泥石流流量的數(shù)字模擬分析
——以云南省永勝縣馬坪子大箐泥石流為例

張橋

（四川省煤田地質(zhì)局一三五隊(duì)四川瀘州646000）

泥石流流量的數(shù)字模擬分析
——以云南省永勝縣馬坪子大箐泥石流為例

張橋

（四川省煤田地質(zhì)局一三五隊(duì)四川瀘州646000）

在進(jìn)行治理工程設(shè)計(jì)參數(shù)的分析上，對(duì)最關(guān)鍵的流量參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用FLOW-3D的General Moving Object model模型進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)對(duì)10年一遇暴雨、30年一遇暴雨、50年一遇暴雨及100年一遇暴雨采用雨洪法及模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比后，通過(guò)加權(quán)平均，模擬計(jì)算結(jié)果為雨洪法計(jì)算結(jié)果的83.5%，可見(jiàn)雨洪法計(jì)算得出的結(jié)論更趨保守，但模擬計(jì)算更接近實(shí)際情況，因此結(jié)果更具針對(duì)性。

泥石流流量；模擬計(jì)算

泥石流流量在泥石流各項(xiàng)參數(shù)處于十分重要的地位，像一次泥石流過(guò)流總量、一次泥石流固體沖出物等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，都是以泥石流流量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的。

而泥石流流量的計(jì)算方法復(fù)雜且多種多樣，甚至同一種算法在不同地區(qū)的公式及取值都不盡相同：例如雨洪法計(jì)算中的匯流參數(shù)m計(jì)算公式在四川地區(qū)和云南地區(qū)的差異性就較大；而暴雨遞減系數(shù)n在四川地區(qū)是采用1h、6h雨強(qiáng)在各頻率系數(shù)修正后進(jìn)行計(jì)算，但在云南地區(qū)則是通過(guò)查水文手冊(cè)取值。這些方式的不同往往導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大偏差，怎樣選擇一種具代表性、精度較高的計(jì)算方式，對(duì)泥石流治理的研究是十分重要的。通過(guò)查閱相關(guān)資料，當(dāng)前普遍的泥石流流量計(jì)算方法都存在計(jì)算精度不高，參數(shù)取定困難，計(jì)算結(jié)果與泥石流實(shí)際流量差異較大等情況，這些公式方法都是學(xué)者在經(jīng)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上得出的，而以前的研究往往針對(duì)泥石流單溝，系統(tǒng)性的分析大量泥石流的研究較少，從而導(dǎo)致現(xiàn)階段計(jì)算方法不具代表性。近些年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬技術(shù)得到高速發(fā)展，將數(shù)值模擬引入泥石流流量計(jì)算，能夠最大程度的模擬泥石流地形、坡降等重要參數(shù)，由此得出的流量數(shù)據(jù)與泥石流的實(shí)際情況相吻合，這樣在進(jìn)行治理工程設(shè)計(jì)時(shí)，就避免了由于流量問(wèn)題導(dǎo)致的設(shè)計(jì)保守，使得在滿(mǎn)足治理效果的前提下，達(dá)到治理費(fèi)用的最優(yōu)化。

現(xiàn)階段針對(duì)粘性、稀性泥石流流量建立的模型有：①粘塑技術(shù)（粘性泥石流）；②顆粒滑動(dòng)技術(shù)（稀性泥石流）；③綜合阻力系數(shù)計(jì)算（粘性、稀性泥石流）。

1 粘塑技術(shù)

指數(shù)流變方程針對(duì)不同性質(zhì)的泥石流計(jì)算方程是不同的，本次只對(duì)粘性泥石流進(jìn)行分析研究，公式如下：

其中：h為水深；y為距河床的距離；u為沿水流方向的點(diǎn)流速；

γm為泥石流水沙混合體的容重；u為動(dòng)力粘滯系數(shù)；η為指數(shù)方程中的粘性剪切力指數(shù)（對(duì)賓漢流體，η=1）；τi為內(nèi)部剪切力，τy為屈服應(yīng)力。如果將si表示為屈服應(yīng)力、粘性和有關(guān)水力要素的函數(shù)，可以得到：

上述公式主要與含砂量、體積有關(guān)。通常情況下，粘性泥石流對(duì)屈服應(yīng)力的要求較高，在水深、河床坡降、流速等方面必須到達(dá)相關(guān)指標(biāo)。

2 顆?；瑒?dòng)技術(shù)

顆粒滑動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用具備一定的前提條件，但由于其在模擬過(guò)程中可以對(duì)坡率、水動(dòng)力條件、粒徑等方面進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，相關(guān)公式如下：

其中，e為系數(shù)；x1，x2分別為孔隙水壓力恢復(fù)區(qū)和泥石流前坡的位置；ka/p為常數(shù)系數(shù)；θ為河床坡降；φhed為內(nèi)摩擦角。在對(duì)縱坡率在20～30°之間的稀性泥石流計(jì)算結(jié)果可靠性最高。

3 綜合阻力系數(shù)技術(shù)

綜合阻力系數(shù)方法與泥石流重度、水力半徑及坡率有密切關(guān)系，且橫向、縱向剪應(yīng)力也是一個(gè)重要參數(shù)，泥石流中剪應(yīng)力的形成、分布比較復(fù)雜，可以由內(nèi)外摩阻力、紊流等條件產(chǎn)生，因此在各剪應(yīng)力分力合并為剪應(yīng)力合力的計(jì)算上，必須選擇合理的模擬形式。剪應(yīng)力合力公式為：τi=γmRSi，其中τi為泥石流床面總剪切力；si為綜合能坡，si=n2tf（Q，R，A）。

同樣，泥石流所涉及的各種阻力也存在這種問(wèn)題，如何采用合理的綜合阻力系數(shù)代表所有阻力，這也是該項(xiàng)技術(shù)面臨的難點(diǎn)、重點(diǎn)，同時(shí)在模擬計(jì)算時(shí)，由于可以在流量計(jì)算中運(yùn)用sf、se、sl及u等重要參數(shù)，該技術(shù)計(jì)算得到的成果也與泥石流流量的真實(shí)情況相吻合。

4 模擬計(jì)算方法的驗(yàn)證

本文以馬坪子大箐泥石流溝為例，對(duì)雨洪法及模擬計(jì)算方法進(jìn)行比較。馬坪子大箐泥石流溝流域面積約0.298km2，縱向溝長(zhǎng)約1.95km，縱向坡降539.69～980.75‰，由兩條主溝六條支溝組成，溝谷形態(tài)整體狹長(zhǎng)，溝道呈一典型的“V”字型峽谷，按10年一遇暴雨進(jìn)行計(jì)算溝口流量為12.88m3/s，30年一遇暴雨進(jìn)行計(jì)算溝口流量為18.26m3/s，50年一遇暴雨進(jìn)行計(jì)算溝口流量為20.82m3/s，100年一遇暴雨進(jìn)行計(jì)算溝口流量為24.33m3/s。泥石流流域內(nèi)山勢(shì)陡峭，地表松散堆積物豐富，多呈塊石狀，其中粒徑在0.2～0.7m之間的占70%，粒徑在0.7～1.5m之間的占30%。

圖1 10年一遇暴雨雨洪法、模擬計(jì)算結(jié)果過(guò)程線(xiàn)

圖2 30年一遇暴雨雨洪法、模擬計(jì)算結(jié)果過(guò)程線(xiàn)

圖3 50年一遇暴雨雨洪法、模擬計(jì)算結(jié)果過(guò)程線(xiàn)

而利用模擬技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，由于馬坪子大箐泥石流溝為稀性泥石流，且平均坡降大于大于φhed（20～30°），運(yùn)用顆?；瑒?dòng)技術(shù)模型，選取General Moving Object model（FLOW-3D）模型對(duì)泥石流溝口流量進(jìn)行分析研究（圖1～4）。

根據(jù)10年、30年、50年及100年一遇暴雨雨洪法、模擬計(jì)算結(jié)果過(guò)程線(xiàn)進(jìn)行分析，可以得到馬坪子大箐泥石流溝口流量按10年一遇暴雨為10.56m3/s，按30年一遇暴雨為15.15m3/s，按50年一遇暴雨為17.48m3/s，按100年一遇暴雨為20.68m3/s。通過(guò)加權(quán)平均，將采用顆?；瑒?dòng)技術(shù)模型計(jì)算得到的泥石流溝口流量與雨洪法計(jì)算得到的泥石流溝口流量進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)雨洪法得出的數(shù)值更大，按該數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)更顯保守，而模擬計(jì)算結(jié)果僅為雨洪法計(jì)算結(jié)果的83.5%，按該數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證治理工程能夠達(dá)到治理效果的基礎(chǔ)上，又節(jié)約了費(fèi)用，再加之在模擬計(jì)算中，可以加入不能帶入雨洪法計(jì)算的各種與流量直接或間接相關(guān)的參數(shù)，如動(dòng)力粘滯系數(shù)、摩阻坡降等，其結(jié)果與泥石流流量的實(shí)際情況較為接近。

圖4 100年一遇暴雨雨洪法、模擬計(jì)算結(jié)果過(guò)程線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)以馬坪子大箐泥石流溝口流量計(jì)算為例，將按顆粒滑動(dòng)技術(shù)模型、雨洪法兩種算法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出數(shù)值模擬技術(shù)更具可靠性、優(yōu)越性的依據(jù)。泥石流流量計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的過(guò)程，采用相同模型、不同影響因子計(jì)算的結(jié)果也存在較大偏差，因此在建立模型的過(guò)程中，也要對(duì)各因子進(jìn)行篩選，并對(duì)數(shù)值進(jìn)行校核，如條件可能，最好與周邊相似工程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行類(lèi)比，以得出最合理的組合方式。每種模擬技術(shù)都有其局限性，包括顆?；瑒?dòng)技術(shù)，但隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，將來(lái)在泥石流流量及其它重要參數(shù)的分析計(jì)算上，將與泥石流的實(shí)際情況越來(lái)越接近。

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A

1004-7344（2016）28-0214-02

2016-9-21

張橋（1983-），男，工程師，碩士，主要從事工民建勘察、巖土設(shè)計(jì)及地質(zhì)災(zāi)害勘查、設(shè)計(jì)等工作。