基于FLO-2D的抽水蓄能電站泥石流模擬分析

劉雄　向貴府

摘要：針對新疆吐魯番盆地東側(cè)鄯善縣泥石流災害影響該地區(qū)工程建設與發(fā)展的問題，以新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區(qū)泥石流為研究對象，運用FLO-2D數(shù)值模擬軟件，對不同降雨頻率下（P=1%，2%，5%）泥石流溝的發(fā)生過程進行模擬。結(jié)果表明：在降雨頻率P=1%和P=2%的降水條件下，溝內(nèi)泥石流將沖出淤積在攔沙壩附近，并侵占河道。以庫區(qū)運行年限100 a計，庫區(qū)淤積總量為21 567 m3，對下庫區(qū)庫容產(chǎn)生一定的影響。

關鍵詞：泥石流； FLO-2D； 抽水蓄能電站； 鄯善縣； 新疆

中圖法分類號：TV144;TV743 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.016

文章編號：1006-0081（2024）04-0101-05

0 引 言

泥石流因其能攜帶大量泥沙、塊石，具有突發(fā)性、運動速度快、破壞力強等特點，是影響電站正常運行的主要地質(zhì)災害之一。通過對泥石流的沖淤特征等進行分析，可以有效反映出泥石流的發(fā)展趨勢，對庫區(qū)泥石流的預防與治理有著重要的意義［1］。目前，對泥石流的研究方法主要包括物理實驗方法、經(jīng)驗公式方法以及數(shù)值模擬方法。數(shù)值模擬的成本低、效率高，其中，F(xiàn)LO-2D作為一款模擬洪水與泥石流的軟件，因其操作簡便、模擬結(jié)果精確等優(yōu)點而被廣泛運用［2-3］。張鵬等［4］運用FLO-2D對泥石流沖淤特征進行模擬，并與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果相對比，驗證了模擬結(jié)果的準確性。Adegbe等［5］、梁鴻熙等［6］通過FLO-2D模擬分析了泥石流流動及堆積的影響因素。Quan等［7］、劉福臻等［8］運用FLO-2D對研究區(qū)進行泥石流危險評價。

新疆地處歐亞大陸腹部，受其獨特的地理位置及氣候、地形等因素的影響，新疆山區(qū)泥石流災害頻發(fā)［9］。與其他區(qū)域泥石流災害有所不同的是，新疆泥石流固體物質(zhì)啟動要求低，即在較小的降雨條件下亦可誘發(fā)泥石流。目前眾多學者對新疆地區(qū)泥石流的成因、特點、危險性評價以及易損性等方面做了大量的研究［10-13］，但是關于數(shù)值模擬方面的研究較少。本文以新疆鄯善縣抽水蓄能電站為研究對象，運用FLO-2D軟件模擬降雨頻率P=1%，2%，5%情況下該電站下庫區(qū)泥石流沖淤特征，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，討論模擬成果的合理性，綜合分析、預測泥石流發(fā)展趨勢，為工程建設提供參考。

1 研究區(qū)概況

工程區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市鄯善縣，泥石流溝口地理坐標：89°55′E，43°18′N。區(qū)內(nèi)地層主要屬于博格達復背斜前中生界地層（PreMz）中的晚石炭系地層，巖性主要為晚石炭系的變質(zhì)凝灰?guī)r。總體上地形陡峻，溝壑縱橫，在下庫區(qū)發(fā)育一條較大沖溝，其主溝道長約5.32 km，相對高差為1 160 m，主溝溝道平均縱比降約218‰，流域面積約為5.25 km2，整體呈櫟葉形，近E-W向延伸。溝谷形態(tài)整體呈上寬下窄的特征；岸坡坡度整體左陡右緩。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、遙感解譯等綜合手段，對溝域內(nèi)主要松散固體物源進行調(diào)查，結(jié)果表明其物源主要為崩滑物源、溝床物源以及坡面物源，見圖1。估計物源量分別為崩滑物源36.65萬m3；溝床堆積物源57.50萬m3；坡面侵蝕物源6.26萬m3。

降雨量少、降雨時間高度集中、降雨時間短是新疆鄯善地區(qū)的最重要特征。年內(nèi)大部分降雨集中在5～10月份，占多年年平均降雨總量的85%；其中，5月的多年單月平均降雨量約占多年平均年降雨量的24%，2020年5月單月降雨量達到103.12 mm，占全年降雨量的45.8%。多年單日最大降雨量占全年降雨量的45.8%。在1985年，日最大降雨量達89.4 mm，約占到年降雨量95.1 mm的94%。這樣的集中短時降雨特征，為泥石流提供了重要的水源觸發(fā)條件。

2 FLO-2D數(shù)值模擬

2.1 模型控制方程

FLO-2D進行泥石流運動數(shù)值模擬的關鍵在于求解泥石流x軸、y軸方向的水深及平均速度以及泥石流流深、沖淤深度［4］，模型所用方程如下［14-15］。

2.2 模擬數(shù)據(jù)處理

根據(jù)研究需要收集了DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)以及新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區(qū)泥石流調(diào)查評價報告數(shù)據(jù)資料。通過Arcgis 10.2軟件將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FLO-2D所能識別的ACSⅡ文件。根據(jù)下庫區(qū)泥石流特征以及硬件條件將本次網(wǎng)格劃分為10 m×10 m，并對網(wǎng)格進行高程賦值。

2.3 模擬參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果同時結(jié)合DZ/T 0220-2006《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》附表相關因素得到下庫區(qū)泥石流密度值1.521 t/m3。

泥石流在運動過程中，由于位置的不同，所經(jīng)歷的情況有所不同，因此泥石流濃度也有所差異，參考余斌［16］所提公式和FLO-2D手冊的建議值對其進行賦值：

式中：Cv為泥石流體積濃度；γc為泥石流密度，g/cm3；γw為水的密度，取1 g/cm3；γh為泥石流泥沙密度，一般取值2.7 g/cm3。泥石流模擬中其他參數(shù)的取值根據(jù)FLO-2D使用手冊結(jié)合野外實地調(diào)查以及泥石流模擬情況進行修正，最終各參數(shù)取值見表1。

根據(jù)新疆各水文分區(qū)新經(jīng)驗公式［17］，以鄯善縣1980～2022年降雨數(shù)據(jù)為基礎，計算出下庫區(qū)泥石流溝在降雨頻率P=1%，2%，5%下的暴雨洪峰流量及泥石流峰值流量參數(shù)見表2。根據(jù)泥石流特點，采用五邊形法確定流域清水流量過程曲線。將洪峰流量乘以放大因子可得到泥石流最大流量（圖2）。

2.4 結(jié)果及誤差分析

為了解泥石流對庫區(qū)的影響，通過對不同降雨頻率下（P=1%，2%，5%）的泥石流進行模擬，模擬泥石流在溝道的運動過程，得出不同頻率下泥石流堆積深度（泥深）、流速、沖擊力以及堆積特征。模擬結(jié)果見圖3～5。

隨著降雨重現(xiàn)周期的增加，模擬所得的泥石流堆積深度、泥石流流速以及泥石流沖擊力與重現(xiàn)周期成正比關系。在下庫區(qū)泥石流爆發(fā)過程中，受地形等因素影響，泥石流堆積物呈不規(guī)則狀、總體向溝口前方偏下游順沖溝堆積呈帶狀。泥石流流速與堆積深度、流速與沖擊力之間存在一定的相關性，三者之間受地形影響顯著。平坦處堆積厚度大。泥石流溝道內(nèi)堆積厚度大于溝道兩側(cè)，泥石流堆積厚度最大位置位于堆積區(qū)中部而后向四周逐漸減小。泥石流流速以及沖擊力在堆積區(qū)中部很小，但是在地形陡峭地段，流速以及沖擊力明顯增大，此外彎道處流速、沖擊力小于出彎道的流速、沖擊力。當降雨頻率為100 a一遇（P=1%）時，堆積扇面積約為36 000 m2，堆積區(qū)平均淤積厚度約為0.24 m，沖出量約為8 640 m3；當降雨頻率為50 a一遇（P=2%）時，堆積扇面積約為29 400 m2，堆積區(qū)平均淤積厚度約0.22 m，沖出量約為6 468 m3；當降雨頻率為20 a一遇（P=5%）時，堆積扇面積約為7 900 m2，堆積區(qū)平均淤積厚度約為0.135 m，沖出量約為1 070 m3。不同頻率的數(shù)值模擬結(jié)果見表3。

基于野外調(diào)查結(jié)果，借鑒王高峰等［18］提出的精度系數(shù)Ia驗證庫區(qū)泥石流在P=5%降雨頻率下的模擬精度。Ia的值越接近1，表示模擬結(jié)果越準確。

Ia=√（A0Ar/A0Am）

式中：A0為重疊面積；Ar為泥石流實際堆積面積；Am為泥石流模擬堆積扇面積。通過公式，結(jié)合表4數(shù)據(jù)計算，得到模擬庫區(qū)泥石流精度為71.3%，滿足模擬精度要求，基本可以反映實際情況。

分析造成誤差的原因：由于FLO-2D模型是定溝道模型，模擬過程中不考慮溝道及兩岸的侵蝕現(xiàn)象，即泥石流在流動過程中，沖刷溝床松散固體物質(zhì)，同時掏蝕溝道兩岸岸坡坡腳，引起岸坡滑塌，為泥石流的形成提供物源［19］。

3 下庫區(qū)泥石流對工程的影響

下庫區(qū)泥石流位于大壩上游600 m，緊鄰上下游攔沙壩以及下庫區(qū)進水口，如圖1。在P=1%（最大雨強26.4 mm/h）以及P=2%（最大雨強24.8 mm/h）的降水條件下，溝內(nèi)泥石流將沖出淤積在攔沙壩附近并侵占河道。該泥石流溝一次沖出的固體物質(zhì)不多，破壞能力有限，對壩區(qū)內(nèi)建筑物影響不大。泥石流動力學參數(shù)見表5。

庫區(qū)泥石流對水電工程的淤積影響主要表現(xiàn)在水庫蓄水運行之后［20］。由于庫區(qū)蓄水水位線高于泥石流溝口高程，故認為泥石流沖出物全部進入庫區(qū)。庫區(qū)運行年限以100 a計，根據(jù)模擬沖出量（表3～4）計算得到庫區(qū)淤積總量為21 567 m3，對下庫區(qū)庫容產(chǎn)生一定的影響，將增加庫區(qū)內(nèi)的固體物質(zhì)，減小庫容。建議在下庫區(qū)內(nèi)泥石流溝道內(nèi)的適當部位設計攔擋工程，減少進入庫區(qū)內(nèi)的泥石流固體物質(zhì)，確保下庫區(qū)安全庫容。

4 結(jié) 論

（1） 通過分析新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區(qū)泥石流模擬結(jié)果可知：泥石流堆積厚度、泥石流流速、沖擊力等都隨降雨頻率的減小而周期性增大，堆積扇的泥石流堆積厚度由中部向邊緣逐漸減小。

（2） 在泥石流模擬過程中未考慮泥石流的下切、沖刷等作用的影響，因而模擬結(jié)果比實際結(jié)果偏小；泥石流的堆積扇平均深度、堆積扇面積、沖出量隨降雨頻率的減小而增大。

（3） 下庫區(qū)泥石流流深、流速以及堆積范圍等與實際結(jié)果相接近，精度達71.3%，證明該模型在此類條件下有較強的適用性。

（4） 根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，泥石流沖出量對下庫區(qū)庫容有一定的影響，建議在適當部位設置攔擋壩防止泥石流固體物質(zhì)進入下庫區(qū)。

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（編輯：高小雲(yún)）

Simulation analysis on debris flow in pumped storage power station based on FLO-2D

LIU Xiong，XIANG Guifu

（School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

Abstract： In view of the debris flow disasters in Shanshan County，east of Turpan Basin，Xinjiang，which seriously affected the engineering construction and development in this area，we selected the debris flow in the lower reservoir area of the pumped storage power station in Shanshan County，Xinjiang as the research object.FLO-2D simulation software was used to simulate the occurrence process of debris flow in the ditch under different rainfall frequency （P=1%，2%，5%）.The results showed that under the precipitation conditions of P=1% and P=2%，the debris flow in the ditch would wash out and deposit near the sand barrier and occupy the river channel.Based on the operating period of 100 years in the reservoir area，the total amount of sedimentation in the reservoir area was 21 567 cubic metre，which had a certain impact on the storage capacity of the lower reservoir area.

Key words： debris flow； FLO-2D； pumped storage power station； Shanshan County； Xinjiang

收稿日期：2023-11-27

基金項目：國家科技支撐計劃項目（11zg4103）

作者簡介：劉 雄，男，碩士研究生，研究方向為地質(zhì)災害及其防治。E-mail：596702091@qq.com

通信作者：向貴府，男，講師，博士，主要從事地質(zhì)災害及其防治研究。E-mail：28899600@qq.com