汶川震區(qū)窄陡溝道型泥石流動(dòng)力學(xué)特性及堵江分析
——以都汶高速沿線磨子溝為例*

韓　玫　胡　濤　王　嚴(yán)　洪美玲

(①西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院　成都　610031)

(②西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院　成都　610031)

(③成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院　成都　610031)

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汶川震區(qū)窄陡溝道型泥石流動(dòng)力學(xué)特性及堵江分析
——以都汶高速沿線磨子溝為例*

韓玫①②胡濤③王嚴(yán)②洪美玲②

(①西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院成都610031)

(②西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院成都610031)

(③成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院成都610031)

在汶川震區(qū)溝道型泥石流中，普遍存在一種窄陡溝道類(lèi)型，窄陡溝道型泥石流具有溝道縱坡陡、平均寬度窄、流域面積小的地形特點(diǎn)，在震區(qū)容易瞬間匯流形成大規(guī)模突發(fā)性泥石流災(zāi)害。結(jié)合四川省都汶高速沿線2013年“7·10”特大群發(fā)性泥石流，重點(diǎn)以窄陡溝道型的磨子溝泥石流為實(shí)例，針對(duì)該泥石流對(duì)都汶高速、岷江等造成的沖擊淤埋及堵塞問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查泥石流形成條件和發(fā)育特征，采用大型流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件CFX模擬再現(xiàn)50年一遇暴雨頻率下此類(lèi)窄陡型泥石流的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，分析其危險(xiǎn)范圍、評(píng)價(jià)其沖擊都汶高速橋梁，堵塞岷江，淹沒(méi)岷江兩岸居民安置點(diǎn)的破壞性影響，為提出針對(duì)性的泥石流防治工程措施提供依據(jù)。

窄陡溝道泥石流危險(xiǎn)區(qū)堵江

0　引　言

“5·12” 汶川地震后，受特大地震對(duì)山體的震裂效應(yīng)影響，在暴雨條件下時(shí)常形成滑坡及泥石流，而在極端暴雨條件下出現(xiàn)的群發(fā)性、超大型泥石流堵(溝)江事件，更因堵(溝)江瞬間潰決導(dǎo)致泥石流規(guī)模放大而對(duì)沿途人民生命財(cái)產(chǎn)造成毀滅性破壞(胡卸文等，2015)。在汶川震區(qū)，普遍存在一類(lèi)窄陡溝道型泥石流，這種溝道類(lèi)型的泥石流雖然流域面積相對(duì)較小，但因縱坡陡、溝道狹窄，容易瞬間匯流形成突發(fā)性泥石流，具有流速快、溝口沖出規(guī)模大、迅速?zèng)_淤、迅速堵江而形成一系列重大危害的特點(diǎn)，時(shí)常導(dǎo)致溝口建筑物遭受毀滅性影響。因此系統(tǒng)開(kāi)展窄陡溝道型泥石流沿途動(dòng)力學(xué)特征、尤其是溝口沖淤變化、可能堵江及其導(dǎo)致的災(zāi)害鏈影響，對(duì)相應(yīng)治理工程措施以及建筑物合理布置具有重要的指導(dǎo)意義。

在以往關(guān)于泥石流的研究中，胡卸文等(2016)指出在汶川地震災(zāi)區(qū)存在一類(lèi)溝道縱坡坡降過(guò)陡的泥石流、往往溝道狹窄，其水動(dòng)力作用強(qiáng)，需要對(duì)治理工程方案進(jìn)行有效的組合；楊東旭等(2015)通過(guò)對(duì)5大片區(qū)泥石流溝資料的統(tǒng)計(jì)分析，提出了狹陡型泥石流的概念，分析了其在形成、活動(dòng)及危害等方面的典型特征，以及相應(yīng)的防治對(duì)策；Tie(2013)以流域面積較小、縱坡坡降較陡的瀘定縣干溝泥石流為例，通過(guò)引入速度衰減系數(shù)，預(yù)測(cè)泥石流的沖出距離，從而判別泥石流是否堵江；莊建琦等(2012)利用水文模型計(jì)算不同頻率下的泥石流規(guī)模，計(jì)算堵江危險(xiǎn)度值，得到了泥石流堵江的臨界閾值；劉翠容等(2013)針對(duì)岷江流域泥石流的特點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，運(yùn)用量綱分析法，給出了計(jì)算堵江程度的非線性表達(dá)式。

總體而言，對(duì)窄陡溝道型泥石流的研究已有所涉及，但不夠系統(tǒng)深入，尤其是泥石流暴發(fā)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性、溝口堵江與否及相應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)范圍界定則相對(duì)較為薄弱。

本文以都汶高速沿線磨子溝泥石流為例，在進(jìn)行詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，采用CFX流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)磨子溝50年一遇暴發(fā)頻率的泥石流動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，反演“2013-7-10”磨子溝泥石流堆積泛濫的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，獲取危險(xiǎn)區(qū)范圍以及堵江長(zhǎng)度、堰塞壩壅高值等堵江基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)都汶高速橋梁、G213線以及溝口對(duì)岸安置點(diǎn)所受破壞性影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步歸納出窄陡溝道型泥石流的危害特征及防治對(duì)策，具有實(shí)際借鑒意義。

1　汶川震區(qū)窄陡溝道型泥石流基本特點(diǎn)

2013年7月10日，汶川縣境內(nèi)普降特大暴雨，導(dǎo)致都汶高速沿線17條重點(diǎn)泥石流溝相繼暴發(fā)。其中以磨子溝為代表的多條窄陡溝道型泥石流沖擊都汶高速橋面橋墩、壅堵岷江、回水淹沒(méi)附近居民安置點(diǎn)而造成嚴(yán)重危害。

1.1窄陡溝道型泥石流發(fā)育特征

都汶高速沿線窄陡溝道型泥石流多為深切割的“v”型谷，總體上具有岸坡陡峻，切割深度大的特點(diǎn)。發(fā)育特征為：流域面積小于10km2，溝床平均縱坡降大于300‰，流通區(qū)平均寬度小于30m。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，都汶高速沿線“7·10”磨子溝、華溪溝、瓦窯溝等均為典型的窄陡溝道型泥石流(表1)。這種溝道條件決定該類(lèi)泥石流的沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主，在大規(guī)模暴雨洪水作用下，其沖刷作用將進(jìn)一步加強(qiáng)。

表1　“7.10”窄陡溝道型泥石流相關(guān)參數(shù)

Table 1　The parameters of the debris flow with narrow-steep channels on July 10, 2013

泥石流溝磨子溝華溪溝瓦窯溝張家坪溝連山大橋蘇村溝福堂溝流域面積/km27.410.391.211.620.75.791.12平均縱坡降/‰424287646494483445655寬度/m5～305～2510～305～2210～255～2515～40

1.2磨子溝泥石流概況

作為窄陡溝道型泥石流的代表，磨子溝位于汶川縣綿虒鎮(zhèn)羊店村，岷江左岸，距綿虒場(chǎng)鎮(zhèn)約7km，溝口前緣有都汶高速公路和G213國(guó)道通過(guò)(圖1)。

圖1　磨子溝流域全貌Fig.1　An overview photograph of Mozi gully basin

圖2　磨子溝泥石流流域示意圖(引自Google earth)Fig.2　Schematic diagram of Mozi debris flow basin(citation from Google Earth)

磨子溝流域形態(tài)呈喇叭形，流域面積7.5km2，平均坡降為424‰，溝道寬度為5～30m，具有典型的窄陡溝道特點(diǎn)。溝道平均縱向長(zhǎng)度4.8km，支溝較發(fā)育，流域內(nèi)水系呈樹(shù)枝狀分布(圖2)。流域內(nèi)最高海拔3208m，最低海拔1173m，相對(duì)高差2035m，溝道總體沿東西展布，溝口呈N10°W流向匯入岷江。

磨子溝溝域內(nèi)松散固體物源較豐富。根據(jù)勘查統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，磨子溝流域內(nèi)物源靜儲(chǔ)量647.5×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量170.7×104m3，其中崩塌堆積物源占總物源量的76.0%、動(dòng)儲(chǔ)量的88.2%。崩塌堆積物源主要為 “5·12” 地震崩落的碎塊石土，最大粒徑可達(dá)18m，分布在溝谷陡坡坡腳及斜坡地帶，結(jié)構(gòu)松散、無(wú)膠結(jié)，穩(wěn)定性差，其參與泥石流活動(dòng)方式主要有坡面沖刷、切腳、拉槽下切等。

以磨子溝為代表的窄陡溝道型泥石流，在陡峭的地形和重力侵蝕下利于快速匯水，泥石流啟動(dòng)動(dòng)力充足。2013-7-10磨子溝泥石流一次性沖出固體物質(zhì)達(dá)42×104m3，并堵塞岷江長(zhǎng)度近100m(圖3、圖4)，溝口形成長(zhǎng)約150m，寬約170m，面積2.55×104m2的堆積扇(圖5)，抬高岷江河床7m，淹沒(méi)G213草坡4號(hào)橋及道路近1000m，沖擊影響都汶高速公路大橋8跨約250m；回水淹沒(méi)溝口對(duì)岸安置點(diǎn)房屋42戶，距離都汶高速橋面約160m，整個(gè)岷江沿線公路等重要工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)降低，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000萬(wàn)元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笥炅空镜臄?shù)據(jù)對(duì)比分析，“7·10”磨子溝溝域范圍內(nèi)的平均降雨量超過(guò)50年一遇。

圖3　磨子溝泥石流沖擊都汶高速公路橋墩并堵塞岷江Fig.3　The Mozi gully debris flow impacted the Duwen freeway and blocked the Minjiang River

圖4　磨子溝泥石流堵塞岷江后上游回水淹沒(méi)居民安置點(diǎn)及G213國(guó)道Fig.4　The residents of settlements and the G213 submerged by the upstream water after the blockage the Minjiang River by Mozi gully debris flow

圖5　磨子溝2013-07-10泥石流溝口堆積扇Fig.5　The deposition fan of Mozi gully on July 10，2013

2　窄陡溝道型泥石流動(dòng)力學(xué)過(guò)程數(shù)值模擬條件

由于磨子溝流域溝道為典型的窄陡“v”型谷，即使在2013-7-10泥石流發(fā)生后，溝域內(nèi)仍存在震后殘留的豐富松散物源，具備發(fā)生大型泥石流的條件，因此集中暴雨匯聚后形成的泥石流會(huì)以很快的速度沖出，進(jìn)入岷江并堵塞主河道，到達(dá)都汶高速橋墩及橋面位置，并進(jìn)一步?jīng)_擊泛濫造成更大威脅。為了充分掌握窄陡型溝道泥石流動(dòng)力學(xué)過(guò)程，尤其是進(jìn)入主河道的堆積泛濫范圍，借助大型流體計(jì)算軟件ANSYS CFX模擬反演磨子溝泥石流2013-7-10遭遇50年一遇降雨時(shí)的危險(xiǎn)范圍，分析其對(duì)都汶高速大橋、岷江及其對(duì)岸居民安置點(diǎn)的沖淤、堵塞、淹沒(méi)等破壞性影響。具體模擬范圍(圖6，方框線所圍區(qū)域)。

圖6　模擬范圍及其所在位置示意圖Fig.6　Simulation range and its location

2.1CFX流體軟件簡(jiǎn)介

CFX是一款功能強(qiáng)大的CFD(Computational Fluid Dynamics)工程分析軟件。它是以流體力學(xué)，數(shù)值分析、離散數(shù)學(xué)等作為理論基礎(chǔ)，以電子計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬分析(王福軍，2004)。

CFX軟件是由多個(gè)軟件模塊構(gòu)成的軟件包，包含的4個(gè)功能模塊分別是前處理器、求解器、求解管理器和后處理器。模擬計(jì)算過(guò)程包括如下幾個(gè)階段：

(1)創(chuàng)建模擬區(qū)域的幾何模型并劃分網(wǎng)格；

(2)前處理：用來(lái)定義求解問(wèn)題中流體介質(zhì)的屬性、計(jì)算區(qū)域的邊界條件、求解參數(shù)、迭代步數(shù)等問(wèn)題；

(3)求解：代數(shù)方程組的迭代求解過(guò)程，期間會(huì)反饋信息，顯示求解信息；

(4)后處理：對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以云圖、等值面、動(dòng)畫(huà)等方式直觀展示。

2.2基于CFX 的磨子溝泥石流數(shù)值模擬

2.2.1假設(shè)條件及模型建立

借助CFX流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)磨子溝泥石流的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，依據(jù)軟件特點(diǎn)做以下假設(shè)：泥石流流體模型設(shè)定為均質(zhì)單相流。

與泥石流接觸的溝道、橋梁等均視為剛體，在接觸過(guò)程中不發(fā)生形變；不考慮泥石流流動(dòng)過(guò)程中與外界進(jìn)行的熱量交換(韓玫，2016)。

為了模擬反演磨子溝“7·10”泥石流運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程，分析其對(duì)都汶高速橋梁、岷江及沿岸居民安置點(diǎn)的影響。本次模擬建立的三維模型范圍包括泥石流溝口段及相關(guān)建筑(圖7)，平面范圍為500m(長(zhǎng))×350m(寬)，高度20m，使用ICEM CFD對(duì)模型進(jìn)行全四面體網(wǎng)格劃分。

圖7　磨子溝出口處溝道三維模型Fig.7　The 3D model of the Mozi gully on export site

2.2.2泥石流流體基本參數(shù)確定

2.2.2.1泥石流流體密度

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，磨子溝“7·10”泥石流主溝道中多為塊碎石，但溝道兩側(cè)崩坡殘積中細(xì)顆粒含量較多，屬于黏性泥石流。參照“7·10”泥石流的性狀，在磨子溝中下游堆積區(qū)取樣配漿，經(jīng)泥石流目擊者認(rèn)定后進(jìn)行稱(chēng)重，計(jì)算漿體的質(zhì)量與體積的比值，從而得到泥石流流體密度為γc=1.759t·m-3，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配制的泥石流樣品進(jìn)行顆粒分析得到泥石流固體顆粒容重為γH=2.65t·m-3。

2.2.2.2泥石流流變模型

流變模型是反映流體流變特性及其變化過(guò)程的力學(xué)模型。泥石流流變特性反映了泥石流流體在遭受剪切變形時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。本次數(shù)值模擬選取適合描述黏性泥石流流體的賓漢模型作為流變模型(錢(qián)寧，1989)。

賓漢模型是尤金·賓漢于1919年提出的一種理想的非牛頓流體模型，在承受外力較小時(shí)物體發(fā)生塑性流動(dòng)，而當(dāng)外力超過(guò)屈服應(yīng)力τ時(shí)，流體就會(huì)產(chǎn)生黏性流動(dòng)。其數(shù)學(xué)模型表述為：

(1)

τB是由細(xì)顆粒絮凝作用或顆粒間的相互摩擦作用所形成，反映了懸浮液的濃度較低或細(xì)顆粒的含量；η表現(xiàn)的是漿體的黏稠程度，主要受泥石流漿體的濃度及顆粒級(jí)配的影響。

屈服應(yīng)力τB的計(jì)算參考費(fèi)祥俊等(2004)通過(guò)對(duì)黃河泥沙懸浮液的流變?cè)囼?yàn)得到的計(jì)算公式：

(2)

(3)

(4)

式中，Sv為泥石流體中固體顆粒所占的體積比，即體積濃度；Svm為泥石流可形成懸浮液時(shí)固體顆粒度含量最大值，即極限濃度，反映了懸浮液顆粒組成的特性；Sv0為懸浮液從牛頓體轉(zhuǎn)變到非牛頓體的臨界濃度；B為常數(shù)，根據(jù)此溝泥石流流體特點(diǎn)，取值為8.45。

漿體的體積濃度Sv采用下式計(jì)算：

(5)

極限濃度Svm的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式(錢(qián)寧，1989)為：

(6)

其中，di為顆粒級(jí)配曲線中某一級(jí)配組粒徑的平均值(mm)；ΔPi為這一級(jí)配組顆粒占所有顆粒的百分比。對(duì)模擬區(qū)溝道內(nèi)堆積的碎石土顆粒進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑d<0.01mm 的泥石流顆粒比為17.8%，據(jù)此計(jì)算得Svm=0.47。各參數(shù)取值(表2)。

表2　泥石流流變參數(shù)

Table 2　Rheological parameters of the debris flow

SvSvmετB/Pa0.460.470.74228.2

根據(jù)配漿試驗(yàn)結(jié)果，磨子溝泥石流為黏性泥石流，黏滯系數(shù)的選取基于經(jīng)驗(yàn)值類(lèi)比并參考表3(李培基等，1982)，取值為η=2.66Pa·s。

表3　容重與黏滯系數(shù)的關(guān)系

Table 3　Relation of density and viscosity coefficient

容重/g·cm-3<1.51.5～1.8>1.8黏滯系數(shù)/Pa·s<0.50.5～3.0>3.0

2.2.2.3泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括流速、流量、沖擊力等。其中泥石流的峰值流量利用雨洪法計(jì)算獲取，根據(jù)磨子溝泥石流沿途地震滑坡堵塞溝道狀況，并結(jié)合堵塞系數(shù)取值表(游勇等，2010)，取堵塞系數(shù)DC=3.5，從而計(jì)算得到磨子溝在50年一遇暴雨頻率下暴發(fā)的泥石流峰值流量為Qc=357.4m3·s-1，以此作為數(shù)值模擬前處理階段泥石流入口邊界流量。

2.2.3邊界條件

CFX中的邊界條件主要有入口、出口、自由流出口、壁面、對(duì)稱(chēng)這5種類(lèi)型(王福軍，2004)。在對(duì)磨子溝泥石流流體域建模時(shí)，進(jìn)口邊界設(shè)定為模擬區(qū)上游邊界入口，出口邊界為下游邊界出口，壁面邊界為溝道兩側(cè)山體地表面，上部為開(kāi)放式邊界(韓玫，2016)。

2.2.4設(shè)定模擬時(shí)間及流量

受CFX軟件模擬時(shí)間的限制，本次模擬依據(jù)磨子溝泥石流實(shí)際暴發(fā)時(shí)長(zhǎng)，選取其暴發(fā)過(guò)程中某一時(shí)段來(lái)研究泥石流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為瞬態(tài)問(wèn)題求解。

據(jù)野外實(shí)地勘查和訪問(wèn)，2013年7月10日上午7時(shí)磨子溝開(kāi)始暴發(fā)大規(guī)模泥石流，持續(xù)至9時(shí)30分結(jié)束，歷時(shí)約150min，一次性沖出固體物質(zhì)達(dá)42×104m3。

為再現(xiàn)“7.10沖磨子溝泥石流暴發(fā)狀況，兼顧軟件計(jì)算量的限制，本次模擬設(shè)計(jì)的流量曲線將充分依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，模擬時(shí)間設(shè)定為1800s，時(shí)間步長(zhǎng)為1s，并設(shè)置每隔10s保存一次結(jié)果文件。進(jìn)出口邊界流量曲線設(shè)計(jì)中，初始時(shí)刻(t=0)流量設(shè)置為洪水流量，流量最大值在10min左右達(dá)到，取值依據(jù)“7·10”磨子溝泥石流的峰值流量。

求解過(guò)程監(jiān)視的進(jìn)出口質(zhì)量流量(體積流量和流體密度的乘積)曲線如圖8所示，由于磨子溝泥石流窄陡的溝道特點(diǎn)，泥石流漿體運(yùn)動(dòng)速度較快，在較短時(shí)間內(nèi)就有部分漿體從出口流出，因此出口流量曲線在時(shí)間上滯后的特征不明顯。

圖8　進(jìn)、出口質(zhì)量流量曲線Fig.8　Mass flow curve of inlet and outlet

3　窄陡溝道型泥石流運(yùn)動(dòng)學(xué)特征數(shù)值模擬結(jié)果

3.1泥石流動(dòng)力過(guò)程分析

選擇時(shí)刻t=10s，30s，50s，650s，1300s，1800s時(shí)磨子溝泥石流泛濫堆積的范圍及液面速度云圖(圖9)來(lái)分析泥石流運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

t=10s時(shí)，由于溝道坡降較大，泥石流以較快的速度從入口邊界進(jìn)入，向前推進(jìn)90m(圖9a)，到達(dá)溝口堆積扇頂部，泥石流流速普遍分布在13.3～17.1m·s-1，整體推進(jìn)速度為15.2m·s-1。

t=30s時(shí)，泥石流繼續(xù)向前推進(jìn)至距離入口邊界210m處(圖9b)，漿體進(jìn)入岷江，由于岷江河床坡降較緩，泥石流整體推進(jìn)速度降低至12.7m·s-1。

t=50s時(shí)，泥石流在岷江河道內(nèi)的淤積范圍繼續(xù)擴(kuò)大至模擬區(qū)中下游都汶高速橋墩處，并抵達(dá)溝口對(duì)岸的居民安置點(diǎn)附近(圖9c)，此時(shí)距離溝口長(zhǎng)度約250m處，淤埋寬度約300m。泥石流漿體從都汶高速橋下通過(guò)，到達(dá)對(duì)岸居民安置點(diǎn)后開(kāi)始分流，由于橋墩的阻擋，泥石流的平均流速進(jìn)一步降至10.5m·s-1。

t=650s時(shí)，由于泥石流漿體受到都汶高速橋梁以及對(duì)岸居民安置點(diǎn)的阻擋影響，漿體堆積高度達(dá)到10余米，大量泥石流漿體翻越都汶高速橋面，并淤埋岷江對(duì)岸居民安置點(diǎn)(圖9d)，淤埋漫流范圍達(dá)到長(zhǎng)度310m，寬度350m。由于溝口堆積扇及岷江河床處平均縱坡降差異較大，泥石流流速的分布范圍為2.1～18.5m·s-1。

t=1300s時(shí)，泥石流從溝道沖出的整體速度約為16.9m·s-1，然而在岷江河道內(nèi)漫流的整體速度約為1.8m·s-1，此時(shí)仍有部分泥石流漿體翻越都汶高速橋面，一些漿體由于來(lái)不及在岷江河道內(nèi)鋪床而從出口流出，淤埋范圍沒(méi)有持續(xù)增長(zhǎng)(圖9e)。

t=1800s時(shí)，由于泥石流峰值流量早已過(guò)去，同時(shí)沖出溝口泥石流的速度大于河道內(nèi)鋪床泥石流速度，泥石流漿體較快從出口流出，在岷江河道內(nèi)的鋪床范圍進(jìn)一步變小，最終泥石流停止運(yùn)動(dòng)(圖9f)。

綜合以上分析，磨子溝泥石流具有流速高、沖擊力大、迅速?zèng)_淤、迅速堵江的特點(diǎn)。

由于受軟件限制，本次模擬中的流體假定為均質(zhì)單向流，未考慮岷江水流參與運(yùn)動(dòng)的情況，從而模擬結(jié)果出現(xiàn)泥石流在岷江內(nèi)淤積面積增長(zhǎng)較快，堵江迅速等特點(diǎn)。然而，由于岷江右岸磨子溝下游的華溪溝泥石流先于磨子溝暴發(fā)泥石流并堵江，致使江水流速較慢，加之磨子溝泥石流沖擊速度較快，岷江江水對(duì)泥石流的運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程影響有限。

3.2泥石流溝口沖淤掩埋范圍模擬比較

磨子溝“7·10”泥石流漿體進(jìn)入岷江后淤積嚴(yán)重且堵斷岷江，同時(shí)在泥石流過(guò)后可見(jiàn)都汶高速橋面和橋墩之間夾有石塊(圖10)，由此可以判斷泥石流漿體已經(jīng)達(dá)到橋面高度，在現(xiàn)有地形條件下必然翻越橋面。同時(shí)，泥石流堵塞岷江形成的堰塞湖水位抬升導(dǎo)致沿河居民安置點(diǎn)遭洪水淹沒(méi)，這些都與數(shù)值模擬結(jié)果相符。本次模擬結(jié)果中泥石流的危險(xiǎn)區(qū)范圍，選取了t=700s時(shí)刻，出口邊界流量最大時(shí)泥石流的泛濫范圍(圖11)，與“7·10”泥石流的實(shí)際堆積范圍(圖5)基本吻合。

圖9　磨子溝50年一遇暴雨頻率下泥石流淤埋范圍及液面速度云圖Fig.9　Inundation range and liquid surface velocity contour of the Mozi gully debris flow once in 50 yearsa.t=10s；b.t=30s；c.t=50s；d.t=650s；e.t=1300s；f.t=1800s

圖10　磨子溝泥石流沖擊淤埋都汶高速橋墩Fig.10　The Mozigully debris flow impacted and buried the piers of Duwenfreeway

圖11　t=700s時(shí)刻泥石流溝口堆積扇部位淤埋范圍及液面速度云圖Fig.11　The inundation range and contour of the debris flow velocity on liquid surface(t=700s)

3.3磨子溝泥石流堵江程度評(píng)價(jià)

位于磨子溝溝口岷江段河床平均坡降80‰，河面寬度為80～100m，“7·10”磨子溝泥石流暴發(fā)時(shí)，當(dāng)?shù)厮畡?wù)局實(shí)測(cè)岷江流量(表4)。

表4　2013“7.10”岷江磨子溝段洪水流量

Table 4　Flood discharge of Minjiang River at Mozigullysection on July 10th，2013

序號(hào)時(shí)間流量/m3·s-112013-7-10,5:0068422013-7-10,6:0072632013-7-10,7:0062642013-7-10,8:0062652013-7-10,9:0076262013-7-10,0:00819

根據(jù)四川省阿壩州水文水資源勘測(cè)局計(jì)算綿虒鎮(zhèn)磨子溝溝口岷江段多年平均洪峰流量(表5)。

表5　磨子溝溝口岷江段多年平均洪峰流量表

Table 5　Average flood discharge of Minjiang River at Mozigully

降雨頻率P/%12510洪峰流量Qp/m3·s-13190290025102210

由表4、表5，可見(jiàn)2013年“7·10”磨子溝泥石流發(fā)生時(shí)，岷江磨子溝段的流量為626～819m3·s-1，遠(yuǎn)小于其P=10%的流量，僅為汛期洪水。

由于磨子溝泥石流具有窄陡型溝道特點(diǎn)，在岷江寬度較小、流量不大的情況下，泥石流體能夠快速進(jìn)入岷江，當(dāng)泥石流一次匯入主河的固體物質(zhì)量較大并淤塞時(shí)，淤塞體會(huì)造成主河河道截流，抬高河床，壅高水位而造成淤埋和潰壩危險(xiǎn)。

泥石流阻塞主河的程度用R表示，物理意義即為堰塞壩長(zhǎng)度與主河寬度比值。R的取值(劉翠容等，2013)與泥石流容重γs、泥石流峰值流量Qc、泥石流流速v、泥石流溝的寬度b、主河流量Q、主河流速u(mài)、主河寬度B、主河水深H及泥石流入?yún)R體積Vs等因素的非線性關(guān)系如下：

(7)

其中

(8)

(9)

Q=KTQc

(10)

此處一次泥石流過(guò)流總量Q的計(jì)算采用修正五邊形法，根據(jù)流域面積選取修正系數(shù)K值，T為泥石流模擬時(shí)長(zhǎng)，溝口段泥石流的流速v的取值參考t=700s時(shí)刻的數(shù)值模擬結(jié)果，岷江洪水流速由姜射壩水文站觀測(cè)得到，磨子溝溝道寬度與岷江水深由“7·10”泥石流發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)勘查所得剖面圖獲取。

各參數(shù)的取值如下：

表6　泥石流堵江程度計(jì)算

Table 6　River blocking degree of the debris flow

u/m·s-1v/m·s-1H/mb/mKT/sQc/m3·s-1R1.8164200.1139000357.40.91

計(jì)算結(jié)果為R=0.91，即堵江寬度達(dá)到岷江河寬的91%，這與“7·10”泥石流堵江程度基本吻合。說(shuō)明利用數(shù)值模結(jié)果中的速度值來(lái)計(jì)算堵江程度是可行的，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

3.4磨子溝泥石流堵江回水淹沒(méi)范圍模擬

泥石流堰塞壩體阻塞主河可抬高河床，壅高水位，從而對(duì)河岸以及更大范圍的各類(lèi)建筑等造成淹沒(méi)淤埋的危害(圖11)，因此科學(xué)估算水位壅高值，進(jìn)而分析泥石流的回水淹沒(méi)范圍，是泥石流堵江災(zāi)害防治工作中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由實(shí)際勘察，2013年“7.10”磨子溝泥石流堵江形態(tài)近似為三角形，從而利用正交入主河的三角形堰塞體堵河所需泥石流總量的計(jì)算公式(中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，2000)，可以反算出泥石流堵塞主河后的水位升高值，進(jìn)而分析岷江回水淹沒(méi)范圍。公式如下：

(11)

式中Vc為泥石流堵塞主河所需要的最小體積方量(m3)；B為主河寬度(m)；φw為堆積體水下休止(安息)角，黏性泥石流時(shí)取值為25°；h為主河被泥石流堵塞后河水深度(m)。

根據(jù)t=700s時(shí)刻磨子溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征數(shù)值模擬結(jié)果(圖10)，在50年一遇暴雨頻率下，泥石流漿體淤積泛濫范圍最大，此時(shí)在岷江河床內(nèi)的堆積體部分超出都汶高速橋面，厚度約為10m，堆積寬度約為160m，堆積長(zhǎng)度約為90m，由此可以計(jì)算出參與堵塞主河的泥石流體體積約為7.2×104m3。

圖12　磨子溝泥石流堵江“5-5”剖面圖Fig.12　The“5-5”cross-section diagram of Mozigully debris flow

圖13　磨子溝泥石流堵江回水淹沒(méi)范圍示意圖Fig.13　Schematic diagram of the backwater inundation range of Mozi gully debris flow after blocking the Minjiang River

利用式(11)計(jì)算出泥石流堵江后河水深度為h=15.3m。由于該段岷江原實(shí)測(cè)水深約4m，因此在50年一遇暴雨頻率下泥石流堵塞主河后抬高主河水位約11.3m，由此描繪出堵江回水淹沒(méi)的范圍(圖12，圖13)，表明回水高程岷江右岸邊界與都汶高速橋面的水平距離約為172m。這與2013年“7.10”磨子溝泥石流堵江回水淹沒(méi)范圍基本相符，從而再一次驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和可靠性。

4　窄陡溝道型泥石流防治對(duì)策

盡管窄陡溝道型泥石流流域面積相對(duì)較小，但泥石流沖出速度快，沖出物源量大，極易造成溝口河道的堵塞，進(jìn)而形成一系列災(zāi)害鏈，產(chǎn)生更大危害。

對(duì)于都汶高速沿線的窄陡溝道型泥石流，其產(chǎn)生的危害一方面表現(xiàn)為泥石流對(duì)跨越岷江的都汶高速特大橋橋墩形成沖擊和淤埋，嚴(yán)重威脅都汶高速交通運(yùn)營(yíng)安全；另一方面，泥石流堵塞岷江形成的堰塞壩體阻塞主河、使河床抬升、水位壅高，進(jìn)一步回水淹沒(méi)河岸以及更大范圍的各類(lèi)建筑。如磨子溝泥石流，其流域面積僅為7.5km2，但通過(guò)CFX數(shù)值模擬可見(jiàn)，溝道中泥石流流速最高可達(dá)20m·s-1；而且在t=700s時(shí)泥石流的堆積長(zhǎng)度、寬度、厚度分別達(dá)到了90m、160m、10m，參與堵塞主河的泥石流體體積約為7.2×104m3，可見(jiàn)沖出物源量較大。在其危害性模擬方面，磨子溝泥石流不僅堵塞河道達(dá)91%，而且回水淹沒(méi)了距離都汶高速橋面172m的范圍，產(chǎn)生了巨大的危害。

在防治對(duì)策上，窄陡溝道型泥石流由于溝道狹窄、水動(dòng)力作用強(qiáng)烈，在溝道內(nèi)實(shí)施攔砂壩等治理工程難度大、且效果一般，因此在溝口布設(shè)公路橋梁等現(xiàn)狀建筑工程時(shí)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離泥石流溝溝口，且應(yīng)與其斜交布設(shè)，盡量避免泥石流的正面沖擊和掩埋；另一方面，應(yīng)根據(jù)溝道地形特點(diǎn)及保護(hù)對(duì)象的差異，合理采用固床固坡、適當(dāng)攔擋等工程的有效組合。

由于此類(lèi)溝道型泥石流縱坡坡降較陡，筑壩有效庫(kù)容有限，而陡峭的地形決定了泥石流一旦啟動(dòng)后沖淤速度快、沖擊力強(qiáng)，因此，對(duì)其實(shí)施治理時(shí)應(yīng)首先在溝道物源豐富部位考慮采取主動(dòng)固床或穩(wěn)坡措施，穩(wěn)固溝床及坡腳大量崩滑物源，特別是防止大規(guī)模物源啟動(dòng)；其次，若溝口有合適的地形條件，可輔助采取攔砂壩攔截泥石流，在例如，在磨子溝除了溝道內(nèi)普遍采用固床潛檻、格賓石籠護(hù)坡外，在溝口修建了有效壩高達(dá)25m，的攔砂壩，通過(guò)固源、攔擋，其綜合實(shí)施效果良好。

5　結(jié)　論

(1)綜合分析都汶高速沿線重點(diǎn)泥石流溝地形特征，表明窄陡溝道型泥具有溝道縱坡陡、平均寬度窄、流域面積小的地形特點(diǎn)，在震區(qū)容易瞬間匯流形成大規(guī)模突發(fā)性泥石流災(zāi)害，且時(shí)常造成堵塞溝口主河道，堵塞潰決引發(fā)更大洪水等次生災(zāi)害，是溝道型泥石流中的特殊類(lèi)型。

(2)針對(duì)磨子溝窄陡溝道地形，通過(guò)大型流體軟件CFX對(duì)溝口沖淤過(guò)程進(jìn)行了反演，模擬出的溝口沖淤范圍和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)淤埋范圍的吻合度為87%，說(shuō)明采用CFX進(jìn)行窄陡溝道型泥石流溝口沖擊泛濫范圍模擬分析是可行的。

(3)根據(jù)數(shù)值模結(jié)果得到泥石流相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合堵江程度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算顯示，堵江程度系數(shù) R=0.91，即堵江寬度達(dá)到岷江河寬的91%，這與“7·10”泥石流堵江程度基本吻合。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和可靠性。

(4)利用數(shù)值模擬結(jié)果得出的磨子溝泥石流堆積扇的長(zhǎng)度、寬度及平均厚度(相應(yīng)計(jì)算進(jìn)入岷江的泥石流方量)，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算預(yù)測(cè)堵江后回水高程及相應(yīng)的淹沒(méi)范圍，也與“7·10”泥石流堵江雍塞后回水范圍基本相符。

(5)針對(duì)磨子溝為代表的窄陡溝道型泥石流的發(fā)育和危害特點(diǎn)，為了確保不會(huì)對(duì)主河道造成堵江潰決，應(yīng)采用溝道內(nèi)固源(固床、固坡)為主、溝口合適部位攔擋為輔的防治措施。

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DYNAMICS CHARACTER AND RIVER-BLOCKING ANALYSIS OF NARROW-STEEP CHANNELS DEBRIS FLOW IN WENCHUAN EARTHQUAKE REGION——ILLUSTRATED WITH CASE OF MOZI GULLY ALONG DUWEN FREEWAY

HAN Mei①②HU Tao③WANG Yan②HONG Meiling②

(①School of Mathematics，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031)

(②Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031)

(③College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610031)

The debris flow with narrow-steep channels is very common in gully debris flow in Wenchuan earthquake region.High longitudinal slope and narrow average width of the gully and little drainage basin area are observed in this kind of debris flows.Thus，the debris flows with large scale is easily happened due to the quickly converge of the rainfall in earthquake area.In particular，extra-large group debris flows occurred on July 10，2013along Duwen freeway in Sichuan province.This paper concentrates on the phenomenon of the impaction，burying，blockage of Duwen freeway and Minjiang River caused by the debris flow.Through the field investigation of the debris flows，the formation conditions and development characteristics are identified.Using of CFX hydrodynamic calculation software，a simulation of the dynamical process of narrow-steep channels featured debris flow during 50-year storm conditions is set up.The paper makes a prediction of the hazardous region，evaluates the destructive effects on the Duwen freeway，Minjiang River and residents of settlements，which can provide the evidence of the prevention measures design of the debris flow．

Narrow-steep channels，Debris flow，Hazardous region，Blocking river

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.010

2016-01-22;

2016-07-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41372293、41402266)，四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃(KJ-2014-10，KJ-2015-18，KJ-2016-8)，“長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃”(“PCSIRT”)資助.

韓玫(1980-)，女，博士生，講師，主要從事工程地質(zhì)方面的研究工作.Email: hanmei@home.swjtu.edu.cn

P642.23

A