九—綿高速公路魯家溝泥石流形成機(jī)制與數(shù)值模擬分析

宋 兵，沈軍輝，阮 壯，李本松，羅 恒，李 穎

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流是山區(qū)常見自然災(zāi)害，特別是“5·12”地震后，泥石流災(zāi)害進(jìn)入了一個(gè)活躍期。九—綿高速公路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，泥石流災(zāi)害更為頻繁，魯家溝曾在1998年發(fā)生的特大泥石流，不僅在火溪河右岸造成了特大災(zāi)害，而且流體流入火溪河，堰塞并抬高溝床，沖毀火溪河左岸公路1 000余米，數(shù)十萬立方米和巨石頓時(shí)堆積成天然攔河壩截?cái)嗷鹣?，洪水翻壩將大量泥沙輸送到下游木座水電站，直接?jīng)濟(jì)損失達(dá)3 000多萬元。九—綿高速公路路線通過魯家溝泥石流堆積扇，本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料分析了魯家溝泥石流的成因機(jī)制[1-7]，并在此基礎(chǔ)上使用RAMMS：DEBRIS FLOW軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[8-10]，預(yù)測魯家溝泥石流50年一遇的泥石流沖出量[11]，對于泥石流的形成機(jī)制的研究，主要從物源、氣象水文、地形基本條件入手，進(jìn)而分析誘發(fā)條件及整個(gè)演化過程，運(yùn)用數(shù)值模擬分析研究不僅可以對形成機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證，更可以對泥石流的未來發(fā)展趨勢作出預(yù)測。本文主要為區(qū)域的泥石流研究提供借鑒，為擬建防治工程提供一定參考。

1 魯家溝泥石流流域基本特征

魯家溝泥石流位于綿陽市平武縣木座藏族鄉(xiāng)，火溪河右岸，溝口地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°30′16.14″，北緯32°36′46.76″。平武縣屬北亞熱帶山地濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量907.5 mm，最大日降水量195 mm，屬于深切構(gòu)造高中山地形,流域總體呈樹葉狀,呈SE-NW向展布。魯家溝流域(圖1)長約4.3 km，平均寬約2.1 km，匯水面積約7.96 km2。

2 魯家溝泥石流形成機(jī)制分析

魯家溝泥石流屬于暴雨潰決型泥石流，與其強(qiáng)降雨、大量松散物質(zhì)、陡峭的地形和物源啟動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)機(jī)理有直接的聯(lián)系(圖2)。

2.1 物源豐富

“5·12”地震和虎牙斷裂、平武-青川斷裂作用使得魯家溝流域內(nèi)形成大量松散物源，清水區(qū)及流通區(qū)上部在冬季積雪凍結(jié)，夏季融化，凍結(jié)作用使得巖體更為破碎，產(chǎn)生更多的松散物質(zhì)。可參與泥石流的動(dòng)儲(chǔ)量物源主要為滑坡堆積體，表層松散物質(zhì)在水力和重力作用下不斷向溝道遷移，在溝谷內(nèi)的松散固體物質(zhì)得到長期累積，為泥石流形成準(zhǔn)備了豐富的固體物質(zhì)。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查總物源量約6.308 7×106m3，動(dòng)儲(chǔ)量物源量[12-14]約1.893 4×106m3。

2.2 降雨充沛

平武縣降水豐沛，大量的降雨使得區(qū)內(nèi)新增大量的崩滑、滑坡現(xiàn)象，為泥石流增加了松散固體物源，平武縣多年平均降雨量907.5 mm，雨季集中在7～8月，最大日降水量可達(dá)195 mm。

2.3 多跌水坎地形

魯家溝流域?qū)儆谏钋懈顦?gòu)造高中山地形，流域總體呈樹葉狀，呈SE-NW向展布。源頭形成區(qū)縱比降在550‰以上，山坡坡度35°～45°，流通區(qū)溝床縱比降一般在390‰以上。流域地貌深切,呈“V”型峽谷，斜坡陡峻，溝谷兩側(cè)斜坡坡度多在30°～70°之間。據(jù)調(diào)查在該溝段發(fā)育3個(gè)跌水坎，跌水坎高差大，而跌水坎上游很開闊，這種溝道地形使得流體在跌水坎以上流動(dòng)時(shí)發(fā)生減速，有利于泥石流體在各個(gè)跌水坎上游堆積，另一方面而當(dāng)流體到達(dá)跌水坎時(shí)，翻過跌水坎而迅速向跌水坎下傾瀉，重新獲得加速，可見流域中游各個(gè)跌水坎具有魯家溝泥石流提供動(dòng)力的作用，在跌水坎下游溝道愈漸狹窄，并且溝道兩側(cè)邊坡陡立，物源豐富。以上兩方面造成了流域中游極易堵溝并且具有泥石流堆積和堆積體有被沖刷侵蝕的特征。

圖2 魯家溝泥石流形成機(jī)制圖Fig.2 The formation mechanism of debris flow in Lujiagou

2.4 形成機(jī)制與演化

魯家溝各支溝泥石流主要為暴雨作用下，大量匯集于溝道，匯流過程中將坡面松散泥沙及坡面的各類松散堆積物源攜帶進(jìn)入溝道，并順溝而下，通過溝道揭底沖刷卷動(dòng)溝道內(nèi)的松散堆積物源，并將兩側(cè)溝岸松散固體物質(zhì)帶走，以滾雪球的方式向下游運(yùn)動(dòng)，從而暴發(fā)泥石流災(zāi)害。而溝道兩側(cè)風(fēng)化程度較高的順向陡立山坡在強(qiáng)暴雨的作用下極易發(fā)生滑坡等災(zāi)害，沖下大量碎粒物質(zhì)及巨大塊石堵塞溝口，使得溝內(nèi)水位不斷升高，上游沖下的泥石流物質(zhì)不斷沖擊堵塞溝口并堆積，根據(jù)所收集的資料以及實(shí)地勘察證明魯家溝是非常典型的堵塞潰決型泥石流，可見潰決口殘余巨石(圖3)，現(xiàn)場測量得長16 m，寬7 m，厚5.5 m。魯家溝內(nèi)滑坡發(fā)育，順層斜坡發(fā)育，斜坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，巖層產(chǎn)狀傾角一般達(dá)到40°以上，并在河流的侵蝕下發(fā)生順層滑坡，堵塞河道，為泥石流的發(fā)生提供大量物源。

圖3 堵塞溝道的巨石Fig.3 Boulders blocking the channel

在泥石流形成過程中，溝域內(nèi)地形陡峻，溝谷縱坡大為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件，魯家溝中段兩岸及各支溝中下游地段強(qiáng)烈的崩塌、滑坡等現(xiàn)象和水土流失的強(qiáng)劇，以及溝道內(nèi)大量的溝道堆積物為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散固體物源，而暴雨則是泥石流形成的主要引發(fā)因素。魯家溝泥石流形成機(jī)制和演化過程總結(jié)為：暴雨誘發(fā)—滑坡失穩(wěn)—堵塞溝道—堰塞潰決—泥石流形成。

3 魯家溝泥石流模擬分析

3.1 原理

本文數(shù)值模擬采用RAMMS：DEBRIS FLOW軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。Hungr等[15]認(rèn)為利用連續(xù)介質(zhì)法模擬分析時(shí)，最為困難的問題是選取合適的流變模型，這是因?yàn)橛捎谀嗍髟谶\(yùn)動(dòng)全過程中，時(shí)刻都會(huì)因受不確定因素的干擾而發(fā)生特征改變。RAMMS采用Voellmy-Fluid摩擦模型，該模型基于Voellmy-Salm模型。這個(gè)模式是將摩擦阻力分為兩部分：干-庫侖型摩擦系數(shù)(μ)，其與正常應(yīng)力和速度平方阻力一致或黏性湍流摩擦系數(shù)(ξ)，摩擦阻力S(Pa)為：

其中：ρ——密度；

H——流動(dòng)高度；

g——重力加速度；

φ——坡角；

U——流速。

RAMMS模型中將泥石流視作具有流變性質(zhì)的流體，RAMMS用Vomlley-Salm流變連續(xù)介質(zhì)模型和RKE(Random Kinetic Energy)模型來處理流變問題，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證RAMMS應(yīng)用兩個(gè)模型能很好的模擬泥石流運(yùn)動(dòng)過程，得到泥石流的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)。

3.2 Vollemy-Salm流變模型

RAMMS使用笛卡爾坐標(biāo)系：x、y和高程z，t為泥石流流動(dòng)時(shí)間。根據(jù)Christen等[16]，泥石流的運(yùn)動(dòng)特征由兩個(gè)主要參數(shù)表示：泥石流流深H(x,y,t)和流動(dòng)速度U(x,y,t)，U(x,y,t)=(UX(x,y,t),UY(x,y,t))。

流動(dòng)速度的大小由下式確定：

(1)

流深由?tH+?X(HUx)+?y(HUy)=Q(x,y,t)確定，Vollemy-Salm流變模型的摩擦阻力Sf=(Sfx,Sfy)由如下式確定：

(2)

3.3 RKE模型

(3)

公式中μ為摩擦系數(shù)，ξ為湍流系數(shù)，R0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，exp為指數(shù)。

3.4 數(shù)值模擬

本文在以現(xiàn)場調(diào)查獲取的資料結(jié)合RAMMS:DEBRIS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，準(zhǔn)備工作：1.提取等高線并使用ArcToolbox轉(zhuǎn)化成TIN格式，再轉(zhuǎn)化為柵格，最后轉(zhuǎn)化為ASCII格式。2.地理參考數(shù)據(jù)集必須是笛卡爾坐標(biāo)系，地形數(shù)據(jù)是最重要的輸入要求，模擬結(jié)果依賴于強(qiáng)烈的地形輸入數(shù)據(jù)的分辨率和準(zhǔn)確性。3.將工程地質(zhì)平面圖中的物源文件和流域范圍導(dǎo)出備用。運(yùn)行RAMMS后、打開第一步工作準(zhǔn)備好的DEM文件，依次加載流域范圍、物源區(qū)，并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)為物源的厚度賦值，并開始設(shè)置參數(shù)。(1)密度(ρ)：1.67 g/cm3(現(xiàn)場重度試驗(yàn)獲取)，重力加速度(g)：9.8 m/s2，平均坡角φ：38°。(2)保持土壓力系數(shù)Lambda(1.00)的默認(rèn)值。參數(shù)Lambda修改驅(qū)動(dòng)流量的縱向壓力梯度。除了1.00以外的Lamda的使用只能在1階數(shù)值求解器中進(jìn)行，并且將影響模擬結(jié)果。(3)保持零高度截止值(0.000 100 m)的默認(rèn)值。消除了模擬的實(shí)際淺流量高度以最小化數(shù)值的誤差。(4)μ=0.174，ξ=189.2 m/s2(根據(jù)調(diào)查所得數(shù)據(jù)通過物理原理計(jì)算所得)。(5)洪水流量QB=116.99 m3/s(50年一遇洪水流量)。開始RAMMS模擬并得到模擬結(jié)果如下：泥石流沖出量為5.68×105m3，泥石流運(yùn)動(dòng)總時(shí)長93 min 32 s(圖4)。其中，洪水流量由雨洪法確定。

洪水流量QB計(jì)算公式:

QB=0.278r×i×F

式中：r——按小時(shí)平均雨強(qiáng)(mm/h)設(shè)計(jì)，計(jì)算用實(shí)測最大小時(shí)雨強(qiáng)校核，根據(jù)水文手冊查閱本地降雨歷史資料取得；

i——產(chǎn)水系數(shù)。植被具有保水功能，降雨后入滲少，產(chǎn)水系數(shù)與雨強(qiáng)的大小和植被的多少呈正變，與松散土層的厚度呈反變，一般產(chǎn)水系數(shù)i=0.5～0.9；魯家溝泥石流溝取0.60；

F——流域面積/km2，7.64 km2。

50年一遇：QB=0.278r×i×F=0.278×91.81×0.60×7.64=116.99 m3/s

通過數(shù)值模擬，可以對流域內(nèi)物源由變形失穩(wěn)到泥石流運(yùn)動(dòng)的全過程進(jìn)行分析。該泥石流的各個(gè)時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)過程見圖4，結(jié)果分析詳見表1。

圖4 泥石流運(yùn)動(dòng)過程模擬Fig.4 Simulation of debris flow movement process

階段運(yùn)動(dòng)過程的描述a由于暴雨沖刷和降雨入滲,坡體表面碎石土變得松散,土體重力增加,受軟化作用強(qiáng)度降低,沿滑向下滑分力增大,不穩(wěn)定物源開始變形。b隨著雨水入滲,大量降雨匯集于清水-形成區(qū)加上高縱坡降提供強(qiáng)大的水動(dòng)力條件,不穩(wěn)定土體變形加劇,雨水?dāng)y帶泥沙、塊石,卷入溝道,泥石流向下游以滾雪球的方式越來越壯大。c溝道物源隨著雨水沖刷,繼續(xù)運(yùn)動(dòng),沖出溝口,并形成堆積扇,隨著雨量和不穩(wěn)定物源的減小,泥石流動(dòng)能開始變小。d運(yùn)動(dòng)至93 min 32 s,魯家溝重新回到穩(wěn)定狀態(tài),泥石流運(yùn)動(dòng)結(jié)束,沖出量為5.68×105 m3。

4 結(jié)論

(1)魯家溝其獨(dú)特多跌水地形地貌、水動(dòng)力條件、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、溝床變化和人類對溝內(nèi)生態(tài)破壞程度決定著魯家溝泥石流的暴發(fā)規(guī)模、周期、泥石流類型及其危害程度。魯家溝內(nèi)基巖風(fēng)化嚴(yán)重，坡積物豐富，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多。固體物源豐富為魯家溝提供了產(chǎn)生泥石流的物源，共計(jì)有松散固體物源量約6.308 7×106m3。魯家溝溝縱道坡比降從上游至下游由大變小，上游地貌適合于雨水匯集，支溝發(fā)育，這為魯家溝提供了發(fā)生泥石流水動(dòng)力條件。

(2)魯家溝泥石流為滑坡堰塞壩潰決型泥石流，泥石流的發(fā)生主要與溝域內(nèi)順層斜坡失穩(wěn)破壞，堰塞溝道并潰決形成。形成機(jī)制和演化過程總結(jié)為：暴雨誘發(fā)—滑坡失穩(wěn)—堵塞溝道—堰塞潰決—泥石流形成。

(3)魯家溝泥石流仍然有再次暴發(fā)泥石流的可能性，數(shù)值模擬研究魯家溝50年一遇泥石流洪峰流量為476.73 m3/s，泥石流暴發(fā)至休止時(shí)間為93 min 32 s，泥石流沖出量5.68×105m3。