基于数值模拟的泥石流危险性评价研究

崔小普，时泽龙

（1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038；2.中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710076）

泥石流发生后危害较大[1-6]，因而泥石流潜在危险性的判定一直伴随着成灾前后。早在1899年，美国学者Davis[7]就指出泥石流地貌发育可分为幼年期、壮年期以及老年期。地貌发育阶段的判定可以有效的对泥石流危害提出评估，进而提出预防措施。本文对吴家溪泥石流形成机理进行危险性评价和稳定性分析[8-11]，并用有限元软件进行模拟，判断该泥石流所处发育阶段，进而掌握其地质灾害的基本特征。

1 研究区概况

吴家溪泥石流位于龙山县里耶镇吴家村，属侵蚀剥蚀构造中低山地貌单元，地势总体西北高东南低，最高标高+450m，最低标高+250m，相对高差200m。自然斜坡坡度一般为25～50°，局部陡坎处达75°，沟道粗糙，整个流通区坡度较陡，平均总坡降约为486‰。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形地貌条件

吴家溪沟域内山高坡陡，平均坡度25°～35°，有利于降雨的汇集，形成丰富的水源。同时，由于雨水冲刷沟谷内两侧坡体和坡脚，使之产生滑坡隐患，且沟谷纵坡较大，为松散固体物质搬运提供了有利的地形地貌条件。

2.2 物源条件

滑坡区属中低山地貌，地形地貌条件较简单，滑坡后缘最大高程约+440m，前缘最小高程+406m，相对高差34m。整体地形坡度相对较陡，地面坡角20～35°。前缘剪出口至后缘滑坡体水平长度为53m，滑坡前缘最大横宽约 45m，滑坡体平均厚 7m，面积约0.20×104m2，体积约1.40×104m3，滑坡主滑方向 85°。

2.3 水源条件

据龙山县气象局实测资料，区内日最大降雨量为205.70mm，50年一遇的小时降雨量为81.00mm，完全具备引发泥石流灾害的降雨条件，因此暴雨形成的地表径流是引发泥石流的主要水源。

2.4 泥石流基本特征值计算

2.4.1 泥石流流体重度

本文运用现场配方法和查表法两种方法对泥石流流体重度进行计算，进而选择比较适合的方法。

（1）现场配方法

经调查吴家溪泥石流的发生性状，将浆体搅拌成当时泥石流浆体浓度并进行称重，量测浆体体积，计算其重度作为泥石流流体的重度，如表1，其计算公式为：

式中，γc为泥石流重度 t/m3；Gc为配制泥浆重量 t；V为配制泥浆m3。

表1 泥石流流体重度（配方法）

表2 泥石流流体重度（查表法）

表3 泥石流流量

图1 泥石流地质剖面和计算模型网格图

参照泥石流相关规范[12]，查表确定该沟域泥石流重度和泥沙修正系数，其结果如表2。

配方法测定一般只能反映当前一次泥石流发生的结果，误差较大；查表法是在现状调查基础上进行预测得出重度值，更宜作为测定结果。

2.4.2 泥石流流量

泥石流峰值流量采用“雨洪法”进行计算。“雨洪法”是假设泥石流与暴雨同频率、同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转化为泥石流流量的假设条件下建立的计算方法[13]。

式中，Qc为频率为P 的泥石流洪峰值流量m3/s；QP为频率为P 的暴雨洪峰值流量m3/s；φ 为泥石流泥砂修正系数；DC为泥石流堵塞系数值，主沟取2.00。计算结果见表3。

分析可知，泥石流流量大，总量多，整体冲击力大，冲起高度可达0.74m，由于撞击作用，在弯道处冲起高度可以达到1m 以上，总体上来说，吴家溪泥石流危险性较大。

3 模型的建立及稳定性分析

表4 稳定性计算工况、荷载组合

表5 稳定系数计算结果

3.1 模拟计算

泥石流的地质剖面图以及数值模型见图1。本次模拟选取2 维计算模型，进行平面应变分析。网络节点数14829 个，单元总数8156 个（网络单元数6308，梁单元数462，多段线单元数1386）。将模型在天然状态以及暴雨工况下进行仿真，模拟了两种工况下的滑坡稳定性。将仿真模型得到的安全系数与传递系数法[14]进行比较分析，验证计算的正确性。

天然状态下边坡稳定性分析：

天然状态下，运用计算模型验算的安全系数为1.07，表明边坡现处于基本稳定状态。（如图2、3）

图2 天然状态下塑性应变云图

图3 天然状态下位移云图

暴雨工况下的塑性应变云图及位移云图如图4，5 所示。暴雨工况下模型验算的安全系数为0.66，稳定性系数偏低，边坡处于不稳定状态。

3.2 泥石流稳定性计算

图4 暴雨下塑性应变云图

图5 暴雨下位移云图

本次稳定性计算考虑两种工况，详见表4。其中，滑坡区地震设防烈度为小于Ⅵ度区，不计地震荷载。参照相关规范推荐的滑动面为折线型，采用传递系数法进行稳定性评价和推力计算，计算结果见表5。表5 结果显示：该滑坡处于天然状态时，1-1 剖面以及2-2 剖面处于稳定和基本稳定状态；暴雨工况下，处于不稳定状态。

通过传递系数法和数值软件模拟得到的安全系数比较接近，说明计算结果比较准确。天然状态下均能够保持稳定，不发生破坏；暴雨工况下，滑坡稳定性系数大大降低，说明降雨对滑坡稳定性有显著影响，连续降雨和突降暴雨是诱发滑坡的直接因素。

4 结论

吴家溪泥石流从发生频率上看属高频泥石流，发展阶段属发展期；沟域内具备发生泥石流的基本条件，随着沟内大量松散固体物源的增加，在强降雨作用下，大规模的泥石流灾害可能发生。

通过数值模拟软件建模得到的安全系数与传递系数法所得结果较吻合，说明吴家溪泥石流现阶段仍不稳定，暴雨时危险性极大，急需治理。针对当前泥石流的发育状态，提出了相应防治措施，为相类似的防灾减灾工作提供了依据。