摘要：

受極端降雨的影響，泥石流災(zāi)害呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、致災(zāi)嚴(yán)重的特點。而采用攔砂壩等措施來防治泥石流是保護(hù)山區(qū)城鎮(zhèn)的有效手段之一。隨著時間的推移，部分?jǐn)r砂壩已達(dá)到設(shè)計使用年限，存在因破壞失效而潛在危險性增大的問題。為了探明攔砂壩失效條件下的不同頻率泥石流潛在危險性，以四川省金川縣沙耳溝為研究區(qū)域，利用FLO-2D數(shù)值模擬軟件模擬了無工程措施、攔砂壩正常運(yùn)行和攔砂壩失效3種工況下的泥石流運(yùn)動和堆積特征，并對泥石流危險性進(jìn)行了區(qū)劃。結(jié)果表明：工程失效與自然條件相比，最大堆積深度相差較小，平均堆積深度增加了2.57%～5.77%；最大流速和平均流速分別增加了0.1%～35.98%、1.95%～6.55%；沖出距離變遠(yuǎn)，沖出方量增加了3.14%～6.65%。相比無工程措施和攔砂壩正常運(yùn)行條件，攔砂壩失效工況下高危險區(qū)面積分別增加了0.93%～3.39%、8.91%～17.93%；堆積范圍分別增加了0.39%～0.83%、11.50%～22.50%。若攔砂壩失效，將產(chǎn)生巨大的泥石流潛在危險性，在極端天氣下應(yīng)加強(qiáng)對老化攔砂壩的監(jiān)測預(yù)警。研究成果可為該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

關(guān)" 鍵" 詞：

泥石流； 潛在危險性； 攔砂壩失效； 數(shù)值模擬； 沙耳溝流域

中圖法分類號： P642.23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.015

收稿日期：

2024-01-08

；接受日期：

2024-04-02

基金項目：

國家杰出青年科學(xué)基金項目（41925030）； 第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究資助項目（2019QZKK0902）

作者簡介：

徐文靜，女，碩士研究生，主要從事泥石流防治研究。E-mail：xwj@imde.ac.cn

通信作者：

陳劍剛，男，研究員，博士，主要從事泥石流防治工程研究。E-mail：chenjg@imde.ac.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0115-08

引用本文：

徐文靜，陳劍剛，王喜安，等.

攔砂壩失效條件下泥石流潛在危險性分析

［J］.人民長江，2024，55（7）：115-122.

0" 引 言

攔砂壩和排導(dǎo)槽是防治泥石流災(zāi)害的有效手段之一，如為了保護(hù)成昆鐵路的安全運(yùn)行，鹽井溝在20世紀(jì)80年代修建了梯級攔砂壩攔擋泥石流。為了保護(hù)堆積扇上城鎮(zhèn)安全，也常通過修建梯級攔砂壩將固體物質(zhì)攔擋在溝道內(nèi)，而在堆積扇上通過排導(dǎo)槽將泥石流排導(dǎo)至下游停淤場或主河［1］。隨著已建防治工程運(yùn)行時間超過設(shè)計使用年限，以及攔砂壩逐漸失去攔蓄功能，防治工程是否能夠繼續(xù)安全運(yùn)行成為下游保護(hù)對象面臨的重要問題，如何預(yù)測此類防治工程的潛在風(fēng)險并預(yù)測其危險范圍成為亟需研究的問題。

多因子疊加法和數(shù)值模擬方法是泥石流危險性評價中常用的兩種方法。多因子疊加法一般用于區(qū)域性泥石流的危險性評價，例如田豐等［2］基于最大熵理論對多個泥石流危險性評價因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行賦值，建立了河西走廊泥石流災(zāi)害危險性最大熵分布模型。孟慶華等［3］基于模糊數(shù)學(xué)的層次分析法，選取多指標(biāo)評價因子構(gòu)建隸屬度函數(shù)，對陜西省鳳縣的泥石流災(zāi)害進(jìn)行危險性評價。羅亮等［4］采用信息量法對多個孕災(zāi)因子進(jìn)行賦值，評價了白龍江武都區(qū)段的泥石流危險性。但數(shù)值模擬方法更適用于具體流域的泥石流危險性評價［5］，預(yù)測不同重現(xiàn)周期下泥石流的運(yùn)動堆積特征。

FLO-2D作為一種洪水與土石流二維數(shù)值模擬軟件，泥石流重現(xiàn)性效果好，且泥深、流速的時空特征可見性較強(qiáng)［6-7］，被廣泛應(yīng)用于泥石流運(yùn)動模擬和泥石流危險性評價。眾多學(xué)者利用FLO-2D模型來評價泥石流危險性，都取得了良好的效果。王子亮等［8］利用FLO-2D模擬了不同降雨強(qiáng)度下的泥石流運(yùn)動過程，根據(jù)最大堆積深度和最大流速進(jìn)行泥石流危險性評價。林文等［9］通過FLO-2D和Flow-R耦合模型模擬了泥石流的運(yùn)動堆積情況，結(jié)合暴發(fā)頻率分析了溝谷型泥石流的危險性。方群生等［10］基于FLO-2D對震區(qū)典型急陡型泥石流在不同降雨頻率下工程和非工程措施下的沖出量進(jìn)行了模擬。楊濤等［11］采用FLO-2D模擬了潰決與非潰決條件下不同降雨頻率的泥石流沖出量、堆積范圍和堆積深度，對比分析了潰決型泥石流的危險性。

通過分析發(fā)現(xiàn)，防治工程經(jīng)過多年運(yùn)行后，攔砂壩基本處于滿庫狀態(tài)，壩體和槽體也存在磨蝕損毀情況，該類工程存在防治體系失效、加劇泥石流災(zāi)害風(fēng)險、造成巨大經(jīng)濟(jì)損失等問題。本文以四川省金川縣沙耳溝為例，通過FLO-2D模擬不同工況的泥石流運(yùn)動堆積情況，對泥石流危險性進(jìn)行區(qū)劃，研究老化攔砂壩存在的攔蓄功能喪失和潛在的泥石流防治工程失效帶來的災(zāi)害風(fēng)險問題。

1" 研究區(qū)概況

1.1" 沙耳溝

沙耳溝（圖1）位于四川省阿壩藏族羌族自治州金川縣沙耳鄉(xiāng)境內(nèi)，是大渡河上游右岸的一級支溝，溝口地理位置為102°3′57″E，31°31′6″N。流域主溝左岸有兩條支溝，分別是牛家溝和足打溝。

沙耳溝地處青藏高原東部邊緣大雪山脈和邛崍山脈之間的大渡河上游，地貌上屬切割強(qiáng)烈的高山峽谷區(qū)。流域面積44.49 km2，主溝長13.19 km，溝床平均縱比降140‰，溝口至分水嶺最大相對高差為2 290 m。

沙耳溝所在流域處于川西地槽區(qū)，松潘-甘孜褶皺系東北部，位于龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶與秦嶺昆侖斷裂帶所圍限的色達(dá)松潘斷塊的南部。褶皺（一系列的北西向倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜、復(fù)向斜）和斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。流域內(nèi)出露地層主要為三疊系上統(tǒng)西康群新橋都組和侏倭組深灰-黑灰變質(zhì)石英砂巖、變質(zhì)長石砂巖、變質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)板巖等。

沙耳溝流域?qū)俅箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，所在地區(qū)多年平均降水量為993.1 mm，最大年降水量1 214.9 mm。全年降雨呈雙峰型分布，主要集中在6月和9月。沙耳溝匯流條件較好，年平均流量大約0.96 m3/s，年總徑流量約3.027×107 m3［12］。

歷史上沙耳溝發(fā)生過泥石流導(dǎo)致壩體潰決失效事件，1979年建成的攔砂壩由于1980年7月9日暴發(fā)的山洪泥石流而被沖毀和報廢。據(jù)統(tǒng)計在1945、1953、1961、1973、1977、1978、1984、1992、1998年和2006年都暴發(fā)了較大規(guī)模的泥石流，暴發(fā)周期為8～10 a［12］，屬于中頻、中等規(guī)模泥石流。受“5·12”汶川地震影響，沙耳溝內(nèi)松散物質(zhì)堆積速度顯著提高。根據(jù)遙感解譯和實地調(diào)查，溝內(nèi)松散堆積體體積約60萬 m3，溝源表層松散土體體積約30萬 m3，溝床側(cè)壁崩塌堆積體體積約40萬 m3，沙耳溝總計固體物源方量130萬 m3，未來強(qiáng)降雨條件下可能引發(fā)泥石流災(zāi)害。

1.2" 防治工程運(yùn)行現(xiàn)狀

沙耳溝的綜合治理思路為“穩(wěn)攔排?！?，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。主溝和支溝內(nèi)的攔砂壩攔蓄了大量泥石流物質(zhì)，削減了泥石流規(guī)模，提高了侵蝕基準(zhǔn)面，控制溝床下切。位于堆積扇上的排導(dǎo)槽將泥石流物質(zhì)排導(dǎo)到停淤場內(nèi)，保護(hù)了沙耳鄉(xiāng)兩側(cè)居民生命財產(chǎn)安全，同時控制了進(jìn)入溝口金川河的泥石流物質(zhì)量，避免了泥石流堵河二次危害。

經(jīng)過30多年的運(yùn)行，泥石流防治工程存在以下問題：

（1） 攔砂壩庫容已滿，攔蓄能力降低（圖2）；加之汶川地震的影響，流域內(nèi)松散物源量增加，未來在強(qiáng)降雨誘發(fā)下極易暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，現(xiàn)有攔砂壩的攔蓄庫容不滿足減災(zāi)需求。

（2） 攔砂壩主壩和副壩局部受損（圖2）。泥石流流動時產(chǎn)生的巨大沖擊力和侵蝕作用極易加劇攔砂壩主壩和副壩破壞，最終增大攔砂壩整體失穩(wěn)破壞的風(fēng)險。

（3） 排導(dǎo)槽受泥石流長期磨蝕作用磨損嚴(yán)重，其減災(zāi)效果明顯降低。

2" 數(shù)值模擬方法

2.1" FLO-2D模擬原理及過程

FLO-2D模型的基本原理是將數(shù)字高程模型（DEM）劃分為大小相同、規(guī)則的地形格網(wǎng)，利用非牛頓流體與中央有限差分法求解泥石流運(yùn)動的控制方程，以數(shù)值定量的方法來模擬泥石流沖出的運(yùn)動堆積過程并評價泥石流危險性［7］。

FLO-2D中流速、泥深等模擬結(jié)果的呈現(xiàn)主要是基于連續(xù)性方程和運(yùn)動方程來實現(xiàn)的［13］，具體數(shù)學(xué)方程如下：

連續(xù)性方程：

I=ht+（uh）x+（vh）y（1）

動量方程：

Sfx=Sox-hx-ugt-uugx-vugy（2）

Sfy=Soy-hy-vgt-uvgx-vvgy

（3）

式中：I為一次降雨強(qiáng)度；t為時間，h；u為泥石流在二維模型中x方向上的平均流速，m/s；v為泥石流垂直方向上的平均流速，m/s；h為泥石流的深度，m；g為重力加速度，m/s2；Sfx，Sfy分別為模擬過程中x方向和y方向的摩擦阻力；Sox，Soy分別為x方向和y方向的縱坡降。

但是FLO-2D理論模型存在一些限制，需要滿足以下假設(shè)條件：假設(shè)為淺水波模式，流體為靜水壓力分布，差分時間間隔內(nèi)為穩(wěn)定均勻流，假設(shè)各個網(wǎng)格的高程和糙率為均值；滿足定床模型限制［6，13-14］。FLO-2D模型適用于模擬泥石流的運(yùn)動堆積狀態(tài)，無法模擬泥石流侵蝕過程，模擬前需要設(shè)計流量過程線，模擬過程中無法加入新的物源［13-15］。工程結(jié)構(gòu)的模擬可以通過創(chuàng)建壩體導(dǎo)入工程參數(shù)。雖然不能模擬泥石流對于工程結(jié)構(gòu)的損毀過程，但可以通過設(shè)定工程已受損條件來模擬工程失效對泥石流運(yùn)動和停淤的影響。

FLO-2D模擬過程：模擬之前在ArcGIS里將DEM（12.5 m分辨率）轉(zhuǎn)化為FLO-2D軟件能夠識別的ASCII文件，在模擬時建立5 m×5 m的計算格網(wǎng)，劃定計算區(qū)域并對網(wǎng)格進(jìn)行高程賦值，然后輸入泥石流特征參數(shù)和曼寧系數(shù)等，設(shè)定泥石流起動點，輸入泥石流流量過程線，設(shè)置出流邊界，然后運(yùn)行FLO-2D模擬泥石流。

2.2" 參數(shù)選取和模擬工況

2.2.1" 模擬參數(shù)選取

泥石流的運(yùn)動堆積特征與泥石流的屈服應(yīng)力和黏滯系數(shù)有關(guān)，其計算公式如下：

η=α1eβ1Cv（4）

τy=α2eβ2Cv（5）

式中：η為黏滯系數(shù)；τy為屈服應(yīng)力；α1，α2，β1，β2為經(jīng)驗系數(shù)；Cv為體積濃度。

參考文獻(xiàn)資料和FLO-2D使用手冊，得到沙耳溝的模擬參數(shù)取值（表1）。

2.2.2" 泥石流流量過程線計算

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》計算出流域在不同設(shè)計頻率下的洪峰流量：

Qp=0.278ψiF=0.278ψ（S/Tn）F（6）

式中：Qp為不同降雨強(qiáng)度下的最大洪峰流量，m3/s；ψ為徑流系數(shù)；i為平均最大暴雨強(qiáng)度， mm/h；F為集水點所在的流域面積，m2；S為雨力系數(shù)， mm/h；T為流域匯流時間，h；n為暴雨公式指數(shù)。

泥石流運(yùn)動時侵蝕溝道會使流量產(chǎn)生放大效應(yīng)，故在計算流量過程線時，不能在FLO-2D軟件中直接輸入暴雨洪峰流量，應(yīng)在此基礎(chǔ)上乘以堵塞系數(shù)和溝道特征系數(shù)。

一般假定泥石流的暴發(fā)頻率與降雨頻率相吻合，基于《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》，計算不同降雨頻率下的泥石流峰值流量，如公式（7），結(jié)果見表2；并利用概化五邊形法繪制出泥石流流量過程線（圖3）。

Qc=1+φQPDc（7）

式中：Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量，m3/s；φ為泥沙修正系數(shù)，可查規(guī)范計算得到；Qp為頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量，m3/s；Dc為堵塞系數(shù)，可通過經(jīng)驗表確定，取1.2。

φ=γc-γwγH-γc（8）

式中：γc為泥石流密度，取2 000 kg/m3；γw為清水密度，取1 000 kg/m3；γH為泥石流中固體物質(zhì)密度，取2 700 kg/m3。

2.2.3" 模擬工況

以沙耳溝為研究區(qū)，模擬了自然條件、工程措施和工程失效下降雨頻率為1%，2%，5%，10%和20%的泥石流運(yùn)動堆積現(xiàn)象。其中，自然條件為溝道內(nèi)無工程，工程措施為沙耳溝主溝的3座攔砂壩，工程失效即假設(shè)主溝3座攔砂壩空庫狀態(tài)下發(fā)生潰決而失效的情況。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 泥石流泥深和流速

圖4和圖5分別是3種工況、5種頻率下的泥石流泥深分布和平均泥深、流速分布和平均流速。由圖4～5可見：3種工況的最大泥深、平均泥深和最大流速、平均流速均隨泥石流頻率增大而減小。在不同頻率下，工程失效與自然條件相比，最大泥深相差較小，平均泥深有所增加；而工程措施的最大泥深和平均泥深相對較高。與工程措施相比，工程失效下100 a一遇泥石流的最大泥深下降幅度最大，下降了7.09%；20 a一遇和10 a一遇的泥石流平均泥深降低幅度較

為明顯，分別下降了10.00%和10.41%。

相比于自然條件，工程措施下泥石流最大流速得到削減，平均流速大體呈下降趨勢，而工程失效下泥石流最大流速和平均流速均有所增長。對比工程措施，工程失效下20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇泥石流的最大流速增長幅度較大，分別增加了20.03%，31.07%和40.79%；5 a一遇泥石流的平均流速上升幅度最大，增加了13.09%。

3.2" 泥石流沖出方量

圖6是3種工況、5種頻率下的泥石流沖出方量，每種工況的沖出方量均隨降雨頻率降低而增大。降雨頻率分別為1%，2%，5%，10%和20%時，采取工程

措施的泥石流沖出方量相較于自然條件有所減少，且分別減少了5.88%，5.62%，4.96%，3.94%，1.36%；工程失效條件下的沖出方量相比采取工程措施有所增加，對于上述不同的降雨頻率分別增加了9.58%，9.33%，10.25%，8.69%，8.11%；工程失效對比自然條件的沖出方量也有所增加，且分別增加了3.14%，3.18%，4.78%，4.40%，6.65%。

3.3" 泥石流危險性

影響泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)主要包括泥深、流速、降雨暴發(fā)頻率和強(qiáng)度等［16-18］。將不同降雨頻率下模擬的泥深和流速相乘即可得出泥石流強(qiáng)度，再結(jié)合不同暴雨重現(xiàn)周期按泥石流沖出的區(qū)域進(jìn)行泥石流危險性區(qū)劃，分為高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)［19-21］。

根據(jù)表3中的泥石流強(qiáng)度劃分原則，以泥深與流速的乘積為指標(biāo)，對自然條件、工程措施、工程失效3種工況下不同重現(xiàn)周期的泥石流危險性進(jìn)行區(qū)劃，得到泥石流危險性分區(qū)圖（圖7）。

圖8為3種工況5種頻率下的泥石流堆積面積。由圖8可見，工程措施對比自然條件，低、中、高危險區(qū)的面積都有所縮減，且堆積面積大大減小，這表明攔砂壩的建設(shè)對泥石流減災(zāi)效果顯著。對比不同頻率間工程措施相對自然條件的各危險區(qū)面積變化發(fā)現(xiàn)，攔砂壩對于降雨頻率較高時泥石流的危險性降低作用比較顯著，而對降雨頻率較低時泥石流的減災(zāi)作用相對弱一些。

表4統(tǒng)計了工程失效對比自然條件的泥石流各危險區(qū)和堆積范圍的增加面積及比例，當(dāng)攔砂壩失效時，堆積面積相較于自然條件有所增加，其中高危險區(qū)面積增幅最大，說明工程失效加重了泥石流的致災(zāi)情況。降雨頻率為1%，2%，5%，10%，20%時，泥石流堆積范圍分別增加了0.55%，0.48%，0.69%，0.39%，0.83%。其中，低危險區(qū)面積基本變化不大，中危險區(qū)面積均有所縮減，高危險區(qū)面積分別增加了0.93%，1.00%，1.72%，1.38%，3.39%。

表5統(tǒng)計了工程失效對比工程措施的泥石流各危

險區(qū)和堆積范圍的增加面積及比例。與工程措施相比，攔砂壩失效條件下，降雨頻率為20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇時，泥石流危險性表現(xiàn)出更加明顯的放大效應(yīng)，其中工程失效后20 a一遇、10 a一遇的泥石流低危險區(qū)面積相對工程措施分別放大了1.35倍和1.24倍，中危險區(qū)面積分別放大了1.53倍和1.52倍，堆積范圍也分別擴(kuò)大到1.23倍和1.21倍；工程失效后，降雨頻率為5 a一遇時泥石流高危險區(qū)面積相對工程措施放大了1.18倍。

4" 結(jié) 論

針對沙耳溝自然條件、工程措施和工程失效下降雨頻率為1%，2%，5%，10%和20%時泥石流危險性進(jìn)行了模擬分析與對比，得到如下結(jié)論：

（1） 工程失效的泥石流平均泥深和平均流速相對自然條件更大。與工程措施相比，工程失效下降雨頻率為20 a一遇和10 a一遇的泥石流平均泥深降低幅度最為明顯，分別下降了10.00%和10.41%；而工程失效下降雨頻率為5 a一遇的泥石流平均流速上升幅度最大，增加了13.09%。

（2） 降雨頻率為1%，2%，5%，10%和20%時，工程失效條件下泥石流沖出方量相比自然條件和工程措施均有所增加：對比自然條件，沖出方量分別增加了3.14%，3.18%，4.78%，4.40%，6.65%；對比工程措施，沖出方量分別增加了9.58%，9.33%，10.25%，8.69%，8.11%。3種工況5種頻率下模擬的泥石流沖出方量范圍為16萬～49萬 m3，均小于沙耳溝總計固體物源方量，說明模擬結(jié)果具有可靠性。

（3） 當(dāng)攔砂壩失效時，堆積面積相較于自然條件有所增加，其中高危險區(qū)面積增幅最大，降雨頻率為1%，2%，5%，10%，20%時的高危險區(qū)堆積面積分別增加了0.93%，1.00%，1.72%，1.38%，3.39%，說明工程失效加重了泥石流的致災(zāi)情況。對比工程措施，攔砂壩失效條件下降雨頻率為20 a一遇、10 a一遇和5 a一遇時，泥石流危險性表現(xiàn)出更加明顯的放大效應(yīng)。

攔砂壩老化失效會增大泥石流災(zāi)害風(fēng)險，在降雨條件下應(yīng)加強(qiáng)對此類攔砂壩的監(jiān)測預(yù)警。

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（編輯：劉 媛）

Analysis of potential hazard of debris flows under failure conditions of check dams

XU Wenjing1，2，CHEN Jiangang1，WANG Xi′an1，2，WANG Jinshui1，2，YANG Fei1，2

（1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Land Surface Processes，Institute of Mountain Hazards and Environment of Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610299，China；" 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

Affected by extreme rainfall，debris flow disasters are frequent and serious.The use of check dams and other measures to prevent and control debris flows is one of the effective means to protect mountain towns.With time elapsing，some check dams have reached the designed service life，so the potential failure risks are increasing.To explore the potential hazards of debris flows with different frequencies under the potential failure of check dams，a study was conducted in Shaergou Gully in Jinchuan County，Sichuan Province.We used FLO-2D numerical simulation software to simulate the movement and accumulation characteristics of debris flows under three working conditions： no engineering measures，normal operation of check dam and failure of check dam.And the hazards of debris flow were zoned.The results showed that compared with natural conditions，the difference between the maximum accumulation depth of engineering failure case was small，and the average accumulation depth increased by 2.57%～5.77%；the maximum flow velocity and average flow velocity increased by 0.10%～35.98% and 1.95%～6.55%，respectively；the runout distance got longer，and the volume of debris flow flushing out increased by 3.14%～6.65%.Compared with no engineering measures and normal operation conditions of the check dams，the area of the high-risk area under the engineering failure condition increased by 0.93%～3.39% and 8.91%～17.93%，respectively；the accumulation range increased by 0.39%～0.83% and 11.50%～22.50%，respectively.If the check dams fail，it will produce a huge debris flow potential danger，so the monitoring and early warning on aging check dams should be strengthened in extreme weather.The results can provide references for prevention and control of debris flow in the study area.

Key words：

debris flow； potential hazard； failure of check dam； numerical simulation； Shaergou Gully