大型棄渣場(chǎng)阻斷下泥石流動(dòng)力過(guò)程數(shù)值模擬研究

錢(qián)洪建，漆祖芳，李懷國(guó)，丁亞楠，何 磊

（1.國(guó)家能源集團(tuán)金沙江旭龍水電有限公司，甘孜 627950；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；3.中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，長(zhǎng)春 130033）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，一大批重點(diǎn)水利工程在西南地區(qū)相繼開(kāi)工建設(shè)［1-2］。在水力資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中， 在工程區(qū)附近泥石流溝內(nèi)布置大型棄渣場(chǎng)越來(lái)越普遍, 若不對(duì)泥石流加以防治或防治不當(dāng)，極可能產(chǎn)生嚴(yán)重危害，泥石流的防治成為大型棄渣場(chǎng)防護(hù)的焦點(diǎn)問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)泥石流的動(dòng)力特性和防治問(wèn)題開(kāi)展了大量研究， 李卓儒等［3］基于ANSYS CFX 軟件研究了急陡溝道泥石流的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；韓征等［4］探討了HBP 本構(gòu)模型在稀性泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用及從三維尺度以SPH形式描述泥石流流變特性；盛豪等［5］采用DAN3D 軟件對(duì)50 年一遇和100 年一遇工況的泥石流的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬， 并提出了泥石流的綜合治理方案；方群生等［6］以瓦窯溝泥石流為例，基于FLO-2D軟件反演了震后的急陡型泥石流的特征與規(guī)模；王鍇等［7］采用數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究了顆粒級(jí)配對(duì)礦渣型泥石流運(yùn)動(dòng)特征影響；康永德等［8］基于GAST 二維水動(dòng)力模型預(yù)測(cè)了泥石流理想水槽試驗(yàn)的危險(xiǎn)范圍；孔玲等［9］基于VOF 紊流模型研究了泥石流的泥舌下泄運(yùn)動(dòng)過(guò)程及動(dòng)力特性。 目前的研究大多著眼于特定溝道的泥石流演進(jìn)規(guī)律及動(dòng)力過(guò)程， 對(duì)天然沖溝狀態(tài)下布置大型棄渣場(chǎng)的泥石流演進(jìn)規(guī)律及動(dòng)力特性尚缺乏系統(tǒng)研究。

研究天然溝道大型棄渣場(chǎng)阻斷下的泥石流演進(jìn)規(guī)律及動(dòng)力過(guò)程， 是棄渣場(chǎng)規(guī)劃及泥石流防治領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 本文以旭龍水電站茂頂河大型棄渣場(chǎng)條件下泥石流為例， 揭示不同工況下泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積演進(jìn)規(guī)律， 綜合評(píng)估泥石流防治工程合理性， 為大型棄渣場(chǎng)阻斷下泥石流防治關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段， 河床布置混凝土雙曲拱壩，最大壩高213 m，裝機(jī)容量2400 MW，為Ⅰ等大（1）型水電站。

茂頂河主要由主溝、1 號(hào)溝、1-1 號(hào)溝和1-2 號(hào)溝組成（圖1），主溝和1 號(hào)溝為稀性低頻率泥石流溝，1-1 號(hào)溝和1-2 號(hào)溝為黏性高頻率泥石流溝，其中茂頂河棄渣場(chǎng)距壩址約5 km，為溝道型棄渣場(chǎng)，其中棄渣場(chǎng)規(guī)模為1670 萬(wàn)m3，棄渣場(chǎng)最大堆渣高度為225 m，屬于特大型棄渣場(chǎng)。

圖1 茂頂河全貌

2 茂頂河棄渣場(chǎng)泥石流地形地貌

茂頂河流域地處橫斷山脈地段， 呈明顯臺(tái)階狀下降，屬峽谷地貌類(lèi)型。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，流域支溝發(fā)育不對(duì)稱(chēng)，左側(cè)分布較多且支溝流域面積較大，右側(cè)分布較少且支溝流域面積也較小。 茂頂河流域最高點(diǎn)位于西南側(cè)分水嶺處，高程5240 m，最低點(diǎn)位于茂頂河匯入金沙江河口處，高程2140 m，相對(duì)高差3100 m。流域岸坡以陡坡地貌為主，一般坡度為35°～60°，海拔3200 m 以下斜坡坡面植被不發(fā)育，多以荊棘類(lèi)植物為主，海拔3200 m 以上喬、灌類(lèi)植物較發(fā)育。

3 研究方法

本文基于OpenLISEM 軟件模擬洪水、稀性泥石流和黏性泥石流的流動(dòng)特性和相互作用［10］，提出了一個(gè)反演不同工況的泥石流動(dòng)態(tài)過(guò)程和綜合評(píng)估泥石流防治工程合理性的聯(lián)合分析框架［10］（圖2），以促進(jìn)泥石流演變規(guī)律的分析過(guò)程。 該框架包含了數(shù)據(jù)收集、GIS-DTM 模型的構(gòu)建、耦合模塊的開(kāi)發(fā)、數(shù)值模擬及泥石流防治工程的合理性評(píng)價(jià)。

圖2 多工況泥石流相互作用的聯(lián)合分析框架

（1）數(shù)據(jù)搜集：通過(guò)茂頂河流域野外調(diào)查和室內(nèi)相關(guān)勘察資料分析獲得泥石流物源的物理力學(xué)特性指標(biāo)（表1）。結(jié)合茂頂河流域泥石流的歷史暴發(fā)事件及對(duì)泥石流參數(shù)的敏感性分析， 確定適用于模擬工程實(shí)際所需的最優(yōu)參數(shù)組合（表2）。

表1 泥石流數(shù)值模擬的不同控制工況

表2 模擬參數(shù)

（2）模型構(gòu)建：基于ArcGIS 和空間疊加分析技術(shù)，利用地形信息和地形特征（如等高線數(shù)據(jù)、關(guān)鍵控制點(diǎn)等）修正GIS-DTM 模型，建立滿(mǎn)足表2 的茂頂河主支溝GIS-DTM 模型。

（3）模塊開(kāi)發(fā)：基于兩相流方程和平流的方法，建立一個(gè)模擬洪水、 稀性泥石流和黏性泥石流的演進(jìn)過(guò)程的綜合模型及實(shí)現(xiàn)泥石流在復(fù)雜防治工程邊界處的求解， 從而開(kāi)展泥石流演變規(guī)律和動(dòng)力過(guò)程的研究。

（4）數(shù)值模擬：通過(guò)模型構(gòu)建，揭示不同工況下泥石流入庫(kù)后的動(dòng)態(tài)演進(jìn)規(guī)律及性質(zhì)變化及分析不同工況的泥石流暴發(fā)后攔淤壩庫(kù)容。

（5）合理性評(píng)價(jià)：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，探討攔淤壩防治工程設(shè)計(jì)合理性及預(yù)測(cè)停淤后排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流的性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 綜合評(píng)估泥石流防治工程的合理性。

4 泥石流數(shù)值模擬結(jié)果及評(píng)價(jià)

4.1 不同工況泥石流數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 為控制工況1 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程。由圖3 可知，主溝、1 號(hào)溝發(fā)生泥石流，其沖出的泥砂石塊全部堆積于攔擋壩庫(kù)內(nèi)（圖3（a）），壩后泥石流堆積量為15.8 萬(wàn)m3，泥石流未進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)，最大堆積深度為16 m（圖3（b））。

圖3 控制工況1 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程演進(jìn)規(guī)律

圖4 為控制工況2 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程。由圖4 可知，1-1 和1-2 號(hào)溝黏性泥石流沖出量全部堆積在攔擋壩后（圖4（a）），壩后泥石流堆積量為3.5 萬(wàn)m3，1-1 號(hào)溝泥石流主要堆積在攔擋壩的右側(cè)，最大深度為13 m，1-2 號(hào)溝泥石流主要堆積在攔擋壩左側(cè)， 泥石流未進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)， 最大深度為11.5 m（圖4（b））。

圖4 控制工況2 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程演進(jìn)規(guī)律

圖5 為控制工況3 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程。如圖5，所有溝發(fā)生泥石流，其沖出物全部堆積于攔擋壩庫(kù)內(nèi) （圖5 （a））， 壩后泥石流堆積量為21.1 萬(wàn)m3，主溝、1 號(hào)溝、1-1 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流未進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)，泥石流最大堆積厚度23 m（圖5（b））。

圖5 控制工況3 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程演進(jìn)規(guī)律

圖6 為控制工況4 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程。如圖6，所有溝發(fā)生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后（圖6（a）），壩后泥石流堆積量為65 萬(wàn)m3，主溝、1 號(hào)溝、1-1 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流最大堆積厚度34 m（圖6（b））。攔淤壩內(nèi)滿(mǎn)庫(kù)洪水，所有溝同時(shí)發(fā)生泥石流后，庫(kù)內(nèi)水位急劇上升，開(kāi)始進(jìn)入排導(dǎo)槽，其最大流體深度達(dá)6.1 m（圖6（c）），部分泥石流與洪水混合體進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)（圖6（d））。

圖6 控制工況4 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程演進(jìn)規(guī)律

圖7 為控制工況5 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程。如圖7，所有溝發(fā)生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后 （圖7 （a））， 壩后泥石流堆積量為63.8 萬(wàn)m3，主溝、1 號(hào)溝、1-1 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后右側(cè)，1-2 號(hào)溝泥石流主要堆積于壩后左側(cè)，泥石流最大堆積厚度31 m（圖7（b））。攔淤壩內(nèi)滿(mǎn)庫(kù)洪水，所有溝同時(shí)發(fā)生泥石流后,庫(kù)內(nèi)水位急劇急劇上升，開(kāi)始進(jìn)入排導(dǎo)槽，其最大流體深度達(dá)6.3 m（圖7（c）），排導(dǎo)槽入流端，部分泥石流溢出排導(dǎo)槽（圖7（d））。

圖7 控制工況5 的泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積全過(guò)程演進(jìn)規(guī)律

4.2 綜合分析評(píng)價(jià)

本文基于OpenLISEM 軟件揭示了5 種工況下泥石流運(yùn)動(dòng)—堆積演進(jìn)規(guī)律, 同時(shí)預(yù)測(cè)了停淤后排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流的性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)參數(shù),綜合評(píng)泥石流防治工程的合理性。表3 為不同工況下泥石流計(jì)算成果。泥石流演進(jìn)規(guī)律研究結(jié)果表明：空庫(kù)條件下，攔淤壩排導(dǎo)槽進(jìn)口底板高程以下庫(kù)容滿(mǎn)足攔截100年一遇泥石流事件，泥石流不會(huì)進(jìn)入排導(dǎo)槽；淤積1 次100 年一遇泥石流條件下，若再暴發(fā)100 年一遇的泥石流，少量泥石流將進(jìn)入排導(dǎo)槽；初始滿(mǎn)庫(kù)洪水條件下，攔淤壩壩頂高程設(shè)計(jì)滿(mǎn)足攔截100 年一遇泥石流事件，泥石流進(jìn)入停淤庫(kù)后，與壩后洪水混合，水位急劇上升，部分稀性泥石流和洪水混合體進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)，部分稀性泥石流或洪水將從排導(dǎo)槽入口段溢出， 進(jìn)入排導(dǎo)槽內(nèi)流體最大深度為6.3 m。

表3 不同工況下泥石流計(jì)算成果

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于OpenLISEM 軟件，對(duì)不同工況下泥石流的運(yùn)動(dòng)—堆積動(dòng)態(tài)演進(jìn)規(guī)律進(jìn)行了研究， 綜合評(píng)估了泥石流防治工程合理性， 對(duì)大型棄渣場(chǎng)條件下泥石流防治關(guān)鍵技術(shù)推廣提供了參考依據(jù)。 本次研究?jī)H集中在泥石流的演進(jìn)過(guò)程及評(píng)價(jià)泥石流防治工程的合理性， 后續(xù)研究需對(duì)茂頂河泥石流防洪方案進(jìn)一步探討。