泥石流入汇对主河演变的影响(郭志学, 方铎, 王协康, 朱殿芳)

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泥石流入汇对主河演变的影响水利论文f9TQ%wB n0qD!Yk

郭志学1, 方 铎1, 王协康1, 朱殿芳2水利论文w|#BL+s)Tqj
(1.四川大学 高速水力学国家重点实验室;2. 四川大学 水电学院)

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摘要:本文综合分析了泥石流与主河相互作用时,产沙量、颗粒组成、交汇角及主支流量比等各种因素对主河演变的影响。关于泥石流对主河的影响目前的研究还很少,远没有达到定量的水平。本文也只是一种定性的分析,从相关的资料出发,通过适当的分析推理,阐述各种因素对主河演变的影响效果。文章还根据各作用因素的作用效果,提出了几点治理意见

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关键词:泥石流; 颗粒组成; 交汇角; 主支流量比基金项目:国家自然科学基金重点项目(49831010)水利论文#@nI#J$~|1B9MN

作者简介:郭志学(1976-),男,四川大学硕士研究生。

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  自然界中河流总是不断地进行调整,使其与来水来沙条件相适应。这种调整有时表现为断面形状的改变,有时则表现为纵坡的变化,外界条件变化剧烈时,还可能表现为河流形态的改变。按照描述河流达到稳定状态的河相关系方程,河流的平衡状态主要与多年平均流量Q、多年平均含沙量S、悬沙中值粒径d50和河流相对可冲性参数m1/Dm1/2(m1为稳定边坡系数、Dm为床沙中值粒径)有关[1]。可见河流来沙量及来沙组成对河流稳定的影响很大。

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  发生在山区的泥石流骤然间将大量包含各种粒径(尤其是大尺寸颗粒)的泥沙输入主河,在短时间内改变主河水沙组成及局部边界条件,对主河水沙特性、运动特性及演变规律等都带来深远的影响。下面分别从几个方面对泥石流的这种影响作一简要分析。水利论文)L:N)A s-^#]!K I6c

1 泥石流沙量对主河演变的影响水利论文V6_.M&m-_;D

  泥石流是山坡上松散固体经雨水等因素激发而产生的一种高含沙流体。泥石流发生地坡度一般较陡,通常在10°以上[2]。由于堆积物中分散着大量粒径小于0.1mm的粘性颗粒,对水流的粘性产生了显著的影响,大大减小了粗颗粒泥沙的沉速,使其具有较大的挟沙能力。这种高含沙流体具有强大的冲刷能力,大大增加了进入主河的沙量。进入主河以后,由于坡度变小,泥沙发生严重的淤积,使河流断面展宽,河漫滩发育,在相当长的区段内河流向平原化发展。以云南东川蒋家沟为例,1965年爆发的泥石流最大流量达1000m3/s以上。最大一次泥石流总量达31.6万m3,全年冲下来的固体物质约450万m3[3]。协流域除蒋家沟外,还有多条较大的泥石流沟,其固体物质储量和输送量如表1所示。

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表1 协流域各主要泥石流沟固体物质储量水利论文bmO+j xX$x

Deposition quantity of main debris flow gully of Xiaojiang River basin

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沟名流域面积(km2)固体物质储量(万m3)年输送量(万m3)

蒋家沟45.174800250~500
大桥沟53.115000300
老干沟7.7113014.5
大白泥沟18.6577078
小白泥沟12.5477038

  小江干流两侧共有大小泥石流沟几十条,每年向协输送固体物质二、三千万立方米,如此大的沙量严重超出了协的搬运能力,造成主河的淤积。协属于山区性河流,而河漫滩却非常发育。过去协河宽不过一百米左右,现在普遍展宽达200m左右,一些区段更宽达600m以上[4]。同时随着河床的不断淤高,河道迁徙多变,枯水期水流散乱,主流摆动不定,河流属于游荡型,河势变化迅速,有些区段甚至一天数变。

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2 泥石流堆积物组成特征的影响水利论文+k fG&](h

  对于主河的演变,边界条件的影响作用很大。对于山区性河流,由于河流纵坡陡,河流挟沙能力大,而边界一般由坚硬的基岩组成,所以通常冲淤变化很微弱[5]。但由于泥石流这种特有的输沙现象,极大地改变了主河的冲淤过程及边界阻力条件,进而影响主河的演变。

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  对于山区河流,由于沙以下泥沙颗粒通常属于冲泻质范畴, 山坡上冲蚀下来的泥沙一般很少在河段内落淤,所以一般山区河流淤积现象不严重。但由于泥石流所特有的搬运大颗粒物质的能力,其输沙组成中大颗粒含量特别高。进入主河后,这些大颗粒很难再继续运动,常就地落淤,造成河道淤积。表2列出了协流域各主要泥石流沟堆积物的组成[6]水利论文9X^,]8TaU

表2 堆积物颗粒级配含量(%)

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Grading contents of debris flow deposits水利论文5`S da.I*v T4Fm(T*G5~ p


类型沟名粒径(mm)
>100100~4040~1010~22~0.50.5~0.10.1~0.050.05~0.005<0.005

黑沙沟12.9520.3432.5817.964.811.611.246.801.74
喜家小河15.9414.6627.6519.426.242.222.027.574.26
老干沟/16.1446.5722.364.854.791.471.931.57
小海河/35.7740.9714.110.793.011.422.481.51
蒋家沟/3.8530.1340.323.168.2210.312.601.39

黑沙沟15.946.7620.5926.1911.705.183.078.242.29
拖滩沟/11.4945.3926.413.166.252.223.012.47
小白泥沟/1.6818.5250.863.188.878.092.606.24
大白泥沟//21.0440.104.2812.916.227.517.99
铜厂菁沟//28.2442.704.1612.406.021.874.65
黑水河沟/4.6449.9119.948.674.901.535.205.13
小海河//26.1622.016.998.2915.139.1712.22
深沟1.6515.9333.7515.124.5210.984.616.544.88
蒋家沟/15.9137.5731.571.254.560.914.094.10
豆腐村沟/8.9857.0617.085.463.021.785.284.48
太平村沟//42.9725.267.254.421.355.823.96
幸福村沟///19.5532.8918.6617.346.045.52

  由表2可以看出,泥石流堆积物中粒径超过2mm的含量普遍在60%以上,超过10mm的一般也在40%以上,这样大的颗粒在水流作用下通常都很难起动。即使在洪水期被带动输向下游,也很容易重新淤落,造成主河河床的淤积,使河床抬高。协有些区段河床平均每年抬高25cm以上,这与来沙组成过粗是很有关系的。另一方面,由于分选作用逐渐产生床沙粗化,增大了河床阻力,为满足主河输沙要求,主河床纵向比降必将逐渐增大。这将引发一系列其他因素的调整。

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3 入汇角、泥石流流速及主支流量比的影响

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  两股不同方向、不同流速、不同流量流体的相互掺混常会在交汇口附近一定区域内产生回流,回流区内流速降低泥沙沉积,形成堆积体。回流区的尺度与支流入汇角大小、支流流速及主支流量比密切相关。

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据调查,泥石流入汇主河一般有三种形式,锐角入汇、直角入汇、钝角入汇,尤以前两种形式为多见。如图1所示。水利论文9`)i v3r4Q4^d'dM

  三种情况下、泥石流与水流作用形式不同。对于情况(a),主河水流将对泥石流发生推动作用,增加了泥石流顺河向的动能。

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图1 泥石流与主河交汇形式
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8n-gZf W5]0and debris flow

使泥石流体被推向下游,其所形成的堆积体体积自然就较小,对水流的阻碍作用小。(b)、(c)两种情况则恰恰相反,泥石流出沟口后顺河向流速分量为零,甚至为负值,无疑增加了泥石流物质在沟口的堆积时间,加强了阻水能力,其所形成的堆积区也相对较大。在堆积体作用下,水流流路束窄,并弯向对岸,在对岸产生局部冲刷,将危及对岸的安全。同时由于卡口效应将引起上游水位升高,流速变缓,泥沙淤积,对防洪和河道稳定都是不利的。水利论文yi+YSu$o[

  泥石流与主河流量对比关系与入汇角度的影响具有相似性。泥石流流量小时,沟口堆积物被主河带向下游很难聚积,则形成分离区小,对上下游影响也就小。当泥石流流量相对很大,超出主河搬运能力时,形成的堆积区也就大。极限情况下,堵江阻水,则其影响就更加突出了。如1957年7月2日,大白泥沟泥石流堵断协一小时,水位升高6.5m,此后河床被淤高近2m[4]水利论文-h+sd X,Kc D/]v.ki

目前,关于泥石流与主河交汇的分离区的研究很少。对于主、支水流交汇分离区尺寸与入汇角和主、支流量比的关系[7],如图2所示。

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  可见这与前面的分析是一致的。随流量的增加和入汇角度的加大,分离区纵、横向尺度都将加大。对于泥石流入汇,由于泥石流特有的高容重物质和所具有的较大的惯性作用,很难与水流混合。清水水流所出现的分离区形式也就是我们所说的堆积区。水利论文~*c6g-u]d3S

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图2 支流入汇分离区尺寸与入汇角和主支流量比的关系水利论文o] cZkJ%c
Relationship between maximum separation zone dimensions and ratio of tributary to main river discharge and junction angle

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由于泥沙的沉积,抬高了交汇口处的基面,进一步降低了主河的作用能力,在尺度上,堆积区要比清水交汇的分离区为大。水利论文V(LS#D-A8z$Q

  泥石流流速的影响也是一个不容忽视的问题。流速沿横断面分量的大小,实际决定了中等以下粒径颗粒的运动轨迹。入汇速度小时,这些相对较小粒径可能直接被主河带往下游较远区域或直接在沟口侧回流区内就地沉积。当泥石流流速过大,而主河断面相对较窄时,在惯性作用下,泥石流有可能直接冲向对岸,在对岸淤积成和前述情况相对的对岸堆积体,使主流迫向沟口一侧。这一方面保护了被冲刷、淘蚀的对岸,另一方面又产生对老堆积区的冲刷。泥石流冲向对岸情况下,河道局部范围内冲淤部位都将发生改变,对河道演变的影响一般都是很强烈的。水利论文'U ]I X:x.[5T

4 各支沟相互作用的影响

!Z:`8v-y b*`l/VO;i0  单一泥石流对于主河的影响,一般来讲只在局部范围内起作用。在沟口上、下游相当长度以外,其对主河形态的影响越来越小。但当河流两侧有多条泥石流沟存在时,各支沟对主河的联合作用,其效果更明显,对主河演变的影响作用更大,有时甚至完全改变了主河河型。水利论文)Y%K'}/N@0e&oa

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图3 各支沟联合作用下主河演变示意图水利论文?B9~!NY1M&e(C
Sketch map to evolution of river by the combined action of debris flow

还是以协为例,其两侧有大小支沟50多条,沿河交叉分布,不断伸向主河,挤压主河水流,束窄流路。主河在堆积区间迂回穿行,形成弯曲型河流,如图3所示。

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5 减轻泥石流入汇不利影响的对策水利论文S+s"w`l;f

  泥石流作为一种骤然发生的灾害现象,与主河作用的时间短暂,但其对主河造成的影响却是深远的。目前要从根本上治理泥石流还不可能,这里拟就前文中提到的各因素,谈几点治理意见,希望对减小泥石流对主河的影响有所助益。

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  (1)固土防沙:水土保持,减少松散固体物质储量,降低侵蚀模数,可减少泥石流产沙的影响。水利论文y Il.b.a'p

  (2)支沟上适当间距修筑与支沟成一定交角的挡土设施:改变泥石流的流向,增加流路长度,消减泥石流能量,有利于大颗粒物质的沉积,从而减续入主河泥石流的粒径尺寸。

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  (3)改变沟口处泥石流流向:修建侧向导流设施,使入汇泥石流在主河作用下更易被带向下游。

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  (4)各支沟间隔治理,缓解其联合作用。

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参 考 文 献

u)[Z[ ?%rG/fq0

[1] 俞俊。平原河流河相公式的推求和应用。人民长江,1982(3)。水利论文,v.vp wc"OK)^S

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[3] 张有富。蒋家沟流域森林植被与泥石流。山地研究,Vol.5,No4,1987,pp.213~216.

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[4] 陈循谦。泥石流对协地貌的作用。泥沙研究,1982,(6)。水利论文oq!E+bF[&K-Ah

[5] 钱宁,张仁,周志德。河床演变学。科学出版社,1987年4月。水利论文 s3a YC bo4{i

[6] 罗贵生,朱平一。蒋家沟及其临近地区泥石流堆积物的组成特性。山地研究,Vol.5,No.4,1987,pp231~236.

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[7] Jame L.Best and Ian Reid. Separation zone of open channel junctions. Journal of Hydraulic Engineering. Vol.110(11), p1588~1594. 1984,11.水利论文/o+c#q$}HH [Q

 

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