基于RAMMS的冰湖潰決型泥石流演進(jìn)模擬及危害性

劉府生, 周瑞宸, 孫紅林, 胡卸文, 黎尤, 徐玉龍

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 武漢 430063; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 成都 610031)

由于溫室效應(yīng)不斷積累導(dǎo)致全球氣候變暖,冰川消融速率呈明顯上升趨勢(shì),高海拔或高緯度山區(qū)冰湖規(guī)模及數(shù)量急速增加,冰湖潰決事件高發(fā)頻發(fā)[1-2]。近50年喜馬拉雅地區(qū)至少記載有20次大型冰磧湖潰決災(zāi)害事件,其中3/4發(fā)生在西藏[3]。在高原鐵路規(guī)劃建設(shè)的背景下,冰湖潰決型泥石流作為目前西藏境內(nèi)最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一,研究其形成演化特征具有重要意義[4-5]。西藏冰湖潰決泥石流主要分布于藏東南地區(qū),其造成的后果往往比常見的暴雨泥石流更為嚴(yán)重,不僅直接對(duì)下游的房屋建筑、公路、橋梁等工程及人員安全造成巨大危害,還極易誘發(fā)沿岸崩塌、滑坡等次生災(zāi)害[6-7]。例如,1981年7月11日聶拉木縣樟藏布溝發(fā)生特大規(guī)模冰湖潰決型泥石流,致使中尼公路聶友段多數(shù)公路及橋梁被毀,200余人罹難[8]。2013年嘉黎縣然則日阿錯(cuò)發(fā)生潰決,導(dǎo)致周邊居民和基礎(chǔ)設(shè)施不同程度受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.7億元[9]。2020年6月嘉黎縣吉翁錯(cuò)冰湖發(fā)生潰決,泥石流淤積溝口、堵塞主河道,對(duì)下游村鎮(zhèn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[10]。

冰湖潰決型泥石流通常暴發(fā)突然、能量巨大,具有持續(xù)時(shí)間短、洪峰流量大、波及范圍廣等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)冰湖潰決的致災(zāi)誘因及機(jī)理進(jìn)行了研究,總的來(lái)說(shuō)分為兩類:第一類是冰崩(冰滑坡)、強(qiáng)降水、地震等外部誘因造成水位上漲、激發(fā)涌浪,引起冰磧湖自身失衡而導(dǎo)致的冰湖潰決;第二類是冰磧壩內(nèi)死冰消融、堤壩管涌擴(kuò)大等內(nèi)部誘因,導(dǎo)致壩體失效、引發(fā)洪水,沿途沖刷侵蝕形成冰湖潰決型泥石流[11-12]。冰湖潰決誘因眾多而復(fù)雜,且災(zāi)害一旦發(fā)生后果嚴(yán)重,因此對(duì)冰湖潰決進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)十分重要,這也是冰湖潰決型泥石流演進(jìn)模擬的必要前提。冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法大致分為定性、半定量和定量三類,隨著研究的深入與技術(shù)的進(jìn)步,逐步向評(píng)價(jià)指標(biāo)定量化的方向發(fā)展。根據(jù)歷史上已潰決冰磧湖的不同特點(diǎn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了相應(yīng)的冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。Mckillop等[13]以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)冰磧湖、冰磧壩、母冰川和冰湖盆的特點(diǎn)及其相互關(guān)系歸納出18項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),并篩選出4個(gè)參數(shù)、基于邏輯回歸方法建立了冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)概率方程。Ermini等[14]基于對(duì)84座堰塞壩的統(tǒng)計(jì)分析(阿爾卑斯山脈和亞平寧山脈36座,日本17座,美國(guó)和加拿大20座,新西蘭和印度等國(guó)家11座),選取壩體體積、流域面積和壩高作為評(píng)價(jià)因素,提出采用無(wú)量綱堵塞指數(shù)(dimensionless blockage index,DBI)來(lái)評(píng)估堰塞壩穩(wěn)定性。位宏等[15]選取母冰川、冰湖和終磧壩3類指標(biāo)共8個(gè)因子構(gòu)建了新疆冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)模型。余斌等[16]基于冰磧湖潰決機(jī)理,提出采用6個(gè)無(wú)量綱影響因子的冰湖潰決易發(fā)性評(píng)價(jià)模型。

冰湖潰決數(shù)值模擬旨在通過數(shù)學(xué)公式或物理模型估算潰決洪水災(zāi)害動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)、重現(xiàn)或預(yù)測(cè)冰湖潰決演進(jìn)過程及下游危險(xiǎn)性范圍。Wang等[17]利用BREACH模型對(duì)西藏龍巴薩巴湖和皮達(dá)湖進(jìn)行潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及兩湖全潰模擬分析,并驗(yàn)證了該模型的可靠性。韓松林等[18]基于HEC-RAS一維非恒定流水動(dòng)力模型,建立了上游冰湖至下游河道的洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型,模擬了桑旺錯(cuò)潰壩、洪水下泄的演進(jìn)過程。劉建康等[19]通過RAMMS數(shù)值模擬分析了西藏波密丹卡弄巴冰湖在全潰條件下的演進(jìn)過程及致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。劉波等[20]利用RAMMS內(nèi)置泥石流模塊的Vollemy-Salm單相流模型,模擬了西藏洛隆巴曲冰湖潰決型泥石流在4種極端工況下的演進(jìn)過程。王翔等[21]采用FLO-2D水文動(dòng)力學(xué)模型對(duì)藏東南地區(qū)典型冰湖強(qiáng)宗克措和吉萊普措進(jìn)行潰決泥石流模擬,為下游地區(qū)災(zāi)害防治措施提供依據(jù)。

總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)冰湖潰決洪水及泥石流研究取得了較好的進(jìn)展,但由于基礎(chǔ)資料的缺失及調(diào)查方法的局限,對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)仍缺乏完善的體系[22-23]?，F(xiàn)以西藏洛隆凍錯(cuò)曲冰湖為例,在查明泥石流孕災(zāi)條件的基礎(chǔ)上,對(duì)泥石流的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)及進(jìn)行計(jì)算;采用無(wú)量綱堵塞指數(shù)(DBI)對(duì)冰湖堰塞體進(jìn)行潰決風(fēng)險(xiǎn)判別;采用經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算2種潰決模式下的潰口峰值流量;基于三維動(dòng)態(tài)模擬軟件RAMMS分析冰湖泥石流潰決演進(jìn)過程,定量評(píng)價(jià)潛在威脅區(qū)危害性,以期為研究區(qū)公路、鐵路等重大工程的風(fēng)險(xiǎn)管理與防治設(shè)計(jì)提供參考。

1 流域概況

凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝位于西藏昌都市洛隆縣臘久鄉(xiāng),擬建工程位于該泥石流溝溝口、凍錯(cuò)曲主河下游3 km處(圖1)。凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝流域面積226.27 km2,主溝長(zhǎng)度31.44 km,流域范圍內(nèi)最高海拔約5 180 m,最低海拔約3 815 m,相對(duì)高差1 365 m,主溝平均縱坡降27.27‰。

圖1 凍錯(cuò)曲流域全貌圖Fig.1 The view of the Dongcuoqu watershed

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝位于伯舒拉嶺山脈東北側(cè),為高山峽谷地貌,受區(qū)域環(huán)境因素和地勢(shì)影響,冰湖發(fā)育,該區(qū)域內(nèi)泥石流以冰川-暴雨混合型泥石流為主[19]。該流域地勢(shì)東高西低,溝道呈寬淺“V”形,支溝較為發(fā)育,谷坡25°～70°,谷寬20～100 m。溝口與巴曲、義俄4號(hào)溝交接,附近堆積扇由于人工改造較少,基本保持原地貌形態(tài)。研究區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬隆格爾至納木錯(cuò)斷裂帶,區(qū)內(nèi)延伸60 km,產(chǎn)狀203°～210°∠45°～50°,表現(xiàn)為逆推覆構(gòu)造,斜切凍錯(cuò)曲冰湖上游匯水區(qū)。地表出露基巖主要為石炭-二疊系來(lái)姑組石英砂巖、白堊紀(jì)花崗巖、侏羅紀(jì)二長(zhǎng)花崗巖(圖2)。流域內(nèi)支溝發(fā)育,主溝道縱坡降存在明顯的分段特性,可分為上游匯水區(qū)、形成流通區(qū)和溝口堆積區(qū)(圖3)。

圖2 凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝物源分布圖Fig.2 Distribution of material sources in the Dongcuoqu glacier-lake debris flow watershed

圖3 凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝主溝道縱斷面圖Fig.3 Longitudinal section of the main channel of the Dongcuoqu glacier-lake debris flow

1.2 物源條件

凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝受常年積雪影響,流域內(nèi)松散物源以溝道物源、坡面物源、崩滑物源、凍融物源為主(圖2)。溝域內(nèi)可啟動(dòng)物源共264處,總靜儲(chǔ)量約9.5 × 107m3,總動(dòng)儲(chǔ)量約1.7 × 106m3。凍融物源及冰磧物穩(wěn)定性較好,只有在大型泥石流鏟刮下啟動(dòng),相比之下崩滑物源和溝道物源在暴雨條件下更易于啟動(dòng)[24]。

1.3 水文條件

研究區(qū)所在區(qū)域?qū)贉貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū),日照充足,干濕季節(jié)分明,多年平均降雨量490.23 mm,主要集中在6—9月,最大日降雨量39.2 mm。該流域年平均氣溫4.5～6.4 ℃,最高氣溫30.1 ℃,多出現(xiàn)在6—8月,多年平均無(wú)霜期128 d。凍錯(cuò)曲流域?qū)倥?水源主要來(lái)自大氣降水、冰川融水和地下水,溝內(nèi)流水常年匯入凍錯(cuò)曲,流量隨季節(jié)變化較大。

2 泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)

以擬建工程位置作為計(jì)算斷面,根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算凍錯(cuò)曲冰湖泥石流在不同降雨頻率下的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)。

2.1 泥石流流速

根據(jù)《泥石流防治工程勘察規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006—2018),凍錯(cuò)曲泥石流的易發(fā)性評(píng)分為83分,根據(jù)查表法得泥石流容重為1.572 t/m3,屬稀性泥石流,故采用式(1)計(jì)算泥石流流速。

(1)

式(1)中:VC為泥石流斷面平均流速,m/s;γH為泥石流固體物質(zhì)容重,t/m;φ為泥沙修正系數(shù),據(jù)查表法取0.54;1/n為清水河床糙率系數(shù),取1.2;R為水力半徑,一般可用平均泥深H代替,m;I為泥石流水力坡度,取全流域平均縱坡降26.12‰。

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 凍錯(cuò)曲泥石流擬建工程處流速Table 1 Flow velocity of the Dongcuoqu debris flow at the location of the proposed construction site

2.2 泥石流峰值流量

假設(shè)泥石流與暴雨同步發(fā)生,且暴雨流量完全轉(zhuǎn)化為泥石流流量。研究表明,冰湖潰決型泥石流對(duì)比暴雨型泥石流具有流量放大效應(yīng),可將冰湖潰決考慮為溝道堵塞潰決的一部分,采用放大堵塞系數(shù)的雨洪法[25-26]。首先獲取不同降雨頻率下計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量,再通過采用合適的堵塞系數(shù)對(duì)泥石流流量進(jìn)行快速評(píng)估。根據(jù)式(2)計(jì)算泥石流峰值流量。

QC=(1+φ)QDDC

(2)

式(2)中:QC為泥石流峰值流量,m3/s;QD為暴雨洪水設(shè)計(jì)流量,m3/s;DC為泥石流堵塞系數(shù),取5.5。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 凍錯(cuò)曲泥石流擬建工程處峰值流量Table 2 Peak flow of the Dongcuoqu debris flow at the location of the proposed construction site

2.3 一次泥石流過程總量

由于泥石流比一般洪水更具暴漲暴落的特點(diǎn),一次泥石流過程一般均比較短,泥石流過程線可以概化成五角形,故一次泥石流過程總量按照式(3)進(jìn)行計(jì)算。

Q=0.264TQC

(3)

式(3)中:Q為一次泥石流的總量,m3;T為泥石流歷時(shí),s。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量按式(4)計(jì)算。

QH=Q(γC-γw)/(γH-γw)

(4)

式(4)中:QH為一次泥石流固體物質(zhì)沖出量,m3;γc為泥石流容重,t/m3;γw為清水容重,t/m3。

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 凍錯(cuò)曲泥石流一次沖出總量Table 3 Total volume of run-out materials of the Dongcuoqu debris flow

2.4 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù),包括(流體)整體沖壓力和(石塊)單塊最大沖擊力。采用式(5)計(jì)算泥石流整體沖壓力。

(5)

式(5)中:δ為泥石流整體沖壓力,kPa;λ為受力物形狀系數(shù),取1.33;g為重力加速度,m/s2;α為受力面與泥石流沖壓力方向的夾角。

考慮石塊正面撞擊下游橋墩,單塊最大沖擊力按式(6)計(jì)算。

(6)

式(6)中:F為石塊沖擊力,kN;γ為動(dòng)能折減系數(shù),取0.3;W為石塊質(zhì)量,t;α為石塊運(yùn)動(dòng)方向與受力面的夾角;C1、C2為石塊、橋墩的彈性變形系數(shù),取C1+C2=0.005。

計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 凍錯(cuò)曲泥石流整體沖擊力及單塊最大沖擊力Table 4 Impact pressure and maximum impact force of rock mass of the Dongcuoqu debris flow

3 凍錯(cuò)曲冰湖發(fā)育特征

3.1 冰湖基本特征

凍錯(cuò)曲冰湖距泥石流溝溝口約8.3 km,東側(cè)湖口地理坐標(biāo):30°18′18.26″N,96°4′0.41″E。湖面呈長(zhǎng)條狀,軸向長(zhǎng)度7 100 m,平均寬度 290 m。非汛期湖面高程為 4 055 m,汛期湖面高程為 4 060 m,常年處于溢流狀態(tài)。經(jīng)過對(duì)Landsat-8衛(wèi)星影像解譯,凍錯(cuò)曲冰湖面積約2.05 km2。

冰湖庫(kù)容是反映冰湖蓄能大小與冰湖潛在危害性的重要指標(biāo),既能為冰湖危險(xiǎn)程度初步評(píng)價(jià)提供參考,也是峰值流量及潰決洪水演進(jìn)的估算基礎(chǔ)。目前尚不能通過遙感等手段直接測(cè)量冰湖庫(kù)容,一般采用經(jīng)驗(yàn)公式間接估算。Huggel經(jīng)驗(yàn)公式樣本取自與青藏高原地質(zhì)條件相近的阿爾卑斯山脈,且公式誤差波動(dòng)較小[27-28],因此采用式(7)估算凍錯(cuò)曲冰湖平均深度,進(jìn)而計(jì)算冰湖庫(kù)容,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 凍錯(cuò)曲冰湖基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of the Dongcuoqu glacier lake

(7)

式(7)中:V為冰湖庫(kù)容,m3;A為冰湖面積,m2;D為冰湖平均深度,m。

3.2 冰湖堰塞體穩(wěn)定性分析

2018年11月及2019年8月兩次現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果表明,凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體為兩岸大型崩滑堆積及右岸支溝泥石流堆積綜合形成,壩體主要以孤、塊石為主,其左岸大型崩塌堆積體結(jié)構(gòu)松散、植被稀少或無(wú),而右側(cè)崩塌及局部泥石流堆積體上有低矮灌木分布。野外調(diào)查結(jié)果及遙感影像顯示,堰塞體高度約45 m,順溝長(zhǎng)度約458 m,壩體頂寬約320 m,估算其總體積為6.59×106m3(圖4)。

圖4 凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體概況Fig.4 Overview of the Dongcuoqu glacier-lake barrier dam

凍錯(cuò)曲冰湖常年處于穩(wěn)定滲流狀態(tài),在壩頂處無(wú)水漫流,但在壩體內(nèi)存在一個(gè)較為穩(wěn)定的滲流通道,溝內(nèi)可以觀察到在壩頂下游約400 m開始出現(xiàn)穩(wěn)定水流溝道,說(shuō)明該壩體具有穩(wěn)定的滲透浸潤(rùn)線,因此對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖的潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)尤其重要。冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容是對(duì)冰湖堰塞體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[12],在缺乏壩體材料土石強(qiáng)度參數(shù)以及土力學(xué)參數(shù)的情況下,常采用堰塞壩穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法[29-30]。鐘啟明等[31]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于形態(tài)學(xué)指標(biāo),提出的5種快速評(píng)價(jià)堰塞壩穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)公式,并對(duì)世界范圍內(nèi)421 個(gè)堰塞壩實(shí)例進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明DBI和邏輯回歸模型指標(biāo)Ls(AHV)的準(zhǔn)確性較好。DBI較Ls(AHV)錯(cuò)判率更低,綜合考慮了包括漫頂和管涌等各種形式壩體潰決,且樣本具有廣泛性和代表性,因此采用DBI來(lái)判別凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體穩(wěn)定性。DBI表達(dá)式為

(8)

式(8)中:Ab為堰塞壩控制流域面積,km2;Hd為壩體高度,m;Vd為堰塞壩體積m3。

通常認(rèn)為當(dāng)DBI<2.75時(shí),壩體穩(wěn)定;當(dāng)2.753.08時(shí),壩體不穩(wěn)定。

基于遙感影像劃定堰塞體控制流域面積,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)其高度和體積進(jìn)行估算。計(jì)算得到凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體的DBI為3.01,位于非穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)之間,從圖5中也可以發(fā)現(xiàn)有為數(shù)不少的不穩(wěn)定堰塞壩在緩沖區(qū)甚至穩(wěn)定區(qū),同樣對(duì)于穩(wěn)定堰塞壩也有此類情況出現(xiàn),因此不排除凍錯(cuò)曲冰湖有潰決的可能性[14]。

圖5 凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體DBI判別圖[14]Fig.5 DBI discriminant diagram of the Dongcuoqu glacier-lake barrier dam[14]

3.3 潰口峰值流量計(jì)算

冰湖潰決潰口峰值流量的計(jì)算結(jié)果通常與堰塞壩的形態(tài)特征、壩前水深等因素有關(guān),計(jì)算方法則主要根據(jù)潰決模式有所不同。對(duì)于凍錯(cuò)曲冰湖,分別在瞬時(shí)部分潰決和瞬時(shí)全部潰決2種潰決模式下,對(duì)其潰口峰值流量進(jìn)行計(jì)算。

劉建康等[32]統(tǒng)計(jì)早期西藏地區(qū)冰湖潰決記錄,認(rèn)為洪水一般在下泄1/3庫(kù)容時(shí)出現(xiàn)峰值流量。因此亦采用1/3潰決模式對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖進(jìn)行瞬時(shí)部分潰決計(jì)算,并且考慮極端工況下凍錯(cuò)曲冰湖全部潰決模式作為參考。對(duì)于峰值流量的計(jì)算,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究,并提出了許多計(jì)算公式,但是這些公式中絕大部分都是基于冰湖庫(kù)容這一單一因子對(duì)峰值流量估算[33]。這里分別采用Froehlich針對(duì)潰口高度提出的式(9)計(jì)算凍錯(cuò)曲冰湖瞬時(shí)部分潰決潰口峰值流量qp[34],以及謝任之[35]利用特征線法歸納出的式(10)計(jì)算瞬時(shí)全部潰決潰口峰值流量Qp,表達(dá)式為

qp=0.607V0.295h1.24

(9)

(10)

式中:V為冰湖庫(kù)容,m3;h為潰決口高度,m;λ為流量參數(shù),λ=m2m-0.5[2/(2m+1)]2m+1,m為溝道斷面指數(shù),取1.25;B為堰塞體寬度,m;g為重力加速度,m/s2;H1為潰壩前最大水深,取冰湖平均深度,m。

表6 不同潰決模式潰口峰值流量Table 6 Peak flow of different dam failure modes

(11)

(12)

式中:k為洪峰流量系數(shù),k=1+(γC-γw)/(γH-γc);γc為泥石流容重,t/m3;γw為清水容重,t/m3;γH為泥石流固體容重,t/m3。

4 冰湖潰決泥石流數(shù)值模擬

4.1 RAMMS

RAMMS采用改進(jìn)的VS(Voellmy-Salm)單相流連續(xù)介質(zhì)模型,泥石流流體被假設(shè)為一種非穩(wěn)定以及非均質(zhì)流體,通過雙參數(shù)Voellmy摩擦模型來(lái)描述流動(dòng)巖屑之間的摩擦行為[37]。研究表明,VS模型能夠準(zhǔn)確模擬泥石流的運(yùn)動(dòng),并已被廣泛運(yùn)用于泥石流的動(dòng)力學(xué)研究[38-39]。此外,RAMMS還能夠?qū)⒔Y(jié)果導(dǎo)出到GIS、修改地形數(shù)據(jù)(例如設(shè)置構(gòu)筑物)、增加附加參數(shù)(屈服應(yīng)力等),并增強(qiáng)泥石流的預(yù)測(cè)效果[40]。

VS模型假設(shè)剪切變形集中在流動(dòng)基面附近[37],將摩擦阻力分為兩部分:一是靜態(tài)摩擦阻力,用與法向應(yīng)力成比例的干庫(kù)侖型摩擦因數(shù)μ表示,不依賴于速度;二是運(yùn)動(dòng)阻力,與速度平方阻力或黏性湍流摩擦因數(shù)ξ相關(guān)。這兩項(xiàng)都提供了流動(dòng)阻力,可以綜合模擬高速區(qū)域和速度較小的尾部的流動(dòng)行為。改進(jìn)后的總摩擦阻力S表示為

(13)

式(13)中:N為法向應(yīng)力,由ρhgcosφ表示;ρ為密度,kg/m3;g為重力加速度,kg/m2;φ為流體材料內(nèi)摩擦角,(°);h為流體高度,m;u為流體速度,m/s;N0為流體材料屈服應(yīng)力。

當(dāng)法向應(yīng)力N較小(低流體高度h)時(shí),剪應(yīng)力S的數(shù)值將迅速?gòu)?變?yōu)镹0;當(dāng)法向應(yīng)力N較大時(shí),屈服應(yīng)力N0會(huì)使剪應(yīng)力S增大,從而使泥石流提前停止。

4.2 模型設(shè)置

RAMMS為泥石流模擬提供物源釋放和水力釋放兩種方式。水力釋放基于流量和時(shí)間的關(guān)系,通過在給定位置處釋放一個(gè)流量對(duì)泥石流進(jìn)行模擬,計(jì)算準(zhǔn)確度較好,該方法可以顯著減少模擬時(shí)間(只需計(jì)算冰湖下游而不是全流域),且潰決洪水流量曲線恰好可以作為數(shù)值模型的輸入以進(jìn)行下一步模擬,相比物源釋放更具優(yōu)勢(shì)。因此,基于凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果,將不同潰決模式下冰湖潰口峰值流量輸入RAMMS,分別得到2種場(chǎng)景下的冰湖泥石流潰決演進(jìn)過程:瞬時(shí)部分潰決和瞬時(shí)全部潰決。

考慮計(jì)算機(jī)的最佳計(jì)算能力,將ASTER GDEMV3獲取的30 m分辨率DEM處理后作為地形數(shù)據(jù),基于網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值分析。根據(jù)RAMMS水文手冊(cè),可以將泥石流流量-時(shí)間曲線概化為三點(diǎn)式水文過程圖,即通過定義泥石流峰值流量Qmax及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻t1、結(jié)束時(shí)間t2進(jìn)行水力釋放,具體參數(shù)見表7。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果和物理原理計(jì)算進(jìn)行參數(shù)率定,最終模型基本參數(shù)設(shè)置為:密度為1 572 kg/m3,重力加速度取9.8 m/s2,干庫(kù)侖型摩擦因數(shù)為0.18,黏性湍流摩擦因數(shù)為192 m/s2。

表7 RAMMS水力釋放參數(shù)Table 7 Parameters of hydrology in RAMMS

4.3 潰決演進(jìn)過程分析

根據(jù)RAMMS模擬結(jié)果,凍錯(cuò)曲冰湖泥石流在2種潰決模式下的演進(jìn)過程相似,根據(jù)時(shí)序和流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),可歸納為4個(gè)階段:初始潰決階段、加速運(yùn)動(dòng)階段、減速運(yùn)動(dòng)階段、溝口停淤階段。

在初始潰決階段,冰湖堰塞體在極端地震或強(qiáng)降雨等外動(dòng)力地質(zhì)作用下發(fā)生破壞,凍錯(cuò)曲冰湖開始發(fā)生潰決,湖水傾瀉而下,此時(shí)瞬時(shí)部分潰決和瞬時(shí)全部潰決潰口處最大流深可分別達(dá)到34.62 m和50.96 m[圖6(a),圖7(a)]。在加速運(yùn)動(dòng)階段,泥石流鏟刮沿程溝道,夾帶溝道內(nèi)泥沙、碎石等松散固體物質(zhì)向下游運(yùn)移,泥石流在下游溝道狹窄段流速相對(duì)更大;對(duì)比到達(dá)溝口的時(shí)刻,部分潰決相對(duì)于全部潰決具有一定的滯后性[圖6(b),圖7(b)]。凍錯(cuò)曲冰湖下游主溝縱坡降僅有21.9‰,沖出溝口后,泥石流流速逐漸變小,進(jìn)入減速運(yùn)動(dòng)階段,由于潰決洪水總量較大,存在一個(gè)持續(xù)沖出溝口的過程[圖6(c),圖7(c)]。 隨著潰決過程的結(jié)束,沖出的泥石流在溝口漫流后自然減速停淤,RAMMS會(huì)通過泥石流流體低通量平衡自動(dòng)停止,凍錯(cuò)曲冰湖瞬時(shí)部分潰決和瞬時(shí)全部潰決演進(jìn)過程分別歷時(shí)5 h和3.5 h[圖6(d),圖7(d)]。

圖6 凍錯(cuò)曲冰湖泥石流瞬時(shí)部分潰決演進(jìn)過程Fig.6 Evolution process of instantaneous partial outburst of the Dongcuoqu glacier lake debris flow

圖7 凍錯(cuò)曲冰湖瞬時(shí)全部潰決演進(jìn)過程Fig.7 Evolution process of instantaneous complete outburst of the Dongcuoqu glacier lake debris flow

4.4 危害性評(píng)價(jià)

根據(jù)2種潰決模式下泥石流的影響范圍及特征參數(shù)可以評(píng)價(jià)其對(duì)下游工程的影響。如圖6(e)、圖7(e)所示,凍錯(cuò)曲冰湖瞬時(shí)部分潰決和瞬時(shí)全部潰決堆積范圍均經(jīng)過工程位置,其中全部潰決的影響范圍更大;潛在威脅區(qū)泥石流平均深度分別達(dá)4.87 m和8.26 m,最大流速分別為5.29 m/s和5.74 m/s[圖6(f)、圖7(f)],將對(duì)擬建工程構(gòu)成一定影響?？紤]到擬建工程僅從泥石流堆積區(qū)邊緣通過,可通過提高路基和橋梁標(biāo)高以保留一定的安全高度,并采取排導(dǎo)槽或?qū)Я鞯痰确雷o(hù)措施對(duì)泥石流進(jìn)行引流和攔截,避免其直接對(duì)擬建工程直接沖擊。由于冰湖潰決泥石流致災(zāi)的復(fù)雜性與隨機(jī)性,在進(jìn)行防治工程設(shè)計(jì)時(shí),需特別注意對(duì)模擬結(jié)果的解讀和使用。

5 結(jié)論

(1)凍錯(cuò)曲冰湖泥石流溝流域面積226.27 km2,主溝長(zhǎng)度31.44 km,相對(duì)高差1 365 m,平均縱坡降27.27‰。流域內(nèi)松散物源豐富,溝內(nèi)流水常年匯入凍錯(cuò)曲冰湖?？紤]冰湖潰決流量放大效應(yīng),100年一遇凍錯(cuò)曲泥石流在擬建工程處洪峰流量為2 509.10 m3/s,流速為4.99 m/s,整體沖擊力為53.18 kPa。

(2)凍錯(cuò)曲冰湖面積2.05 km2,平均深度46.56 m,庫(kù)容9.54 × 107m3。無(wú)量綱堵塞指數(shù)(DBI)分析結(jié)果顯示凍錯(cuò)曲冰湖堰塞體位于非穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)之間,存在發(fā)生潰決的可能性。運(yùn)用RAMMS的Voellmy-Salm單相流模型對(duì)凍錯(cuò)曲冰湖泥石流進(jìn)行模擬,結(jié)果表明其潰決演進(jìn)過程可歸納為初始潰決、加速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)、溝口停淤4個(gè)階段。

(3)在2種潰決模式下,凍錯(cuò)曲冰湖泥石流在潛在威脅區(qū)平均深度分別為4.87 m和8.26 m;在瞬時(shí)全部潰決場(chǎng)景下,擬建工程處最大流速為5.74 m/s,峰值流量為2 843.38 m3/s,與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果接近。通過提高路基和橋梁標(biāo)高以保留一定的安全高度,并采取排導(dǎo)槽或?qū)Я鞯痰确雷o(hù)措施對(duì)泥石流進(jìn)行引流和攔截,避免其直接對(duì)擬建工程直接沖擊。