梁光模等：确定暴雨泥石流临界雨量的研究 ・３・ 确定暴雨泥石流临界雨量的研究木 梁光模姚令侃 ６１００３１） （西南交通大学土木工程学院 四川成都摘要 简述了根据泥石流发生频率和所在地区暴雨频率推求临界雨量的回归分析法，以及用泥 石流沟地质、地貌奈件推求临界雨量的聚类分析法；重点介绍利用泥石流形成机理、确定临界雨量方 法的原理和实施步骤；最后对三种方法的优缺点和适用范围进行了评述。 关键词 泥石流 临界雨量１ 引言 暴雨频率 临界小时雨强 川藏公路南线（境内）泥石流沟分布密集， 其中以降雨为主要触发因素的沟谷型泥石流沟有近 ４００条，对川藏公路危害严重。 确定每条泥石流沟形成泥石流临界降雨条件是开 展泥石流实时预报的技术关键。为确定发生泥石流的 临界雨量，内地省份常用的方法是在泥石流沟流域或 附近设立雨量观测点，通过长期降雨观察资料与泥石 流发生记录的分析比较，确定临界雨量条件。而川藏 公路沿线雨量观测点分布密度低，基本是一县才有一 个雨量观测点。这对大量无直接反映流域降雨资料的 沟谷，必须寻求较为现实的间接推算泥石流临界雨量 的方法，这就是本文拟解决的关键问题。 ２用泥石流及暴雨频率推求临界雨量 间的相关关系可建立以泥石流发生频率和暴雨频率作 为自变量Ｘ 和 、临界雨量为因变量Ｋ的方程 Ｋ＝ ．Ｘ１，Ｘｚ） （１） 泥石流临界雨量一般应包括前期累积降雨Ｒ ， 当场最大降雨小时雨强，舳和１０分钟雨强， 。。该方法 构造了一个新指标 来表征临界雨量，并导出了Ｋ和 上述各指标问的函数关系Ｇ，这使（１）式简化为单 因变量问题，同时当Ｋ值确定后其余的指标可据Ｇ求 得。 （Ｒ ，１６ｏ）＝Ｇ （Ｋ） （Ｒ ，，１０）＝Ｇ （ ） （２） （３） 在利用１８条沟的资料进行多元线性回归后，得 到反映 和 、 ：的关系式… Ｋ＝一０．１０ＸＩ＋０．０７３Ｘ２＋０．６０ （４） 式中Ｋ为反映临界雨量的指数，它与Ｒ 、，加、，ｌ０之 泥石流沟的临界雨量值较低，而该地区暴雨频率 较高，则达到或超过泥石流形成条件的机率越大，当 然泥石流发生的频率也较高，反之亦然。根据三者之 间的关系见表１；Ｘ，为泥石流发生频率，其取值方法 见表２；Ｘｚ为暴雨频率，按当地每年日降雨量≥５０ ｍｍ的暴雨频率取值。 表１ Ｋ与临界雨强和雨量的关系表 表２泥石流发生频率类型评分表 ３用地面条件相似分析确定临界雨量 ３．１相似选择法 本方法以模糊数学作为运算工具。设ｌ，为需考察 的泥石流沟， ～ 为比较样本的ｎ条泥石流沟， 则本方法的计算过程为两个步骤： 第一，应用模糊相似选择方法对Ｙ和ｎ个比较样 本的地面条件进行相似比较，找出优先相似度最高和 其次的比较样本 ，和Ｘ ，则利用ｙ和 、 的临界 雨量线之间的相似关系可定出Ｙ临界线的可能分布 范围。 国家自然科学基金西部重点项目（９０２０２００７），交通厅结合 工程建设科研项目（ＸＺＪＫ２００６—１）。 梁光模，男，硕士研究生。 第二，应用模糊综合评判方法对Ｙ和墨的严重 ・４・ 全国中文核心期刊 路基工程 ２００８年第６期（总第１４１期） 度进行大小比较，利用泥石流沟地面条件的严重度和 临界雨量之间的反比关系进行推理，最后可定出Ｙ的 临界雨量区 。 ３．２聚类分析法 该法根据的原理与法１相同，只是在作法上将待 求流域寻求其相似流域的过程发展为待求流域的模式 识别过程。即先将比较样本资料根据地面条件进行聚 类，对于划定的第一类都总结出该类临界雨量的特 征。对于某待求流域，则先根据地面条件识别它属于 （３）对于以Ⅱ型为主提供物质的沟谷，利用其 临界雨量位于Ｉ、Ⅲ型之间的规律，可先假定它是Ｉ 型沟谷，用法（１）求出的值作为真实雨量值的上限； 再假定它是ＩＩＩ型沟谷，用法（２）所求值作为真实临 界雨量值的下限。这样，上、下限之间的区间则作为 其实际Ｉ临界值的估计值。 （４）对于复合型沟谷，以最不利情况考虑，可 按Ⅲ型的方法处理。 现对川藏公路Ｋ４１０５＋４９０～＋５５０的泥石流沟进 何种类型，再以所在类型的Ｉ临界雨量特征作为其临界 雨量的估计值。这种方法可用模糊聚类法进行计算。 相似选择法在待求流域和比较样本位于同一区域 是有效的，聚类分析法则适用范围更广，但它对比较 样本的数量要求更多。 ４按泥石流形成机理确定临界雨量 泥石流流域内水和松散物质相互作用并由此产生 的作用及其变化是形成泥石流的最核心问题。如果从 流域坡面和沟道中固体物质参与泥石流的运动机理来 看，泥石流的形成机理可以划分为以水力作用侵蚀为 主和以重力侵蚀作用为主的四种不同类型。 ４．１沟床物质掀揭搬运动型（Ｉ型） 当沟道中的水流足够大时，沟床中的松散物质被 掀揭，水流固体物质含量浓度增大，以致流体从挟沙 水流转变为泥石流。这种泥石流的形成条件完全是一 种水动力过程。 ４．２坡面侵蚀沟床搬运型（Ⅱ型） 在Ｉ型作用的同时，地表径流将坡面上的物质冲 刷搬运至沟底，与沟床物质共同构成泥石流主要固体 物质来源。它基本上仍属于水力作用侵蚀型，但与Ｉ 型相比，形成泥石流临界水动力条件要求较低。 ４．３重力侵蚀型（Ⅲ型） 山坡和沟谷中的松散土体在降雨作用下饱和液化 后在自身重力作用下，沿坡面和沟床向下移动并最后 形成泥石流，这种情况下水作为输移动力，随着容重 的加大可减少到忽略不计的程度。 ４．４复合型 泥石流形成过程中上述三种情况同时出现的称为 复合型。对于具备上述三种泥石流形成自然条件的沟 谷，虽然可能只是随时问分布而出现上述三种情况， 也作为复合型形成条件为主的流域进行研究。 根据对Ｉ～Ⅲ型泥石流形成过程的理论研究和国 内发生泥石流实测资料的分析，均证明了Ｉ型泥石流 形成要求临界雨量条件最高，Ⅱ型次之，Ⅲ型最 低 ，利用这种形成机理不同而使得临界雨量有规律 分布的原理，可制定出确定临界雨量的方法。 （１）对于提供发生泥石流固体物质以Ｉ型为主 的沟谷，可利用高桥保提出的无限长坡面稳定条件的 公式和小流域清水汇流公式来推算出临界降雨条件。 （２）对以Ⅲ型为主提供固体物质的沟谷，利用 该类泥石流沟所设观测点较多的优势，可用前述泥石 流沟地面条件的相似分析法来确定临界雨量。 行分析，说明按形成机理确定临界雨量方法的应用。 该沟属东久河左岸支流，长约７ ｋｍ，汇水面积 约９ ｋｍ ，两岸谷坡３５。～５０。，沟槽中上游坡度 ３５０‰，下游坡度２８０‰，呈“Ｖ”形沟，属常年性 流水。该沟属于坡面侵蚀沟床搬运型的泥石流沟，可 按（３）中所述计算程序进行处理。 第一步：假定它是沟床物质掀揭搬运型——Ｉ型 沟谷，用法（１）求出它的临界雨量值，并以此值作为 它实际临界值可能取值的上限。 根据高桥保提出起因于溪床堆积物的泥石流，在 堆积物的表面受水流作用时，发生泥石流的临界水深 条件为 ｈ ：『 ｐｔｇＯ 一 Ｐ 一１ （５） 式中ｃ 为堆积体的体积浓度； 为砂砾密度；Ｐ为 水密度； 为内摩擦角；ｄ 为砂砾平均粒径；０为沟 床坡度。 再根据中国西南地区小流域暴雨径流计算公 式 ，则 毋 ＝ （６） 式中，６０为最大小时雨强；Ｑ。为断面流量；Ｆ为流 域面积；Ｃ 为产流系数；Ｙ 为径流函数；ｎ为短历 时暴雨衰减指数；ｈ为水深；Ｂ为河宽；Ｖ为断面平 均流速。 在该沟形成区选择一较顺直断面，用（５）式求 出临界水深ｈ。，将ｈ 代人（６）式，即可求出与之对 应的临界小时雨强，６０。本例：，６０＝４８．７ ｍｍ／ｈ。 该值即可为该沟真实临界小时雨强的取值上限。 第二步：假定它是重力侵蚀型——Ⅱ型沟谷，用 法（２）求出它的临界雨量值，并以此值作为它实际临 界值可能取值的下限。 在西南地区选择了一批有雨量观测资料的滑坡型 的泥石流沟作为比较样本，最后得知它和成昆铁路上 的一条泥石流沟——马场沟地面条件相似度最高。已 知马场沟发生泥石流临界小时雨强为，＾０＝４０ ｍｒｎ／ｈ， 此值即可为该沟真实临界雨强值的下限。 综合一、二步结论，再根据前述在地形地貌条件 接近的前提下，以Ⅱ型为主提供形成泥石流物质的沟 谷，其临界雨量低于Ｉ型沟谷而高于Ⅲ型沟谷的推 论，即可得出川藏公路上Ｋ４１０５＋４９０～＋５５０泥石流 沟临界小时雨强取值范围为，６０＝４０．０～４８．７ ｍｍ／ｈ。 芦军等：基于模量梯度变化的沥青路面结构力学分析 ・５・ 基于模量梯度变化的沥青路面结构力学分析水 芦 军 颜可珍 ， 江（１，长安大学公路学院陕西西安毅 ７１００６４；２，湖南大学土木工程学院） 摘要采用有限元法对无裂缝和带裂缝的沥青路面结构进行力学分析，研究了面层梯度对路面 结构的拉应力和应力强度因子ＫＩ和ＫⅡ的影响。结果表明，面层模量梯度越大，路面结构中的拉应力 和应力强度因子也越大，且ＫⅡ远大于 Ｉ。 关键词 沥青路面１ 弓ｌ言 模量梯度老化 表１ 路面结构及其参数表 沥青混合料是一种对环境非常敏感的材料，其力 学性能随气温等环境因素的变化而变化。由于面层材 料老化的影响，使其模量发生变化，进而影响路面结 构的受力变形性能 。李峰等 采用有限元法分析了 由于路面温度差异引起面层模量变化的沥青路面结构 的剪应力。Ｓｖａｓｄｉｓａｎｔ等 分析了不同老化程度的沥 青路面结构的应变特性。由于路面沥青层受老化或温 度的影响程度不同，老化后路面结构面层模量是沿深 度呈梯度变化的…。传统的沥青路面结构力学分析 时，大都假设面层为均匀模量，分析结果与实际受力 存在一定的差异 。为了弄清面层结构模量非均匀性 对路面力学特性的影响，本文采用有限元法对不同梯 度模量的沥青路面结构进行力学分析，其结果对路面 设计和路面破损机理分析都具有重要意义。 ２沥青路面力学分析 沥青路面由于受温度和老化的影响，路面结构的 模量实际呈梯度变化。本文在考虑这种变化时，将５ ｃｍ的面层分为５层，以每个分层的中间厚度处的Ｅ 来代替整个分层的Ｅ。为与按均匀变化时的计算结果 相比，取上面层中间深度处老化后的Ｅ与均匀变化一 样，这就保证了其中部深度老化程度是相同的，使计 算结果具有可比性。 计算时，路面结构参数见表１，面层各分层中间 深度处模量分布见表２～表４。 图１和图２为沥青面层模量呈梯度变化时路面结 构中表面拉应力与模量的关系曲线。图３为路面结构 中国博士后科学基金项目（２００７０４１１１１３）。 芦军，男，博士研究生。 ［１］姚令侃．用泥石流发生频率及暴雨频率推求临界雨量的探讨［Ｊ］．水土 Ｓ结语 保持学报，１９８８，２（４）：７２—７８． 本文介绍了三种确定泥石流临界雨量的方法。一 ［２］姚令侃．模糊相似选择在确定泥石流沟危险雨情区上的应用［Ｊ］．水土 保持通报，１９８６，６（６）：２１—３０． 般，频率法所得结果精度较高，但对泥石流发生频率 低的沟谷不宜应用。地面条件相似分析法在待求流域 邻近区域有较多沟谷可供选择，作为比较样本时效果 较好。而按形成机理的类型确定临界雨量的方法，仅 在待求流域成因明显可判时才能应用。 参考文献： ［３］谭万沛．泥石流沟的临界雨量线分布特征［Ｊ］．水土保持通报，１９８９，９ （６）：２１—２６． ［４］Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｔ．Ａ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｍｕｄ—Ｄｅｂｒｉｓ Ｆｌｏｗｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ ＣｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｉｎＭｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｎｎｕａｌｓ ｏｆＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉ－ ｔｕｔｅ．１９７７，２０（Ｂ一２）：４０５—４３５． ［５］黄文俊，吴学鹏，王家服．小流域设计洪峰流量计算参数的综合研究 ［Ｊ］．铁道学报，１９８８，１０（３）：３６—４６． 收稿１７１期：２００７—０９—１３
