九—绵高速公路鲁家沟泥石流形成机制与数值模拟分析

宋 兵，沈军辉，阮 壮，李本松，罗 恒，李 颖

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流是山区常见自然灾害，特别是“5·12”地震后，泥石流灾害进入了一个活跃期。九—绵高速公路沿线地质条件复杂，泥石流灾害更为频繁，鲁家沟曾在1998年发生的特大泥石流，不仅在火溪河右岸造成了特大灾害，而且流体流入火溪河，堰塞并抬高沟床，冲毁火溪河左岸公路1 000余米，数十万立方米和巨石顿时堆积成天然拦河坝截断火溪河，洪水翻坝将大量泥沙输送到下游木座水电站，直接经济损失达3 000多万元。九—绵高速公路路线通过鲁家沟泥石流堆积扇，本文根据现场调查资料分析了鲁家沟泥石流的成因机制[1-7]，并在此基础上使用RAMMS：DEBRIS FLOW软件进行数值模拟[8-10]，预测鲁家沟泥石流50年一遇的泥石流冲出量[11]，对于泥石流的形成机制的研究，主要从物源、气象水文、地形基本条件入手，进而分析诱发条件及整个演化过程，运用数值模拟分析研究不仅可以对形成机制进行验证，更可以对泥石流的未来发展趋势作出预测。本文主要为区域的泥石流研究提供借鉴，为拟建防治工程提供一定参考。

1 鲁家沟泥石流流域基本特征

鲁家沟泥石流位于绵阳市平武县木座藏族乡，火溪河右岸，沟口地理坐标为东经104°30′16.14″，北纬32°36′46.76″。平武县属北亚热带山地湿润季风气候，年平均降水量907.5 mm，最大日降水量195 mm，属于深切构造高中山地形,流域总体呈树叶状,呈SE-NW向展布。鲁家沟流域(图1)长约4.3 km，平均宽约2.1 km，汇水面积约7.96 km2。

2 鲁家沟泥石流形成机制分析

鲁家沟泥石流属于暴雨溃决型泥石流，与其强降雨、大量松散物质、陡峭的地形和物源启动后的运动机理有直接的联系(图2)。

2.1 物源丰富

“5·12”地震和虎牙断裂、平武-青川断裂作用使得鲁家沟流域内形成大量松散物源，清水区及流通区上部在冬季积雪冻结，夏季融化，冻结作用使得岩体更为破碎，产生更多的松散物质。可参与泥石流的动储量物源主要为滑坡堆积体，表层松散物质在水力和重力作用下不断向沟道迁移，在沟谷内的松散固体物质得到长期累积，为泥石流形成准备了丰富的固体物质。据现场调查总物源量约6.308 7×106m3，动储量物源量[12-14]约1.893 4×106m3。

2.2 降雨充沛

平武县降水丰沛，大量的降雨使得区内新增大量的崩滑、滑坡现象，为泥石流增加了松散固体物源，平武县多年平均降雨量907.5 mm，雨季集中在7～8月，最大日降水量可达195 mm。

2.3 多跌水坎地形

鲁家沟流域属于深切割构造高中山地形，流域总体呈树叶状，呈SE-NW向展布。源头形成区纵比降在550‰以上，山坡坡度35°～45°，流通区沟床纵比降一般在390‰以上。流域地貌深切,呈“V”型峡谷，斜坡陡峻，沟谷两侧斜坡坡度多在30°～70°之间。据调查在该沟段发育3个跌水坎，跌水坎高差大，而跌水坎上游很开阔，这种沟道地形使得流体在跌水坎以上流动时发生减速，有利于泥石流体在各个跌水坎上游堆积，另一方面而当流体到达跌水坎时，翻过跌水坎而迅速向跌水坎下倾泻，重新获得加速，可见流域中游各个跌水坎具有鲁家沟泥石流提供动力的作用，在跌水坎下游沟道愈渐狭窄，并且沟道两侧边坡陡立，物源丰富。以上两方面造成了流域中游极易堵沟并且具有泥石流堆积和堆积体有被冲刷侵蚀的特征。

图2 鲁家沟泥石流形成机制图Fig.2 The formation mechanism of debris flow in Lujiagou

2.4 形成机制与演化

鲁家沟各支沟泥石流主要为暴雨作用下，大量汇集于沟道，汇流过程中将坡面松散泥沙及坡面的各类松散堆积物源携带进入沟道，并顺沟而下，通过沟道揭底冲刷卷动沟道内的松散堆积物源，并将两侧沟岸松散固体物质带走，以滚雪球的方式向下游运动，从而暴发泥石流灾害。而沟道两侧风化程度较高的顺向陡立山坡在强暴雨的作用下极易发生滑坡等灾害，冲下大量碎粒物质及巨大块石堵塞沟口，使得沟内水位不断升高，上游冲下的泥石流物质不断冲击堵塞沟口并堆积，根据所收集的资料以及实地勘察证明鲁家沟是非常典型的堵塞溃决型泥石流，可见溃决口残余巨石(图3)，现场测量得长16 m，宽7 m，厚5.5 m。鲁家沟内滑坡发育，顺层斜坡发育，斜坡内部结构面极为发育，岩层产状倾角一般达到40°以上，并在河流的侵蚀下发生顺层滑坡，堵塞河道，为泥石流的发生提供大量物源。

图3 堵塞沟道的巨石Fig.3 Boulders blocking the channel

在泥石流形成过程中，沟域内地形陡峻，沟谷纵坡大为水源和泥沙的汇聚提供了有利的地形地貌条件，鲁家沟中段两岸及各支沟中下游地段强烈的崩塌、滑坡等现象和水土流失的强剧，以及沟道内大量的沟道堆积物为泥石流的发生提供了丰富的松散固体物源，而暴雨则是泥石流形成的主要引发因素。鲁家沟泥石流形成机制和演化过程总结为：暴雨诱发—滑坡失稳—堵塞沟道—堰塞溃决—泥石流形成。

3 鲁家沟泥石流模拟分析

3.1 原理

本文数值模拟采用RAMMS：DEBRIS FLOW软件进行数值模拟。Hungr等[15]认为利用连续介质法模拟分析时，最为困难的问题是选取合适的流变模型，这是因为由于泥石流在运动全过程中，时刻都会因受不确定因素的干扰而发生特征改变。RAMMS采用Voellmy-Fluid摩擦模型，该模型基于Voellmy-Salm模型。这个模式是将摩擦阻力分为两部分：干-库仑型摩擦系数(μ)，其与正常应力和速度平方阻力一致或黏性湍流摩擦系数(ξ)，摩擦阻力S(Pa)为：

其中：ρ——密度；

H——流动高度；

g——重力加速度；

φ——坡角；

U——流速。

RAMMS模型中将泥石流视作具有流变性质的流体，RAMMS用Vomlley-Salm流变连续介质模型和RKE(Random Kinetic Energy)模型来处理流变问题，经实际应用验证RAMMS应用两个模型能很好的模拟泥石流运动过程，得到泥石流的运动特征参数。

3.2 Vollemy-Salm流变模型

RAMMS使用笛卡尔坐标系：x、y和高程z，t为泥石流流动时间。根据Christen等[16]，泥石流的运动特征由两个主要参数表示：泥石流流深H(x,y,t)和流动速度U(x,y,t)，U(x,y,t)=(UX(x,y,t),UY(x,y,t))。

流动速度的大小由下式确定：

(1)

流深由∂tH+∂X(HUx)+∂y(HUy)=Q(x,y,t)确定，Vollemy-Salm流变模型的摩擦阻力Sf=(Sfx,Sfy)由如下式确定：

(2)

3.3 RKE模型

(3)

公式中μ为摩擦系数，ξ为湍流系数，R0为一常数(定义为表示随机动能密度函数的摩擦指数增长率)，R为深度平均随机动能，exp为指数。

3.4 数值模拟

本文在以现场调查获取的资料结合RAMMS:DEBRIS软件进行数值模拟，准备工作：1.提取等高线并使用ArcToolbox转化成TIN格式，再转化为栅格，最后转化为ASCII格式。2.地理参考数据集必须是笛卡尔坐标系，地形数据是最重要的输入要求，模拟结果依赖于强烈的地形输入数据的分辨率和准确性。3.将工程地质平面图中的物源文件和流域范围导出备用。运行RAMMS后、打开第一步工作准备好的DEM文件，依次加载流域范围、物源区，并根据现场调查数据为物源的厚度赋值，并开始设置参数。(1)密度(ρ)：1.67 g/cm3(现场重度试验获取)，重力加速度(g)：9.8 m/s2，平均坡角φ：38°。(2)保持土压力系数Lambda(1.00)的默认值。参数Lambda修改驱动流量的纵向压力梯度。除了1.00以外的Lamda的使用只能在1阶数值求解器中进行，并且将影响模拟结果。(3)保持零高度截止值(0.000 100 m)的默认值。消除了模拟的实际浅流量高度以最小化数值的误差。(4)μ=0.174，ξ=189.2 m/s2(根据调查所得数据通过物理原理计算所得)。(5)洪水流量QB=116.99 m3/s(50年一遇洪水流量)。开始RAMMS模拟并得到模拟结果如下：泥石流冲出量为5.68×105m3，泥石流运动总时长93 min 32 s(图4)。其中，洪水流量由雨洪法确定。

洪水流量QB计算公式:

QB=0.278r×i×F

式中：r——按小时平均雨强(mm/h)设计，计算用实测最大小时雨强校核，根据水文手册查阅本地降雨历史资料取得；

i——产水系数。植被具有保水功能，降雨后入渗少，产水系数与雨强的大小和植被的多少呈正变，与松散土层的厚度呈反变，一般产水系数i=0.5～0.9；鲁家沟泥石流沟取0.60；

F——流域面积/km2，7.64 km2。

50年一遇：QB=0.278r×i×F=0.278×91.81×0.60×7.64=116.99 m3/s

通过数值模拟，可以对流域内物源由变形失稳到泥石流运动的全过程进行分析。该泥石流的各个时间段的运动过程见图4，结果分析详见表1。

图4 泥石流运动过程模拟Fig.4 Simulation of debris flow movement process

阶段运动过程的描述a由于暴雨冲刷和降雨入渗,坡体表面碎石土变得松散,土体重力增加,受软化作用强度降低,沿滑向下滑分力增大,不稳定物源开始变形。b随着雨水入渗,大量降雨汇集于清水-形成区加上高纵坡降提供强大的水动力条件,不稳定土体变形加剧,雨水携带泥沙、块石,卷入沟道,泥石流向下游以滚雪球的方式越来越壮大。c沟道物源随着雨水冲刷,继续运动,冲出沟口,并形成堆积扇,随着雨量和不稳定物源的减小,泥石流动能开始变小。d运动至93 min 32 s,鲁家沟重新回到稳定状态,泥石流运动结束,冲出量为5.68×105 m3。

4 结论

(1)鲁家沟其独特多跌水地形地貌、水动力条件、地层岩性、地质构造、沟床变化和人类对沟内生态破坏程度决定着鲁家沟泥石流的暴发规模、周期、泥石流类型及其危害程度。鲁家沟内基岩风化严重，坡积物丰富，滑坡、崩塌等地质灾害点多。固体物源丰富为鲁家沟提供了产生泥石流的物源，共计有松散固体物源量约6.308 7×106m3。鲁家沟沟纵道坡比降从上游至下游由大变小，上游地貌适合于雨水汇集，支沟发育，这为鲁家沟提供了发生泥石流水动力条件。

(2)鲁家沟泥石流为滑坡堰塞坝溃决型泥石流，泥石流的发生主要与沟域内顺层斜坡失稳破坏，堰塞沟道并溃决形成。形成机制和演化过程总结为：暴雨诱发—滑坡失稳—堵塞沟道—堰塞溃决—泥石流形成。

(3)鲁家沟泥石流仍然有再次暴发泥石流的可能性，数值模拟研究鲁家沟50年一遇泥石流洪峰流量为476.73 m3/s，泥石流暴发至休止时间为93 min 32 s，泥石流冲出量5.68×105m3。