劉 丁 毅， 胡 卸 文， 楊 相 斌， 文 強(qiáng)

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

1 概 述

泥石流是含有大量固體物質(zhì)(泥、砂、石)的特殊洪流，為高濃度的液相、固相混合流。其爆發(fā)突然，來(lái)勢(shì)猛烈，歷時(shí)短暫，破壞力強(qiáng)，在暴雨作用下一旦產(chǎn)生，將會(huì)給人民財(cái)產(chǎn)造成巨大損失[1]。泥石流的堆積區(qū)一般地勢(shì)較為開(kāi)闊平坦，是泥石流淤積、漫流的場(chǎng)所，也是成災(zāi)的主要區(qū)域，部分山區(qū)的城鎮(zhèn)、耕地就坐落在泥石流堆積區(qū)上，因此定量預(yù)測(cè)泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍對(duì)堆積區(qū)保護(hù)對(duì)象安全評(píng)價(jià)具有重要意義。

由于大渡河猴子巖水電站建設(shè)需要，部分庫(kù)區(qū)內(nèi)民眾擬遷移至桃花溝泥石流溝口堆積扇上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及訪問(wèn)，桃花溝是一條老泥石流沖溝，該溝歷史上曾頻繁爆發(fā)泥石流。2002年該溝爆發(fā)了近期內(nèi)規(guī)模最大的一次泥石流，隨后一直處于穩(wěn)定期，除了雨季有小規(guī)模山洪沖出外，一直未有較大規(guī)模泥石流發(fā)生?？紤]到該溝縱坡比較大，兩側(cè)山體危巖普遍發(fā)育，局部崩滑較嚴(yán)重，溝內(nèi)存在早期山洪或泥石流堆積，溝口受人類(lèi)工程活動(dòng)影響較大，在強(qiáng)降雨激發(fā)下仍存在爆發(fā)泥石流的可能性，對(duì)擬建移民搬遷安置點(diǎn)構(gòu)成潛在危害[2]。因此查明該溝是否仍存在泥石流爆發(fā)的可能性，進(jìn)而判定不同頻率下的泥石流是否對(duì)擬建場(chǎng)址構(gòu)成威脅，是場(chǎng)地能否利用的關(guān)鍵。

2 泥石流形成條件

2.1 地形地貌

桃花溝位于大渡河左岸、康定市孔玉鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府對(duì)面。流域面積約4.737 km2，主溝長(zhǎng)約3.92 km，總體流向?yàn)镹17°～22°W，平均坡降為562.5‰。

桃花溝具有明顯的匯水區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)(圖1)。匯水區(qū)在平面上總體呈“漏斗狀”，水系主要由主溝與流域最上游的支溝組成，支溝長(zhǎng)約0.9 km，總體流向N50°～60°E。兩溝匯合處附近溝床寬約10 m，普遍可見(jiàn)厚5～8 m的含孤塊碎石土。下游段谷底較為狹窄，局部谷坡山體崩塌頻繁，崩坡積物質(zhì)較豐富。中上游段山體表部風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈，易發(fā)生崩解和崩塌，為泥石流提供物源。

流通區(qū)溝谷呈“V”字形，溝床縱坡降較大，較為順直，溝床寬一般5～10 m，局部可達(dá)20～40 m。谷坡局部基巖裸露，淺表多為厚度不大的崩坡積覆蓋。

距溝口0.8 km以?xún)?nèi)為堆積區(qū)，溝床寬8～20 m，平均縱坡降約300‰，局部達(dá)約400‰。溝道內(nèi)碎石覆蓋。近年來(lái)由于猴子巖水電站工程建設(shè)，溝口靠大渡河上游側(cè)堆積大量工程棄渣，對(duì)泥石流堆積區(qū)地貌景觀破壞嚴(yán)重。

圖1 桃花溝流域示意圖

2.2 松散物源分布

桃花溝溝域內(nèi)松散物源以溝道物源、坡面物源和崩塌物源為主，溝口另有棄渣物源。根據(jù)野外調(diào)查，溝域內(nèi)松散物源共46處，見(jiàn)表1。總靜儲(chǔ)量約360.71萬(wàn)m3，總動(dòng)儲(chǔ)量約42.02萬(wàn)m3。由崩塌、棄渣及溝道堆積形成的物源占比達(dá)43.6%。

表1 桃花溝溝域內(nèi)松散物源統(tǒng)計(jì)

由于桃花溝溝內(nèi)植被分布差異，其溝道物源具有明顯的分段特征并可以由高至低簡(jiǎn)單劃分為三段：(1)第一段海拔高度介于2 415～2 780 m(圖2)，整體坡度35°，局部地段陡至40°～45°。溝道寬達(dá)10～20 m，表面均為厚5 m以上的碎石。根據(jù)航拍與歷史衛(wèi)星影像顯示，該段溝道上方西北方向約500 m處的高位山體發(fā)育有大量崩塌堆積體，并沿坡體表面沖溝與主溝道連接，有條件持續(xù)向溝道內(nèi)輸送松散物質(zhì)。結(jié)合陳明等[3]對(duì)震區(qū)部分泥石流溝的特征研究，該段溝道物源一旦啟動(dòng)將呈急陡溝道型泥石流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，具有傾瀉而出、下切侵蝕的特點(diǎn)。同時(shí)在支溝匯合處，兩岸山體呈陡立狀，溝道迅速收窄。若在暴雨和地震條件下，泥石流很可能在此加速，將對(duì)下方溝道物源產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷。(2)第二段海拔高度位于2 150～2 410 m，整體坡度20°左右。該段溝道內(nèi)部植被覆蓋茂密，有緩沖與耗能的作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在一般條件下，從上方滾落的大部分松散碎石到達(dá)該段時(shí)將逐漸停止滑移，最大塊徑達(dá)到3 m。但在暴雨或地震情況下則容易對(duì)其表面鏟刮。(3)第三段海拔高度位于2 025～2 105 m之間，坡度介于25°～40°間。該段下端與進(jìn)溝道路相接，表面植被覆蓋一般，溝道內(nèi)堆積有厚1～3 m的松散堆積物。

圖2 溝道物源與高位崩滑堆積物

2.3 溝口現(xiàn)狀

目前，桃花溝泥石流原有堆積扇已被新建公路及人工棄渣破壞(圖3)。一方面新建公路已將原有溝道完全填埋，另一方面人工棄渣形成三級(jí)堆放，導(dǎo)致溝口范圍內(nèi)堆積扇在縱坡方向上坡度增大，可容納泥石流堆積物的空間減小。盡管棄渣堆坡面上修建了簡(jiǎn)易排水溝，但其過(guò)流斷面明顯偏小，不能滿(mǎn)足10年一遇及以上泥石流排導(dǎo)要求。因此一旦形成泥石流災(zāi)害，必將受新建公路堵塞溝道影響，由于慣性超高，越過(guò)修筑公路后剩下的殘缺山脊，沿既有出溝道路漫流并順棄渣堆坡面迅速下泄擴(kuò)散。同時(shí)對(duì)棄渣產(chǎn)生沖刷掏蝕，后果嚴(yán)重或可破壞其現(xiàn)有的穩(wěn)定狀態(tài)，形成暴雨-泥石流-棄渣滑坡失穩(wěn)災(zāi)害鏈，對(duì)移民安置點(diǎn)構(gòu)成潛在威脅。

圖3 桃花溝溝口現(xiàn)狀

3 泥石流動(dòng)力學(xué)基本特征

3.1 泥石流容重

根據(jù)配漿法與查表法得其容重γH為1.537 g/cm3，泥石流流體性質(zhì)為過(guò)渡性偏稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

取桃花溝溝口為計(jì)算斷面，按50 a和100 a一遇進(jìn)行分析。由于桃花溝為偏稀性泥石流，故計(jì)算公式采用西南地區(qū)公式[4]。

(1)

計(jì)算結(jié)果(表2)說(shuō)明50 a一遇以上泥石流在溝口處具有較強(qiáng)的沖擊破壞作用。

表2 桃花溝溝口平均流速計(jì)算結(jié)果

3.3 泥石流流量

泥石流的危險(xiǎn)范圍可以通過(guò)泥石流峰值流量進(jìn)行估算。其峰值流量可通過(guò)雨洪修正法[5]進(jìn)行計(jì)算。

QC=DC(1+φ)QP

(2)

式中QC為頻率為P的泥石流峰值流量(m3s-1)；Qp為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量(m3s-1)；φ為泥沙修正系數(shù)，取0.5；DC為泥石流堵塞系數(shù)，根據(jù)桃花溝溝道實(shí)際情況可取值1.8。

桃花溝泥石流溝域洪水流量與峰值流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 桃花溝流量計(jì)算結(jié)果

4 基于CFX數(shù)值模擬的溝口堆積區(qū)泥石流運(yùn)動(dòng)特征分析

為充分掌握桃花溝可能爆發(fā)泥石流對(duì)移民安置點(diǎn)造成的威脅并驗(yàn)證，筆者利用CFX軟件，針對(duì)在50 a一遇降水頻率下，桃花溝溝口泥石流沖淤漫流及停積范圍進(jìn)行了數(shù)值模擬。整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程主要為建立模型—預(yù)處理—網(wǎng)格劃分—計(jì)算求解—后處理。

在求解過(guò)程中有以下假設(shè)[6]：

(1)流體為均質(zhì)單相流。

(2)模型為剛體，不發(fā)生變形。

4.1 建立模型

基于航拍采集的高精度地形圖，利用Auto CAD確定模擬范圍并獲取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)；通過(guò)Surfer和 ANSYS Mechanical APDL形成桃花溝溝口附近的三維地面模型；再用Geology模塊削去模型中多余部分；最后在Mesh模塊中選擇四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7]。

最終建立的桃花溝溝口模型見(jiàn)圖4，平面投影長(zhǎng)420 m，寬500 m，高20 m。共劃分有55 161個(gè)節(jié)點(diǎn)， 267 013個(gè)單元。

圖4 桃花溝溝口模型

4.2 預(yù)處理

泥石流漿體中的固體物質(zhì)主要為土和石塊，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其流變性質(zhì)符合Bingham流體特性，故在預(yù)處理過(guò)程中選擇流變模型為非牛頓體的Bingham模型[8]，其所受剪切力與剪切率的關(guān)系如下。

(3)

在預(yù)處理中對(duì)桃花溝溝口模型的邊界約束設(shè)置主要有：

(1)將模型后端即溝道上游處設(shè)定為進(jìn)口；下游和兩側(cè)邊界設(shè)置為出口；溝道和坡面設(shè)置為壁面；其余部分設(shè)置為常溫常壓的開(kāi)放型約束。

(2)定義流體流入、流出方式為質(zhì)量流量，模擬時(shí)間為900 s。設(shè)流量函數(shù)為F(t)，令F在t=0 s與t=900 s時(shí)取得最小值，數(shù)值上等于洪水流量26.11 m3/s；最大值為峰值流量F=70.50 m3/s，位于t=300 s左右。通過(guò)Matlab對(duì)泥石流質(zhì)量流量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合即可得F(t) ，見(jiàn)圖5。

預(yù)處理完成后的模型邊界約束見(jiàn)圖6。

4.3 計(jì)算求解

在計(jì)算求解時(shí)采用雙精度控制的并行計(jì)算模式可以提高計(jì)算速度并且減少程序出錯(cuò)概率。在進(jìn)口端與出口端設(shè)置監(jiān)視器可以得到進(jìn)、出口流量曲線(圖7,圖中的數(shù)值上質(zhì)量流量為體積流量與泥石流密度的乘積)。其中，入口端體積流量(下同)在285 s時(shí)達(dá)到峰值69.3 m3/s；出口端流量在開(kāi)始30 s后開(kāi)始增加，并在330 s時(shí)達(dá)到峰值68.6 m3/s，兩個(gè)峰值時(shí)間差為45 s，說(shuō)明泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中溝道對(duì)泥石流有一定的淤積作用。由于溝道坡度較陡，泥石流運(yùn)動(dòng)速度較快，泥石流僅過(guò)30 s左右便到達(dá)出口端。

圖5 泥石流流量函數(shù)F(t)

圖6 溝口模型邊界約束設(shè)置示意圖

圖7 進(jìn)出口質(zhì)量流量曲線

4.4 結(jié)果分析

通過(guò)后處理模塊可對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理。筆者選取了泥石流運(yùn)動(dòng)中的速度云圖和壓強(qiáng)云圖對(duì)桃花溝發(fā)生50 a一遇泥石流在溝口的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

4.4.1 速度云圖分析

圖8選取了在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)，泥石流溝道沿途在不同時(shí)刻的速度云圖。

(a)t=20 s

(b)t=40 s

(c)t=330 s圖8 泥石流速度云圖

在t=20 s時(shí)，泥石流運(yùn)動(dòng)到棄渣堆頂部平臺(tái)，最大速度達(dá)到25.5 m/s(泥石流表部，以下同)。修筑公路使得右側(cè)山脊(面向下游)被破壞形成缺口，泥石流可以依賴(lài)慣性而越過(guò)坡體繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。t=40 s時(shí)，泥石流順棄渣堆快速下泄并向兩側(cè)擴(kuò)展，其左側(cè)已經(jīng)到達(dá)移民場(chǎng)地右側(cè)的污水處理站，此時(shí)最大流速位于平臺(tái)以及平臺(tái)下側(cè)的棄渣堆坡面上，達(dá)26.4 m/s。此后，泥石流流量不斷增加，當(dāng)t=330 s時(shí)達(dá)到最大，最高流速為30.5 m/s。此時(shí)泥石流流體右側(cè)邊緣已經(jīng)蔓延至移民場(chǎng)地左側(cè)部分區(qū)域，平均流速為6.1 m/s，可能對(duì)居民住宅和道路產(chǎn)生淤埋。隨后泥石流流量逐漸下降，泥石流漫流范圍也隨之減小，最大流速也逐漸減慢,在t=900 s時(shí)降至26.4 m/s。

模擬結(jié)果還顯示，較高的流速除了對(duì)移民場(chǎng)地產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊之外，還會(huì)對(duì)棄渣堆形成侵蝕，形成新的物源補(bǔ)給。

4.4.2 壓強(qiáng)云圖分析

桃花溝溝口靜壓強(qiáng)與全壓強(qiáng)云圖變化趨勢(shì)見(jiàn)圖9、10。靜壓強(qiáng)是指物體在靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)表面所受的壓強(qiáng)，動(dòng)壓強(qiáng)是指流體顆粒每單位體積所攜帶的動(dòng)能，兩者之和為全壓強(qiáng)[12]。

(a)t=20 s

泥石流在溝道運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大正靜壓位于泥石流前部，t=20 s時(shí)為79.13 pa；同時(shí)在棄渣堆二級(jí)平臺(tái)以上坡面出現(xiàn)負(fù)靜壓，最大為62.8 pa。隨后當(dāng)泥石流到達(dá)出口端開(kāi)始流出時(shí)，以t=300 s為例，最大正靜壓則主要轉(zhuǎn)移至棄渣平臺(tái)，最大壓強(qiáng)為88.72 pa。此后位于棄渣堆二級(jí)平臺(tái)以上坡面處始終為負(fù)靜壓，最大為80.9 pa。t=900 s時(shí)，最大負(fù)靜壓又降至48.1 pa。

泥石流整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，全壓強(qiáng)始終為正值。泥石流運(yùn)動(dòng)前期，最大全壓強(qiáng)位于流體前部的中心，行進(jìn)至棄渣平臺(tái)后，最大全壓強(qiáng)則停留在平臺(tái)上，為465.2 pa。隨著泥石流從棄渣邊坡開(kāi)始下泄并到達(dá)出口，棄渣邊坡以及平臺(tái)位置成為了最大全壓強(qiáng)中心并增大至718.7 pa，見(jiàn)圖10(b)。結(jié)合靜壓分布特征可知，棄渣坡面和平臺(tái)上受到的最大動(dòng)壓將近800 pa。流量峰值過(guò)后，最大全壓分布范圍開(kāi)始收縮，在t=900 s時(shí)，基本全部下移至棄渣坡面，為567.3 pa。

(a)t=20 s

(b)t=300 s圖10 泥石流全壓強(qiáng)云圖

根據(jù)壓強(qiáng)云圖可知，泥石流的運(yùn)動(dòng)與溝口地形密切相關(guān)。棄渣平臺(tái)使泥石流產(chǎn)生部分淤積從而形成較大靜壓；受坡度影響，泥石流越過(guò)平臺(tái)順坡面流動(dòng)時(shí)，固體顆?？赡艽嬖趹乙疲纬韶?fù)靜壓；較快的流速使坡面可能因承受較大的壓力而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

4.5 泥石流堆積范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)速度云圖和壓強(qiáng)云圖，可以得到50 a一遇泥石流在溝口沖淤漫流堆積范圍(圖11)[13-14]。

圖11 50 a一遇一次沖出泥石流堆積范圍模擬預(yù)測(cè)圖

模擬結(jié)果顯示，50 a一遇泥石流堆積范圍大約長(zhǎng)400 m，寬250 m。其右側(cè)可到達(dá)污水處理站，會(huì)對(duì)移民安置點(diǎn)居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

因此，需要在棄渣堆頂部公路堵塞原溝道段盡快留出排泄通道，改為過(guò)水路面；拆除公路內(nèi)側(cè)違建建筑物，同時(shí)棄渣堆表部新建排導(dǎo)槽。為確保萬(wàn)無(wú)一失，再修建單邊導(dǎo)流堤以防止可能爆發(fā)的泥石流對(duì)擬建移民安置點(diǎn)的漫流淤積危害。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)桃花溝溝域內(nèi)松散物源以溝道物源、坡面物源和崩塌物源為主，可能形成的泥石流流體性質(zhì)為過(guò)渡性偏稀性。整體溝道坡度較陡，大量棄渣堆積于溝口。一旦發(fā)生泥石流，對(duì)擬建于原溝口堆積扇上的移民安置場(chǎng)地造成嚴(yán)重威脅。

(2)利用CFX軟件模擬的泥石流漫流范圍有可能蔓延至污水處理站。棄渣堆頂部平臺(tái)對(duì)泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流速和壓強(qiáng)等都有明顯影響。最大流速、最大負(fù)靜壓和最大全壓強(qiáng)基本都集中在棄渣堆二級(jí)平臺(tái)以上的坡面和棄渣平臺(tái)上。

(3)較高流速可侵蝕棄渣堆形成新的物源補(bǔ)給。而較大壓力也可能使其產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，形成暴雨-泥石流-棄渣滑坡失穩(wěn)災(zāi)害鏈。

(4)建議在棄渣堆頂公路堵塞原溝道段盡快留出排泄通道，改為過(guò)水路面；拆除公路內(nèi)側(cè)違建建筑物；同時(shí)新建排導(dǎo)槽或單邊導(dǎo)流堤以防止可能爆發(fā)的泥石流對(duì)擬建移民安置點(diǎn)的漫流淤積危害。