德欽縣城直溪河泥石流成災(zāi)模式及運(yùn)動(dòng)過程模擬

王俊豪，管建軍，魏云杰，高培強(qiáng)，梅傲霜，張東偉

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心)，北京 100081；2.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083）

云南省處于我國低緯度的高原地區(qū)，山地面積占總面積的94%，跨越多種氣候帶，部分地區(qū)強(qiáng)降雨頻繁，是我國遭受滑坡、泥石流災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一[1]。德欽縣位于云南省西北部，處于橫斷山脈和三江并流腹地，地形高差較大，屬于典型的高山峽谷地貌。該地區(qū)巖體次生作用強(qiáng)烈且被結(jié)構(gòu)面切割包圍，歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)致使地層巖性較為復(fù)雜。德欽縣在1957年、1966年、1968年、1974年、1977年、1986年、1988年、1995年、1996年、1997年、2002年等多個(gè)年份遭遇過較大規(guī)模的泥石流災(zāi)害，造成多人傷亡。尤其是2002年7月18日，多處泥石流沖進(jìn)城區(qū)，給德欽縣人民造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為保證城區(qū)安全，德欽縣對泥石流溝進(jìn)行了多期治理，上游設(shè)攔擋壩，城區(qū)鋪設(shè)“V”型排導(dǎo)槽。防治工程經(jīng)過1995年、1996年、1997年和2002年4 次大規(guī)模黏性泥石流的檢驗(yàn)，發(fā)揮了預(yù)期效果。但目前攔擋工程已滿庫運(yùn)行，且上游松散物源量巨大，大量新物源不斷累積，一旦成災(zāi)后果嚴(yán)重[2]。

泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)方法方面的研究成果較多。王俊豪等[3]采用層次分析與模糊評價(jià)相結(jié)合的模型對洮河流域泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性評價(jià)；崔傳峰等[4]采用灰色可拓模型建立了泥石流易發(fā)性評價(jià)模型；邵海等[5]對泥石流的形成條件和成災(zāi)模式進(jìn)行了分析，同時(shí)給出了防災(zāi)減災(zāi)建議；管建軍等[6]利用無人機(jī)傾斜技術(shù)生成三維模型，對泥石流易發(fā)性評價(jià)因子進(jìn)行了分析和確定。

數(shù)值模擬是泥石流研究前沿領(lǐng)域，其成果可為高精度小范圍泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估提供準(zhǔn)確可靠的要素。因此，數(shù)值模擬是泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的關(guān)鍵性工作。目前，對泥石流過程的模擬已有較成熟的模型，如Debris-2D 模型[7]和FLO-2D 模型[8]等。FLO-2D 模型作為一款專用于洪水和泥石流模擬的二維軟件，操作簡單、能真實(shí)模擬泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)的流變狀態(tài)，因此得到廣泛應(yīng)用。張鵬等[9]、黃勛等[10]分別運(yùn)用FLO-2D 模型對特定泥石流溝進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了FLO-2D 模型模擬試驗(yàn)區(qū)泥石流威脅范圍的準(zhǔn)確性；杜雪劍等[11]、王駿等[12]利用FLO-2D 模型模擬結(jié)果對泥石流溝提出了相應(yīng)的工程治理措施；賈濤等[13]運(yùn)用FLO-2D 模型模擬結(jié)果對研究區(qū)進(jìn)行了泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)；Lin 等[14]、粱鴻熙等[15]運(yùn)用FLO-2D 模型分別對泥石流的運(yùn)動(dòng)堆積進(jìn)行模擬，并對影響堆積特征的因素進(jìn)行了初步討論；侯圣山等[16]用FLO-2D 模型模擬了耳陽河流域?qū)嶋H降雨條件下的泥石流運(yùn)動(dòng)特征和堆積特征，對耳陽河“5·10”泥石流災(zāi)害過程進(jìn)行了重現(xiàn)；Peng 等[17]、Wu 等[18]等學(xué)者利用FLO-2D 模型對小流域運(yùn)動(dòng)淤積過程進(jìn)行模擬并取得良好效果。

上述研究結(jié)果表明運(yùn)用FLO-2D 可以取得較好的模擬結(jié)果，但對不同降雨暴發(fā)周期下的泥石流運(yùn)動(dòng)情況的分析較少，不足以為多種降雨工況下的泥石流運(yùn)動(dòng)情況提供有效參考。本文基于前期現(xiàn)場調(diào)查及基礎(chǔ)資料分析的基礎(chǔ)上，確定了直溪河泥石流形成條件及成災(zāi)模式，結(jié)合降雨資料、數(shù)字高程模型和相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用FLO-2D 軟件分別模擬10年、20年、50年、100年一遇降雨情況下直溪河泥石流運(yùn)動(dòng)情況，可為當(dāng)?shù)啬嗍鞣乐喂こ淘O(shè)計(jì)提供有效參考。

1 研究區(qū)概況及泥石流形成條件

1.1 地形地貌

直溪河泥石流流域面積6.38 km2，其中形成區(qū)面積5.35 km2，流通區(qū)面積1.78 km2，堆積區(qū)面積0.25 km2（圖1）。泥石流主溝長5.50 km，其中形成區(qū)溝長2.75 km，流通區(qū)溝長1.10 km，堆積區(qū)溝長1.65 km。溝域內(nèi)最高點(diǎn)海拔4 519 m，最低點(diǎn)3 080 m，高差1 439 m，平均縱坡降178.16‰。

圖1 直溪溝流域分區(qū)圖Fig.1 Zoning map of Zhixigou area

形成區(qū)由南北支溝組成，平面呈漏斗形，治理前溝谷呈“V”型，底寬2～4 m，岸坡40°～70°，多跌水陡坎，坎高3～8 m，最高約10 m，溝床縱坡降420.7‰。自攔擋壩防治工程實(shí)施以來，壩庫區(qū)溝床縱坡逐年變緩，淤滿后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，縱坡降保持在60‰～80‰。溝谷相對寬緩，寬15～30 m，庫區(qū)淤積利于溝谷岸坡穩(wěn)定，一定程度上起到壓腳、固床的作用。上游未設(shè)工程的溝谷段，自然地貌形態(tài)變化不大，縱坡降較大，水動(dòng)力條件良好，侵蝕沖刷作用強(qiáng)烈，溝岸塌滑發(fā)育，加劇了源頭崩塌堆積體和巖溜坡的失穩(wěn)，為泥石流提供了持續(xù)的物源。流通區(qū)、堆積區(qū)溝道目前為“V”形排導(dǎo)槽，槽寬11.6～13.0 m，槽深2.0～3.3 m。溝谷形態(tài)大致趨于穩(wěn)定，無較大變化，溝道兩岸多為民用建筑。在泥石流形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)、主要崩滑物源點(diǎn)、侵蝕物源區(qū)及已建攔擋工程段部署工程地質(zhì)剖面26 條合計(jì)7 km，用于查明泥石流地形、物源分布及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。該泥石流地形地貌及工程部署情況如圖2所示。

圖2 泥石流調(diào)查工程部署圖Fig.2 Schematic diagram of the process of debris flow

1.2 水源條件

研究區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，溝內(nèi)多見孔隙水和基巖裂隙水出露?？紫端艽髿饨涤?、雪融水補(bǔ)給，經(jīng)孔隙比較大、滲透性較好的地表松散堆積層，向下沿基巖表面和斜坡面向溝道內(nèi)側(cè)補(bǔ)給，局部地下水出露于地表形成細(xì)流?；鶐r裂隙水受構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面的控制，埋藏較淺，多在溝谷內(nèi)基巖陡坎處以面狀流或泉的形式出露。

直溪河屬高原山區(qū)常年性河流，年內(nèi)流量變幅較大，枯季一般小于0.1 m3/s，雨季一般1～5 m3/s，最大流量為1986年的45.7 m3/s。除少量冰雪融水補(bǔ)給外，主要靠大氣降雨補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)年降雨量雖不大，但雨量較集中，歷史資料顯示，區(qū)內(nèi)連續(xù)降雨時(shí)間最長達(dá)32 d，最大日降雨74.7 mm，最大5 分鐘降雨7.1 mm，屬于典型的集中短時(shí)強(qiáng)降雨特征，為激發(fā)泥石流的啟動(dòng)提供了優(yōu)越的水動(dòng)力條件[19]。

1.3 物源條件

直溪河泥石流物源主要包括滑坡堆積物、崩塌堆積物、坡積物、洪積物及人工棄渣?；露逊e物是直溪河泥石流主要的物源，分布于直溪河及其南側(cè)支溝的高陡斜坡下方。根據(jù)調(diào)查，直溪河泥石流松散固體物源儲量約為22.55×106m3，可移儲量約2.18×106m3，一次最大可移動(dòng)儲量約3.65×104m3，詳見表1。

表1 直溪河泥石流溝松散固體物儲量表Table 1 Calculations of the loose solids reserves in the debris flow gully of the Zhixi River

2 泥石流發(fā)育特征及成災(zāi)模式

2.1 泥石流分區(qū)特征

直溪河泥石流具有明顯的高寒高海拔特性，發(fā)育過程受人類工程活動(dòng)影響顯著，屬于山區(qū)溝谷型旺盛期粘性泥石流。該泥石流具有明顯的分區(qū)性，根據(jù)該溝谷的整體地形形態(tài)結(jié)構(gòu)與地理特征、水流向溝谷匯集的氣候條件和泥石流溝谷中的松散物和固體物質(zhì)的形成堆積流通分布，將該泥石流溝分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)（圖1）。

2.2 泥石流物源特征及成災(zāi)模式

2.2.1 補(bǔ)給特征

滑坡堆積物是直溪河泥石流主要的物源，分布在直溪河及其南側(cè)支溝高陡斜坡下方，由于兩條溝溝岸斜坡巖性、風(fēng)化程度差異性較大，因此，滑坡堆積物成分也不相同，以頁巖、灰?guī)r、砂巖等為主，巖塊粒徑從西向東逐漸變大。山體受到構(gòu)造、凍融和降雨的影響，形成了多處不穩(wěn)定危巖體，在后期外界條件的改變下易失穩(wěn)形成崩塌堆積物。大量松散堆積主要分布在溝道內(nèi)的斜坡地帶，為黏性土、砂土夾碎石層，雜亂無明顯結(jié)構(gòu)，碎塊石粒徑較小。土體較為松散，局部發(fā)生了小型滑塌災(zāi)害。由于其主要分布在溝道內(nèi)，洪水對斜坡坡腳的沖刷和侵蝕作用會(huì)造成斜坡失穩(wěn)而形成新的泥石流物源補(bǔ)給。

2.2.2 鏈?zhǔn)綖?zāi)害成災(zāi)模式

基于直溪河泥石流形成區(qū)斜坡的失穩(wěn)模式及其物質(zhì)組成，將直溪河泥石流溝域內(nèi)提供物源的鏈?zhǔn)綖?zāi)害進(jìn)行分析，可歸納為以下5 種成災(zāi)模式：

（1）崩塌-碎屑流：巖體結(jié)構(gòu)破壞→形成危巖體→巖體失穩(wěn)→巖體碰撞解體→碎屑流分選堆積。由于崩塌區(qū)位置一般較高，因此其勢能較大，堆積碎屑流向下運(yùn)動(dòng)的距離較長。

（2）巖質(zhì)滑坡-碎屑流：巖體結(jié)構(gòu)破壞→形成不穩(wěn)定滑體→滑體失穩(wěn)→滑體解體、鏟刮→碎屑流堆積。由于滑坡產(chǎn)生的碎屑流具有速度快、滑移距離遠(yuǎn)的特征，因此物源體會(huì)沿著溝道向溝口方向以碎屑流的形式運(yùn)移，如有水的參與，其下滑距離會(huì)明顯增大。

（3）土石混合體滑坡-碎屑流：該模式主要發(fā)育在支溝西北側(cè)的斜坡上，滑坡規(guī)模一般較小，呈條帶狀分布，在向下滑動(dòng)的過程中勢能逐漸消耗，因此滑坡物源多在斜坡中部的滑坡地帶堆積，小部分會(huì)滑移到溝底。

（4）松散堆積層-基巖接觸面滑坡-碎屑流：前期的崩塌、滑坡和坡積物在坡體中部停留、堆積，由于斜坡中部的坡度仍舊較陡，加之土巖不良地質(zhì)界面的控制，在降雨和凍融的作用下會(huì)發(fā)生松散堆積層-基巖接觸面滑坡。由于其厚度較小，土體松散，下滑過程中坡體解體完全，如果滑體處于較高的斜坡上，其下滑速度較快，碎屑流運(yùn)移距離較長。

（5）松散堆積層內(nèi)滑坡-碎屑流：在斜坡中下部，由于前期的不良地質(zhì)作用形成了較厚的松散堆積體，在降雨和坡腳沖刷的作用下，易整體失穩(wěn)下滑，但總體完整性較好。

2.3 泥石流流體特征

該溝泥石流歷時(shí)短，來勢猛，堵塞嚴(yán)重，具陣性，龍頭較高，流速大，彎道超高現(xiàn)象嚴(yán)重，沿途補(bǔ)給性強(qiáng)，規(guī)模大，巨礫多。2002年8月暴發(fā)的泥石流，彎道超高達(dá)1.1 m，龍頭高達(dá)3.5 m，流體像混凝土一樣，容重達(dá)2.1 t/m3。在縣醫(yī)院、五中橋、變電站橋上泥漿保存完好，一次性泥石流持續(xù)30～40 min，整個(gè)縣城有震感和異味，具有清晰的石頭碰撞聲，屬典型的黏性泥石流。

2.4 泥石流堆積物特征

受到特殊氣候地形及地理?xiàng)l件的影響，泥石流包礫堆積現(xiàn)象普遍，石塊呈南北向排列展布，形似柳葉：分布區(qū)長1 650 m，寬1～400 m，面積0.25 km2，較大塊石多數(shù)部分位于上部。2002年8月暴發(fā)的泥石流，在與水磨房河交匯彎道處的堆積物高達(dá) 5 m，體積44 000 m3，多為卵石，礫石含量占2%～5%，直徑40 cm 左右，無分選，磨圓度差，小于 2 mm 的顆粒占9%～26%[20?21]。

3 泥石流運(yùn)動(dòng)過程數(shù)值模擬

3.1 FLO-2D 原理

FLO-2D 模型原理主要是非牛頓流體模型和中央有限差分法計(jì)算固液二相流的運(yùn)動(dòng)方程[22]。本研究采用FLO-2D 模型模擬泥石流流速、堆積深度、沖出體積、致災(zāi)范圍的過程中，主要采用以下3 個(gè)控制方程：

（1）連續(xù)性方程

式中：h—流體堆積深度/m；

t—泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)間/s；

u—水平方向的平均流速/(m·s?1)；

v—垂直方向的平均流速/(m·s?1)；

I—溝谷坡降/‰。

模擬運(yùn)算時(shí)，式（1）控制泥石流質(zhì)量守恒。

（2）運(yùn)動(dòng)方程

式中：Sfx、Sfy—x、y方向的摩擦坡降/‰；

SoxSoy、—x、y方向的河床坡降/‰。

（3）泥石流模型的基礎(chǔ)是O’Brien 和Julien 的流變模型流變方程

式中：Sf、Sy、Sv、Std—分別為摩擦坡降、屈服坡降、黏性坡降、紊流分散坡降/‰；

y—屈服應(yīng)力；

m—流體比重；

K—層流阻力系數(shù)；

h—泥深/m；

η—流體黏滯系數(shù)；

n—曼寧系數(shù)；

v—流體流速/(m·s?1)。

3.2 流量計(jì)算

3.2.1 設(shè)計(jì)頻率

在泥石流模擬中降雨量的不同直接影響著泥石流運(yùn)動(dòng)堆積范圍的劃定?？紤]泥石流災(zāi)害形成條件與降雨關(guān)系密切，而強(qiáng)降雨作為直溪河泥石流主要引發(fā)條件，因此用降雨頻率表示泥石流發(fā)生的頻率。對直溪溝10年一遇（P=10%）、20年一遇（P=5%）、50年一遇（P=2%）和100年一遇（P=1%）4 種重現(xiàn)周期下的沖淤過程進(jìn)行對比。4 種工況具體降雨情況見表2。

表2 4 種工況具體降雨情況Table 2 Precipitation situation of four kinds of working conditions

3.2.2 參數(shù)設(shè)定

數(shù)值模擬中準(zhǔn)確選取泥石流相關(guān)參數(shù)對正確輸出模擬結(jié)果非常重要。本研究通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，結(jié)合查閱文獻(xiàn)資料和FLO-2D 用戶使用手冊建議取值等綜合分析，設(shè)定最終參數(shù)（表3）。

表3 泥石流參數(shù)取值Table 3 Parameters for the debris flow

3.2.3 流量數(shù)值模擬結(jié)果

模擬不同重現(xiàn)周期下泥石流沖淤過程的關(guān)鍵在于獲取準(zhǔn)確的泥石流流量過程線。根據(jù)FLO-2D 使用手冊，將洪峰流量乘以放大因子(BF,BF=1·(1-Cv)-1)，得到泥石流最大流量，其模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 直溪溝清水流量、泥石流流量過程線Fig.3 Changes in clear water flow and debris flow in the Zhixi Gully

3.3 泥石流模擬結(jié)果分析

根據(jù)4 種降雨頻率情況下泥石流流量的模擬結(jié)果，對泥石流致災(zāi)情況進(jìn)行模擬，得出泥石流在4 種工況條件下發(fā)生時(shí)的流動(dòng)速度、堆積深度、沖出距離、沖出體積及致災(zāi)范圍。具體見表4。10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇降雨工況下的堆積深度如圖4（a）、圖5（a）、圖6（a）、圖7（a）所示，泥石流流速如圖4（b）、圖5（b）、圖6（b）、圖7（b）所示。

圖5 20年一遇泥石流堆積深度和流動(dòng)速度Fig.5 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 20 years

圖6 50年一遇泥石流堆積深度和流動(dòng)速度Fig.6 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 50 years

表4 不同降雨頻率下直溪溝泥石流模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of debris flow in Zhixi Gully under different rainfall frequencies

3.4 綜合分析

通過對上述4 種不同工況條件下泥石流運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算結(jié)果（表3 和圖4—圖7）進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）直溪溝泥石流的最大流動(dòng)速度、最大堆積深度以及沖出溝口堆積距離、體積與不同降雨重現(xiàn)期均呈正相關(guān)性。

（2）從模擬結(jié)果來看，泥石流流速與堆積深度整體主要受地形控制。由于泥石流流體主要沿高程降低方向流動(dòng)，泥石流形態(tài)并非呈“扇形”堆積，而是呈不規(guī)則堆積，且隨著降雨重現(xiàn)周期的增大，泥石流的最大流動(dòng)速度、堆積厚度、堆積范圍和沖出體積都在不斷增大，但增加幅度不同。

（3）設(shè)計(jì)頻率從10%、5%降至2%時(shí)，各項(xiàng)結(jié)果的增加幅度較小。從2%到1%時(shí)，各項(xiàng)結(jié)果增幅明顯變大，表明降雨頻率越小，泥石流爆發(fā)時(shí)對縣城居住區(qū)的致災(zāi)影響越大。從圖4—圖7 可以看出，各個(gè)設(shè)計(jì)頻率下的泥石流均已沖進(jìn)縣城，尤其當(dāng)設(shè)計(jì)頻率為1%時(shí)，其沖出面積為91 600 m2，致災(zāi)面積接近其他三種設(shè)計(jì)頻率的總和。

圖4 10年一遇泥石流堆積深度和流動(dòng)速度Fig.4 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 10 years

圖7 100年一遇泥石流堆積深度和流動(dòng)速度Fig.7 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 100 years

4 結(jié)論

（1）直溪河泥石流成災(zāi)模式主要為5 種：崩塌-碎屑流、巖質(zhì)滑坡-碎屑流、土石混合體滑坡-碎屑流、松散堆積層-基巖接觸面滑坡-碎屑流和松散堆積層內(nèi)滑坡-碎屑流。

（2）直溪河引發(fā)泥石流具有啟動(dòng)加速度大、流速快、破壞力強(qiáng)、流通區(qū)長的特點(diǎn)，尤其在100年一遇的泥石流發(fā)生時(shí)，其最大流速達(dá)到3.07 m/s，最大泥深為2.27 m，泥石流沖出體積為84 419 m3，致災(zāi)面積為91 600 m2。

（3）隨著設(shè)計(jì)頻率的減小，泥石流的沖出體積、沖出距離、致災(zāi)面積和堆積體體積逐漸增大。尤其100年一遇的泥石流發(fā)生時(shí)，相對于其他三種設(shè)計(jì)頻率，其破壞力顯著提高。