淺談地質(zhì)災害隱患點辨識及數(shù)值模擬分析

張新偉　王建西

摘? 要：以北京山區(qū)典型區(qū)域為例，綜合考慮地形地貌、地質(zhì)構造、巖性特征以及水文地質(zhì)條件等影響因素，對該區(qū)域潛在地質(zhì)災害的位置和類型進行了辨識，并采用數(shù)值模擬分析的方法，對辨識出的地質(zhì)災害發(fā)生情況進行數(shù)值模擬計算，通過計算結果驗證對潛在地質(zhì)災害的位置和類型辨識的正確性，進而為后續(xù)建立地質(zhì)災害風險點地質(zhì)模型，進行地質(zhì)災害風險點監(jiān)測分析、提出預警信息奠定了基礎，也為相似區(qū)域開展地質(zhì)災害類型的辨識及數(shù)值模型分析提供了參考價值。

關鍵詞：山區(qū);潛在地質(zhì)災害;數(shù)值模擬分析

中圖分類號：P642.4? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-1903（2019）04-0072-05

Abstract： In this paper， based on comprehensive consideration of topography， landforms， geological structure， lithologic feature and hydrogeological condition etc.， the location and types of potential geological hazards are identified in Beijing typical mountainous area， and the method of numerical simulation analysis is used. The results can provide a basis for model establishment of geological hazard points， monitoring analysis， warning information for geological disaster risk evaluation. The paper is also a good reference value for the identification and numerical simulation analysis of geological hazard types in similar regions.

Keywords： Mountainous area; Potential geological hazard; Numerical simulation analysis

0 前言

北京市位于華北平原西北隅，土地面積16410.54km2，其中山區(qū)面積10072km2，約占土地面積的61.3%。山區(qū)由于受地形地質(zhì)條件復雜、斷裂構造發(fā)育、降水時空分布不均勻等自然條件的影響，加上人類活動帶來的明顯地質(zhì)環(huán)境問題，存在泥石流、崩塌、采空塌陷、滑坡等突發(fā)地質(zhì)災害，具有災種多、群發(fā)性、高隱蔽性、高突發(fā)性和時間上的集中性等特點。1949年以來北京地區(qū)泥石流、崩塌、采空塌陷等突發(fā)地質(zhì)災害共造成600余人死亡，直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元（賈三滿等，2017）。因此，北京目前是世界上突發(fā)地質(zhì)災害最為發(fā)育的首都城市之一，對首都的安全及經(jīng)濟的進一步發(fā)展都存在著威脅。因此如何合理選擇潛在地質(zhì)災害風險點和正取辨識潛在地質(zhì)災害類型，就成為開展地質(zhì)災害風險點監(jiān)測分析的基礎性、先行性工作之一。

1 概況及地質(zhì)災害風險點辨識

1.1 區(qū)域基本概況

研究區(qū)比鄰某國道（圖1），其地貌為典型的低山溝谷地貌，區(qū)內(nèi)大小沖溝遍布，地層大面積出露，包括晚古生代、中生代及新生代地層，區(qū)內(nèi)侵入巖不發(fā)育，地層主要為奧陶系、石炭系、侏羅系及第四系松散堆積物。

1.2 地質(zhì)災害風險點辨識

（1）泥石流隱患點分布位置及基本概況

潛在泥石流溝位于該區(qū)域南北向沖溝，與村鎮(zhèn)公路直交。主溝溝長約1.5km，溝口留有巨石，最大直徑約1m，補給區(qū)位于中、上游，扇形地完整性30%，較小，扇長100m，扇寬40～50m，擴散角40°，堆積區(qū)面積較大。補給段長度比80%，山坡坡度40°～ 50°，植被覆蓋率30%，松散物平均厚度0.3～2m。流域范圍為單斜構造，流域面積較大約0.8km2，流域相對高差約400m，橫斷面呈“V”型谷。

（2）隱患特征分析

泥石流的形成，必須同時具備3個基本條件，既：有利的地形地貌條件;有豐富的物源條件;短時間內(nèi)可提供充足水源的水動力條件。

地形地貌條件：該沖溝位于中低山溝谷地貌（圖1-A），流域相對高差大，兩岸山坡平均坡度40°～50°，地形地貌有利于降水匯集，并且使匯集的降水產(chǎn)生一定的勢能。

物源條件：溝道內(nèi)物源主要由3部分組成：一是沖溝上游的各支溝內(nèi)堆積了大量的興建公路遺棄的坡積碎石且松散，穩(wěn)定性差;二是形成區(qū)巖體為硬巖節(jié)理發(fā)育，大量碎塊石脫離母巖，以墜、剝落的形式堆積于沖溝及兩側邊坡;三是主溝溝道內(nèi)堆積松散洪積砂卵礫石（圖1-B）;以上碎石、碎落巖塊、砂卵礫石均易于流水運移，為泥石流提供了豐富的物源提供了補給。

水動力條件：北京市降雨主要集中在6—9月，降雨集中，強度大，溝谷上游支溝較多，在暴雨條件下，各支溝水流能較快速的向主溝匯集，具備了激發(fā)該泥石流發(fā)生的水動力條件。

（3）辨識

此沖溝同時具備泥石流發(fā)生的地貌條件、物源條件及水動力條件，判定為泥石流隱患點，爆發(fā)的規(guī)模取決于降雨強度，潛在威脅較大。

2 數(shù)值模擬分析

前期的野外勘察和辨識已初步確定出潛在泥石流物源區(qū)的位置，現(xiàn)通過數(shù)值模擬分析的方法擬計算出泥石流發(fā)生時的最大流速、最大沖擊力、沉積物最大堆積厚度，用以判斷泥石流發(fā)生時破壞強度，驗證潛在地質(zhì)災害辨識結果。

2.1建立計算模型

將取得區(qū)域內(nèi)的各種地質(zhì)數(shù)據(jù)，應用FLO-2D 程序?qū)撛谀嗍鲄^(qū)域進行數(shù)值模擬分析。圖2為區(qū)域范圍等高線平面圖，圖中紅色區(qū)域代表物源啟動區(qū)，泥石流物源堆積區(qū)主要分布在地勢較為陡峭的地帶。

2.2計算參數(shù)選取

（1）地形參數(shù)

將區(qū)域高程文件導入FLO-2D后，建立10m×10m的計算網(wǎng)格，按流域范圍確定計算范圍，并對網(wǎng)格進行高程插值，完成地形數(shù)據(jù)的處理。

（2）計算系數(shù)

根據(jù)實地調(diào)查及參考FLO-2D使用手冊中相關系數(shù)的建議取值，選定各類系數(shù)如下（表1）：

（3）降雨強度

在進行泥石流數(shù)值模擬時，需要計算一條泥石流的清水流量過程線，目前計算泥石流的清水流量一般是通過泥石流暴發(fā)頻率與降雨頻率相吻合這個假定條件予以實現(xiàn)。本次模擬將研究區(qū)實際降雨強度曲線（圖3）導入FLO-2D降雨-徑流模型，利用獲得的研究區(qū)泥石流發(fā)生時間段的降雨量數(shù)據(jù)來反演降雨過程，得到50年一遇的降雨強度值。

2.3 模擬結果

該地區(qū)泥石流溝道較深且陡，雨水易匯集流經(jīng)溝道，攜帶溝道物源及溝道兩側松散物源，從而形成泥石流。計算范圍選取全流域作為數(shù)學模型計算溝段，將50年一遇降雨條件下原始降雨強度值輸入FLO-2D徑流模塊中，泥石流運移情況模擬結果如圖4、圖5、圖6所示。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析計算，該區(qū)域在50年一遇的降雨條件下，泥石流最大流速為3.1m/s，沉積物最大堆積厚度為9.7m，最大沖擊力與泥石流單位寬度沖擊力、堆積厚度有關，計算結果為331kN，是一條極具破壞力的潛在泥石流溝，將會對溝道內(nèi)的天然植被、人工構筑物及下游公路造成嚴重威脅，故應及時做好泥石流監(jiān)測預警，避免人員傷亡及財產(chǎn)損失。

3 結論

本文以北京山區(qū)典型區(qū)域為例，通過野外踏勘和對比典型地質(zhì)災害的發(fā)育分布特征，綜合考慮地形地貌、巖性特點和外界影響因素等，對該區(qū)域潛在地質(zhì)災害的位置和類型進行辨識的基礎上，通過數(shù)值模擬分析的方法計算了在50年一遇的降雨條件下泥石流災害發(fā)生的情況，各項計算結果證明該區(qū)域在一定的條件下有發(fā)生泥石流災害的可能，且極具破壞力，是泥石流災害易發(fā)區(qū)。本次工作成果將為后續(xù)進一步建立地質(zhì)災害地質(zhì)模型、專業(yè)監(jiān)測分析、預警模型研究等工作的開展奠定了堅實的基礎，也為今后相似區(qū)域開展地質(zhì)災害類型的辨識及數(shù)值模型分析提供了參考價值。

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