Characteristics of intermediate frequency debris flow and analysis of the hazard of blockage in Hada gully, Weixi County of Yunnan Province
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摘要: 中频泥石流具有较大危险性和暴发周期较长的特点，人类活动会诱发其发生并加剧其成灾严重程度，当沟道不能满足泄流输水能力时将发生堵溃，危及两岸甚至是主河河道安全。由于目前中频泥石流危险性分析的缺乏，因此以云南省哈达沟中频泥石流为例，探讨其特征和再次发生泥石流及导致沟道堵溃的危险性，并提出防治建议。结果显示：泥石流重度1.62 t/m3，泥石流沟口流速4.794 m/s，基于暴发频率10%情况下的沟口峰值流量为54.43 m3/s以及一次冲出总量为11072.03 m3；在下游沟道处修建有涵洞，其过流量为16.5 m3/s，小于20 a一遇泥石流流量，一旦发生大型泥石流，则有堵溃危险。研究发现哈达沟中频泥石流危险度为高度危险，堵溃历史判断其再次发生沟道堵溃并有泥石流堵塞腊普河的可能性。Abstract: Intermediate-frequency debris flows has the characteristics of high danger and long outbreak period. Human activities can trigger its occurrence and aggravate its disaster severity. When the channel cannot meet the capacity for drainage and water transport, it will cause blockage and endanger the safety of both sides of the strait and even the main river channel. Due to the lack of analysis on the danger of intermediate-frequency debris flows, this paper takes the intermediate-frequency debris flow in Hada Gully, Yunnan Province as an example to explore its characteristics and the danger of its recurrence and channel blockage caused by debris flows and proposes prevention and control suggestions. The results show that the debris flow has a density of 1.62 t/m3, a flow velocity of 4.794 m/s at the outlet of the channel, a peak flow rate of 54.43 m3/s at the channel outlet and a total discharge of 11072.03 m3 for a single occurrence based on the 10% burst frequency. A culvert was constructed in the downstream channel, with a flow capacity of 16.5 m3/s, which is less than the flow rate of a debris flow once in 20 years. Once a large debris flow occurs, there is a risk of blockage. The study found that the hazard level of intermediate-frequency debris flows in Hada gully is highly dangerous, and the history of blockage indicates the possibility of its recurrence and the risk of debris flow blocking the Lapu River.
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Keywords:
- Hada gully /
- intermediate frequency debris flow /
- hazard analysis /
- blocking
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0. 引言
我国黄土高原及周缘地区构造背景复杂，历史强震发育。黄土高原位于青藏地震区、华北地震区和华南地震区的交会部位，以鄂尔多斯地台为中心，在地台的周缘，分布有大量活跃的地震构造带，如六盘山—祁连山地震带、汾渭地震带、华北平原地震带、银川—河套地震带等，其地震构造非常复杂，是一个历史强震和现代地震频发的区域。根据现代地震台网监测资料，黄土高原及周缘地区1970—2019年间区内共发生2.0～4.0级现代地震7670余次。根据对历史地震目录的统计，区内共记录到M≥4¾级地震420次，其中8.0～8.9级地震7次，7.0～7.9级地震18次，6.0～6.9级地震61次，5.0～5.9级地震249次，4.7～4.9级地震86次，最大地震为1920年宁夏海原8.5级地震。区内发生的许多破坏性地震，如1556年华县8¼级地震、1654年天水8级地震、1920年海原8.5级地震、1927年古浪8级地震等，均造成了灾难性的后果。尤其是1920海原地震触发大量地质灾害，其数量之多、规模之大、类型之复杂、造成损失之惨重，举世罕见[1]。当前黄土高原及周缘地区7级地震复发周期已经接近，强震风险日益增高，地震地质灾害风险和威胁日趋严峻。
典型黄土是一种结构性土，具有大孔隙、弱胶结的架空结构特征，在我国黄土高原地区分布广泛。黄土在强震作用下具有强烈的地震易损性，其中震陷性是黄土最典型的灾害特性之一。黄土震陷除使自身宏观强度及变形特征发生改变、极易引发土体整体失稳与破坏之外[2]，还会产生降低桩摩阻力等工程问题[3]，因此受到国内外科研和工程技术人员的广泛关注。针对黄土震陷机理、评价和防治等方面，不同学者开展了大量的研究工作。在黄土震害调查方面，陈永明等[4]、张振中等[5]对1995年永登5.8级地震诱发的黄土震陷灾害开展了全面的调查研究。对于震陷影响因素方面，Prakash深入研究了美国中部黄土的液化特性，研究了该地区的抗液化能力受物性指标和粒径分布的影响[6]。主要考虑黄土不同的物理性质、加载条件等，确定了各物性指标及荷载参数对黄土震陷特性的影响效应[7-9]，以及黄土震陷性的区域变化规律[10-13]。部分学者研究了黄土震陷的微观机制[14-15]，提出了黄土震陷的评价模型和方法[16-18]，同时对黄土震陷引发的次生灾害的灾变机理与破坏模式进行了研究[19]，这些研究成果在典型工程及重要城镇的震害预测和抗震设防中得到应用[20]。在黄土震陷的防治方面，从土性改良[21]和地基处理[22-23]等方面开展了大量研究，为重大工程的抗震设防提供了依据。上述大量研究成果，为黄土震陷灾害的评价和预测提供了重要的理论依据。
富平县地处渭河盆地和鄂尔多斯地台的连接带，区内地震构造背景复杂，黄土分布广泛，黄土场地的震陷危险性较高。本文以富平县城市总体规划建设用地和富阎新区规划范围为研究区，通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，确定研究区的地震工程地质条件，采用地震危险性概率分析方法确定研究区不同超越概率水平的地震动参数，基于大量黄土动三轴试验确定区内不同地貌单元及不同地层黄土的震陷特性。在此基础上，研究确定区内黄土场地的震陷小区划，研究结果可为富平县的防震减灾工作提供科学依据。
1. 富平县地震工程地质条件
研究区位于陕西省中部，关中平原和陕北高原的过渡地带，属渭北黄土高原沟壑区，其具体位置如图1所示。区内地形总体西北高东南低，地势比较平坦，相对高差小于200 m。为查明研究区的地层结构及岩土体类型，共布设了199个钻孔，其中断层控制孔79个，场地控制孔117个，已有钻孔3个，钻孔深度主要为80～100 m。
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图 1 渭北黄土高原地质地貌图及研究区位置Figure 1. Location and geological and geomorphological map of the study area根据资料收集、野外调查、现场勘察和资料分析，确定了研究区的地震工程地质条件。研究区内发育有3条断裂，断裂名称及活动时代分别为：淡村—龙阳断裂（Qp）、三井—乔家断裂（Qh）和口镇—关山断裂（Qp）。区内主要分布有黄土塬和河流阶地两大地貌类型，具体包括荆山塬、华阳塬、浮塬，温泉河漫滩和一级阶地，石川河漫滩和一、二、三至四级阶地，渭河二级阶地，研究区地质地貌图如图2所示。
场地内的岩土体类型主要为黄土类土、粉质黏土、粉土、砂土、卵石及人工填土等。各地貌单元的地层结构如图3所示。由图可见：在钻孔揭露深度范围内，黄土塬为黄土—古土壤的互层结构；石川河三—四级阶地为含3～5层古土壤的黄土地层（厚30～40 m）覆盖在河流相地层之上；石川河二级阶地上覆黄土层厚20多米，见1层古土壤；渭河二级阶地上覆黄土层30～40 m，见1层古土壤。在研究区分别布设有南北向（Ⅰ—Ⅰ’）及近东西向（Ⅱ—Ⅱ’）地质剖面，剖面详情具体见图4所示。
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图 3 不同地貌单元典型地层结构图Figure 3. Typical stratigraphic structure of different geomorphic units图5给出了研究区的等效剪切波速及地脉动卓越周期的平面分布图。由图可见，场地等效剪切波速均小于500 m/s，且基本大于250 m/s。其中温泉河河床及漫滩及渭河二级阶地的等效剪切波速较低，分别为256.4 m/s及275.4 m/s，石川河河床及漫滩的平均等效剪切波速最高，最大等效剪切波速为422.6 m/s，最小为271.6 m/s，均值为347 m/s。石川河一级阶地和二级阶地的平均剪切波速相差不多，三个黄土塬区的平均等效剪切波速基本一致。整个场地的平均卓越周期较稳定，各地貌单元场地平均卓越周期主要集中在0.30～0.38 s。
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图 5 研究区等效剪切波速及卓越周期分布图Figure 5. Distribution of equivalent shear wave velocity and predominant period in the study area在地震危险性概率分析的基础上，确定了研究区50年超越概率10%和2%的地震动参数区划图，具体见图6所示，各分区的地震动参数如表1所示。
表 1 不同超越概率地震动参数表Table 1. Table of ground motion parameters with different exceedance probabilities分区 50年超越概率10% 50年超越概率2% $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ A A2 0.195 0.50 2.5 0.9 0.360 0.70 2.5 0.9 B B1 0.220 0.45 2.5 0.9 B2 0.220 0.50 2.5 0.9 B3 0.220 0.55 2.5 0.9 0.380 0.80 2.5 0.9 B4 0.380 0.85 2.5 0.9 C C1 0.410 0.60 2.5 0.9 C2 0.410 0.70 2.5 0.9 注：${\alpha _{\max }} $为峰值加速度，Tg为特征周期，${\;\beta _{\max }} $为结构物加速度的放大倍数，$\gamma $为衰减系数 。 2. 黄土的震陷特性研究
本研究在不同地貌单元不同深度处采取黄土试样，开展黄土的震陷试验，据此研究黄土的震陷性。研究区黄土主要分布在黄土塬、石川河二级和三—四级阶地，以及渭河二级阶地，取样深度分别控制为5 m、10 m和15 m。室内动三轴试验采用K0固结，其固结压力根据上覆土体自重设置。激振动荷载采用正弦波，加载频率为1 Hz，加载循环周次为5次。
本次研究采用指数函数作为黄土的震陷模型，据此对黄土的震陷性进行拟合。模型表达式如式（1）所示。其中，A和B为试验参数，
$ {\varepsilon _{\rm{p}}} $ 为残余应变，$ {\sigma _{\rm{d}}} $ 为动应力。$ {\sigma _{{\rm{d}}0}} $ 为震陷起始动应力，$ {\sigma _{{\rm{du}}}} $ 为极限动应力。试验结果及其拟合曲线、拟合参数见图7。![]()
图 7 黄土震陷试验拟合曲线及参数Figure 7. Fitting curve and parameters of loess seismic subsidence test$$ {\varepsilon _{\text{p}}} = \left\{\begin{split} & 0\quad\quad\quad\quad\quad\;{(0\leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{d}}0}})} \\ & {A\exp (B{\sigma _{\rm{d}}})}\quad {({\sigma _{{\rm{d}}0}} \leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{du}}}})} \end{split}\right. $$ (1) 为了分析不同地貌单元黄土的震陷性差异，将不同地貌单元相同深度的黄土试样震陷曲线进行均值化处理，并进行对比分析，结果见图8所示。
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图 8 不同地貌单元黄土震陷曲线对比分析Figure 8. Comparison and analysis of seismic subsidence curve of loess in different geomorphic units由图可见：各个地貌单元的震陷曲线特征较为相似，随着黄土层深度增大，产生相同震陷所需的动应力越大。在相同动应力条件下，黄土台塬的震陷系数最小，其次为石川河三—四级阶地，石川河二级阶地最大。可见研究区低阶地黄土震陷性强，其次为高阶地，黄土塬震陷性最小。
图9给出了不同地貌单元黄土震陷拟合参数的对比，由图可见：同一地貌单元同一深度A、B值随着土层深度增大而减小，且同一地貌单元不同深度处的A、B值变化率基本在50%～65%。不同地貌单元在同一深度处的A、B值有所不同，黄土台塬最大，其次是石川河三—四级阶地，然后是渭河二级阶地，石川河二级阶地最小。
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图 9 不同地貌单元及不同深度黄土震陷拟合参数对比分析Figure 9. Comparative analysis of fitting parameters of loess seismic subsidence in different geomorphic units and depths3. 黄土场地震陷评价
研究区黄土场地主要为黄土-古土壤的层状结构，根据地形地貌条件按照水平层状模型将场地考虑为一维计算模型，用分层总和思想计算黄土场地的震陷量。根据各钻孔地层结构及各层土体物理力学参数，结合不同超越概率条件下地震动参数和相应土体震陷曲线，确定不同地层土体的震陷系数及钻孔震陷量。以此为基础开展研究区50年超越概率10%和2%的黄土震陷小区划，结果如图10所示。
由图可见：在50年超越概率10%条件下，场地轻微黄土震陷区主要分布于浮塬和渭河二级阶地，震陷面积约3.5 km2。中等黄土震陷区分布于浮塬及渭河二级阶地，震陷面积约3.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
50年超越概率2%条件下，场地轻微及中等震陷区主要分布于石川河二级阶地和浮塬上，轻微震陷区面积约5.3 km2。中等震陷区面积约15.7 km2。严重震陷区主要分布在浮塬、渭河二级阶地以及石川河三—四级阶地，石川河河床及漫滩也有较小范围分布，震陷面积约9.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
4. 结论
黄土震陷是黄土高原地区最典型的灾害之一，严重威胁着当地的经济建设和居民的生命财产安全。本文通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，对富平县黄土震陷特性及其区划特征进行了研究，主要结论如下：
（1）典型震陷曲线表现为初始变形、曲线变形及剪切变形三个阶段。不同深度黄土震陷曲线具有相似的变化规律。随着深度的增加，产生明显震陷所需的动应力越来越大，20m以下土样不具明显的震陷性。
（2）研究区内低阶地黄土震陷性较强，其次为高阶地，黄土台塬区黄土震陷性相对较小。通过综合分析研究区不同地貌单元黄土的震陷特性，建立的震陷曲线的分段函数数学模型精度较高，可为研究区其他区域的震陷预测提供参考。
（3）50年超越概率10%条件下，研究区内轻微、中等震陷区分布于浮塬和渭河二级阶地，其余黄土区属于不震陷区。50年超越概率2%条件，研究区内轻微及中等黄土震陷区主要分布在石川河三—四级阶地、浮塬和渭河二级阶地。严重震陷区主要分布在渭河二级阶地、石川河三—四级阶地和浮塬，其余黄土区属于不震陷区。根据震陷等级给出了研究区50年超越概率10%和2%水平下的黄土震陷小区划。可为富平县及富阎新区的城市规划及防灾减灾工作提供一定的依据。
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图 2 哈达沟地形地貌遥感影像特征图
Figure 2. Remote sensing image feature map of topography and geomorphology in the Hada gully
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图 6 哈达沟沟口处盖板桥涵特征图和腊普河主河
Figure 6. Culvert features and Lapu River at the outlet of Hada gully
表 1 哈达沟泥石流物源汇总统计表
Table 1 Summary of source of debris flow in Hada gully
物源类型 坡面侵蚀物源/104 m3 崩塌堆积物源/104 m3 沟床堆积物源/104 m3 合计/104 m3 总量 动储量 总量 动储量 总量 动储量 总量 动储量 数值 306.7 4.73 9.65 3.05 12.5 3.68 328.85 11.46 
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表 2 不同频率H24值表
Table 2 List of parameters and results of 24-hour rainstorm intensity of different precipitation frequencies in Hada gully
设计暴雨的频率P 倍比
系数KpH24p
/mm备注 100年一遇最大日暴雨量（P=1%） 2.11 116.05 云南省水文
手册查定50年一遇最大日暴雨量（P=2%） 1.92 105.6 30年一遇最大日暴雨量（P=3.33%） 1.79 98.45 20年一遇最大日暴雨量（P=5%） 1.67 91.85 10年一遇最大日暴雨量（P=10%） 1.47 80.85
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表 3 哈达沟泥石流流体重度查表法结果统计表
Table 3 List of parameters and results of basic characteristics of the Hada gully debris flow
易发程度
数量化评分易发程度
评价重度
/（t·m−3）平均重度
/（t·m−3）1+φ
（γh=2.65）97 易发 1.669 1.611 1.701
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表 4 不同频率下清水洪峰流量计算成果表
Table 4 List of parameters and results of peak flow discharge calculation at different precipitation frequencies in Hada gully
设计暴雨
频率/%流域汇流
时间/h平均1 h降雨强度
/（mm·h−1）最大清水流量
/（m3·s−1）1 2.74 42.97 35.95 2 2.42 39.15 31.75 3.33 2.21 36.34 28.81 5 1.99 34.13 26.36 10 1.66 30.11 22.22
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表 5 哈达沟泥石流流速计算表
Table 5 List of flow velocity results at different site location of the Hada gully debris flow
序号 平均泥深
/m泥位纵坡降
/‰流速系数 泥石流流速
/(m·s−1)1（形成区上部） 2.000 461 10 7.857 2（形成区中部） 2.000 416 10 6.633 3（形成区下部） 2.000 387 10 6.538 4（堵塞隐患点7） 2.000 361 10 6.447 5（堵塞隐患点6） 1.800 339 10 6.404 6（堵塞隐患点5） 1.800 332 10 6.340 7（堵塞隐患点4） 1.600 313 10 5.371 8（堵塞隐患点3） 1.600 311 10 5.364 9（堵塞隐患点2） 1.500 306 10 4.901 10（堵塞隐患点1
公路涵洞）1.500 296 10 4.869 11 1.500 285 10 4.832 12（全流域沟口处） 1.200 274 10 4.794
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表 6 哈达沟泥石流其他动态参数模型
Table 6 List of dynamic parameter model of the Hada gully debris flow
估算模型 计算的主要参数 设计暴雨频率/% 参数特征值 全沟域不同
频率下泥石流
流量/（m3·s−1）Qc= QB(1+φ)Dc
雨洪修正法[15]QB由表4所得，
φ=(γc−1)/(γh−γc)=0.633；
Dc取1.5，γc取1.62；γh取2.6。1.00 88.06 2.00 77.77 3.33 70.57 5.00 64.57 10.00 54.43 全沟域不同
频率下一次
泥石流总量/m3Q=0.264TQC《泥石流灾害防治工程勘查规范》
（DT/T0220－2006）附录I提供的计算公式[11]T=1800 s 1.00 17906.06 2.00 15818.86 3.33 14478.68 5.00 13132.24 10.00 11072.03 注：表中Qc是泥石流流量。
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表 7 泥石流基本特征汇总表
Table 7 Summary of basic characteristics of debris flow
特征项目 基本特征 分类 泥石流发生的地形条件 泥石流的发生、运动和堆积过程，在发育完整的沟谷内进行，可划分为形成水源区、流通区及堆积区 沟谷型泥石流 物质组成 主要为碎石土 泥石型 泥石流流体性质 堆积物松散，断面无明显的分选性；流体呈稀浆状，ρc=1.62 t/m3，固体物质ρH=2.6 t/m3。 黏性泥石流 固体物质提供方式 上部形成水源区主要为沟道堆积物源，中部流通区主要为崩滑堆积物源及沟道堆积物源 滑坡、崩塌 水体供给 雨量充沛，暴雨激发 暴雨泥石流 暴发频率 现场调查，资料统计，历年不同危害程度发生 中频泥石流 灾害严重程度 哈达村50户222人及启别村64户310人的生命财产安全，以及居民耕地多余0.52km2。并且威胁省道S303线香维公路的安全，总计威胁资产约5000万元，直接经济损失可达1000万元，潜在经济损失巨大。 大型 发展阶段 根据物源、坡度、不良地质现象、主河变形情况判定 发展期 成因 自然因素为主，人类活动影响较小 自然泥石流 规模 根据泥石流一次堆积总量 中型 综合分类 暴雨激发、沟谷泥石型、中型、中频发展期黏性泥石流
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表 8 下游涵洞泥石流流量计算成果
Table 8 List of parameters and results of sediment flush-out calculation of the Hada gully debris flow in downstream culverts
位置 设计暴雨频率
/%最大清水流量
/（m3·s−1）泥石流流量
/（m3·s−1）沟口涵洞 1 36.71 89.91 2 32.43 79.43 3.33 29.42 72.07 5 26.92 65.94 10 22.70 55.59
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表 9 泥石流危险度分级标准
Table 9 Classification standards of hazard level of debris flow
危险等级 轻度危险 中度危险 高度危险 极度危险 判别标准 0～0.35 0.35～0.6 0.6～0.85 0.85～1
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表 10 泥石流危险因子等级划分
Table 10 Classification of hazard factors of debris flow
评价因子 数值 等级 危险系数 0 0.4 0.7 1 泥石流规模y1/104 m3 2.48 ≤1 （1，10） [10，100） ≥100 0.4 松散物源量y2/104 m3 328.85 ≤10 （10，100） [100，200） ≥200 1 24 h最大降雨量y3/mm 80.85 ≤25 （25，50） [50，100） ≥100 0.7 泥石流发生频率y4/% 10 10 5 2 1 0 沟谷流域面积y5/km2 8.79 ≤0.5 （0.5，10） [10，35） ≥35 0.4 主沟长度y6/km 5.02 ≤1 （1，5） [5，10） ≥10 0.7 流域相对高差y7/km 1.46 ≤1 （1，1.5） [1.5，2） ≥2 0.4 不稳定沟床比降y8 0.461 ≤0.1 （0.1，0.3） [0.3，0.6） ≥0.6 0.7
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表 11 矩阵权重计算结果
Table 11 Summary of matrix weight calculation results of the Hada Gully debris flow
y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8 权重 y1 1 2 3 4 5 6 7 9 0.3698 y2 1/2 1 2 3 4 5 6 8 0.1849 y3 1/3 1/2 1 2 3 4 5 7 0.1233 y4 1/4 1/3 1/2 1 2 3 4 6 0.0925 y5 1/5 1/4 1/3 1/2 1 2 3 5 0.0740 y6 1/6 1/5 1/4 1/3 1/2 1 2 4 0.0616 y7 1/7 1/6 1/5 1/4 1/3 1/4 1 3 0.0528 y8 1/9 1/8 1/7 1/6 1/5 1/2 1/3 1 0.0411
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表 12 哈达沟泥石流危险分区评述
Table 12 Description of hazard zones for Hada gully debris flow
危险等级 区域范围 极危险区 哈达沟中下游段至沟口腊普河河边区域，主要为历史最高泥位线以下地区，面积约0.85 km2 危险区 河沟两岸崩塌、滑坡后缘裂隙以上50～100 m的范围，面积约0.19 km2 影响区 高于危险区与危险区相邻的地区，它不会直接与泥石流遭遇，但却有可能间接受到泥石流危害的
牵连而发生某些级别的灾害的地区，面积约0.27 km2
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