公路沿線誘發(fā)泥石流的災(zāi)害特征與控制技術(shù)模型研究

李興龍， 卓春英

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 永川 402160)

?

公路沿線誘發(fā)泥石流的災(zāi)害特征與控制技術(shù)模型研究

李興龍， 卓春英

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 永川 402160)

對(duì)于現(xiàn)代生活中而言，自然災(zāi)害防御體系的建立越來越重要。以自然災(zāi)害中泥石流為例，通過分析泥石流發(fā)育分布特征進(jìn)行泥石流的分類闡釋，在此基礎(chǔ)上建立對(duì)泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)分析后，對(duì)于利用軟件FLO-2D建立泥石流模型，進(jìn)行具體的泥石流危險(xiǎn)分區(qū)研究。通過以上的整合，泥石流預(yù)警減災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建應(yīng)用而生。通過對(duì)必要模塊的建立和運(yùn)營(yíng)，將會(huì)對(duì)我們?cè)谏a(chǎn)和生活中，有效預(yù)防泥石流這類的自然災(zāi)害現(xiàn)象，做到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)災(zāi)害，降低自然災(zāi)害的破壞率。

泥石流； 數(shù)值模擬； 控制技術(shù)； 災(zāi)害； 誘發(fā)

1 泥石流發(fā)育分布特征

1.1 泥石流病害類型分類原則與方案

泥石流自然災(zāi)害頻發(fā)，和地區(qū)氣候環(huán)境、區(qū)域性地形、山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。進(jìn)一步細(xì)致分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)不同地區(qū)環(huán)境和觸發(fā)泥石流發(fā)生的不同因素，需要采取相應(yīng)有效的防范措施。

根據(jù)研究地區(qū)的氣候環(huán)境，地殼運(yùn)動(dòng)和抬升頻率，巖石和沉積物發(fā)育情況，山體山脈走向，這些都是造成泥石流發(fā)生的背景環(huán)境。因素的多樣性也造就泥石流類型的多樣性。目前泥石流的病害類型大致根據(jù)以下幾種因素劃分為：洪水類型、溝谷類型、固體物質(zhì)補(bǔ)給方式、流體特性。

易識(shí)性原則、規(guī)模性原則、水破壞性原則、防止針對(duì)性是泥石流的分類的四項(xiàng)原則。這四條原則具有現(xiàn)實(shí)意義，危害發(fā)生后可以根據(jù)不同的原則，進(jìn)行搶救措施選取有針對(duì)性，便于防災(zāi)害人員采取有效地防治措施。

1.2 泥石流病害類型劃分

按照洪水類型可將泥石流具體劃分為：暴雨泥石流、雪雨混合型泥石流、冰川泥石流、融雪泥石流這4種類型。

高山地區(qū)的典型泥石流類型中最常見的就是冰川泥石流(見圖1)。由于處于特定的高山冰川地區(qū)，受到氣溫因素控制，冰雪融水一旦積聚到一定量，就易引發(fā)泥石流災(zāi)害。這種泥石流呈現(xiàn)出沖擊力強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、流通區(qū)和堆積區(qū)有大沖大淤的特點(diǎn)。

圖1 冰川泥石流Figure 1 Glacial debris flow

融雪泥石流：主要是季節(jié)性質(zhì)的冰雪水融化，加之天氣陡然升溫的誘因從而形成洪水。特別是位于低山地帶，泥石流發(fā)生更加容易(見圖2)。融雪徑流的大小和溫度變化、積雪厚度以及低山地區(qū)的降水量有密切關(guān)系。

圖2 融雪性泥石流Figure 2 Snowmelt mudslides

區(qū)域性暴雨洪水可以極大誘導(dǎo)暴雨泥石流災(zāi)害的發(fā)生，所以兩者聯(lián)系相當(dāng)緊密。這種區(qū)域性的暴雨形成需要大型環(huán)流氣候背景或大尺度的天氣系統(tǒng)。暴雨性泥石流多發(fā)于中低山區(qū)，明顯特征表現(xiàn)為：規(guī)模較小，持續(xù)時(shí)間短，危害程度低(見圖3)。

圖3 暴雨性泥石流Figure 3 Rainstorm debris flow

山區(qū)地區(qū)氣溫回升，積雪融化，如果恰逢暴雨，降水徑流和積雪融水疊加，為泥石流的形成創(chuàng)造了有利的條件。且破壞力更強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，雨雪性泥石流多發(fā)于5～6月。

溝谷型泥石流、坡面型泥石流是按照泥石流溝谷形態(tài)劃分的2種泥石流類型。

溝谷型泥石流的形成和冰川泥石流有著天然的關(guān)聯(lián)，兩者可以視為同一(見圖4)。溝谷型泥石流形成于不良地質(zhì)現(xiàn)象常發(fā)區(qū)，大多數(shù)情況下游較多發(fā)育完整的各類侵蝕溝谷。在多流經(jīng)呈“V”型的深谷，最后沉積在扇狀地形。

圖4 溝谷型泥石流常發(fā)的地形Figure 4 Gully debris flow often terrain

坡面型泥石流實(shí)際上可以認(rèn)為是溝谷泥石流的發(fā)育階段(見圖5)。坡面整體特點(diǎn)呈現(xiàn)出：陡坡、淺溝、流路段和規(guī)模小等特點(diǎn)。在同一坡面上可能會(huì)出現(xiàn)多處發(fā)生泥石流的現(xiàn)象。

圖5 坡面泥石流Figure 5 Slope debris flow

稀性泥石流、過渡性泥石流、粘性泥石流是按照泥石流流變區(qū)分的三種類型。粘性泥石流的固體含量在40%～80%之間，流體整體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，稠度較大，具備較強(qiáng)的陣性流動(dòng)特性。稀性泥石流固體物質(zhì)含量小于40%，呈現(xiàn)出：容重低、稠度小、浮托力弱，易出現(xiàn)散流和潛流的現(xiàn)象。并且造就了稀性泥石流破壞性和危害性較小。

1.3 泥石流發(fā)育分布特征

泥石流的發(fā)育分布相對(duì)來說比較復(fù)雜，受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層巖性這2個(gè)主要因素的影響。

巖體破碎嚴(yán)重，斜坡陡峻，泥石流在該地段得到良好的發(fā)育。這是西南地區(qū)巖漿巖區(qū)段發(fā)育的特征。強(qiáng)降雨作為誘因，泥石流頻發(fā)，規(guī)模大，破壞性強(qiáng)，危害廣泛。西南地區(qū)的變質(zhì)巖區(qū)段植被覆蓋率較高，山體保存相對(duì)完整，且多低頻的溝谷和溝口堆積扇體。所以此路段的泥石流多以坡面泥石流為主，泥石流的危害性較小。

2 泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 泥石流形成過程及預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)分析

泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)和成災(zāi)模式，從這3種模式中研究關(guān)鍵性和可用性參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于泥石流的預(yù)警和災(zāi)害系統(tǒng)的建構(gòu)。

水體成分由降雨提供，固體物質(zhì)匯集提供水動(dòng)力，源地周邊的松散物質(zhì)失穩(wěn)，參與泥石流，使得溝床物質(zhì)再次泛起，提供原始的水動(dòng)力條件。根據(jù)對(duì)歷史資料的統(tǒng)計(jì)和研究，得出10 min的降雨量和泥石流的發(fā)生關(guān)系最大。雖然具體到各個(gè)地區(qū)，還因流域而有所差異，但以10 min強(qiáng)于控制的體系建立且不斷完善的基礎(chǔ)上，這種體系得到了廣泛的認(rèn)可。

源地斜坡、岸坡土地和溝谷流域內(nèi)滑坡崩塌物質(zhì)以及泥石流二次拖拽物質(zhì)是泥石流流體物質(zhì)的主要三個(gè)方面的固體碎屑來源。這些固體物質(zhì)歷經(jīng)源地的土體充水、飽和、液化、和轉(zhuǎn)移，最終形成泥石流。在這復(fù)雜而極具爆發(fā)力的過程，經(jīng)過對(duì)于土地表層力狀態(tài)的分析，認(rèn)為泥石流原地土體降雨入滲深度參數(shù)是影響泥石流的關(guān)鍵參數(shù)。

流域內(nèi)的溝道兩側(cè)的滑坡和塌岸將會(huì)給泥石流提供天然的物質(zhì)。這些物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄流蓄能，自身的具有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，可以在積蓄到臨界點(diǎn)的時(shí)候，助力造成更大的泥石流發(fā)生。所以說溝道泥位參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道堵塞體是否形成具有判斷意義，進(jìn)一步推出泥石流的規(guī)模大小和發(fā)生與否。

2.2 泥石流運(yùn)動(dòng)過程及標(biāo)志性參數(shù)分析

泥石流在溝道中飽含泥沙類濃稠流體一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。由于期災(zāi)害性和數(shù)值的難測(cè)性，基本上放棄采用溝床沖淤深度來作為泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)泥石流在流動(dòng)過程中發(fā)出的次聲信號(hào)頻率及持續(xù)時(shí)間等獨(dú)特的性質(zhì)，可以根據(jù)這些特點(diǎn)安裝相關(guān)的采集報(bào)警裝置，預(yù)警提前量可達(dá)10 min。另外一種就是根據(jù)檢測(cè)固定溝床斷面泥位來確定泥石流規(guī)模和指定斷面的泥石流運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)行預(yù)警。

2.3 泥石流成災(zāi)過程及標(biāo)志性參數(shù)分析

根據(jù)以上的分析和研究，泥石流的形成是有多種因素促成，我們目前的研究結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)途徑的流域積累的降雨量、溝道泥位次聲波、泥石流原地土體降雨入滲深度和泥石流泥位四個(gè)因素作為檢測(cè)和預(yù)警的核心參數(shù)。

3 FLO-2D模擬泥石流危險(xiǎn)分區(qū)研究

3.1 泥石流流變模型概述

泥石流流變的模型分6種：摩擦模型、碰撞模型、摩擦-碰撞模型、廣義牛頓黏性模式、黏塑性模型和粘性-塑性-碰撞模型。

3.2 FLO-2D泥石流模擬模型及應(yīng)用

FLO-2是一個(gè)軟件，這個(gè)軟件可以求得泥石流流體運(yùn)動(dòng)控制方程，實(shí)現(xiàn)具體X方向和Y方向的泥石流流速和深度的數(shù)值測(cè)算。不僅能夠完善數(shù)據(jù)的測(cè)算，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水金和泥石流的災(zāi)害管理、城市淹沒分析、災(zāi)害的危險(xiǎn)性分析制圖、工程效果分析等模擬。FLO-2軟件對(duì)于自然災(zāi)害的預(yù)防有著非常積極地意義，但也并不是說它是萬能的，也存在一定的局限性。比如：我發(fā)模擬泥石流對(duì)溝道的沖刷，斷面和溝谷的粗糙模擬度都是規(guī)則等等。

其中，蘇立明學(xué)者以2000年臺(tái)灣花蓮縣大興村發(fā)生的泥石流為研究對(duì)象(見圖6)，采用FLO-2軟件行進(jìn)各種數(shù)據(jù)的模擬和測(cè)算。配合其他數(shù)據(jù)對(duì)泥石流防災(zāi)工程進(jìn)行效益配合，得出結(jié)論地形坡度和泥石流的容重是對(duì)泥石流影響較大的參數(shù)。

圖6 花蓮大興村模擬結(jié)果深度圖Figure 6 Hualien daxing village depth map simulation results

蔡志崇對(duì)南投縣水里鄉(xiāng)的豐丘村分丘溪進(jìn)行了關(guān)于FLO-2軟件模擬泥石流。對(duì)下游地區(qū)的泥石流堆積扇的模擬范圍與實(shí)際的泥石流堆積范圍進(jìn)行了比較(見圖7)，相似度極高達(dá)到了69.1%。

圖7 封丘溪模實(shí)際結(jié)果與擬結(jié)果對(duì)照Figure 7 FengQiu stream model contrasting fitting result and actual result

3.3 泥石流數(shù)值模擬

使用FLO-2軟件進(jìn)行泥石流數(shù)據(jù)的模擬，需要提前做好與泥石流相關(guān)的數(shù)字地形和泥石流流體的資料準(zhǔn)備工作。

以四川汶川縣映秀鎮(zhèn)的紅椿溝——這條老泥石流溝作為研究的對(duì)象，需要了解紅椿溝的交通位置、氣象、水文條件、周邊的地形地貌、底層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、固有的泥石流溝道條件、降雨和植被條件。以這些為基礎(chǔ)的前提下，才可以對(duì)紅椿溝泥石流的啟動(dòng)與堆積特征展開研究。

對(duì)于紅椿溝泥石流數(shù)值模擬，參數(shù)的選擇需要有：數(shù)字地面模型、清水流量過程線、實(shí)際表示地表粗糙程度的曼寧系數(shù)、流量系數(shù)的統(tǒng)計(jì)、泥沙體積濃度和層流阻力系數(shù)的范圍選取(見表1)。

表1 紅椿溝數(shù)值模擬采用的部分參數(shù)Table1 Toongroovepartofthenumericalsimulationoftheparameters參數(shù)名稱數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)值泥沙比重2.62α10.812體積濃度/%63α20.00462層流阻力系數(shù)2289β113.69曼寧系數(shù)0.12β211.31

模擬數(shù)據(jù)的分析和輸出之后，根據(jù)歷史資料中航拍獲得解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，得到本次泥石流模擬的結(jié)果正確性(見圖8，表2)。只要以泥石流發(fā)生是的堆積范圍與實(shí)際堆積范圍結(jié)果的重疊范圍之間的比值關(guān)系來表示這次模擬的準(zhǔn)確度。計(jì)算得到模擬結(jié)果準(zhǔn)確率為69.5%。

圖8 重現(xiàn)周期50年模擬成功(不考慮潰決)Figure 8 Recurrence period of 50 years simulation successful topples(regardless of)

表2 紅椿溝泥石流模擬結(jié)果與實(shí)際比較Table2 Toongullysimulationresultscomparedwiththeactual最大泥深/m沖出方量/m3最遠(yuǎn)距離/m最大寬度/m堆積扇面積/m2實(shí)際情況9.271.1×10447535796501模擬結(jié)果11.967×10440932871894

還可以根據(jù)不同重現(xiàn)周期數(shù)據(jù)分析模擬，對(duì)泥石流的重現(xiàn)周期進(jìn)行可續(xù)和的預(yù)測(cè)，也將會(huì)造福周邊百姓，及時(shí)將自然災(zāi)害的危險(xiǎn)性降到最低。

4 泥石流預(yù)警減災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

泥石流作為破壞性自然災(zāi)害，將會(huì)給人們的社會(huì)生活和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來加大的破壞和損毀不良影響，所以，泥石流的預(yù)警機(jī)減災(zāi)機(jī)制系統(tǒng)的建立將會(huì)使社會(huì)、群眾受益巨大，是非常有必要的。

泥石流預(yù)警減災(zāi)信息平臺(tái)的建立是對(duì)泥石流堅(jiān)持而數(shù)據(jù)的綜合分析和集中有效利用。泥石流采集信息渠道使用現(xiàn)在較為先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)及時(shí)和無線信息傳輸技術(shù)以及多元數(shù)據(jù)集成技術(shù)等(見圖9)。

圖9 泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)構(gòu)成示意圖Figure 9 Debris flow monitoring and early warning platform structure diagram

泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)構(gòu)成需要建立在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間信息技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的綜合配合下完成的。所以在平臺(tái)運(yùn)行過程中，需要采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件工程建設(shè)規(guī)范，并在實(shí)際操控過程中要考慮系統(tǒng)界面的簡(jiǎn)便易操作的模塊化設(shè)計(jì)原則，以及便于數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸、更新和后臺(tái)的維護(hù)、升級(jí)?，F(xiàn)實(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還要考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率的兼顧。對(duì)泥石流的監(jiān)測(cè)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)溝谷的24 h全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，電子地圖的漫游和空間信息定位功能設(shè)置完善(見圖10)。

圖10 系統(tǒng)功能模塊劃分Figure 10 System function module division

泥石流預(yù)警減災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建等功能的負(fù)載還有待檢驗(yàn)，同時(shí)也需要不斷的完善和調(diào)整。但是我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)社會(huì)生產(chǎn)和生活中的防災(zāi)救災(zāi)過程中，也不能僅僅靠?jī)x器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，更需要全方位、立體化監(jiān)測(cè)預(yù)警手段去保障人民生產(chǎn)生活和物質(zhì)財(cái)產(chǎn)。

5 結(jié)論

對(duì)于現(xiàn)代生活中而言，自然災(zāi)害防御體系的建立越來越重要。本文以自然災(zāi)害中泥石流為例，通過分析泥石流發(fā)育分布特征進(jìn)行泥石流的分類闡釋，在此基礎(chǔ)上建立對(duì)泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵參數(shù)分析后，對(duì)于利用軟件FLO-2D建立泥石流模型，進(jìn)行具體的泥石流危險(xiǎn)分區(qū)研究。通過以上的整合，泥石流預(yù)警減災(zāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建應(yīng)用而生。通過對(duì)必要模塊的建立和運(yùn)營(yíng)，將會(huì)對(duì)我們?cè)谏a(chǎn)和生活中，有效預(yù)防泥石流這類的自然災(zāi)害現(xiàn)象，做到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)災(zāi)害，降低自然災(zāi)害的破壞率。

[1] 楊天亮.基于GIS的陜南公路地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)建立及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

[2] 王政.西氣東輸二線工程(龍崗—西峽支干線)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2009.

[3] 羅冠枝.活動(dòng)斷裂區(qū)高速公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與綜合區(qū)劃研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[4] 成良霞.“5.12”汶川地震后映臥公路邊坡崩塌災(zāi)害形成機(jī)理與危險(xiǎn)性評(píng)估研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[5] 周志遠(yuǎn).基于面向?qū)ο蟮牡刭|(zhì)災(zāi)害信息提取及其特征分析[D].成都：成都理工大學(xué)，2015.

[6] 劉文偉.湖南境內(nèi)高速公路滑坡的動(dòng)力學(xué)過程與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

[7] 袁希平.昆磨公路沿線山地環(huán)境地質(zhì)變化遙感信息及驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2007.

[8] 張以晨.吉林省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃綜合研究及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[9] 邱海軍.區(qū)域滑坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害特征分析及其易發(fā)性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究[D].西安：西北大學(xué)，2012.

[10] 周勇.湘西高速公路滑坡監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

[11] 馬國(guó)哲.龍門山活動(dòng)推覆體特大地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理與防治對(duì)策研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2013.

[12] 張俊峰.天山公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)，2008.

[13] 齊信.基于3S技術(shù)強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害解譯與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2010.

[14] 宋金龍.基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的強(qiáng)震區(qū)公路巖質(zhì)邊坡地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)體系研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2012.

[15] 張博.基于ArcGIS的府谷縣地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)建立及易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

Along the Road of Debris Flow Hazards Model Characteristics and the Control Technology Research

LI Xinglong， ZHUO Chunying

(Chongqing Water Resoures and Electric Engineering College， Yongchuan， Chongqing 402160， China)

For the modern life，more and more important to establish the system of natural disaster prevention.Based on the natural disasters in the landslide as an example，through the analysis of the classification of landslide development distribution characteristics of debris flow，based on the analysis of key parameters of debris flow monitoring and early warning，for the debris flow model was established based on software FLO-2d，concrete debris flow risk zoning.Through the integration of the above，the debris flow warning and mitigation system design and build applications.Through the establishment of the necessary module and operations，will be for us in production and life，effectively prevent mudslides this kind of phenomenon of natural disasters，do accurately predict disasters，reduce the damage rate of natural disasters.

debris flow disasters induced by numerical control technology

2016 — 06 — 24

2016年重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究重大項(xiàng)目(D/2016/03/KRC2016x)

李興龍(1983 — )，男，山東郯城人，碩士研究生，講師，研究方向：數(shù)學(xué)建模。

U 418.5+6

A

1674 — 0610(2016)05 — 0190 — 05