四川壤塘縣茸郎溝泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性

韓 雨 菲， 胡 卸 文， 韓 玫， 熊 沖 沖， 盛 豪

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 引 言

泥石流災(zāi)害常見(jiàn)于山區(qū)，多是由于集中降雨誘發(fā)，具有發(fā)生突然、歷時(shí)短、破壞力大、難以預(yù)報(bào)等特點(diǎn)[1]。泥石流的危險(xiǎn)區(qū)范圍是指泥石流在流通、堆積等沖淤過(guò)程中造成毀滅性災(zāi)難的區(qū)域。合理可靠的泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍確定，對(duì)山區(qū)交通選線、城鎮(zhèn)村落選址布局以及泥石流綜合防治措施的選取等都具有重要的實(shí)際意義和科學(xué)價(jià)值[2]。

目前最為廣泛應(yīng)用的泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍確定主要有物理模擬試驗(yàn)法、數(shù)學(xué)模型法及數(shù)值模擬法。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，表明物理模擬試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)大多以泥石流影響因子為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，獲得泥石流堆積范圍，結(jié)果較為單一，而數(shù)值模擬法一般不僅能預(yù)測(cè)泥石流危險(xiǎn)范圍，也能夠體現(xiàn)泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力特征。近年來(lái)泥石流流體動(dòng)力特性及數(shù)值模擬方法探索不斷深入，胡凱衡[3]根據(jù)流團(tuán)模型原理，假定泥石流摩阻為速度的二次多項(xiàng)式，對(duì)泥石流在堆積區(qū)的堆積過(guò)程和特征進(jìn)行了數(shù)值模擬；韋方強(qiáng)[4]等結(jié)合了泥石流流體數(shù)值模擬技術(shù)和GIS技術(shù)，對(duì)泥石流的堆積運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取了模擬中泥石流堆積范圍中每一點(diǎn)的最大動(dòng)量，以動(dòng)量作為分區(qū)指標(biāo)建立了模型。馬宗源、李珂等人[5-6]應(yīng)用ANSYS 軟件，對(duì)粘性泥石流流體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了泥石流的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，并初步討論了泥石流流體對(duì)攔擋壩等防治設(shè)施的影響。四川阿壩州壤塘縣茸郎泥石流溝為則曲河右岸一級(jí)支流，茸木達(dá)鄉(xiāng)于茸郎溝溝口，有鄉(xiāng)政府、郵政所、供電站、茸木達(dá)中心校、衛(wèi)生院等基礎(chǔ)設(shè)施，居民約300人，一旦泥石流爆發(fā)則會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅(見(jiàn)圖1)。

圖1 茸郎溝溝口鄉(xiāng)政府所在地

本文在對(duì)茸郎溝泥石流的形成條件及發(fā)育特征進(jìn)行實(shí)地野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CFX軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)茸郎溝20 a與50 a一遇降雨頻率下的泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以預(yù)測(cè)其危險(xiǎn)區(qū)范圍，進(jìn)而評(píng)價(jià)該泥石流溝對(duì)茸木達(dá)鄉(xiāng)居民點(diǎn)的危害程度。

1 茸郎溝泥石流發(fā)育特征

茸郎溝溝域面積為45.59 km2，主溝縱長(zhǎng)14.81 km，整體上可分為清水動(dòng)力區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)，平均縱坡降51‰，上游清水匯流區(qū)及形成流通區(qū)呈"V"型溝谷地貌，溝谷較為狹窄，縱坡較陡，水流湍急，且動(dòng)態(tài)變化較大；下游溝段呈“U”型堆積谷地貌，谷寬一般20～50 m左右。茸郎溝支溝較為發(fā)育，中游及下游發(fā)育9條支溝，流通區(qū)兩側(cè)岸坡坡度35°～45°，(見(jiàn)圖2，圖3)。

圖2 茸郎溝流域平面圖

茸郎溝所處區(qū)域高原季風(fēng)性氣候十分顯著，干濕季節(jié)明顯，氣溫和降雨垂直分帶明顯。壤塘縣多年平均降水量705.6 mm，從最近30 a的降雨資料分析，近年來(lái)降雨有逐漸增大的趨勢(shì)。茸郎溝流域出露地層主要為第四系松散堆積物殘坡積層(Q4)及三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3xd)板巖-砂巖地層。茸木達(dá)地區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高原地貌，由于局部溝谷段坡面及溝道松散堆積物豐富，在豐水期易形成泥石流災(zāi)害。

圖3 茸郎溝主溝縱剖面圖

經(jīng)調(diào)查走訪得知，茸郎溝最近于2015年連續(xù)強(qiáng)降雨后發(fā)生過(guò)一定規(guī)模的泥石流災(zāi)害，泥石流持續(xù)10多分鐘，泥石流沖出物質(zhì)為稀狀泥漿并夾雜少量大塊石，該次泥石流淹過(guò)耕地，漫入當(dāng)?shù)鼐用窦抑胁⒃斐缮倭繐p毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十萬(wàn)元，所幸未造成人員傷亡。

2 泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)

泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)是數(shù)值模擬求解設(shè)置、分析對(duì)比的依據(jù)，所需確定參數(shù)主要為泥石流重度及峰值流量，可采用雨洪修正法計(jì)算獲得。

2.1 泥石流重度

現(xiàn)場(chǎng)配漿法與查表法所得泥石流重度基本吻合，重度取值15.30 kN/m3，屬于稀性泥石流。

2.2 泥石流流速

茸郎溝泥石流屬稀性泥石流，流速計(jì)算公式采用西南地區(qū)(鐵二院陳光曦)公式[7]：

(1)

溝口附近泥石流流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 茸郎溝泥石流溝口流速計(jì)算結(jié)果

(3)泥石流峰值流量

泥石流峰值流量采用雨洪修正法進(jìn)行計(jì)算：

QC=DC(1+φ)QP

(2)

QP=0.278ψAS/tn

(3)

式中QC泥石流斷面峰值流量(m3/s)；φ泥沙修正系數(shù)；QP暴雨洪峰流量；Dc堵塞系數(shù)；ψ洪峰徑流系數(shù)；S單位歷時(shí)的暴雨平均強(qiáng)度(mm/h)；A流域面積(km2)；t匯流時(shí)間(h)；n暴雨遞減指數(shù)。

溝口泥石流峰值流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 茸郎溝泥石流溝口流量計(jì)算結(jié)果

3 基于CFX的泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 CFX軟件簡(jiǎn)介

CFX是一種計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computional Fluid Dynamics)，即CFD軟件，通過(guò)求解流體控制方程，模擬流體流動(dòng)時(shí)各種相關(guān)物理現(xiàn)象，其全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器支持多相流等復(fù)雜物理模型，并行計(jì)算能力強(qiáng)大，收斂速度快且結(jié)果精準(zhǔn)。

CFX計(jì)算基礎(chǔ)為區(qū)域離散化數(shù)值計(jì)算，常用方法有有限差分法、有限元法及有限體積法。CFX求解器采用的為有限體積法，相比于其他兩種方法，能夠精確滿足物理量積分守恒，是目前在流體流動(dòng)求解中最有效的數(shù)值計(jì)算方法。

CFX求解過(guò)程包括建模、前處理、求解、后處理幾個(gè)階段。

3.2 泥石流流場(chǎng)幾何設(shè)定

泥石流數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是建立泥石流流場(chǎng)幾何模型，綜合應(yīng)用Auto CAD，Surfer，Design Modeler等建模工具，通過(guò)點(diǎn)-線-面-體的構(gòu)建方式建立茸郎溝溝口堆積區(qū)三維地質(zhì)模型，模型平面范圍為500 m×400 m，流體域高度20 m。在WorkbenchMesh模塊中調(diào)用ICEM-CFD前處理器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇生成簡(jiǎn)單，適合復(fù)雜幾何圖形的四面體(Tetrahedrons)[8]，全模型共生成59 985個(gè)節(jié)點(diǎn)，293 138個(gè)單元(見(jiàn)圖4)。

圖4 茸郎溝泥石流溝口堆積區(qū)模型及網(wǎng)格劃分

3.3 前處理

前處理模塊中，主要需設(shè)定泥石流流體流變模型及邊界條件。

3.3.1 泥石流流變模型

流變模型的正確選擇對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及泥石流流動(dòng)規(guī)律的探索有著重要意義。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，一般的泥石流流體性質(zhì)更適合Bingham模型[9]，其數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下：

(4)

3.3.2 邊界條件設(shè)定

CFX中的邊界有入口(Inlets)、出口(Outlets)、壁面(Walls)、開(kāi)放式邊界(Opening)、對(duì)稱面(Symmetry)5種類型。對(duì)于茸郎溝溝口模型，設(shè)定如下：

(1)入口：堆積區(qū)上游，溝道泥石流流入處。在質(zhì)量和動(dòng)量(MassandMomentum)模塊中設(shè)定流體進(jìn)入方式為質(zhì)量流量(BulkMassFlowRate)，定義多項(xiàng)式函數(shù)Q(t)，表示泥石流流量隨時(shí)間的變化。設(shè)定t=0s時(shí)取洪水流量，總模擬時(shí)間1/3處為泥石流峰值流量(見(jiàn)圖5)。函數(shù)通過(guò)CFXExpressionLanguage(CEL語(yǔ)言)編譯并定義計(jì)算中的泥石流流量變化。

(a)P=5%

(b)P=2%圖5 茸郎溝泥石流堆積區(qū)流量變化過(guò)程曲線

(2)出口：模型四側(cè)邊界。主要設(shè)定出口條件為靜態(tài)壓強(qiáng)，流體性質(zhì)為亞聲速流體(Subsonic)。

(3)開(kāi)放式邊界：模型上部。設(shè)置為開(kāi)放壓強(qiáng)與方向，壓力1.01×105Pa。

(4)壁面：泥石流流動(dòng)面。設(shè)置為無(wú)滑移壁面，粗糙度取0.1m。

設(shè)置完成模型(見(jiàn)圖6)。

3.4 求解

CFX求解管理器可監(jiān)視整個(gè)求解過(guò)程，主要體現(xiàn)在入口與出口質(zhì)量流量變化，兩次模擬進(jìn)出口質(zhì)量流量曲線求解結(jié)果(見(jiàn)圖7)。

圖6 模型邊界條件設(shè)置

(a)P=5%

(b)P=2%圖7 質(zhì)量流量曲線求解結(jié)果

由圖7可見(jiàn)，進(jìn)口質(zhì)量流量曲線與設(shè)置的泥石流流量過(guò)程曲線吻合。20a一遇泥石流模擬中，出口質(zhì)量流量曲線分別在t=75s處陡然下降，說(shuō)明此時(shí)泥石流到達(dá)了出口邊界并流出，在t=320s附近，泥石流峰值流量從入口流入，t=415s時(shí)到達(dá)出口邊界，出口峰值流量較進(jìn)口峰值流量減小到20.92m3/s，說(shuō)明建筑體對(duì)于泥石流有攔擋與淤積作用。50a一遇泥石流模擬中，泥石流在t=65s處從出口邊界流出，較20a一遇泥石流流速較大，與實(shí)際情況相符，泥石流進(jìn)口峰值流量出現(xiàn)在t=450s附近，75s后流出邊界，出口峰值流量為34.64m3/s。

3.5 后處理及分析

3.5.1 泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

CFX后處理功能多樣，可以多種形式直觀展示數(shù)值模擬結(jié)果，如等值線圖、矢量圖、動(dòng)畫(huà)輸出等。本文以20a一遇泥石流模擬為例，通過(guò)泥石流流速云圖描述分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程(見(jiàn)圖8)。

(a)t=50 s

(b)t=90 s

(c)t=340 s

(d)t=550 s

(e)t=900 s圖8 不同時(shí)刻泥石流液面速度云圖(a～e)

t=50s時(shí)，沿溝道運(yùn)動(dòng)的泥石流推進(jìn)300m，首先淹沒(méi)了離入口最近的房屋，而后產(chǎn)生分支，大部分仍沿主溝道流動(dòng)，小部分漫過(guò)溝道進(jìn)入平坦寬闊的堆積區(qū)并逐步擴(kuò)散，由于溝道狹窄，沿溝道運(yùn)動(dòng)速度快，最大速度達(dá)到8.679m/s，堆積區(qū)漫流速度分布在2～4m/s之間。t=90s時(shí)，泥石流已經(jīng)流過(guò)出口，在居民區(qū)漫流范圍逐步擴(kuò)大，鄉(xiāng)政府大院已經(jīng)完全淹過(guò)，下游低矮民房開(kāi)始被淤埋，此時(shí)危險(xiǎn)范圍沿溝道長(zhǎng)度400m，垂直溝道60m。t=340s時(shí)，峰值流量已經(jīng)流入，泥石流整體運(yùn)動(dòng)速度增大，平均速度達(dá)5.5m/s，最大速度9.130m/s，由于建筑物的攔擋停淤作用，泥石流在居住區(qū)內(nèi)的平均運(yùn)動(dòng)速度較小，為1.5m/s。t=550s時(shí)，泥石流在堆積區(qū)漫流范圍達(dá)到最大，沿溝道方向長(zhǎng)度達(dá)430m，垂直溝道最大達(dá)280m，此時(shí)速度隨著流量降低而減小，t=900s時(shí)，泛濫范圍稍有縮小，入口流量回到洪水流量值，泥石流整體流速達(dá)最小值。

3.5.2 泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍分析

取模擬結(jié)果中最大泥石流漫流范圍作為危險(xiǎn)區(qū)范圍，20a一遇泥石流取t=550s時(shí)刻，50a一遇泥石流取t=680s時(shí)刻，以及現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)得到2015年實(shí)際受災(zāi)范圍(見(jiàn)圖9)。

圖9 泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍

由圖9可知，2015年泥石流爆發(fā)頻率小于20a一遇，受溝道與山體的限制，20a與50a一遇泥石流在垂直溝道方向泛濫范圍差別不大，差異主要在于順溝道方向的最大堆積長(zhǎng)度，20a一遇泥石流最大堆積長(zhǎng)度為430m，50a一遇泥石流最大堆積長(zhǎng)度為470m，泥石流最大泛濫范圍分別占居民區(qū)總面積的67%、79%。一旦暴發(fā)泥石流，茸木達(dá)鄉(xiāng)政府所轄居民區(qū)將面臨重大威脅，需采取諸如堆積區(qū)上游側(cè)單邊或雙邊防護(hù)堤等有效防治措施。

4 結(jié) 論

(1)位于壤塘縣的茸郎溝溝域面積為45.59km2，主溝縱長(zhǎng)14.81km，平均縱坡降51‰，為則曲河右岸一級(jí)支流，茸木達(dá)鄉(xiāng)政府位于茸郎溝溝口，有鄉(xiāng)政府、郵政所、供電站、茸木達(dá)中心校、衛(wèi)生院等基礎(chǔ)設(shè)施，居民約300人，2015年連續(xù)強(qiáng)降雨后發(fā)生過(guò)一定規(guī)模的泥石流災(zāi)害，對(duì)溝口居住區(qū)形成部分淤埋，潛在危害性大。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，茸郎溝泥石流20a一遇泥石流通過(guò)堆積區(qū)平均速度為4.30m/s，最大流速為9.13m/s，50a一遇泥石流通過(guò)堆積區(qū)平均速度為4.78m/s，最大流速為10.00m/s。由于堆積區(qū)平坦開(kāi)闊，建筑物較多，阻擋淤積作用使得泥石流在居民區(qū)內(nèi)漫流速度較溝道內(nèi)小得多。

(3)數(shù)值模擬所得到的危險(xiǎn)區(qū)范圍顯示，20a與50a一遇泥石流均對(duì)溝口茸木達(dá)鄉(xiāng)有較大威脅，最大堆積長(zhǎng)度分別為430m、470m，居民區(qū)受災(zāi)面積分別達(dá)67%、79%。說(shuō)明一旦暴發(fā)泥石流，對(duì)茸木達(dá)鄉(xiāng)居民構(gòu)成嚴(yán)重威脅，需采取有效防治措施。