基于數(shù)值模擬的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

崔小普，時(shí)澤龍

（1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710076）

泥石流發(fā)生后危害較大[1-6]，因而泥石流潛在危險(xiǎn)性的判定一直伴隨著成災(zāi)前后。早在1899年，美國(guó)學(xué)者Davis[7]就指出泥石流地貌發(fā)育可分為幼年期、壯年期以及老年期。地貌發(fā)育階段的判定可以有效的對(duì)泥石流危害提出評(píng)估，進(jìn)而提出預(yù)防措施。本文對(duì)吳家溪泥石流形成機(jī)理進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和穩(wěn)定性分析[8-11]，并用有限元軟件進(jìn)行模擬，判斷該泥石流所處發(fā)育階段，進(jìn)而掌握其地質(zhì)災(zāi)害的基本特征。

1 研究區(qū)概況

吳家溪泥石流位于龍山縣里耶鎮(zhèn)吳家村，屬侵蝕剝蝕構(gòu)造中低山地貌單元，地勢(shì)總體西北高東南低，最高標(biāo)高+450m，最低標(biāo)高+250m，相對(duì)高差200m。自然斜坡坡度一般為25～50°，局部陡坎處達(dá)75°，溝道粗糙，整個(gè)流通區(qū)坡度較陡，平均總坡降約為486‰。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形地貌條件

吳家溪溝域內(nèi)山高坡陡，平均坡度25°～35°，有利于降雨的匯集，形成豐富的水源。同時(shí)，由于雨水沖刷溝谷內(nèi)兩側(cè)坡體和坡腳，使之產(chǎn)生滑坡隱患，且溝谷縱坡較大，為松散固體物質(zhì)搬運(yùn)提供了有利的地形地貌條件。

2.2 物源條件

滑坡區(qū)屬中低山地貌，地形地貌條件較簡(jiǎn)單，滑坡后緣最大高程約+440m，前緣最小高程+406m，相對(duì)高差34m。整體地形坡度相對(duì)較陡，地面坡角20～35°。前緣剪出口至后緣滑坡體水平長(zhǎng)度為53m，滑坡前緣最大橫寬約 45m，滑坡體平均厚 7m，面積約0.20×104m2，體積約1.40×104m3，滑坡主滑方向 85°。

2.3 水源條件

據(jù)龍山縣氣象局實(shí)測(cè)資料，區(qū)內(nèi)日最大降雨量為205.70mm，50年一遇的小時(shí)降雨量為81.00mm，完全具備引發(fā)泥石流災(zāi)害的降雨條件，因此暴雨形成的地表徑流是引發(fā)泥石流的主要水源。

2.4 泥石流基本特征值計(jì)算

2.4.1 泥石流流體重度

本文運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)配方法和查表法兩種方法對(duì)泥石流流體重度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而選擇比較適合的方法。

（1）現(xiàn)場(chǎng)配方法

經(jīng)調(diào)查吳家溪泥石流的發(fā)生性狀，將漿體攪拌成當(dāng)時(shí)泥石流漿體濃度并進(jìn)行稱重，量測(cè)漿體體積，計(jì)算其重度作為泥石流流體的重度，如表1，其計(jì)算公式為：

式中，γc為泥石流重度 t/m3；Gc為配制泥漿重量 t；V為配制泥漿m3。

表1 泥石流流體重度（配方法）

表2 泥石流流體重度（查表法）

表3 泥石流流量

圖1 泥石流地質(zhì)剖面和計(jì)算模型網(wǎng)格圖

參照泥石流相關(guān)規(guī)范[12]，查表確定該溝域泥石流重度和泥沙修正系數(shù)，其結(jié)果如表2。

配方法測(cè)定一般只能反映當(dāng)前一次泥石流發(fā)生的結(jié)果，誤差較大；查表法是在現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)得出重度值，更宜作為測(cè)定結(jié)果。

2.4.2 泥石流流量

泥石流峰值流量采用“雨洪法”進(jìn)行計(jì)算。“雨洪法”是假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生，計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)化為泥石流流量的假設(shè)條件下建立的計(jì)算方法[13]。

式中，Qc為頻率為P 的泥石流洪峰值流量m3/s；QP為頻率為P 的暴雨洪峰值流量m3/s；φ 為泥石流泥砂修正系數(shù)；DC為泥石流堵塞系數(shù)值，主溝取2.00。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

分析可知，泥石流流量大，總量多，整體沖擊力大，沖起高度可達(dá)0.74m，由于撞擊作用，在彎道處沖起高度可以達(dá)到1m 以上，總體上來(lái)說(shuō)，吳家溪泥石流危險(xiǎn)性較大。

3 模型的建立及穩(wěn)定性分析

表4 穩(wěn)定性計(jì)算工況、荷載組合

表5 穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.1 模擬計(jì)算

泥石流的地質(zhì)剖面圖以及數(shù)值模型見(jiàn)圖1。本次模擬選取2 維計(jì)算模型，進(jìn)行平面應(yīng)變分析。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)14829 個(gè)，單元總數(shù)8156 個(gè)（網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)6308，梁?jiǎn)卧獢?shù)462，多段線單元數(shù)1386）。將模型在天然狀態(tài)以及暴雨工況下進(jìn)行仿真，模擬了兩種工況下的滑坡穩(wěn)定性。將仿真模型得到的安全系數(shù)與傳遞系數(shù)法[14]進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證計(jì)算的正確性。

天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析：

天然狀態(tài)下，運(yùn)用計(jì)算模型驗(yàn)算的安全系數(shù)為1.07，表明邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。（如圖2、3）

圖2 天然狀態(tài)下塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖3 天然狀態(tài)下位移云圖

暴雨工況下的塑性應(yīng)變?cè)茍D及位移云圖如圖4，5 所示。暴雨工況下模型驗(yàn)算的安全系數(shù)為0.66，穩(wěn)定性系數(shù)偏低，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 泥石流穩(wěn)定性計(jì)算

圖4 暴雨下塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖5 暴雨下位移云圖

本次穩(wěn)定性計(jì)算考慮兩種工況，詳見(jiàn)表4。其中，滑坡區(qū)地震設(shè)防烈度為小于Ⅵ度區(qū)，不計(jì)地震荷載。參照相關(guān)規(guī)范推薦的滑動(dòng)面為折線型，采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和推力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。表5 結(jié)果顯示：該滑坡處于天然狀態(tài)時(shí)，1-1 剖面以及2-2 剖面處于穩(wěn)定和基本穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)傳遞系數(shù)法和數(shù)值軟件模擬得到的安全系數(shù)比較接近，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。天然狀態(tài)下均能夠保持穩(wěn)定，不發(fā)生破壞；暴雨工況下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)大大降低，說(shuō)明降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性有顯著影響，連續(xù)降雨和突降暴雨是誘發(fā)滑坡的直接因素。

4 結(jié)論

吳家溪泥石流從發(fā)生頻率上看屬高頻泥石流，發(fā)展階段屬發(fā)展期；溝域內(nèi)具備發(fā)生泥石流的基本條件，隨著溝內(nèi)大量松散固體物源的增加，在強(qiáng)降雨作用下，大規(guī)模的泥石流災(zāi)害可能發(fā)生。

通過(guò)數(shù)值模擬軟件建模得到的安全系數(shù)與傳遞系數(shù)法所得結(jié)果較吻合，說(shuō)明吳家溪泥石流現(xiàn)階段仍不穩(wěn)定，暴雨時(shí)危險(xiǎn)性極大，急需治理。針對(duì)當(dāng)前泥石流的發(fā)育狀態(tài)，提出了相應(yīng)防治措施，為相類似的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了依據(jù)。