九—綿高速公路魯家溝泥石流形成機制與數值模擬分析

宋 兵，沈軍輝，阮 壯，李本松，羅 恒，李 穎

(地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流是山區常見自然災害，特別是“5·12”地震后，泥石流災害進入了一個活躍期。九—綿高速公路沿線地質條件復雜，泥石流災害更為頻繁，魯家溝曾在1998年發生的特大泥石流，不僅在火溪河右岸造成了特大災害，而且流體流入火溪河，堰塞并抬高溝床，沖毀火溪河左岸公路1 000余米，數十萬立方米和巨石頓時堆積成天然攔河壩截斷火溪河，洪水翻壩將大量泥沙輸送到下游木座水電站，直接經濟損失達3 000多萬元。九—綿高速公路路線通過魯家溝泥石流堆積扇，本文根據現場調查資料分析了魯家溝泥石流的成因機制[1-7]，并在此基礎上使用RAMMS：DEBRIS FLOW軟件進行數值模擬[8-10]，預測魯家溝泥石流50年一遇的泥石流沖出量[11]，對于泥石流的形成機制的研究，主要從物源、氣象水文、地形基本條件入手，進而分析誘發條件及整個演化過程，運用數值模擬分析研究不僅可以對形成機制進行驗證，更可以對泥石流的未來發展趨勢作出預測。本文主要為區域的泥石流研究提供借鑒，為擬建防治工程提供一定參考。

1 魯家溝泥石流流域基本特征

魯家溝泥石流位于綿陽市平武縣木座藏族鄉，火溪河右岸，溝口地理坐標為東經104°30′16.14″，北緯32°36′46.76″。平武縣屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候，年平均降水量907.5 mm，最大日降水量195 mm，屬于深切構造高中山地形,流域總體呈樹葉狀,呈SE-NW向展布。魯家溝流域(圖1)長約4.3 km，平均寬約2.1 km，匯水面積約7.96 km2。

2 魯家溝泥石流形成機制分析

魯家溝泥石流屬于暴雨潰決型泥石流，與其強降雨、大量松散物質、陡峭的地形和物源啟動后的運動機理有直接的聯系(圖2)。

2.1 物源豐富

“5·12”地震和虎牙斷裂、平武-青川斷裂作用使得魯家溝流域內形成大量松散物源，清水區及流通區上部在冬季積雪凍結，夏季融化，凍結作用使得巖體更為破碎，產生更多的松散物質?？蓞⑴c泥石流的動儲量物源主要為滑坡堆積體，表層松散物質在水力和重力作用下不斷向溝道遷移，在溝谷內的松散固體物質得到長期累積，為泥石流形成準備了豐富的固體物質。據現場調查總物源量約6.308 7×106m3，動儲量物源量[12-14]約1.893 4×106m3。

2.2 降雨充沛

平武縣降水豐沛，大量的降雨使得區內新增大量的崩滑、滑坡現象，為泥石流增加了松散固體物源，平武縣多年平均降雨量907.5 mm，雨季集中在7～8月，最大日降水量可達195 mm。

2.3 多跌水坎地形

魯家溝流域屬于深切割構造高中山地形，流域總體呈樹葉狀，呈SE-NW向展布。源頭形成區縱比降在550‰以上，山坡坡度35°～45°，流通區溝床縱比降一般在390‰以上。流域地貌深切,呈“V”型峽谷，斜坡陡峻，溝谷兩側斜坡坡度多在30°～70°之間。據調查在該溝段發育3個跌水坎，跌水坎高差大，而跌水坎上游很開闊，這種溝道地形使得流體在跌水坎以上流動時發生減速，有利于泥石流體在各個跌水坎上游堆積，另一方面而當流體到達跌水坎時，翻過跌水坎而迅速向跌水坎下傾瀉，重新獲得加速，可見流域中游各個跌水坎具有魯家溝泥石流提供動力的作用，在跌水坎下游溝道愈漸狹窄，并且溝道兩側邊坡陡立，物源豐富。以上兩方面造成了流域中游極易堵溝并且具有泥石流堆積和堆積體有被沖刷侵蝕的特征。

圖2 魯家溝泥石流形成機制圖Fig.2 The formation mechanism of debris flow in Lujiagou

2.4 形成機制與演化

魯家溝各支溝泥石流主要為暴雨作用下，大量匯集于溝道，匯流過程中將坡面松散泥沙及坡面的各類松散堆積物源攜帶進入溝道，并順溝而下，通過溝道揭底沖刷卷動溝道內的松散堆積物源，并將兩側溝岸松散固體物質帶走，以滾雪球的方式向下游運動，從而暴發泥石流災害。而溝道兩側風化程度較高的順向陡立山坡在強暴雨的作用下極易發生滑坡等災害，沖下大量碎粒物質及巨大塊石堵塞溝口，使得溝內水位不斷升高，上游沖下的泥石流物質不斷沖擊堵塞溝口并堆積，根據所收集的資料以及實地勘察證明魯家溝是非常典型的堵塞潰決型泥石流，可見潰決口殘余巨石(圖3)，現場測量得長16 m，寬7 m，厚5.5 m。魯家溝內滑坡發育，順層斜坡發育，斜坡內部結構面極為發育，巖層產狀傾角一般達到40°以上，并在河流的侵蝕下發生順層滑坡，堵塞河道，為泥石流的發生提供大量物源。

圖3 堵塞溝道的巨石Fig.3 Boulders blocking the channel

在泥石流形成過程中，溝域內地形陡峻，溝谷縱坡大為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件，魯家溝中段兩岸及各支溝中下游地段強烈的崩塌、滑坡等現象和水土流失的強劇，以及溝道內大量的溝道堆積物為泥石流的發生提供了豐富的松散固體物源，而暴雨則是泥石流形成的主要引發因素。魯家溝泥石流形成機制和演化過程總結為：暴雨誘發—滑坡失穩—堵塞溝道—堰塞潰決—泥石流形成。

3 魯家溝泥石流模擬分析

3.1 原理

本文數值模擬采用RAMMS：DEBRIS FLOW軟件進行數值模擬。Hungr等[15]認為利用連續介質法模擬分析時，最為困難的問題是選取合適的流變模型，這是因為由于泥石流在運動全過程中，時刻都會因受不確定因素的干擾而發生特征改變。RAMMS采用Voellmy-Fluid摩擦模型，該模型基于Voellmy-Salm模型。這個模式是將摩擦阻力分為兩部分：干-庫侖型摩擦系數(μ)，其與正常應力和速度平方阻力一致或黏性湍流摩擦系數(ξ)，摩擦阻力S(Pa)為：

其中：ρ——密度；

H——流動高度；

g——重力加速度；

φ——坡角；

U——流速。

RAMMS模型中將泥石流視作具有流變性質的流體，RAMMS用Vomlley-Salm流變連續介質模型和RKE(Random Kinetic Energy)模型來處理流變問題，經實際應用驗證RAMMS應用兩個模型能很好的模擬泥石流運動過程，得到泥石流的運動特征參數。

3.2 Vollemy-Salm流變模型

RAMMS使用笛卡爾坐標系：x、y和高程z，t為泥石流流動時間。根據Christen等[16]，泥石流的運動特征由兩個主要參數表示：泥石流流深H(x,y,t)和流動速度U(x,y,t)，U(x,y,t)=(UX(x,y,t),UY(x,y,t))。

流動速度的大小由下式確定：

(1)

流深由?tH+?X(HUx)+?y(HUy)=Q(x,y,t)確定，Vollemy-Salm流變模型的摩擦阻力Sf=(Sfx,Sfy)由如下式確定：

(2)

3.3 RKE模型

(3)

公式中μ為摩擦系數，ξ為湍流系數，R0為一常數(定義為表示隨機動能密度函數的摩擦指數增長率)，R為深度平均隨機動能，exp為指數。

3.4 數值模擬

本文在以現場調查獲取的資料結合RAMMS:DEBRIS軟件進行數值模擬，準備工作：1.提取等高線并使用ArcToolbox轉化成TIN格式，再轉化為柵格，最后轉化為ASCII格式。2.地理參考數據集必須是笛卡爾坐標系，地形數據是最重要的輸入要求，模擬結果依賴于強烈的地形輸入數據的分辨率和準確性。3.將工程地質平面圖中的物源文件和流域范圍導出備用。運行RAMMS后、打開第一步工作準備好的DEM文件，依次加載流域范圍、物源區，并根據現場調查數據為物源的厚度賦值，并開始設置參數。(1)密度(ρ)：1.67 g/cm3(現場重度試驗獲取)，重力加速度(g)：9.8 m/s2，平均坡角φ：38°。(2)保持土壓力系數Lambda(1.00)的默認值。參數Lambda修改驅動流量的縱向壓力梯度。除了1.00以外的Lamda的使用只能在1階數值求解器中進行，并且將影響模擬結果。(3)保持零高度截止值(0.000 100 m)的默認值。消除了模擬的實際淺流量高度以最小化數值的誤差。(4)μ=0.174，ξ=189.2 m/s2(根據調查所得數據通過物理原理計算所得)。(5)洪水流量QB=116.99 m3/s(50年一遇洪水流量)。開始RAMMS模擬并得到模擬結果如下：泥石流沖出量為5.68×105m3，泥石流運動總時長93 min 32 s(圖4)。其中，洪水流量由雨洪法確定。

洪水流量QB計算公式:

QB=0.278r×i×F

式中：r——按小時平均雨強(mm/h)設計，計算用實測最大小時雨強校核，根據水文手冊查閱本地降雨歷史資料取得；

i——產水系數。植被具有保水功能，降雨后入滲少，產水系數與雨強的大小和植被的多少呈正變，與松散土層的厚度呈反變，一般產水系數i=0.5～0.9；魯家溝泥石流溝取0.60；

F——流域面積/km2，7.64 km2。

50年一遇：QB=0.278r×i×F=0.278×91.81×0.60×7.64=116.99 m3/s

通過數值模擬，可以對流域內物源由變形失穩到泥石流運動的全過程進行分析。該泥石流的各個時間段的運動過程見圖4，結果分析詳見表1。

圖4 泥石流運動過程模擬Fig.4 Simulation of debris flow movement process

階段運動過程的描述a由于暴雨沖刷和降雨入滲,坡體表面碎石土變得松散,土體重力增加,受軟化作用強度降低,沿滑向下滑分力增大,不穩定物源開始變形。b隨著雨水入滲,大量降雨匯集于清水-形成區加上高縱坡降提供強大的水動力條件,不穩定土體變形加劇,雨水攜帶泥沙、塊石,卷入溝道,泥石流向下游以滾雪球的方式越來越壯大。c溝道物源隨著雨水沖刷,繼續運動,沖出溝口,并形成堆積扇,隨著雨量和不穩定物源的減小,泥石流動能開始變小。d運動至93 min 32 s,魯家溝重新回到穩定狀態,泥石流運動結束,沖出量為5.68×105 m3。

4 結論

(1)魯家溝其獨特多跌水地形地貌、水動力條件、地層巖性、地質構造、溝床變化和人類對溝內生態破壞程度決定著魯家溝泥石流的暴發規模、周期、泥石流類型及其危害程度。魯家溝內基巖風化嚴重，坡積物豐富，滑坡、崩塌等地質災害點多。固體物源豐富為魯家溝提供了產生泥石流的物源，共計有松散固體物源量約6.308 7×106m3。魯家溝溝縱道坡比降從上游至下游由大變小，上游地貌適合于雨水匯集，支溝發育，這為魯家溝提供了發生泥石流水動力條件。

(2)魯家溝泥石流為滑坡堰塞壩潰決型泥石流，泥石流的發生主要與溝域內順層斜坡失穩破壞，堰塞溝道并潰決形成。形成機制和演化過程總結為：暴雨誘發—滑坡失穩—堵塞溝道—堰塞潰決—泥石流形成。

(3)魯家溝泥石流仍然有再次暴發泥石流的可能性，數值模擬研究魯家溝50年一遇泥石流洪峰流量為476.73 m3/s，泥石流暴發至休止時間為93 min 32 s，泥石流沖出量5.68×105m3。