冷漬溝泥石流成因分析及危險性評價

［關(guān)鍵詞］泥石流；成災(zāi)因素；數(shù)值模擬；危險性分區(qū)

泥石流成因分析和危險性評價是泥石流防治工作中的重要組成部分[1-3]。黃潤秋等通過分析汶川地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征及演化分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，震后不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育為暴雨型泥石流的暴發(fā)提供了豐富的固體松散物質(zhì)[4]；華曙光研究基底侵蝕作用下泥石流動力過程，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型和流變本構(gòu)的數(shù)值[5]；楊濤等利用數(shù)值模擬，研究泥石流溝道的危險性分區(qū)，通過危險性分區(qū)，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考[6]。

文章在前人研究的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合室內(nèi)分析，研究冷漬溝泥石流的致災(zāi)因素、力學(xué)參數(shù)、溝道危險性分區(qū)等特征，為泥石流工程治理提供依據(jù)。

1. 泥石流基本特征

冷漬溝為常年流水溪溝，溝域呈口袋狀（溝口地理坐標(biāo)：102°11'17″E，28°36'33″N），流域匯水面積0.69 km²，主溝長2.0 km，相對高差592 m，平均縱坡比296.0 ‰，溝道總體上緩下陡，中下游溝道狹窄，局部陡坎發(fā)育，溝道斷面呈“V”型。溝域內(nèi)發(fā)育三疊系上統(tǒng)白果灣組二段（T₃bg²）的砂巖、泥巖，震旦系蘇雄組一段（Z₁s¹）灰?guī)r，以及第三系昔格達組（NQx）等地層。

2. 泥石流致災(zāi)因素分析

2.1 地形地貌

冷漬溝位于安寧河左岸，流域地處深切割高中山、高山寬脊溝谷地貌區(qū)。兩岸斜坡坡度較大，中、下部30 ～ 50°，局部有大于70°的陡崖。溝域內(nèi)松散固體物源豐富，主要發(fā)育照壁山滑坡，滑坡區(qū)坡面總體較緩，結(jié)構(gòu)松散，在降雨驅(qū)動下易發(fā)生局部滑塌堵潰溝道。

2.2 物源

溝域內(nèi)松散固體物源主要集中于上游形成區(qū)段的照壁山滑坡及流通區(qū)（圖1）。通過調(diào)查，溝域共發(fā)現(xiàn)4處崩滑物源、4處溝道物源、1處坡面物源。物源總儲量與動儲量分別采用弓形均高法、溝谷下切侵蝕堵潰型模式進行計算[7]，計算物源總儲量為357.77×104 m3，物源啟動方式以岸坡側(cè)蝕滑塌、揭底沖刷為主，能參與泥石流的動儲量約75.85×104 m3。

2.3 水源

溝域內(nèi)降水充沛，年均降雨量1222 mm，日最大降雨量218.6 mm，小時最大降雨量150 mm。據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》，冷漬溝流域的1/6 h、1 h、6 h、24 h 降雨量平均值分別為14 mm、40 mm、70 mm、90 mm。參照泥石流激發(fā)雨量研究結(jié)果[8]，冷漬溝流域降雨量超過激發(fā)降雨量，具備良好的水源條件。

3. Massflow的泥石流危險性評價

3.1 軟件介紹

Massflow軟件目前在泥石流研究方面應(yīng)用較多，以速度快、規(guī)模大、可拓展性強等特點被廣泛使用。

3.2 模型原理

泥石流流體運動過程要遵循質(zhì)量和動量守恒定律。Massflow軟件將復(fù)雜的地質(zhì)模型簡化為流動層、穩(wěn)定層兩個界面，通過深度積分建立連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方程，計算公式見公式（1）～（4），流體的上下界面分別用Z_s和Z_b表示，流體厚度h=Z_s-Z_b，用u、v、w 代表流體速度在x、y、z軸上的分量。

式中：ρ 為流體的密度，kg/m³；t代表時間，s；τ_ij 代表不同方向上的應(yīng)力分量；g_x、g_y、g_z 分別代表重力加速度g 在x、y、z 軸上的分量，表達成矩陣形式如下：

3.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)取值

（1）模型建立將冷漬溝的地形數(shù)據(jù)DEM轉(zhuǎn)換成Massflow軟件識別的ASCII碼，建立計算模型。

（2）容重本次泥石流容重的確定采用室內(nèi)顆分試驗。通過現(xiàn)場調(diào)查，冷漬溝泥石流顆粒分選性較差，與黏性泥石流特征相符，根據(jù)余斌容重計算公式[9]，冷漬溝泥石流容重為2.11 g/cm³（圖2）。

（3）流量

假定泥石流暴發(fā)頻率與降雨頻率相互吻合，根據(jù)雨量信息結(jié)合溝道調(diào)查分析，冷漬溝泥石流是在小時降雨量150 mm雨量下激發(fā)（20年一遇P=5%）。根據(jù)水利工程設(shè)計和鐵一院清水流量計算公式，泥沙修正系數(shù)φ=0.31，堵塞系數(shù)Dc取值1.2，計算參數(shù)如表1：

（4）流量控制線

流量過程線用概化五邊形控制，即以單次泥石流時間的1/3段作為分界點，然后以峰值流量的1/4和1/3作為兩個分界點下的流量，繪制出泥石流暴發(fā)的流量過程線；（5）摩擦模型：選用Voellmy模型，主要考慮了紊動系數(shù)，可以限制顆粒流的運動速度。

4. 模型結(jié)果及分析

通過對冷漬溝泥石流的多次反演，模擬得出冷漬溝泥石流的泥深及流速，根據(jù)常鳴提出的泥石流強度影響及危險性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[10]，將模擬得出的泥深及泥深與速度乘積關(guān)系進行強度分級，然后將泥石流強度與重現(xiàn)周期相結(jié)合，得到冷漬溝流域危險性分區(qū)概況（圖2）。

分析可得：冷漬溝泥石流泥深最大為7.50 m，主要堆積于溝口與主河安寧河，地形寬緩變化的地方，泥石流堆積物較厚，因為地形由陡變緩，泥石流流速變小，利于流體物質(zhì)堆積；冷漬溝泥石流最大流速8.55 m/s，主要分布于冷漬溝溝道中游及中下游，地形越陡，泥石流流速越大，高陡的地形條件為泥石流流動創(chuàng)造了勢能空間。結(jié)合實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，流速的大小還與植被的稀疏及溝道寬緩條件有關(guān)；冷漬溝泥石流溝道高危險區(qū)占77%，中危險區(qū)占13%，低危險區(qū)占10%，高危險區(qū)主要分布于冷漬溝中下游及溝道與主河安寧河交匯處，且危險性區(qū)域較大。

5. 結(jié)論

（1）通過對冷漬溝溝道的調(diào)查分析，夏季充沛的降雨、特殊的地形地貌及溝道上游滑坡堆積體提供的豐富物源是泥石流主要的致災(zāi)因素。

（2）經(jīng)現(xiàn)場試驗及室內(nèi)分析，冷漬溝泥石流容重為2.11 g/cm³，以黏性為主；通過Massflow數(shù)值模擬，再現(xiàn)冷漬溝泥石流運動狀態(tài)，模擬得出冷漬溝泥石流最大泥深7.50 m，最大流速8.55 m/s，其中，溝道高危險區(qū)占77%，主要分布于冷漬溝中下游及溝道與主河安寧河交匯處，且危險性區(qū)域較大。

（3）根據(jù)分析泥石流物源分布與數(shù)量計算，結(jié)合流域內(nèi)降雨數(shù)據(jù)、地形地貌及溝道堆積物特征，分析得出：冷漬溝再次暴發(fā)更大規(guī)模泥石流的可能性極大。