至 前沿大渡河,海拔高程约940 m,相对高差约3 640 m, 平均纵坡降143.21%。。形成区平均纵坡降173.6%c, 长度l4.86 km,汇水面积66.2 km ;流通区平均纵坡 降68.78%c,长度1.57 km,汇水面积3.2 km ;堆积区 纵坡降48.58‰,长度3.54 km,汇水面积6.1 km 。 出路沟泥石流属于粘性一低频一暴雨一沟谷型泥 (2)形态调查法(查表法) 通过调查泥石流暴 发时的泥石流流体特征和流体运动状况,按照《泥石流 灾害防治工程勘查规范》(DZT0220--2006)(以下简称 《规范》)表F.1确定泥石流流体重度。 除以上两种方法之外,《规范》G.2所列,根据泥石 流沟易发程度数量化评分(N)与重度、(1+ )关系对 照表,亦可以综合分析,作为确定泥石流重度的考虑条 件之一。 出路沟现场调查试验法测试结果:泥石流流体平 石流。1950年以来,已经发生过2次规模较大的泥 石流o。 2泥石流特征值的计算与确定 泥石流沟特征值计算所需要的基本参数包括:汇 水面积F、主沟长度 、主沟平均纵坡降 等,以上基 本参数均可通过地形图、实测断面图等测量或计算 确定。 均重度 :1.72 t/m。。 形态调查法:出路沟泥石流流体呈稀粥状,泥石流 重度为1.60—1.80 t/m 。 综合取值:泥石流流体重度为1.66 t/m 。 出路沟泥石流沟易发程度数量化评分标准综合判 定的评分值为96分,堆积物重度 =2.65 t/m ,按照 收稿日期:2010—03—24;改回日期:2010—04—28 作者简介:李三明(1968一),男,高级工程师,水文地质专业,从事岩土工程工作。E—mail:lsm361@126.corn o李三明、张艳涛、刘平等,四川省石棉县出路沟泥石流应急勘查报告,2009。 298 资源环境与工程 目、 恒 目、 炬 2010血 《规范》G.2,对应泥石流重度为1.662 t/m 。 2.2泥石流流速 深(m); ——泥石流水力坡降,采用沟床坡降代替(%。)。 对于某一特定的典型断面而言,泥石流水力坡降 以及平均泥深 往往都是可以通过测量或计算确 定的,泥石流沟床粗糙率n 可根据《规范》表I.5查表 确定。 泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参 数之一,目前泥石流流速计算公式多为半经验或经验 公式,计算公式的选择应该根据泥石流流体性质分别 选用。出路沟泥石流流体重度为1.66 t/m ,属粘性泥 勘查期间选择了四个有代表性的典型断面,进行 了泥深(泥痕)调查测量(见图1),其中I—I 、Ⅱ一 g/舌!} Ⅱ 断面位于形成区,Ⅲ一Ⅲ 断面位于流通区,Ⅳ一Ⅳ 嘶 泖 啪 町 嘶 石流。粘性泥石流流速计算一般选用通用公式: 1 : r/,断面位于堆积区。 目、 罐 式中:rbc——泥石流沟床粗糙率; ——计算断面平均泥 计算结果见表1。 塞一 m Ⅳ一Ⅳ 泥痕断面图 图1 出路沟泥石流泥痕断面示意图 Fig.1 Section schematic dia ̄am of mud of debris flow in outlet ditch 表1泥石流流速计算结果表 Table 1 Calculation results of debris flow velocity 可以同时计算对比,最终综合确定泥石流峰值流量。 2.3.1 形态调查法 根据2003年8月6日暴发的泥石流4个典型泥 痕断面现场调查测量的平均流速,求泥石流断面峰值 流量Q ,计算公式如下: Q = · 式中: ——泥石流过流断面面积(Ill ); ——泥石 流断面平均流速(m/s)。 2.3泥石流峰值流量 计算结果见表2。 频率为P的泥石流峰值流量的计算目前有两种方 2.3.2雨洪法 法:配方法和形态调查法。配方法的主要原理是以暴 雨洪水流量为基础,乘以沟床堵塞系数以及一个与泥 在泥石流与暴雨同频率、同步发生且计算断面的 暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的前提下, 首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Q ,然后选用堵塞系数,按公式进行泥石流 流量Q 的计算。 石流固体物质比例相关系数计算求得;形态调查法则 是根据现场对泥石流泥痕的调查,利用过流断面面积 乘以泥石流流速计算得到的数据。以上两种计算方法 第3期 李三明等:泥石流特征值的计算与确定——以四川省石棉县出路沟泥石流为例 299 表2 泥石流过流断面峰值流量计算成果表 Table 2 Calculation results of peak lfow of debris flow in flow cross sections (1)频率为P的暴雨洪水流量计算(Q ) 式中:沙——洪峰流量系数;Sp——设计频率的暴雨雨 ①按《四川省水文手册》推理公式计算o,计算 力(mm/h);r——洪峰流量汇流时间(h); ——暴雨 公式: 强度衰减指数。 QP=0.278·( ·Sp/7 )F 计算结果见表3。 表3暴雨洪水流量计算结果表 Table 3 Calculation resuhs of storm flood flow 注:表中 、Sp、r、n值均依据《四川省水文手册》经过相关公式计算确定。 ②按中国公路科学研究所提出的经验公式计算 表5暴雨洪水流量计算结果表 频率为P的暴雨洪峰流量Q : Tab1e 5 Calculation results of stoITII flood flow 当F≥3 km 时,QP= ·F ·s; 当F<3 km 时,QP= ·F·S。 式中: ——径流系数; 汇水面积(km )(下同); s一雨强(mm/h)。 注:此表依据中国水科院经验公式计算确定。 计算结果见表4。 表4暴雨洪水流量计算结果表 川省水文手册推理公式是建立在较为完整可靠的地区 Table 4 Calculation results of storm flood flow 性水文资料基础上的综合研究成果,有较强的区域代 表性,因此,出路沟暴雨洪水流量取值确定按照四川省 水文手册推理公式计算数据为准。 (2)频率为P的泥石流洪峰流量(Q )(配方法) 计算公式: 注:此表依据中国公路科学研究所经验公式计算确定。 Q =(1+ )。QP·D ③按中国水科院提出的经验公式计算地表水汇 式中: ——泥石流泥砂修正系数, =( 。一 )/( );D ——泥石流堵塞系数。 水流量,频率为P的暴雨洪峰流量Q 按下式计算: 计算结果见表6。 QP:0.278·R·i·F 式中: ——产流系数,一般取0.3—0.8; ——雨强 表6泥石流峰值流量计算结果表 (ram/h)。 Table 6 Calculation results of peak flow of debris flow 计算结果见表5。 根据对比分析,在相同设计频率时,采用四川省水 文手册推理公式、中国公路科学研究经验公式、中国水 科院经验公式计算的清水流量Q 较为接近,考虑到四 。四川省中小流域暴雨洪水计算手册,四川省水力电力厅,1984。 资源环境与工程 2010生 综上所述,在(相当于)50年一遇降雨条件下,对 采用雨洪法时,应优先采用水文手册推理计算公 沟口处泥石流峰值流量,利用形态调查法(Ⅳ断面)所 得计算结果为538.48 m /s,雨洪法计算结果为519.76 m /s,结果基本一致,符合程度较高。综合分析,确定 出路沟泥石流峰值流量为524.1 m /s。 2.4一次泥石流过程总量 式;当勘查区缺乏可靠的区域水文资料时,可采用其他 经验公式计算综合分析确定。 采用配方法计算频率为P的泥石流洪峰值流量 Q 时,泥沙修正系数 、沟道堵塞系数D 的选取具有直 接的影响作用。泥沙修正系数的确定有两种方法: ①计算法,即通过公式 =(7 一 )/( 一 )计算 次泥石流过程总量Q计算,根据泥石流历时T(S) 和最大流量Q (m /s),按泥石流暴涨暴落的特点,将 求得;②查表法,即按照规范表G.2,根据泥石流易发 程度数量化评分(Ⅳ)值与重度 、1+ 的对应关系 查表求得,宜优先采用计算法。沟道堵塞系数D 应 当结合沟道的具体情况,按照《规范》表I.1选取。 由于表列取值范围较大,因此,勘查经验尤为重要, 应根据沟道条件并结合泥石流历史、勘查经验综合 判断确定。 其过程概化成五角形,按下式计算: Q=K·T·Q 式中: 值的变化随流域面积(F)的大小而变化。当 <5 km 时,K=0.202;当5 km <F<10 km 时,K= 0.113;当10 km <F<100 km 时,K=0.037 8;卜泥石流历时(s)。 计算结果见表7。 表7 一次泥石流过程总量计算结果 Table 7 Caleulation results of total amount of debris flow 次泥石流过程总量Q的计算与确定是在Q 计算 确定后,乘以流域汇水面积关系系数 、泥石流历时?1 计算求得,其中最关键的是泥石流历时 的确定。泥石 流历时 首先应根据既往泥石流历史,再结合降雨强 度、汇流面积、沟道堵塞情况综合分析确定。按照泥石 流防治工程设计的设防条件(20—50年一遇暴雨),一 般情况下,对中小流域,泥石流历时一般取l~2 h,降雨 强度及汇流面积较大的可取偏大值;反之,则取偏小值。 勘查过程中,泥石流固体物质重度 更易于较为 准确地测试确定。相对而言,容易忽视泥石流流体重 2.5一次泥石流冲出固体物质总量QⅣ Q =Q( 一 )/(T 一 ) 式中: ——泥石流固体物质重度(t/m ); ——泥石 流流体重度(Vm ); ——水的重度(t/m )。 度 的计算与确定的重要性,而简单地认为泥石流流 体重度 只是判别泥石流流体性质上起作用。应该注 意到,在上述计算过程中,泥石流流体重度 与一定频 率时的泥石流洪峰值流量Q 、一次泥石流冲出固体物 质总量Q 的计算与确定均有直接关系,因此,勘查应 计算结果见表8。 表8一次泥石流固体物质总量计算表 Table 8 Calculation result of total amount of solid matericaI of debris flow 重视泥石流流体重度3/ 的计算与确定,保证取值的准 确性和可靠性。 4结语 2.6其他泥石流动力学特征值的计算确定 鉴于泥石流灾害的特性,泥石流特征值的计算往往 泥石流动力学特征值还包括泥石流整体冲击力、 具有一定程度的不确定性。因此,泥石流勘查应加强现 泥石流中大块石冲击力、泥石流最大冲起高度、泥石流 场调查工作,尤其是泥石流历史的形态调查。在计算确 爬高、弯道超高等,以上特征值均可直接采用规范提供 定泥石流特征值时,各项计算参数的选取应当尽量保证 的公式计算确定,在此不再赘述讨论。 其合理性、准确性和可靠性,采用多种方法综合分析确 3泥石流特征值计算中主要指标确定 的几点认识 泥石流特征值的计算方法主要包括形态调查法和 定,为泥石流灾害防治工程提供可靠的设计参数。 参考文献: [1]DZT0220--2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[s1. 配方计算法,在有可靠的区域水文资料的前提下,雨洪 (责任编辑:张娅)(下转3l6页) 法可以作为计算和确定泥石流特征值的主要方法之 316 资源环境与工程 2010 g- 4结语 尽管真空联合堆载预压法在武汉市首次运用,实 践表明,其能够解决软土地基上修筑路堤遇到的稳定 和沉降问题。通过对试验资料分析得出:在湖积相软 良好的经济及社会效益。 参考文献: [1] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[ S]. 工程地质手册[S].第四版.北京: 中国建筑工业出版社 2007:911. 土区采用真空联合堆载预压法加固地基效果明显,加 固前后土层的物理力学指标有显著提高。由于其对不 高的路堤的堆载速度无限制,因此可快速堆载,节省预 压时问,满足业主对工期的要求。该道路从2004年年 底开始大面积施工,到目前为止通车运行正常,取得了 [3] JGJ 79--2002,建筑地基处理技术规范[ S]. [4] 娄炎.真空排水预压法加固软土技术[ M].北京:人民交通出版 社.2002. [5]J.rJ O17—__96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S]. (责任编辑:胡立智) Application of Vacuum-mound Preloading Y U Hu (Zhuhai Jinwan Area Construction Quality Supervision and Detection Station,Zhuhai,Guangdong 519041) Abstract:Mechanism of load preloading is using a method by increasing additional stress to extrude pore water and reduce void ratio in order to improve bearing capacity of soft foundtion.Mechanism of vacuum preloading is using a method by reducing the pressure of pore water,extract the water to reduce void ratio,in order to improve bearing capacity of soft foundation.Vacuum—mound preloading combined the feature of above mentioned,improving the bearing capacity and elastic modulus of soft soil in a shot time.Practice has proved that the method has been widely used in toad soft soil foundation treatment. Key words:soft foundation;void ratio;vacnum—surcharge preloading;degree of consolidation (上接300页) Calculation and Determination of Debris Flow Characteristic Value LI Sanming.ZHANG Yantao,TANG Jian【ghan (Wuhan Institute of Geological Engineering Extdoraton,Wuhan,iHubei 430051) Abstract:As a major design basis for control project of debris flow,calculation and determination of debris flow characteristics directly relate to economic rationality,technical feasibility and safe reliability. With practical instances,the selection of basic parameters involved in calculation of characteristic valuea nd its impact on the results are analyzed,which is of certain reference to survey design for control project of debris flow. Key words:debris flow;characteristic value;calculation;Shimian county