熊沖沖，胡卸文, 2，劉丁毅，賀書恒

基于RAMMS鋤頭溝泥石流運(yùn)動(dòng)過程模擬

熊沖沖1，胡卸文1, 2，劉丁毅1，賀書恒1

（1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

2013年7月，汶川縣鋤頭溝受暴雨影響爆發(fā)泥石流災(zāi)害，對溝口居民區(qū)和交通干線造成嚴(yán)重破壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。通過對泥石流的發(fā)育特征分析和運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算，利用RAMMS軟件基于Voellmy模型和REK模型對泥石流運(yùn)動(dòng)堆積過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得泥石流平均流速、泥深的運(yùn)動(dòng)變化特征。模擬結(jié)果表明，溝口處溝道泥深約2～6m，平均流速2～4m/s。對堆積范圍進(jìn)行校核，與實(shí)地調(diào)查結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果對泥石流運(yùn)動(dòng)特征分析及其防治具有積極意義。

泥石流；運(yùn)動(dòng)特征；RAMMS；數(shù)值模擬

泥石流是山區(qū)常見的一種自然地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性、歷時(shí)短、破壞力大等特點(diǎn)（麥華山，2008）。震區(qū)由于地震作用導(dǎo)致表層土壤破壞和基巖出露，易形成松散物源，在降雨條件下極易形成泥石流災(zāi)害（李安潤，鄧輝，等，2019）。通過對泥石流啟動(dòng)機(jī)理、發(fā)育特征及運(yùn)動(dòng)過程特征分析，將會(huì)為山區(qū)泥石流治理及交通選線、村落選址布局提供積極的指導(dǎo)意見（劉希林和唐川，1995）。

隨著數(shù)值分析方法在山地災(zāi)害分析研究中得以廣泛應(yīng)用，選取合理有效的數(shù)值分析方法建立數(shù)學(xué)模型，模擬泥石流運(yùn)動(dòng)過程結(jié)果，結(jié)合實(shí)地勘察結(jié)論，將對泥石流災(zāi)害的發(fā)育機(jī)理分析和防治措施建議提供積極的理論依據(jù)（李兆華等，2015；徐博，2016；喬成等，2016）。近年來，馬宗源、廖紅建等人0（馬宗源等，2008）應(yīng)用ANSYS-CFX 軟件，對泥石流進(jìn)行數(shù)值模擬分析，討論了泥石流對攔擋工程的影響結(jié)果；HUNGR使用基于半經(jīng)驗(yàn)方法和等效流體的DAN 3D 模型對泥石流的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬（Hungr，1995）；楊濤、唐川等利用 FLO-2D對華溪溝泥石流進(jìn)行數(shù)值模擬，得到泥石流堆積厚度及堆積范圍等結(jié)果（楊濤等，2018）；段學(xué)良等利用MASSFLOW模型對泥石流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行模擬，對流域進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)劃分（段學(xué)良等，2019）。

圖1 鋤頭溝溝口堆積扇

圖2 鋤頭溝流域平面圖（1∶10000）

數(shù)值模型選取的合理性對泥石流模擬將產(chǎn)生重要影響，RAMMS利用Voellmy-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型處理泥石流體的流變問題，并利用RKE模型來進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整，從而更好地分析泥石流運(yùn)動(dòng)中特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。本文通過實(shí)地調(diào)查，運(yùn)用RAMMS對20年一遇降雨頻率下鋤頭溝泥石流運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析計(jì)算，獲得其平均流速和流深的變化特征，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，評價(jià)該泥石流溝對當(dāng)?shù)鼐用顸c(diǎn)的危害程度。

1 研究區(qū)概況

鋤頭溝位于汶川縣綿虒鎮(zhèn)羌鋒村，岷江右岸，與綿虒鎮(zhèn)中心相距約1.5km，溝口有羌鋒村村民10余戶，堆積扇前緣經(jīng)過G213國道和都汶高速公路，2013年7月10日鋤頭溝爆發(fā)泥石流災(zāi)害，對當(dāng)?shù)鼐用窈徒煌ǜ删€造成嚴(yán)重影響（圖1）。

1.1 地形條件

鋤頭溝流域面積為21.7km2，主溝長8.9km，整體上可分為清水區(qū)、物源區(qū)和流通堆積區(qū)（圖2），主溝平均縱坡降184‰（圖3）。鋤頭溝流域地形屬深切割構(gòu)造侵蝕低山和中山地形，溝道總體呈V型溝谷地貌，上游溝段較為狹小，谷寬5～l5m，下游段溝谷寬度較大，谷寬50～120m。流域內(nèi)總體上地形陡峻，支溝發(fā)育，崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，受地震作用影響，巖體破碎、松散、崩落，形成豐富的崩塌物堆積于主溝道及兩側(cè)，為泥石流水源和物源匯集提供了有利條件。

圖3 鋤頭溝主溝縱剖面圖

1.2 物源條件

鋤頭溝流域內(nèi)松散固體物源十分豐富，主要有崩滑堆積物源、坡面堆積物源、溝道堆積物源，沿溝道及支溝溝道兩側(cè)分布。受“5.12地震”影響，溝內(nèi)多處發(fā)生崩塌，巖體破碎，加之岸坡形態(tài)破壞水土流失，大量崩滑物源堆積于坡腳；地震作用下斜坡上的松散堆積體開裂松散，形成大量坡面堆積物源；溝域內(nèi)主溝道較順直，支溝發(fā)育且坡度大，在長期的地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化剝蝕作用下溝谷內(nèi)及兩側(cè)形成大量第四系松散堆積物。豐富的物源儲量，極大增加了泥石流發(fā)生的危險(xiǎn)性。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，流域內(nèi)崩滑堆積固體物源總量為250.82×104m3；主溝道堆積固體物源總量為541.50×104m3，坡面侵蝕固體物源總量為102.00×104m3，支溝物源約305.54×104m3，共計(jì)松散固體物源量1231.86×104m3。

1.3 水源條件

流域內(nèi)海拔較低無冰雪融水，大氣降水是誘發(fā)泥石流的主要水源條件。研究區(qū)年平均降水量526.3mm，最大年降水量648.6mm，最小年降水量369.8mm，汛期集中暴雨降水量滿足激發(fā)泥石流的降雨條件。溝域整體呈扇形，地形陡峻，支溝呈樹枝狀排列發(fā)育，溝谷上游及各支溝縱坡大，暴雨條件下利于地表徑流的形成和匯集，為鋤頭溝泥石流的形成提供了水源條件。

圖4 鋤頭溝物源儲量統(tǒng)計(jì)柱狀圖

1.4 泥石流發(fā)育機(jī)理

鋤頭溝屬暴雨溝谷型泥石流，流域地形高差大，溝道呈“V”形溝谷形態(tài)，主溝道平均坡降較大，且支溝呈樹枝狀排列發(fā)育，有利于物源的堆積和水源的匯聚，受“5·12”地震影響，溝道兩岸坡腳堆積大量松散物源。流域中上游及各支溝泥石流物源在暴雨影響下啟動(dòng)，向主溝道匯聚，在地表徑流沖刷攜帶作用下，溝道內(nèi)泥沙塊石等裹挾溝岸兩側(cè)堆積物順溝向下游移動(dòng)，同時(shí)對溝床的掏蝕揭底作用使得岸坡穩(wěn)定性變差，增加固體物源，最終爆發(fā)泥石流災(zāi)害。綜上所述，鋤頭溝具備泥石流爆發(fā)的地形、物源、水源條件。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算

本次數(shù)值模擬需獲取泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)為泥石流流體重度、流速及暴雨洪峰流量、泥石流峰值流量，可采用相關(guān)公式計(jì)算獲得。

1）泥石流重度?，F(xiàn)場配漿法與查表法所得泥石流重度綜合取值17.21kN/m3，屬于稀性泥石流。

2）泥石流流速。鋤頭溝泥石流屬稀性泥石流，流速計(jì)算公式采用西南地區(qū)（鐵二院陳光曦）公式：

式中：Vc—泥石流流速；H—泥石流平均泥深；I—主溝縱坡降；1/n—溝床糙率系數(shù)。

溝口處20年一遇泥石流流速計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋤頭溝泥石流溝口流速計(jì)算結(jié)果

表2 鋤頭溝泥石流溝口流量計(jì)算結(jié)果

3）暴雨洪峰流量和泥石流峰值流量

泥石流峰值流量采用雨洪修正法進(jìn)行計(jì)算：

溝口處20年一遇泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果見表2。

3 RAMMS軟件基本原理

RAMMS由瑞士聯(lián)邦積雪與雪崩研究所開發(fā)，軟件中DEBRIS-FLOW模塊（即泥石流模塊），能夠預(yù)測泥石流運(yùn)行路徑、流動(dòng)速度、流動(dòng)深度和壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)的空間分布，可以較好地對泥石流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬（溫麗旺，2018）。

Hungr0通過研究發(fā)現(xiàn)利用連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行泥石流數(shù)值模擬過程時(shí)，結(jié)果易受到很多不確定條件的干擾，不同流變模型對結(jié)果有重要影響（Hungr，Eberhardt，2005）。由于泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程的復(fù)雜性，所以RAMMS運(yùn)用Voellmy-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型將泥石流流體視為非穩(wěn)定及非均質(zhì)的，利用物質(zhì)能量與運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化法則來處理泥石流的運(yùn)動(dòng)、堆積過程，并運(yùn)用RKE（Random Kinetic Energy）模型來進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整，分析參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征，從而得到理想的模擬結(jié)果。

3.1 Voellmy-Salm流變模型

Christen0發(fā)現(xiàn)Voellmy-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型的求解泥石流參數(shù)流深H和平均流速V，可以較好地表現(xiàn)泥石流的運(yùn)動(dòng)特征(Christen，Kowalski，etal，2010)。用質(zhì)量平衡方程（公式4）求解流深H。

各式中：H—泥石流流深；V—泥石流平均流速；S—摩擦阻力，與庫倫摩擦系數(shù)μ和湍流摩擦系數(shù)ξ有關(guān)；x、y、z—笛卡爾坐標(biāo)系中平面坐標(biāo)x、y和高程z；t—泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)間；—泥石流流體密度，g—重力加速度，—平均坡角。

3.2 RKE模型

RKE模型可以隨時(shí)間的變化對泥石流的運(yùn)動(dòng)模擬過程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整修正，由于流體速度方向變化的雜亂性，RKE模型將流速V分為平均速度和瞬時(shí)速度，x、y方向上流速為平均速度和瞬時(shí)速度的矢量和，并設(shè)定z方向平均速度為0，以此更好表現(xiàn)泥石流的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)特征變化。RKE模型中摩擦系數(shù)μ和湍流系數(shù)發(fā)揮重要作用，可由下式得出：

式中：為摩擦系數(shù)，為湍流系數(shù)，R為一常數(shù)(定義為表示隨機(jī)動(dòng)能密度函數(shù)的摩擦指數(shù)增長率)，R為深度平均隨機(jī)動(dòng)能。

4 鋤頭溝泥石流數(shù)值模擬

4.1 參數(shù)設(shè)置

第一步地形數(shù)據(jù)處理，首先利用研究區(qū)1:10000等高線地形圖建立數(shù)字高程模型（DEM），轉(zhuǎn)化為ASCII格式文件后導(dǎo)入RAMMS軟件，以此加載流域范圍和物源區(qū)域，根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果為不同種類物源厚度分別賦值。

4.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)定參數(shù)，利用RAMMS對鋤頭溝在P=5%暴雨情況下運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到泥石流平均流速和泥深狀態(tài)模擬結(jié)果，見圖5、圖6。

由圖5模擬結(jié)果來看，鋤頭溝泥石流物源在外力作用下啟動(dòng)開始滑動(dòng)，物源流速逐漸增大，由于泥石流各段縱坡降的變化，流速隨時(shí)間變化表現(xiàn)為增大-減慢-穩(wěn)定再到停止運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。同時(shí)由于研究區(qū)內(nèi)實(shí)際地形的復(fù)雜性，泥石流流速變化表現(xiàn)出一定局部差異性，如較大流速多次出現(xiàn)在較陡坡降主支溝交匯處。泥石流運(yùn)動(dòng)至近溝口時(shí)，流速較為穩(wěn)定，約為2～4m/s，與前文計(jì)算分析結(jié)果保持一致，同時(shí)符合實(shí)地調(diào)查結(jié)果。

由圖6模擬結(jié)果來看，鋤頭溝泥石流中上游段和支溝上游段多為泥石流啟動(dòng)段，表層松散物質(zhì)、殘坡積碎石等物源隨著水源匯聚流動(dòng)，600s時(shí)流域內(nèi)出現(xiàn)多處較大泥深，最大厚度可達(dá)12m，多出現(xiàn)于主、支溝交匯處，物源匯聚后沿著主溝道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，中下游段隨著溝道縱坡變化，流深逐漸趨于穩(wěn)定，約為2～6m，然后逐漸變小直至溝口堆積扇處。流深整體隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律表現(xiàn)為由啟動(dòng)-逐漸增大-趨于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)至溝口堆積區(qū)，且在此過程中物源不斷堆積至溝道中。流深的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合實(shí)地調(diào)查結(jié)果。

圖5 鋤頭溝不同時(shí)步泥石流流動(dòng)速度狀態(tài)圖

圖6 鋤頭溝不同時(shí)步泥石流泥深狀態(tài)圖

4.3 影響范圍校核

受泥石流溝道和山體地形限制，泥石流運(yùn)動(dòng)至出山口處，地形開闊，泥石流開始向兩側(cè)擴(kuò)散，隨著溝道內(nèi)物源的不斷涌出，開始向前方及兩側(cè)呈扇狀堆積，最終沿堆積扇前緣匯入岷江河道。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，鋤頭溝泥石流溝口堆積扇前緣長度約370m，扇軸長度約150m，為一老堆積扇。取模擬結(jié)果中泥石流泥深分布圖作為參考影響范圍，并與泥石流實(shí)際堆積范圍作比較，可知兩者吻合程度較好（圖7）。由此可得泥石流一旦爆發(fā)，將會(huì)對溝口居民區(qū)以及交通干線造成嚴(yán)重?fù)p害，建議采取合理有效的攔擋工程對其進(jìn)行防治。

圖7 泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍

5 結(jié)論

汶川縣綿虒鎮(zhèn)鋤頭溝流域面積為21.7km2，主溝長8.9km，主溝平均縱坡降184‰，流域內(nèi)支溝發(fā)育，松散物源豐富；通過RAMMS軟件對鋤頭溝泥石流進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮P=5%暴雨頻率，計(jì)算得到泥石流參數(shù)（泥深和平均流速）：容重17.21kN/m3，溝口流速3.72m/s，雨洪法計(jì)算洪峰流量121.27m3/s，泥石流峰值流量350.03m3/s。RAMMS模擬結(jié)果，下游流通堆積區(qū)處泥深約2～6m，平均流速約2～4m/s，劃分泥石流可能影響范圍與實(shí)際堆積范圍對比基本吻合。

麥華山.2008.高速公路泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估研究[D].中南大學(xué).

李安潤,鄧輝,余天彬,文靜. 2019.汶川極震區(qū)鋤頭溝泥石流發(fā)育特征及啟動(dòng)機(jī)理[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào),39(02):285-288.

劉希林,唐川. 1995.泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)[M].北京:科學(xué)出版社:5- 44.

李兆華,胡杰,馮吉利,龔文俊. 2018.基于黏彈塑性本構(gòu)模型的泥石流數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),39(S1):513-520.

徐博.2018.山西省忻州市伯強(qiáng)溝泥石流運(yùn)動(dòng)過程數(shù)值模擬及危險(xiǎn)性分區(qū)[D].太原:太原理工大學(xué)．

喬成,歐國強(qiáng),潘華利,王鈞,宇巖. 2016.泥石流數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),38(01):134-142.

馬宗源,廖紅建,張駿. 2008.Bingham型黏性泥石流流體的三維數(shù)值模擬[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(09):1146-1150.

Hungr O.1995.A model for the run out analysis of rapid flow slides,debris flows,and avalanches [J].Canadian Geotechnical Journal,32:610-623．

楊濤,唐川,常鳴,卜祥航,龔柯,王飛龍. 2018.基于數(shù)值模擬的小流域泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究[J].長江流域資源與環(huán)境,27(01):197-204.

段學(xué)良,馬鳳山,郭捷,孫琪皓. 2019.基于Massflow模型的西藏仁布杰仲溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),30(06):25-33.

溫麗旺.2018.云南省云龍縣果郎溝泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].成都理工大學(xué).

Hungr O Corominas J, Eberhardt E.2005.Estimating landslide motion mechanism, travel distance and velocity [J]. Land-slide Risk Management:99-128.

Christen M，Kowalski J, Bartelt P.2010.RAMMS: Numerical simulation of dense snow avalanches in three-dimensional terrain [J]. Cold Regions Science &Technology, 63 (1-2):1-14.

宋兵,沈軍輝,李金洋,黃濤. 2018.RAMMS在泥石流運(yùn)動(dòng)模擬中的應(yīng)用——以白沙溝泥石流為例[J].泥沙研究, 43(01):32-37.

Simulation of Debris Flow Activity in the Chutou Gully based on RAMMS

XIONG Chong-chong1HU Xie-wen1,2LIU Ding-yi1HE Shu-heng1

(1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

In July 2013, a rainstorm triggered a debris flow at the Chutou Gully, Wenchuan County which caused serious damage and huge economic losses to the local residential areas and the main lines of communication. This paper has a discussion on its development characteristics and calculates its dynamical parameters. The process of movement and accumulation of the debris flow is simulated based on Voellmy model and REK model by means of RAMMS software in order to obtain the moving and changing characteristics of the average velocity and depth of the debris flow. The simulation results show that the depth of mud is about 2～6 m and the average movement velocity is about 2～4 m/s, and the stacking range is basically consistent with the actual results. The simulation results have a positive effect on the analysis of debris flow characteristics and its control.

debris flow; dynamic characteristics; RAMMS; numerical modeling

2020-05-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC1505401），國家自然科學(xué)基金資助（No.41731285，41672283）

熊沖沖（1994-），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)方面研究

胡卸文（1963-），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作

X43；P642.23

A

1006-0995（2021）01-0107-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.022