水打溝滑坡型泥石流的降雨條件分析

水打溝滑坡型泥石流的降雨條件分析

2008年5月12日四川地震后，四川省都江堰市龍市水打溝形成了大量山坡。2010年8月13～14日,水打溝流域遭遇大面積強(qiáng)降雨,暴發(fā)了滑坡型泥石流。因此,研究強(qiáng)震區(qū)滑坡松散體轉(zhuǎn)化為泥石流就具有重要的意義。李樹德等認(rèn)為滑坡型泥石流是因?yàn)榛麦w的勢能快速轉(zhuǎn)化為動能,從而導(dǎo)致滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流;張明等認(rèn)為滑體土剪脹、應(yīng)變軟化導(dǎo)致滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流;李康康認(rèn)為滑坡型泥石流與一般滑坡、泥石流不同,它兼有滑坡和泥石流的特征;莊建琦等研究表明在不同的坡度條件下滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的方式及其運(yùn)動特征各不相同;TangC等認(rèn)為滑坡失穩(wěn)、沖刷是誘發(fā)泥石流的機(jī)理之一。目前,研究滑坡松散體轉(zhuǎn)化為泥石流的降雨條件并不多見。鑒此,本文分析了水打溝滑坡型泥石流的前期降雨量、降雨強(qiáng)度、爆發(fā)水深、坡度條件等,為預(yù)測沖溝滑坡及泥石流預(yù)測預(yù)防提供參考。1項目的地理條件1.1主溝長和溝域面積都江堰市龍池鎮(zhèn)水打溝地處龍門山脈中段高、中山區(qū),主溝長1.3km,高差650m,平均縱坡降約20%,溝域面積0.5km2。整個溝呈樹枝狀伸展,分為清水區(qū)、物源區(qū)、流通堆積區(qū)三部分。(1)小沖溝、水打溝邊坡分布高程1609～1460m,溝長約329m,溝道平均縱坡約59.8%,匯水面積約0.19km2;溝谷兩側(cè)山坡上次級小沖溝、微沖溝發(fā)育,地形起伏很大,相對高差達(dá)150m。溝道呈V字形,兩側(cè)為陡峭斜坡,溝岸陡峻,坡度45°～80°;水打溝左側(cè)主要為巖質(zhì)斜坡,坡度一般40°～60°,局部為陡崖;右側(cè)主要為土質(zhì)斜坡,坡度一般35°～50°。(2)溝長、溝寬、復(fù)徑面分布高程1460～1100m,溝谷呈V型,溝長約650.8m,溝寬約5～25m,匯水面積約0.39km2,溝道縱坡約55.4%,溝谷坡度約30°～45°,部分陡壁處可達(dá)60°～80°。(3)溝槽呈窄v型流通區(qū)分布高程1100～995m,溝長182.6m,匯水面積0.03km2,溝谷呈窄V型,溝寬7～8m,岸坡坡度45°～70°,部分陡傾。堆積區(qū)分布高程995～958m,呈扇形展布,扇區(qū)最寬處約150～200m,扇面平均坡度5°～12°。1.2地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件(1)系殘坡積土立地類型水打溝清水匯流區(qū)左側(cè)出露基巖,右側(cè)為第四系堆積物。地層巖性為:①震旦系下統(tǒng)火山巖組(Za)?；揖G色安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖,最厚達(dá)863m;巖體裂隙發(fā)育,呈碎裂狀。②第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土(Q4el+dl)。分布于斜坡表層,坡麓平緩段厚度較大,一般3～10m;斜坡中上部陡坡段厚度較薄,一般小于2m。塊石塊徑一般5～15cm,結(jié)構(gòu)較松散。③第四系崩積層(Q4col)。主要分布于溝谷兩岸坡腳地帶,由不穩(wěn)定斜坡和崩塌堆積組成,松散,多集中于坡腳10～50m范圍內(nèi),零星墜石則較遠(yuǎn),堆積物塊徑10～150cm。植被以高山類植物針葉林及灌木為主,植被較好。受5.12強(qiáng)震影響,基巖巖體破碎,第四系堆積物崩塌滑坡極為發(fā)育。堆積物結(jié)構(gòu)松散,如遇暴雨沖刷或浸潤,極易坍塌流入沖溝內(nèi)。(2)龍門山斷裂下沒有空氣水打溝所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂較為發(fā)育。映秀-北川斷裂為北東向壓扭性深大斷裂,龍池鎮(zhèn)境內(nèi)長40km,傾向300°～330°,傾角50°～60°,局部破碎帶寬30m。該斷裂次級斷裂經(jīng)過水打溝溝源頭。根據(jù)《汶川8.0級地震烈度分布圖》,2008年5月12日水打溝處地震烈度達(dá)Ⅺ度,對山體破壞較為嚴(yán)重。1.3降雨特征根據(jù)都江堰市(距龍池鎮(zhèn)水打溝處約10km)降雨資料,2010年8月13日(簡稱8.13暴雨)14:00至14日7:00總降雨量達(dá)229mm,最大1h(16:00～17:00)降雨量達(dá)75.0mm,連續(xù)2h(16:00～18:00)、3h(15:00～18:00)降雨量分別為128.3、150.0mm,詳見圖1。水打溝處暴雨后,主要形成了堆積體內(nèi)的蓄水量、地下滲流及地表徑流三部分。(1)滑坡堆積體單位密度ww=(mw/ms)×100%=ρ/ρd-1(1)式中,mw為水體的質(zhì)量,kg;ms為固體顆粒的質(zhì)量,kg;ρ為天然密度,kg/m3;ρd為干密度,kg/m3。通過現(xiàn)場取樣試驗(yàn)得出龍池地區(qū)的干密度約為1.4g/cm3;含水量為11.5%時的堆積體天然密度約為1.561g/cm3;假設(shè)滑坡堆積體含水量改變時,體積V改變量忽略不計,則1cm3松散堆積體內(nèi)的含水量約為0.16g,則堆積體的蓄水量Q1為:Q1=wVρ(2)式中,V為滑坡堆積體的體積,m3;w為滑坡堆積體單位體積的含水量,kg。當(dāng)?shù)谒南刀逊e物中含水率大于11.5%時,土體抗剪強(qiáng)度劇降,致使土坡失穩(wěn)。(2)地表徑流滲流路徑1/s,bQ2=KsAHT/L(3)其中Ks=1.0-1.5d102式中,Ks為飽和導(dǎo)水率,m/s;A為滲透土樣的橫斷面積,m2;H為地表徑流達(dá)到一定厚度即地表水深,m;T為滲透水量Q所需的時間,s;L為滲流路徑長度,m;d10為有效粒徑。汶川5.12地震后,巖體破碎,第四系堆積物松散、孔隙度較大、密實(shí)度較低,極易形成滲透破壞。(3)地表徑流t當(dāng)降雨量大于滲透量或降雨強(qiáng)度較大時就會形成地表徑流。本文假設(shè)當(dāng)?shù)乇韽搅鬟_(dá)到一定厚度即地表水深為H時,徑流剪應(yīng)力大于堆積層抗剪力時將會誘發(fā)坡面流。本文選用小時降雨量單位,在坡度為α的斜坡上,單位時間dt內(nèi),降雨量與滲透量的關(guān)系為:Acosαp(t)dt≥Q2dt(4)式中,α為坡角,(°);p(t)為地表徑流的臨界降雨強(qiáng)度,mm/h;t為流體運(yùn)動時間,h。由公式(3)可知,式(4)可化簡為:KsAH/L=(KsH/h)cosα=(10H/h)cosα≤p(t)(5)即H≤p(t)h/(10cosα)式中,h為堆積層厚度,m。龍池地區(qū)泥石流暴發(fā)時的地表徑流流量為:Q3=P-Q1-Q2(6)式中,P為降雨量。由于第四系堆積物厚度薄,蓄水量及地下水滲水量有限,因此在8.13暴雨時很快就形成了地表徑流,沖刷并破壞土體結(jié)構(gòu)。由此可知,水打溝處土體特大暴雨后極易被沖刷或垮塌、滑坡。2泥石流形成時的降水條件2.1在強(qiáng)降雨中，沉積物啟動2.1.1徑流變積作用經(jīng)歷過汶川5.12地震后,水打溝處山體基巖裸露、植被覆蓋率低、堆積層較薄,8.13暴雨形成的地表徑流阻力采用阻力系數(shù)為:f=8gRJ/v2(7)式中,f為DarcyWeisbach阻力系數(shù);g為重力加速度,m/s2;R為水力半徑,對薄層水流水利半徑R近似等于地表徑流深度H;J為水面能坡,一般近似用坡面坡度代替;v為坡面徑流平均流速,m/s。強(qiáng)降雨作用形成地表徑流時,流體與堆積體接觸面發(fā)生剪切作用,徑流剪切力隨降雨歷時表現(xiàn)出雨強(qiáng)越大,水深越厚,剪切力越,徑流切應(yīng)力公式為:τ=γwRJ(8)式中,γw為松散體飽和后水的重度。降雨時松散堆積層被雨水侵蝕、飽和,則其剪應(yīng)力τ為:τ=(m+γwH)sinα(9)式中,m為飽和松散體的質(zhì)量,kg。在地表徑流運(yùn)動中,地表徑流的重力勢能轉(zhuǎn)換動能和摩擦力做功,而作用于單位面積的水流所消耗的功率η為:η=τv(10)式中,τ為地表徑流剪應(yīng)力。2.1.2地表徑流fv與堆積層間的相互作用當(dāng)?shù)谒南邓缮⒍逊e物完全飽和且其剪應(yīng)力大于抗剪應(yīng)力(τf)時(即τ>τf),溝坡處的堆積體就開始大規(guī)模向下滑動,若非飽和且僅在軟弱層(如滑動帶)處τ>τf,則沿該軟弱層向下滑動,但難以解體造漿。松散堆積體的抗剪強(qiáng)度為:τf=c′+δtanθ(11)其中δ=(γs+γw)ghsinα式中,c′為飽和土的有效粘聚力,松散堆積體的有效內(nèi)聚力為零;δ為滑動面上的垂直應(yīng)力;θ為有效內(nèi)摩擦角,取27°;γs為固體顆粒的重度,g/cm3。據(jù)文獻(xiàn),第四系松散堆積物單位面積上的阻力與流速成冪函數(shù)關(guān)系,通常單位面積上地表徑流受到的阻力為:F=ρfv2/2(12)當(dāng)流水為薄水層時,不考慮水體產(chǎn)生的垂直斜坡面的水壓力,在水體與堆積層接觸面上,聯(lián)立式(7)、(8)、(11)、(12)即可分析地表徑流的受力平衡。假設(shè)泥石流堆積體厚度為h,堆積體坡角為α,則:F=τf(13)可進(jìn)一步化簡為:R=(γsghsinαtanθ)/(γwJ)(14)在薄層徑流中,已知水利半徑R=H,J近似為sinα,則可求得斜坡上任意失穩(wěn)處的水深:H=(γsghtanθ)/γw(15)單位堆積體運(yùn)動過程中滿足動量守恒定律:(Gsinα-F)t=mw(v1-v0)(16)式中,G為單位徑流流體的重力,N;t為地表徑流流速由v0到v1的運(yùn)動時間;mw為單位徑流流體的質(zhì)量,kg;v1為形成流深H時的徑流流速,m/s;v0為形成地表徑流時的流速,m/s。在徑流過程中不考慮泥石流流量短時間的變化,則速度變化時間為t,由能量守恒定律得:mwgh=(v12-v02)/2+ηt(17)則從地表徑流厚度零(v0=0)至泥石流暴發(fā)的地表徑流厚度為h時的流體運(yùn)動時間為:t=(2hn2-H4/3J)/(nR5/3J3/2)(18)式中,n為水打溝的糙率系數(shù)。2.2泥石流爆發(fā)時的降雨泥石流的形成是由前期降雨量、爆發(fā)時的降雨強(qiáng)度和降雨時間共同決定。在強(qiáng)降雨作用條件下,水打溝流域內(nèi)的匯水時間與匯水面積與溝源頭的高差、斜坡坡度相關(guān)。泥石流暴發(fā)的時間由匯水時間tc和地表徑流時間t兩部分組成,泥石流暴發(fā)時的降雨量亦由這兩段時間決定,其總降雨量為:P=∫t+tc00t+tcp(t)dt(19)在前期降雨過程中,松散堆積體含水率達(dá)100%時,前期降雨量Q1=41.4mm,則泥石流暴發(fā)時的前期降雨量為:P=Acosα∫t+tc00t+tcp(t)dt=Q2+Q3=[(10hcosα)/h0]t+vh/2(20)由于匯水時間在2～15min之間,因此泥石流爆發(fā)時的降雨強(qiáng)度公式為:P(t)=(10hcosα)/h0+h5/3J1/2/[2n(t+tc)](21)3泥石流形成與降雨強(qiáng)度主溝流通區(qū)右岸某滑坡,相對高差80m,順坡長度113m,總體坡度45°,寬50～87m,平均寬度73m;滑坡厚度5～10m,平均厚度7.0m,滑坡總體積約5.77×104m3,滑坡物質(zhì)為坡面堆積碎塊石土體,受映秀—北川斷裂的影響,土體松動,裂隙發(fā)育,塊石塊度一般30～50cm。在8.13暴雨條件下,松散堆積體繼續(xù)下滑,堆積于溝道內(nèi),并形成小型壩體,在持續(xù)暴雨沖刷下,壩體潰壩,溝道內(nèi)物源參與8.13水打溝泥石流形成,其余大部分堆積于坡體上,約5.77×104m3。滑坡整體滑動后,在滑坡表部及中下部表層部分松散物質(zhì)成為泥石流物源。在暴雨條件下,表層松散塊碎石在河水沖刷下,坡腳易不斷發(fā)生小規(guī)?？逅?進(jìn)而參與泥石流活動。水打溝滑坡堆積層厚度h為1～3m,糙率系數(shù)1/n為13,有效粒徑d10=2.6mm,則啟動該松散堆積體的地表徑流H為0.089～0.234m,形成水深H的時間t在3.44～9.37min之間。降雨匯水時間tc為10.1min,則在時間T=13.54～19.47min時形成地表徑流時的降雨強(qiáng)度p0(t)為25.7～77mm/h,在形成H水深時的降雨強(qiáng)度p(t)為28.7