汶川縣映秀鎮牛圈溝潰壩型泥石流起動臨界條件初步分析

張丹丹 向國萍

摘 要：為預測牛圈溝潛在潰決點失穩后引發泥石流災害規模，對牛圈溝3個堵潰點潰決流量進行了預測，計算了潰決洪水影響距離及到達時間，提出了針對牛圈溝堵潰型泥石流起動的判別公式，最后分析了泥石流可能造成的危害。其中得到潰決流量過程曲線，1#、2#堵潰點峰值流量值分別為1124.6m3/s、495.6m3/s，3#堵潰點主要發生溝道侵蝕，并不產生大規模潰決破壞。三個堵潰點潰決后洪水流量放大效應影響距離及到達時間進行了計算，1#堵潰點影響范圍到達下游堆積區，2#堵潰點影響距離為547m。牛圈溝潰決型泥石流規模將遠大于無潰決泥石流的規模。

關鍵詞：串聯潰決；流量；泥石流

中圖分類號：P642.23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0027-02

Abstract： In order to predict the scale of debris flow disaster caused by the instability of the potential outburst point in niuquan gully， the flow flow of the three outburst points in niuquan gully is predicted， the impact distance and arrival time of the outburst flood are calculated， and the discriminating formula for starting of the type of debris flow in niuquan gully is put forward， and the possible harm caused by the debris flow is analyzed. The process curve of outburst flow is obtained. The peak flow values of # 1 and # 2 are 1124.6m3/s and 495.6m3/s， respectively. The influencing distance and arrival time of flood flow amplification effect were calculated after three outburst points. The influencing range of 1# breach point reached the downstream accumulation area， and the influencing distance of 2# breach point was 547m. The scale of niuquan gully outburst debris flow will be much larger than that of non-outburst debris flow.

Keywords： series break； flow； debris flow

1 概述

近年來由于“5·12”地震的發生，在汶川地震災區引發了滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，尤其2008年汶川地震引發了257座滑坡壩[1]?；聣我坏┦Х€潰決將暴發巨大規模的洪水，甚至當洪峰流量達到一定條件將引發潰決型泥石流。潰決型泥石流來勢洶猛，暴發突然，流量大，破壞力強[2]。國內外對于土石壩潰的研究較多，1965年Cristofano[3]建立了漫頂潰決模型，隨后一系列潰決計算模型被提出，對于壩體潰決的研究較為成熟。對于08汶川地震形成的溝道堆積體，其潰決后形成泥石流的可能性較大，對于該過程的研究現階段較少。崔鵬等人的研究成果表明，在小坡度情況下，泥石流形成模式是堵潰式，形成階段包括沖蝕→沖溝→崩塌→堵塞→潰決→泥石流[4]。因此對潛在暴發潰決型泥石流的研究，分析壩體潰決后流量過程線，以及壩體潰決后發生泥石流的可能性，對于防災減災具有重要意義。本文主要針對牛圈溝堵潰點引發泥石流的可能性進行研究分析。

2 研究區基本特征

牛圈溝位于汶川縣映秀鎮南側，岷江右岸，牛圈溝溝口屬紫平鋪水庫的庫尾段。該溝為“5·12”汶川特大地震震源所在地，牛圈溝溝長6.1km，流域面積10.7km2，溝源至溝口高差1840m，平均縱坡降266.3‰。主要支溝有蓮花心溝、白溝和倒溝。在“5·12”地震后該溝多次發生泥石流，其中2008年“9·26”、2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流規模較大，“9·26”泥石流進入岷江固體物源達到10.5萬方。

3 研究方法及計算

3.1 潰壩流量過程計算

對于土石壩潰決流量曲線的研究是研究潰決型泥石流的主要內容之一，本文主要考慮采用模型計算方法及經驗公式計算對比牛圈溝潰決流量。對于模型計算方法，根據美國氣象局提出的BREACH模型[3]，用來預測由于管涌或漫流引起的土石壩潰決過程，該模型可用于河流坍塌形成的天然土石壩，適用于由地震作用形成的滑坡壩。通過該模型的計算得到壩體破壞過程時間-流量曲線。對于BREACH模型需要收集土石壩的基本參數：迎水面坡度、背水面坡度、壩體長度、壩體厚度、壩體材料性質、壩庫容情況和入水流量等參數計算壩體的穩定性。通過BREACH模型計算得到壩體潰決時間流量曲線，可得到壩體潰決時間，潰決后洪水流量變化。1#堰塞體其潰決模式主要為漫頂破壞，在較短的時間內潰口打開，潰決后峰值流量將達到1124.6m3/s，潰決流量遠大于正常流量，在較短的時間內帶動松散土體引發泥石流；2#堰塞壩庫尾對上游泥石流有削弱作用，停留較多泥石流固體物質，堰塞體發生漫頂潰決破壞，峰值流量將達到495.6m3/s，但是由于該堰塞壩庫容量較小，其維持較大流量的時間較??；3#堰塞體不會形成大規模潰決，主要是降雨匯流侵蝕溝道，該堰塞體作為一個主要的泥石流物源參與到泥石流的活動中的可能性較大，若暴發泥石流將對下游2#、1#堵塞點影響較大。

作為與BREACH模型對比，采用經驗方程計算3個土石壩潰決峰值流量，本文主要采用Evans，Walder and O'Connor，Cenderelli等[4-8]人的計算公式計算峰值流量，其中VL等于堰塞湖體積；PE代表堰塞湖潛在能量，其值等于土石壩高度，堰塞湖體積，水的比重9800N/m3三者的乘積。

3.2 三聯潰決相互影響

潰壩時間和洪水到達時間的估計通常在緊急情形下是爭分奪秒的。預測土石壩漫流（破壞啟始）時間和峰值流量達到下游溝口居民聚集區時間及大小對確定適當的工程措施和疏散計劃至關重要。堰塞湖體積和水位之間的關系可以用來預測給定入流流量，土石壩漫溢時間。在崔鵬等[9]的研究中已經應用經驗方程來預測洪水到達下游不同距離處峰值流量以及其到達所需時間：

通過計算得到1#堵塞點潰決后流量放大（相比未潰決時）持續影響范圍為5434m，在堵塞點及堵塞點下游，有足夠的泥石流松散物源可參與泥石流活動，該點潰決后將直接影響下游全部區域；2#堵塞點潰決后影響距離為547m小于到達1#堵塞點距離874m，其潰決不會對1#堵塞點產生較大影響；3#堵塞點由于并未形成大規模潰決，所以其自身對下游并不產生較大影響，流量大小主要受降雨量影響。2#、3#堵塞點潰決形成洪水對1#堵塞點并不產生直接影響，主要間接影響1#堵塞點穩定性。

3.3 泥石流起動判別條件

本文主要分析3個壩體潰決時，泥石流起動的判別條件。在泥石流流體模型的選擇中Rickenmann和Koch等[10]人認為Voellmy 模型相比于Bingham，Herschel-Bulkley流變模型能更適用于具有顆粒特征的泥石流泥。Vicente和Medina等[11]人給出了侵蝕判別條件，當滿足公式時，發生侵蝕，流水流將攜帶溝道物質開始運動。

4 泥石流危害性預測

牛圈溝溝口為岷江沖刷岸，正常水位下溝口處岷江寬度為90m，河道縱比降約為6‰，正常情況下，牛圈溝泥石流不會造成大規模堵江，就其現階段發展模式分析，泥石流暴發模式為暴雨溝谷型泥石流，沖出物質主要為蓮花心溝及主溝下游段提供，而堰塞湖段并未對下游泥石流起動提供物源。2008年9月26日，該次泥石流主要從蓮花心溝起動，進入岷江固體物質約10萬方，對岷江造成堵塞；2010年8月14日，該次泥石流進入岷江固體物質約8萬方，岷江1/3被堵塞?？紤]潰決條件影響時2#堵潰點、3#堵潰點潰決時產生的洪峰流量對1#堵潰點影響較小，但若洪水轉化為泥石流時，其對1#堵潰點將產生威脅，帶動松散物質運動沖擊1#堵塞體。

堵潰點在未潰決狀態下，由于受到堰塞湖消能作用的影響，該段泥石流將以淤積為主松散堆積物源基本不會起動和參與泥石流活動，但若1#堰塞體發生漫頂溢流潰決，首先將造成堵點附近水源和物源的集中起動，堰塞湖內及上游淤積的松散固體物質將參與泥石流活動，并將進一步加劇對堰塞體的揭底沖刷和側蝕，導致堰塞體滑坡碎屑流堆積體參與泥石流活動，形成水動力條件強大的泥石流。

5 結束語

本文針對牛圈溝堵潰點潰決后泥石流起動及危害進行了分析。選取該溝三個典型堵潰點，計算壩體潰決時流量與時間關系曲線，其中1#堵潰點峰值流量1124.6m3/s，相比于2#、3#堵潰點對泥石流暴發的影響更大；分析了三個堵潰點串聯潰決的相互影響，計算得到1#堵潰點峰值流量影響距離為5434m，潰決流量影響距離大于1#堵潰點到岷江的距離，1#堵潰點下游到岷江都將受到潰決流量的影響；2#、3#潰決后形成的洪水不會直接影響1#堵潰點穩定性，上游段若暴發泥石流，2#、3#潰決點將對泥石流能量放大，從而影響1#堵潰點的堵塞體穩定性；通過計算提出了針對牛圈溝3個堵潰點對應的區間泥石流的起動判別公式，泥石流的起動主要受水流流速、流深所影響；通過與雨洪法計算牛圈溝峰值流量對比，以及震區已發生潰決型泥石流的相似性比較，牛圈溝由堵潰形成泥石流的規模將遠大于暴雨溝谷類泥石流。

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