城市泥石流防治工程规划

10．4　城市泥石流防治工程规划

10．4．1　泥石流及其分布

1．泥石流的概念

泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑、地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。发生泥石流常常会冲毁公路、铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失(图10－12)。是山区常见的、多发的自然灾害之一。

图10－12　四川宜宾市泥石流灾害

2．泥石流的分布

世界上发生泥石流的区域分布广泛。除南极洲外，各大洲都有泥石流的踪迹。泥石流最多的地区是欧洲阿尔卑斯山区、亚洲喜马拉雅山区、南北美洲太平洋沿岸山区和欧亚美各大洲内部的一些山区。

我国是多山之国，受岩层断裂等地质构造的影响，许多山体陡峭，岩石结构不稳固，森林覆盖面积不多，遇到季风气候的连阴雨、大暴雨天气，常发生严重的泥石流灾害。黄土高原，天山、昆仑山等山前地带，太行山，长白山泥石流危害都很严重。我国的台湾省也经常有泥石流发生。据初步调查，泥石流在全国的分布总面积有100万～110万km²，占国土面积的11%，危害较严重的泥石流区面积为65万～70万km²，占全国总面积的7%。

据统计，我国每年有近百座县城受到泥石流的直接威胁和危害，有20条铁路干线的走向经过1400余条泥石流分布范围内。在我国的公路网中，以川藏、川滇、川陕、川甘等线路的泥石流灾害最严重。泥石流还对一些河流航道造成严重危害，如金沙江中下游、雅砻江中下游和嘉陵江中下游等，泥石流活动及其堆积物是这些河段通航的最大障碍。

2010年8月7日晚11时左右，舟曲县城东北部山区突降特大暴雨，降雨量达97mm，持续40多分钟，引发三眼峪、罗家峪等四条沟系特大山洪地质灾害，泥石流长约5km，平均宽度300m，平均厚度5m，总体积750万m³，流经区域被夷为平地，绝大部分群众没有来得及逃生，见图10－13。

图10－13　舟曲县被泥石流冲毁的楼房

10．4．2　泥石流的成因及类型

1．泥石流的成因

导致泥石流形成的因素很多，而主要因素可概括为三个:有陡峭便于集水集物的适当地形，上游堆积有丰富的松散固体物质，短期内有突然性的大量流水来源。三要素也称为泥石流形成的三个基本条件。

1)松散物质来源

流域内有较多的泥、砂和石块能直接补给泥石流，是泥石流形成的最基本物质条件。

地表岩石破碎，崩塌、错落、滑坡等不良地质现象发育，为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源;另外，岩层结构松散、软弱、易于风化、节理发育或软硬相间成层的地区，因易受破坏，也能为泥石流提供丰富的碎屑物来源;一些人类工程活动，如滥伐森林造成水土流失，开山采矿、采石弃渣等，往往也为泥石流提供大量的物质来源。

2)丰富的水源

水既是泥石流的重要组成部分，又是泥石流的激发条件和搬运介质(动力来源)，泥石流的水源，有暴雨、水雪融水和水库溃决水体等形式。我国泥石流的水源主要是暴雨、长时间的连续降雨等。

3)地形地貌条件

据调查，我国泥石流多发生在小型流域内，流域面积10km²的泥石流沟占总数的86.9%。流域平均比降0．05～0．30，占总数的79%，山坡坡度在20°～50°的占71%。

在地形上具备山高沟深，地形陡峻，沟床纵度降大，流域形状便于水流汇集。在地貌上，泥石流的地貌一般可分为形成区、流通区和堆积区3部分。

上游形成区的地形多为三面环山，一面出口为瓢状或漏斗状，地形比较开阔、周围山高坡陡、山体破碎、植被生长不良，这样的地形有利于水和碎屑物质的集中。

中游流通区的地形多为狭窄陡深的峡谷，谷床纵坡降大，使泥石流能迅猛直泻。

下游堆积区的地形为开阔平坦的山前平原或河谷阶地，使堆积物有堆积场所。

另外，人类不合理的经济活动，如滥垦坡地、滥伐森林以及城市建设时不适当的开炸建筑石料及矿渣和路渣等大量岩屑乱堆在山坡和沟谷中，破坏了当地的生态平衡，影响了坡地的稳定性并提供了大量松散的固体物质，加速了泥石流的发生和发展，扩大了泥石流的活动范围，增加了泥石流发生的频率和强度，也可能使已经停息的泥石流又重新活跃起来。

2．泥石流类型

泥石流的分类方法很多:按灾害严重程度，分为严重、中度和一般3类;按泥石流的成因分类有水川型泥石流、降雨型泥石流;按泥石流流域大小分类有大型泥石流、中型泥石流和小型泥石流;按泥石流发展阶段分类有发展期泥石流、旺盛期泥石流和衰退期泥石流等。

1)按物质成分分类

(1)泥石流:由大量黏性土和粒径不等的砂粒、石块组成。

(2)泥流:以黏性土为主，含少量砂粒、石块，黏度大，呈稠泥状。

(3)水石流:由水和大小不等的砂粒、石块组成。

但就其本质而言，按其物质组成、运动情况和形成的地质条件进行分类比较合适(参见表10－10)，也利于治理。

表10－10　泥石流类型

2)按流域形态分类

(1)标准型泥石流:为典型的泥石流，流域呈扇形，面积较大，能明显地划分出形成区、流通区和堆积区。

(2)河谷型泥石流:流域呈狭长条形，其形成区多为河流上游的沟谷，固体物质来源较分散，沟谷中常年有水，故水源较丰富，流通区与堆积区往往不能明显分出。

(3)山坡型泥石流:流域呈斗状，其面积一般小于1000m²，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连。

3)按物质状态分类

(1)黏性泥石流:含大量黏性土的泥石流或泥流。其特征是:黏性大，固体物质占40% ～60%，最高达80%。其中的水不是搬运介质，而是组成物质，稠度大，石块呈悬浮状态，暴发突然，持续时间短，破坏力大。

(2)稀性泥石流:以水为主要成分，黏性土含量少，固体物质占10%～40%，有很大分散性。水为搬运介质，石块以滚动或跃移方式前进，具有强烈的下切作用。其堆积物在堆积区呈扇状散流，停积后似“石海”。

3．泥石流规律性

泥石流发生的时间具有季节性和周期性的规律。

1)季节性

我国泥石流的暴发主要是受连续降雨、暴雨，尤其是特大暴雨集中降雨的激发。因此，泥石流发生的时间规律与集中降雨时间规律相一致，具有明显的季节性。一般发生在多雨的夏秋季节。因集中降雨的时间的差异而有所不同。四川、云南等西南地区的降雨多集中在6—9月，因此、西南地区的泥石流多发生在6—9月;而西北地区降雨多集中在6、7、8三个月，尤其是7、8两个月降雨集中，暴雨强度大，因此西北地区的泥石流多发生在7、8两个月。据不完全统计，发生在这两个月的泥石流灾害约占该地区全部泥石流灾害的90%以上。

2)周期性

泥石流的发生受暴雨、洪水的影响，而暴雨、洪水总是周期性地出现。因此，泥石流的发生和发展也具有一定的周期性，且其活动周期与暴雨、洪水的活动周期大体相一致。当暴雨、洪水两者的活动周期与季节性相叠加时，常常形成泥石流活动的一个高潮。

10．4．3　泥石流量的计算方法

泥石流流量是泥石流防治工程规划的重要依据，据此可以制定泥石流防治工程的断面尺寸。有关的水文计算方法很多，现介绍几种经验公式。

1．不考虑阻塞影响时的流量计算

式中　Q_ns————泥石流流量，m³/s;

　Q_P————洪峰流量m³/s;

　ε————冲击物的空隙率;

　γ_ch————冲击物的比重;

　ρ————泥石流中冲击物含量的重量百分数，

　i————泥石流坡面的平均坡度，%;

　A————泥石流坡面被冲毁程度系数，对不易冲毁的边坡(如良好的草坡、石质或河卵石边坡)A=0．6，一般中等的能被冲毁的边坡A=1．0，对于易冲毁的边坡(如外露松散的细粒土)A=1．4。

2．考虑阻塞影响时流量的计算

式中　q————考虑阻塞时的附加流量，m³/s(当缺乏实测资料时，可按下列数值采用:轻微阻塞时取洪峰流量的10%，一般阻塞时取洪峰流量的20%，严重阻塞时取洪峰流量的30%);

　φ————泥石流系数，

　γ_ns————泥石流容重，t/m³，

　X_ch————泥石流中冲击物体积与清水体积之比，由现场调查或取样测定求得。

3．含沙量较大地区洪水量计算

水土流失严重的流域，洪水中常挟带大量的泥沙，其混水流量比清水流量偏大，在此情况下，含有泥沙大的洪水流量可用下式计算:

式中　Q_n————洪峰流量，m³/s;

　Q_P————未考虑泥沙的清水洪峰流量，m³/s;

　β————混水混算系数，

　ρ————洪水期最大含沙量，kg/m³;

　γ_s————水的比重，1000kg/m³;

　γ_ns————泥石流容量，可现场测定，kg/m³。

4．泥石流流速测算

泥石流的流速是泥石流动力学的重要特征值，它是泥石流流量、泥石流体容重、泥石流物质的矿物质组成及其级配和沟道各要素的复合函数，其确定十分复杂。目前大多根据泥石流治理需要和具体实践，以表达水流均匀流运动的曼宁公式为基础进行推导，引入泥石流的运动参数，加以适当改进，以下几个常用公式可供参考。

1)薛齐公式

式中　υ_m————泥石流流速，m/s;

　H————泥石流深，m;

　i————沟床、泥位或水石坡降，以小数计;

　K————泥石流沟糙率系数，其取值见表10－11。

表10－11　泥石流沟糙率系数

2)启动石块经验公式

式中　d————平均最大粒径，m;

　h————泥石流深，m。

5．泥石流沉积总量计算

最大一次泥石流沉积量的估算，通常由现场调查确定，一般是根据冲刷扇中新旧分层的一次最大沉积厚度及其面积来计算，也可按下式估算:

式中　W_ch————泥石流沉积总量，m³;

　H_P————相应于洪峰流量Q_P的降雨量，mm;

　a————径流系数，海拔高程高于2500～3000m的地区a=0．5～0．7，中等高程地区a=0．3～0．5，低山区a=0．1～0．3;

　F————汇水面积，km²;

　P————冲积物含量的百分数，一般30%～50%。

泥石流和一般水流不同，对一般水流沟道，只要瞬间洪峰能够通过，该沟道可认为是安全的。泥石流具有淤积作用，即使本次泥石流顺利通过，而下次泥石流就未必能通过;今年的泥石流通过了，明年的泥石流不一定能通过。因此，在泥石流的排洪道设计时，必须了解可能发生的泥石流总量、通过沟道时的淤积、流出沟道后的泥砂的堆积态势、在使用年限中对城市的影响。泥石流防治工程设计的成功与否，往往决定于这种预测的正确程度。