張丹丹 向國(guó)萍

摘 要：為預(yù)測(cè)牛圈溝潛在潰決點(diǎn)失穩(wěn)后引發(fā)泥石流災(zāi)害規(guī)模，對(duì)牛圈溝3個(gè)堵潰點(diǎn)潰決流量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算了潰決洪水影響距離及到達(dá)時(shí)間，提出了針對(duì)牛圈溝堵潰型泥石流起動(dòng)的判別公式，最后分析了泥石流可能造成的危害。其中得到潰決流量過(guò)程曲線(xiàn)，1#、2#堵潰點(diǎn)峰值流量值分別為1124.6m3/s、495.6m3/s，3#堵潰點(diǎn)主要發(fā)生溝道侵蝕，并不產(chǎn)生大規(guī)模潰決破壞。三個(gè)堵潰點(diǎn)潰決后洪水流量放大效應(yīng)影響距離及到達(dá)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，1#堵潰點(diǎn)影響范圍到達(dá)下游堆積區(qū)，2#堵潰點(diǎn)影響距離為547m。牛圈溝潰決型泥石流規(guī)模將遠(yuǎn)大于無(wú)潰決泥石流的規(guī)模。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)潰決；流量；泥石流

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0027-02

Abstract： In order to predict the scale of debris flow disaster caused by the instability of the potential outburst point in niuquan gully， the flow flow of the three outburst points in niuquan gully is predicted， the impact distance and arrival time of the outburst flood are calculated， and the discriminating formula for starting of the type of debris flow in niuquan gully is put forward， and the possible harm caused by the debris flow is analyzed. The process curve of outburst flow is obtained. The peak flow values of # 1 and # 2 are 1124.6m3/s and 495.6m3/s， respectively. The influencing distance and arrival time of flood flow amplification effect were calculated after three outburst points. The influencing range of 1# breach point reached the downstream accumulation area， and the influencing distance of 2# breach point was 547m. The scale of niuquan gully outburst debris flow will be much larger than that of non-outburst debris flow.

Keywords： series break； flow； debris flow

1 概述

近年來(lái)由于“5·12”地震的發(fā)生，在汶川地震災(zāi)區(qū)引發(fā)了滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，尤其2008年汶川地震引發(fā)了257座滑坡壩[1]?；聣我坏┦Х€(wěn)潰決將暴發(fā)巨大規(guī)模的洪水，甚至當(dāng)洪峰流量達(dá)到一定條件將引發(fā)潰決型泥石流。潰決型泥石流來(lái)勢(shì)洶猛，暴發(fā)突然，流量大，破壞力強(qiáng)[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于土石壩潰的研究較多，1965年Cristofano[3]建立了漫頂潰決模型，隨后一系列潰決計(jì)算模型被提出，對(duì)于壩體潰決的研究較為成熟。對(duì)于08汶川地震形成的溝道堆積體，其潰決后形成泥石流的可能性較大，對(duì)于該過(guò)程的研究現(xiàn)階段較少。崔鵬等人的研究成果表明，在小坡度情況下，泥石流形成模式是堵潰式，形成階段包括沖蝕→沖溝→崩塌→堵塞→潰決→泥石流[4]。因此對(duì)潛在暴發(fā)潰決型泥石流的研究，分析壩體潰決后流量過(guò)程線(xiàn)，以及壩體潰決后發(fā)生泥石流的可能性，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。本文主要針對(duì)牛圈溝堵潰點(diǎn)引發(fā)泥石流的可能性進(jìn)行研究分析。

2 研究區(qū)基本特征

牛圈溝位于汶川縣映秀鎮(zhèn)南側(cè)，岷江右岸，牛圈溝溝口屬紫平鋪水庫(kù)的庫(kù)尾段。該溝為“5·12”汶川特大地震震源所在地，牛圈溝溝長(zhǎng)6.1km，流域面積10.7km2，溝源至溝口高差1840m，平均縱坡降266.3‰。主要支溝有蓮花心溝、白溝和倒溝。在“5·12”地震后該溝多次發(fā)生泥石流，其中2008年“9·26”、2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流規(guī)模較大，“9·26”泥石流進(jìn)入岷江固體物源達(dá)到10.5萬(wàn)方。

3 研究方法及計(jì)算

3.1 潰壩流量過(guò)程計(jì)算

對(duì)于土石壩潰決流量曲線(xiàn)的研究是研究潰決型泥石流的主要內(nèi)容之一，本文主要考慮采用模型計(jì)算方法及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對(duì)比牛圈溝潰決流量。對(duì)于模型計(jì)算方法，根據(jù)美國(guó)氣象局提出的BREACH模型[3]，用來(lái)預(yù)測(cè)由于管涌或漫流引起的土石壩潰決過(guò)程，該模型可用于河流坍塌形成的天然土石壩，適用于由地震作用形成的滑坡壩。通過(guò)該模型的計(jì)算得到壩體破壞過(guò)程時(shí)間-流量曲線(xiàn)。對(duì)于BREACH模型需要收集土石壩的基本參數(shù)：迎水面坡度、背水面坡度、壩體長(zhǎng)度、壩體厚度、壩體材料性質(zhì)、壩庫(kù)容情況和入水流量等參數(shù)計(jì)算壩體的穩(wěn)定性。通過(guò)BREACH模型計(jì)算得到壩體潰決時(shí)間流量曲線(xiàn)，可得到壩體潰決時(shí)間，潰決后洪水流量變化。1#堰塞體其潰決模式主要為漫頂破壞，在較短的時(shí)間內(nèi)潰口打開(kāi)，潰決后峰值流量將達(dá)到1124.6m3/s，潰決流量遠(yuǎn)大于正常流量，在較短的時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)松散土體引發(fā)泥石流；2#堰塞壩庫(kù)尾對(duì)上游泥石流有削弱作用，停留較多泥石流固體物質(zhì)，堰塞體發(fā)生漫頂潰決破壞，峰值流量將達(dá)到495.6m3/s，但是由于該堰塞壩庫(kù)容量較小，其維持較大流量的時(shí)間較??；3#堰塞體不會(huì)形成大規(guī)模潰決，主要是降雨匯流侵蝕溝道，該堰塞體作為一個(gè)主要的泥石流物源參與到泥石流的活動(dòng)中的可能性較大，若暴發(fā)泥石流將對(duì)下游2#、1#堵塞點(diǎn)影響較大。

作為與BREACH模型對(duì)比，采用經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算3個(gè)土石壩潰決峰值流量，本文主要采用Evans，Walder and O'Connor，Cenderelli等[4-8]人的計(jì)算公式計(jì)算峰值流量，其中VL等于堰塞湖體積；PE代表堰塞湖潛在能量，其值等于土石壩高度，堰塞湖體積，水的比重9800N/m3三者的乘積。

3.2 三聯(lián)潰決相互影響

潰壩時(shí)間和洪水到達(dá)時(shí)間的估計(jì)通常在緊急情形下是爭(zhēng)分奪秒的。預(yù)測(cè)土石壩漫流（破壞啟始）時(shí)間和峰值流量達(dá)到下游溝口居民聚集區(qū)時(shí)間及大小對(duì)確定適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┖褪枭⒂?jì)劃至關(guān)重要。堰塞湖體積和水位之間的關(guān)系可以用來(lái)預(yù)測(cè)給定入流流量，土石壩漫溢時(shí)間。在崔鵬等[9]的研究中已經(jīng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)預(yù)測(cè)洪水到達(dá)下游不同距離處峰值流量以及其到達(dá)所需時(shí)間：

通過(guò)計(jì)算得到1#堵塞點(diǎn)潰決后流量放大（相比未潰決時(shí)）持續(xù)影響范圍為5434m，在堵塞點(diǎn)及堵塞點(diǎn)下游，有足夠的泥石流松散物源可參與泥石流活動(dòng)，該點(diǎn)潰決后將直接影響下游全部區(qū)域；2#堵塞點(diǎn)潰決后影響距離為547m小于到達(dá)1#堵塞點(diǎn)距離874m，其潰決不會(huì)對(duì)1#堵塞點(diǎn)產(chǎn)生較大影響；3#堵塞點(diǎn)由于并未形成大規(guī)模潰決，所以其自身對(duì)下游并不產(chǎn)生較大影響，流量大小主要受降雨量影響。2#、3#堵塞點(diǎn)潰決形成洪水對(duì)1#堵塞點(diǎn)并不產(chǎn)生直接影響，主要間接影響1#堵塞點(diǎn)穩(wěn)定性。

3.3 泥石流起動(dòng)判別條件

本文主要分析3個(gè)壩體潰決時(shí)，泥石流起動(dòng)的判別條件。在泥石流流體模型的選擇中Rickenmann和Koch等[10]人認(rèn)為Voellmy 模型相比于Bingham，Herschel-Bulkley流變模型能更適用于具有顆粒特征的泥石流泥。Vicente和Medina等[11]人給出了侵蝕判別條件，當(dāng)滿(mǎn)足公式時(shí)，發(fā)生侵蝕，流水流將攜帶溝道物質(zhì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

4 泥石流危害性預(yù)測(cè)

牛圈溝溝口為岷江沖刷岸，正常水位下溝口處岷江寬度為90m，河道縱比降約為6‰，正常情況下，牛圈溝泥石流不會(huì)造成大規(guī)模堵江，就其現(xiàn)階段發(fā)展模式分析，泥石流暴發(fā)模式為暴雨溝谷型泥石流，沖出物質(zhì)主要為蓮花心溝及主溝下游段提供，而堰塞湖段并未對(duì)下游泥石流起動(dòng)提供物源。2008年9月26日，該次泥石流主要從蓮花心溝起動(dòng)，進(jìn)入岷江固體物質(zhì)約10萬(wàn)方，對(duì)岷江造成堵塞；2010年8月14日，該次泥石流進(jìn)入岷江固體物質(zhì)約8萬(wàn)方，岷江1/3被堵塞。考慮潰決條件影響時(shí)2#堵潰點(diǎn)、3#堵潰點(diǎn)潰決時(shí)產(chǎn)生的洪峰流量對(duì)1#堵潰點(diǎn)影響較小，但若洪水轉(zhuǎn)化為泥石流時(shí)，其對(duì)1#堵潰點(diǎn)將產(chǎn)生威脅，帶動(dòng)松散物質(zhì)運(yùn)動(dòng)沖擊1#堵塞體。

堵潰點(diǎn)在未潰決狀態(tài)下，由于受到堰塞湖消能作用的影響，該段泥石流將以淤積為主松散堆積物源基本不會(huì)起動(dòng)和參與泥石流活動(dòng)，但若1#堰塞體發(fā)生漫頂溢流潰決，首先將造成堵點(diǎn)附近水源和物源的集中起動(dòng)，堰塞湖內(nèi)及上游淤積的松散固體物質(zhì)將參與泥石流活動(dòng)，并將進(jìn)一步加劇對(duì)堰塞體的揭底沖刷和側(cè)蝕，導(dǎo)致堰塞體滑坡碎屑流堆積體參與泥石流活動(dòng)，形成水動(dòng)力條件強(qiáng)大的泥石流。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)牛圈溝堵潰點(diǎn)潰決后泥石流起動(dòng)及危害進(jìn)行了分析。選取該溝三個(gè)典型堵潰點(diǎn)，計(jì)算壩體潰決時(shí)流量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，其中1#堵潰點(diǎn)峰值流量1124.6m3/s，相比于2#、3#堵潰點(diǎn)對(duì)泥石流暴發(fā)的影響更大；分析了三個(gè)堵潰點(diǎn)串聯(lián)潰決的相互影響，計(jì)算得到1#堵潰點(diǎn)峰值流量影響距離為5434m，潰決流量影響距離大于1#堵潰點(diǎn)到岷江的距離，1#堵潰點(diǎn)下游到岷江都將受到潰決流量的影響；2#、3#潰決后形成的洪水不會(huì)直接影響1#堵潰點(diǎn)穩(wěn)定性，上游段若暴發(fā)泥石流，2#、3#潰決點(diǎn)將對(duì)泥石流能量放大，從而影響1#堵潰點(diǎn)的堵塞體穩(wěn)定性；通過(guò)計(jì)算提出了針對(duì)牛圈溝3個(gè)堵潰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間泥石流的起動(dòng)判別公式，泥石流的起動(dòng)主要受水流流速、流深所影響；通過(guò)與雨洪法計(jì)算牛圈溝峰值流量對(duì)比，以及震區(qū)已發(fā)生潰決型泥石流的相似性比較，牛圈溝由堵潰形成泥石流的規(guī)模將遠(yuǎn)大于暴雨溝谷類(lèi)泥石流。

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