劉 鑫,張 文,李 根,劉 波

1.四川省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究中心,成都 610081

2.四川九一五建設(shè)工程有限公司,四川 眉山 620010

3.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長春 130026

4.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司,北京 100081

0 引言

2021年4月5日6時左右,四川洪雅縣柳江鎮(zhèn)趙河村13組道路上方山體陡崖處突發(fā)高位崩塌災(zāi)害,崩塌體的高位勢能轉(zhuǎn)化為動能作用于陡崖下部斜坡崩坡積體觸發(fā)滑坡,所有巖土體共同形成了崩滑碎屑流。因其局部穩(wěn)定性較差,后期在降雨作用下,碎屑流沿斜坡向下游雙溪河運動,又形成了泥石流次生災(zāi)害,最后造成雙溪河全部堵塞,形成小規(guī)模堰塞湖。該堰塞湖一旦潰決,將對雙溪河下游兩岸居民造成嚴重威脅。所以,本次災(zāi)害并不是單一的地質(zhì)災(zāi)害,而是由一種地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)形成的多災(zāi)種威脅較大的災(zāi)害鏈。本次災(zāi)害鏈共造成5戶房屋被掩埋,3人失蹤,150 m道路損毀斷道,林木損毀3 000 m3,直接經(jīng)濟損失約600萬元,可見其危害之大[1-3]。

所謂災(zāi)害鏈,就是由于受外界影響而發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進而啟動另外一種或多種地質(zhì)災(zāi)害損失的過程[4-7]。20世紀以來,已有眾多學(xué)者開展了對崩滑碎屑流方面的研究,特別是自2017年茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村特大滑坡的發(fā)生,碎屑流的概念逐步被大家所認知[8-9]。胡卸文等[10]在蘆山地震觸發(fā)大巖崩滑坡-碎屑流特征與運動過程的研究中,對滑坡發(fā)生并形成碎屑流的成因機制及成災(zāi)原因進行了初步分析。曾慶利等[9]在茂縣新磨特大滑坡-碎屑流的發(fā)育特征與運移機理的研究中,深入探討了影響碎屑流運動性的主要效應(yīng)及其致災(zāi)機理,并評價了類似災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警新方法。高楊等[11]開展了高位遠程滑坡沖擊鏟刮效應(yīng)研究進展及問題的研究,總結(jié)歸納了高位遠程滑坡沖擊鏟刮效應(yīng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了高位遠程滑坡的沖擊鏟刮模式主要有嵌入鏟起模式、裹挾刮帶模式、沖擊滑移模式和沖擊飛濺模式。當前對于比較典型的崩滑災(zāi)害鏈的研究與防治已有較大進展[12-18],但主要以滑坡-碎屑流、高位崩滑-碎屑流、泥石流-滑坡-堰塞湖等災(zāi)害鏈模式為主,而對高位崩塌-碎屑流滑坡-泥石流的災(zāi)害鏈模式研究較少。

關(guān)于碎屑流的研究,在計算機數(shù)值模擬其運動過程方面也取得了一些成果。李祥龍等[19]采用PFC2D主要模擬了移除擋土墻后沿斜坡滑動、移動和堆積的過程,并分析了巖體的初始高度、滑動體的體積和地面波動程度等因素對碎屑流運動的影響。楊濤等[20]運用FLO-2D對岷江小流域6條泥石流溝進行數(shù)值模擬,重現(xiàn)了泥石流爆發(fā)的現(xiàn)狀,得出其堆積扇危險特征。本文采用RAMMS(rapid mass movements simulation)數(shù)值模擬方法模擬泥石流運動過程,利用Voellmy-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型獲取其流深、流速等流動參數(shù),并采用RKE(random kinetic energy)模型來進行調(diào)整,使模擬效果更加符合實際。

在洪雅縣鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩滑地質(zhì)災(zāi)害周邊還存在長約15 km的類似高陡崖斜坡地段。在我國山區(qū)這類高陡崖斜坡地段較為發(fā)育。近年來受多次地震的影響,這些地段地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到破壞,突發(fā)高位遠程崩滑流災(zāi)害鏈可能較大?！?·5”洪雅縣鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩滑地質(zhì)災(zāi)害是典型的山區(qū)陡崖斜坡地段高位遠程崩塌觸發(fā)滑坡碎屑流災(zāi)害鏈之一,并形成次生泥石流。本文對類似的災(zāi)害鏈采用數(shù)值模擬開展高位遠程崩滑流地質(zhì)災(zāi)害影響范圍預(yù)測研究,并對類似區(qū)域開展預(yù)防預(yù)報工作,劃定危險區(qū)范圍,提出有效的斷鏈措施,以指導(dǎo)該類災(zāi)害鏈的防治工作,對減少經(jīng)濟損失和提高理論研究水平提供技術(shù)支持。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

鐵匠灣崩滑災(zāi)害鏈位于四川省眉山市洪雅縣柳江鎮(zhèn)趙河村,地處川西山地東緣(圖1)。研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件較為復(fù)雜,受褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造因素控制,高陡崖斜坡地段分布較廣(圖2),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,主要以高位崩塌、滑坡等災(zāi)害為主。受地形及植被的影響,該類地質(zhì)災(zāi)害隱蔽性強、危害性大。

圖1 四川洪雅縣鐵匠灣崩滑災(zāi)害全貌三維模型圖

圖2 鐵匠灣崩滑災(zāi)害周邊陡崖區(qū)域

1.1 地形地貌

災(zāi)害鏈所在地的地貌類型為中山地貌,整體北高南低,上部陡崖近直立,呈東西向展布,長度約15 km,高度為100 ～150 m;下部斜坡整體地形坡度約35°,崖頂高程約1 653 m,溝口海拔約824 m,相對高差829 m,崖頂至雙溪河水平長度約1 880 m,整體縱坡降44%,泥石流堆積區(qū)距下游雙溪村村委會一帶聚居區(qū)約700 m(圖3)。

圖3 鐵匠灣災(zāi)害鏈所在位置典型地形地貌照片

1.2 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)調(diào)查,災(zāi)害鏈附近無活動斷裂通過。距離災(zāi)害鏈附近最近的1條活動斷裂是柳江沖斷層,距離約為7.2 km。

1.4 降雨條件

研究區(qū)受雅安市雨城區(qū)氣象條件影響較大,常年降雨量和降雨頻率較洪雅縣觀測數(shù)據(jù)偏高,氣候多變。根據(jù)收集災(zāi)害發(fā)生前后降雨資料(圖5),2021年4月5日在崩滑碎屑流發(fā)生后,自4月6日至4月20日期間,降雨天數(shù)為14 d(占比約93%),日降雨量在1.0～22.5 mm之間,崩塌發(fā)生于4月5日,日降雨量約為1.5 mm,次生泥石流最初形成于4月10日,日降雨量為16.4 mm。

圖5 研究區(qū)2021年3月1日至4月20日的日降雨量

2 災(zāi)害鏈的啟動、發(fā)展及轉(zhuǎn)化

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析,災(zāi)害鏈的啟動源為高位崩塌。該崩塌源所處陡崖巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育,主要由兩組X共軛裂隙與近水平巖層共同作用,將巖體切割為塊體,陡崖下部由于差異風(fēng)化形成了凹腔,并在后緣形成了卸荷裂隙,在重力、降雨等不利因素作用下,整個崩塌體發(fā)生突然垮塌(圖6)。

圖6 崩塌啟動源正面圖

上部陡崖處高位崩塌發(fā)生后,崩落的大量巖塊對下方崩坡積土層斜坡體造成沖擊和加載,巨大的高位勢能轉(zhuǎn)化為動能,破壞斜坡的穩(wěn)定性,從而觸發(fā)下方自然斜坡發(fā)生滑動(圖7)。崩滑碎屑流滑坡堆積體沿斜坡溝道內(nèi)呈流體狀堆積分布,且在發(fā)生災(zāi)害后,崩滑碎屑流堆積體局部穩(wěn)定性差,現(xiàn)場調(diào)查時偶可清晰聽到巖土體相互撞擊聲和擠壓樹木斷裂發(fā)出的斷裂聲音,表面碎屑流堆積體仍然處于蠕滑變形中。受崩滑碎屑流滑動時對原斜坡鏟刮及剪切作用,在崩滑碎屑流左側(cè)邊界原道路上發(fā)育3條剪切裂縫,經(jīng)人工簡易監(jiān)測,最大裂縫寬度達1.5 m,深度達4 m(圖8)。

圖7 滑坡啟動后形成的碎屑流范圍

圖8 碎屑流滑坡左側(cè)剪切裂縫

災(zāi)害發(fā)生大約一周后,洪雅縣趙河村降雨頻繁,在降雨的影響下,“鐵匠灣”碎屑流物質(zhì)演變?yōu)槟嗍飨螂p溪河發(fā)展(圖9)。泥石流堆積物逐步向雙溪河堆積,造成雙溪河全部堵塞,堆積物最長超過200 m,寬約15 m,厚度為1～3 m。堆積區(qū)上游形成小規(guī)模堰塞湖,回水區(qū)長度40～50 m,預(yù)估水深1.0～2.0 m,地表水沿堆積區(qū)外側(cè)流出。下游雙溪村村委會一帶及村委會下游漫水橋可見明顯的沖出物(圖10),漫水橋涵管逐漸堵塞(圖11),趙河場鎮(zhèn)一帶可見沖出的樹木。

圖9 災(zāi)害鏈全景照片

圖10 雙溪村委會受災(zāi)照片

根據(jù)以上分析,鐵匠灣高位遠程崩滑流災(zāi)害鏈發(fā)展模式為:高位遠程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流災(zāi)害→堰塞湖。目前,災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生,受崩滑碎屑流直接威脅的對象已基本轉(zhuǎn)移;在以后暴雨或連續(xù)降雨等不利工況下,碎屑流巖土體將逐步轉(zhuǎn)化為泥石流流體進入雙溪河,從而對雙溪河下游河道兩側(cè)56戶185人的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅,潛在經(jīng)濟損失約4 000萬元。所以,對次生泥石流災(zāi)害在不同頻率下的危險性分析將變得尤為重要。

3 次生泥石流演變過程的數(shù)值模擬

3.1 模擬方法

為進一步評估鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩滑碎屑流轉(zhuǎn)為泥石流之后對下游的影響,采用RAMMS數(shù)值模擬方法進行模擬[21-22]。

RAMMS是由瑞士聯(lián)邦森林、雪與景觀研究所(WSL)與雪和雪崩研究所(SLF)共同開發(fā)的三維數(shù)值模型。其中的DEBRIS-FLOW模塊可以對泥石流的運動路徑、流速、流深等分布進行模擬。該軟件采用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)的流體,利用能量與運動轉(zhuǎn)化來模擬泥石流的運動和堆積過程,并可以用公式(1)—(3)求解泥石流流深H和流速v。模型采用的公式如下:

?tH+?x(Hvx)+?y(Hvy)=Q;

(1)

(2)

(3)

式中:vx,vy分別為流速v在x,y方向上的分量;cx,cy分別為x,y方向上的校正因子;gz為重力加速度沿z軸的分量;Gx,Gy分別為重力沿x,y方向的分量;Fx,Fy分別為摩擦阻力在x,y方向的分量;ka為主動土壓力系數(shù);Q為一次降雨強度。

模型中將摩擦阻力分為兩部分:其一為靜摩擦阻力,與庫倫摩擦系數(shù)(μ)有關(guān);其二為運動阻力,與速度和黏性湍流摩擦系數(shù)(ξ)有關(guān)。x向和y向的摩阻力見式(4)(5):

Fx=nvx[(μgzH+gzv2/ξ)];

(4)

Fy=nvy[(μgzH+gzv2/ξ)];

(5)

(6)

式中:v為流速的大小;nv[=nvx,nvy]為流速方向上的單位向量,nvx為單位向量nv沿x軸的分量大小,nvy為單位向量nv沿y軸的分量大小。

RKE模型可以對Vomlley-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型模擬的結(jié)果隨時間的變化進行調(diào)整,其中最重要的2個系數(shù)μ和ξ與平均隨機功能Ek有關(guān),可由式(7)(8)得出:

μ(Ek)=μ0exp(-Ek/R0);

(7)

ξ(Ek)=ξ0exp(-Ek/R0)。

(8)

式中:μ0=μ(Ek)|Ek=0;ξ0=ξ(Ek)|Ek=0;R0為隨機動能密度函數(shù)的指數(shù)增長率。

泥石流為具有流變性質(zhì)的流體,經(jīng)實際應(yīng)用驗證,RAMMS應(yīng)用Vomlley-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型和RKE模型來處理流變問題,能很好地模擬泥石流運動過程,得到泥石流的運動特征參數(shù)。

3.2 工況選取

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T-CAGHP 006—2018)[23]以及前述對泥石流參數(shù)計算,本次模擬分別針對泥石流在降雨頻率P在10%、5%、2%、1%條件下進行泥石流演進過程、形成堰塞體和堰塞體潰決的模擬。

3.3 參數(shù)設(shè)置

在RAMMS中采用Input hydrography的方法設(shè)置初設(shè)條件,泥石流流量采用三角形單峰曲線輸入。其中不同降雨頻率下的多年最大暴雨量平均值依據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(1)四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊.成都:四川省水利電力廳,1984.確定,而泥石流的流量是根據(jù)雨洪法和《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T-CAGHP 006-2018)[21]計算所得(表1)。在形成泥石流前,該泥石流流域內(nèi)的物源單一,僅為“4·5”洪雅縣鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩塌物源及滑坡碎屑流物源,可統(tǒng)計出物源總儲量和動儲量(表2)。后續(xù)雖然該泥石流已形成,但均為小規(guī)模逐步累積,暫未發(fā)生較大規(guī)模泥石流,故泥石流發(fā)生時間不確定,根據(jù)前述雨洪法計算的泥石流參數(shù),推測不同降雨頻率下的時間為(1 000,1 800,2 700和3 600 s),據(jù)此創(chuàng)建泥石流的流量曲線。計算采用的地形為無人機正射地形DEM。泥石流的密度ρ為1.745 g/cm3,重力加速度g為9.8 m/s2,μ為0.20,ξ為320 m/s2(根據(jù)調(diào)查所得數(shù)據(jù)通過物理原理計算所得)。泥石流動能達到最大動能的5%,模擬自動停止。

表1 不同降雨頻率下的降雨量和泥石流流量

表2 泥石流物源統(tǒng)計表

3.4 模擬過程

該泥石流為典型的崩滑堆積體受降雨作用轉(zhuǎn)化形成泥石流向下發(fā)展,最初開始階段受降雨作用,崩滑堆積體逐步失穩(wěn)隨水流運移,由于形成區(qū)溝道發(fā)育不明顯,水動力條件較弱,因此運移速度相對較小;到溝道中下游,溝道發(fā)育且匯流作用較強,水動力條件加強,進而使得松散物質(zhì)加速運動;到溝口后,由于溝道與主河垂直相交,且主河水流量小、輸砂能力差,易形成堰塞體并堵塞溝道(與后期發(fā)展實際情況相符);在強降雨作用下,主河水流量驟漲,易引起堰塞體潰決。據(jù)此,將次生泥石流災(zāi)害模擬分為4個階段。

開始階段:泥石流在降雨條件下開始起動,初期只有少量物質(zhì)。

加速階段:隨著泥石流流量的增加,泥石流的影響范圍增大,并向下游運動。

堵塞溝道階段:泥石流溝下游縱坡降僅有42‰,坡度很緩,到達溝口后進入河道,動能變小,開始逐漸堆積在溝口。

潰決階段:當溝口堆積的泥石流堰塞體達到一定高度后,將逐漸發(fā)生潰決并向下游運動。

3.5 模擬結(jié)果

經(jīng)過以上數(shù)值模擬的準備工作后,經(jīng)過RAMMS軟件的模擬,形成了不同降雨頻率下次生泥石流下方堰塞體潰決后在4個運動階段中的泥石流流深分布圖(圖12—15)以及其能形成的最大流速vmax和最大流深Hmax分布(圖16),泥石流的最大流速、流深模擬圖表示泥石流在該位置曾經(jīng)達到過的最大速度和高度,該結(jié)果可以幫助我們與現(xiàn)場泥痕等結(jié)果進行對比驗證。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. P=10%,vmax=8.48 m/s,Hmax=3.25 m; b. P=5%,vmax=8.55 m/s,Hmax=3.97 m;c. P=2%,vmax=9.66 m/s,Hmax=5.17 m; d. P=1%,vmax=15.7 m/s,Hmax=12.97 m。

從模擬圖12—16看出,潰決后的泥石流明顯增大了河道的流量和高度,將對下游居民和建筑產(chǎn)生威脅。尤其在100 a一遇降雨中,泥石流在運動過程中流深最大值為12.97 m,在運動過程中最大流速達到15.7 m/s,其模擬結(jié)果明顯大于其余低頻率降雨條件下的結(jié)果。其原因為在100 a一遇降雨作用下,碎屑流大部分物源極易參與泥石流向下運動,在下游溝口處發(fā)生大量堆積,形成堵塞,故在流量計算中泥石流堵塞系數(shù)取值較大,模擬結(jié)果泥石流的影響范圍也較低頻降雨有明顯擴大,由模擬結(jié)果可以判斷該區(qū)域及下游2處房屋聚集區(qū)在強降雨氣候條件下為重要危險區(qū),應(yīng)注意防范。

3.6 模擬結(jié)果的可信性分析

首先基于現(xiàn)場調(diào)查驗證獲取了其動力學(xué)特征參數(shù),并對鐵匠灣泥石流的演進過程進行了模擬。結(jié)果表明,鐵匠灣的演進過程分為開始—加速—減速—終止4個階段,流深、流速和影響范圍隨著降雨頻率的增大而增加。若繼續(xù)演進,可能對下游村莊產(chǎn)生影響,有必要采取相應(yīng)工程措施進行防護治理,保障下游人民生命財產(chǎn)安全。

在形成次生泥石流的過程中,災(zāi)害點附近最大降雨量接近于10 a一遇,將模擬結(jié)果與實際發(fā)生泥石流后的堆積區(qū)范圍(圖17)進行對比,發(fā)現(xiàn)次生泥石流災(zāi)害發(fā)生后的影響區(qū)范圍與本次10 a一遇(P=10%)的模擬結(jié)果基本一致。因此,本次數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。

圖17 泥石流發(fā)生后下游堆積區(qū)照片

4 災(zāi)害鏈影響范圍預(yù)測

前文對鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩滑災(zāi)害可能形成的次生災(zāi)害鏈動態(tài)變化進行了數(shù)值化模擬分析,形成了次生泥石流在雙溪河內(nèi)淤堵產(chǎn)成堰塞體并預(yù)估其潰決后泥石流體沿雙溪河的堆積范圍,考慮到泥石流對雙溪河河岸存在沖刷、鏟刮的影響,實際影響范圍在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上適當進行擴大,最終形成了P為10%、5%、2%、1%等不同降雨頻率下災(zāi)害鏈整體的影響范圍(圖18)。從圖18中可以看出,在10 a一遇降雨頻率下,影響范圍最遠至進入雙溪河下游約300 m;在20 a一遇降雨頻率下,影響范圍已擴展至雙溪村部分分散農(nóng)戶;在50 a一遇降雨頻率下,影響范圍覆蓋雙溪村人口密集區(qū);在100 a一遇降雨頻率下,影響范圍將繼續(xù)向下游發(fā)展,延伸至老趙河聚居區(qū)。

圖18 預(yù)測鐵匠灣突發(fā)高位遠程崩滑次生災(zāi)害鏈不同降雨頻率下危險區(qū)范圍全景圖

5 結(jié)論與建議

1)洪雅縣鐵匠灣崩滑流災(zāi)害鏈首先是由于上方山體陡崖處突發(fā)高位崩塌災(zāi)害,崩塌體的高位勢能轉(zhuǎn)化為動能作用于陡崖下部斜坡崩坡積體觸發(fā)滑坡,所有巖土體共同形成了遠程滑坡碎屑流;然后在雨水的作用下,碎屑流沿斜坡向下游雙溪河運動,形成了泥石流次生災(zāi)害;最后泥石流堆積體造成雙溪河全部堵塞,形成小規(guī)模堰塞體。故鐵匠灣高位遠程崩滑流是一種模式為高位遠程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流災(zāi)害→堰塞體的災(zāi)害鏈。

2)采用RAMMS軟件針對泥石流在降雨頻率P為10%、5%、2%、1%等條件下進行泥石流演進過程、形成堰塞體后的潰決進行模擬,得出了不同降雨頻率下可能形成的最大流速、最大流深及其位置,進一步指導(dǎo)防災(zāi)避險工作。

3)根據(jù)軟件模擬結(jié)果,形成了整個災(zāi)害鏈在不同降雨頻率下的影響范圍,可對鐵匠灣崩滑流災(zāi)害鏈周邊及其余地質(zhì)條件類似的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治工作提供參考。