德钦县城直溪河泥石流成灾模式及运动过程模拟

2021-11-20王俊豪管建军魏云杰高培强梅傲霜张东伟

水文地质工程地质 2021年6期

王俊豪，管建军，魏云杰，高培强，梅傲霜，张东伟

（1.中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害防治技术指导中心)，北京 100081；2.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083）

云南省处于我国低纬度的高原地区，山地面积占总面积的94%，跨越多种气候带，部分地区强降雨频繁，是我国遭受滑坡、泥石流灾害最严重的省份之一[1]。德钦县位于云南省西北部，处于横断山脉和三江并流腹地，地形高差较大，属于典型的高山峡谷地貌。该地区岩体次生作用强烈且被结构面切割包围，历经多次构造运动致使地层岩性较为复杂。德钦县在1957年、1966年、1968年、1974年、1977年、1986年、1988年、1995年、1996年、1997年、2002年等多个年份遭遇过较大规模的泥石流灾害，造成多人伤亡。尤其是2002年7月18日，多处泥石流冲进城区，给德钦县人民造成了严重的经济损失。为保证城区安全，德钦县对泥石流沟进行了多期治理，上游设拦挡坝，城区铺设“V”型排导槽。防治工程经过1995年、1996年、1997年和2002年4 次大规模黏性泥石流的检验，发挥了预期效果。但目前拦挡工程已满库运行，且上游松散物源量巨大，大量新物源不断累积，一旦成灾后果严重[2]。

泥石流危险性评价方法方面的研究成果较多。王俊豪等[3]采用层次分析与模糊评价相结合的模型对洮河流域泥石流进行了危险性评价；崔传峰等[4]采用灰色可拓模型建立了泥石流易发性评价模型；邵海等[5]对泥石流的形成条件和成灾模式进行了分析，同时给出了防灾减灾建议；管建军等[6]利用无人机倾斜技术生成三维模型，对泥石流易发性评价因子进行了分析和确定。

数值模拟是泥石流研究前沿领域，其成果可为高精度小范围泥石流灾害风险评估提供准确可靠的要素。因此，数值模拟是泥石流灾害风险评估的关键性工作。目前，对泥石流过程的模拟已有较成熟的模型，如Debris-2D 模型[7]和FLO-2D 模型[8]等。FLO-2D 模型作为一款专用于洪水和泥石流模拟的二维软件，操作简单、能真实模拟泥石流运动时的流变状态，因此得到广泛应用。张鹏等[9]、黄勋等[10]分别运用FLO-2D 模型对特定泥石流沟进行模拟，并与现场调查结果进行对比，验证了FLO-2D 模型模拟试验区泥石流威胁范围的准确性；杜雪剑等[11]、王骏等[12]利用FLO-2D 模型模拟结果对泥石流沟提出了相应的工程治理措施；贾涛等[13]运用FLO-2D 模型模拟结果对研究区进行了泥石流危险性评价；Lin 等[14]、粱鸿熙等[15]运用FLO-2D 模型分别对泥石流的运动堆积进行模拟，并对影响堆积特征的因素进行了初步讨论；侯圣山等[16]用FLO-2D 模型模拟了耳阳河流域实际降雨条件下的泥石流运动特征和堆积特征，对耳阳河“5·10”泥石流灾害过程进行了重现；Peng 等[17]、Wu 等[18]等学者利用FLO-2D 模型对小流域运动淤积过程进行模拟并取得良好效果。

上述研究结果表明运用FLO-2D 可以取得较好的模拟结果，但对不同降雨暴发周期下的泥石流运动情况的分析较少，不足以为多种降雨工况下的泥石流运动情况提供有效参考。本文基于前期现场调查及基础资料分析的基础上，确定了直溪河泥石流形成条件及成灾模式，结合降雨资料、数字高程模型和相关参数，运用FLO-2D 软件分别模拟10年、20年、50年、100年一遇降雨情况下直溪河泥石流运动情况，可为当地泥石流防治工程设计提供有效参考。

1 研究区概况及泥石流形成条件

1.1 地形地貌

直溪河泥石流流域面积6.38 km2，其中形成区面积5.35 km2，流通区面积1.78 km2，堆积区面积0.25 km2（图1）。泥石流主沟长5.50 km，其中形成区沟长2.75 km，流通区沟长1.10 km，堆积区沟长1.65 km。沟域内最高点海拔4 519 m，最低点3 080 m，高差1 439 m，平均纵坡降178.16‰。

图1 直溪沟流域分区图Fig.1 Zoning map of Zhixigou area

形成区由南北支沟组成，平面呈漏斗形，治理前沟谷呈“V”型，底宽2～4 m，岸坡40°～70°，多跌水陡坎，坎高3～8 m，最高约10 m，沟床纵坡降420.7‰。自拦挡坝防治工程实施以来，坝库区沟床纵坡逐年变缓，淤满后达到稳定状态，纵坡降保持在60‰～80‰。沟谷相对宽缓，宽15～30 m，库区淤积利于沟谷岸坡稳定，一定程度上起到压脚、固床的作用。上游未设工程的沟谷段，自然地貌形态变化不大，纵坡降较大，水动力条件良好，侵蚀冲刷作用强烈，沟岸塌滑发育，加剧了源头崩塌堆积体和岩溜坡的失稳，为泥石流提供了持续的物源。流通区、堆积区沟道目前为“V”形排导槽，槽宽11.6～13.0 m，槽深2.0～3.3 m。沟谷形态大致趋于稳定，无较大变化，沟道两岸多为民用建筑。在泥石流形成区、流通区、堆积区、主要崩滑物源点、侵蚀物源区及已建拦挡工程段部署工程地质剖面26 条合计7 km，用于查明泥石流地形、物源分布及运动参数。该泥石流地形地貌及工程部署情况如图2所示。

图2 泥石流调查工程部署图Fig.2 Schematic diagram of the process of debris flow

1.2 水源条件

研究区水文地质条件较复杂，沟内多见孔隙水和基岩裂隙水出露。孔隙水受大气降雨、雪融水补给，经孔隙比较大、渗透性较好的地表松散堆积层，向下沿基岩表面和斜坡面向沟道内侧补给，局部地下水出露于地表形成细流。基岩裂隙水受构造、结构面的控制，埋藏较浅，多在沟谷内基岩陡坎处以面状流或泉的形式出露。

直溪河属高原山区常年性河流，年内流量变幅较大，枯季一般小于0.1 m3/s，雨季一般1～5 m3/s，最大流量为1986年的45.7 m3/s。除少量冰雪融水补给外，主要靠大气降雨补给。区内年降雨量虽不大，但雨量较集中，历史资料显示，区内连续降雨时间最长达32 d，最大日降雨74.7 mm，最大5 分钟降雨7.1 mm，属于典型的集中短时强降雨特征，为激发泥石流的启动提供了优越的水动力条件[19]。

1.3 物源条件

直溪河泥石流物源主要包括滑坡堆积物、崩塌堆积物、坡积物、洪积物及人工弃渣。滑坡堆积物是直溪河泥石流主要的物源，分布于直溪河及其南侧支沟的高陡斜坡下方。根据调查，直溪河泥石流松散固体物源储量约为22.55×106m3，可移储量约2.18×106m3，一次最大可移动储量约3.65×104m3，详见表1。

表1 直溪河泥石流沟松散固体物储量表Table 1 Calculations of the loose solids reserves in the debris flow gully of the Zhixi River

2 泥石流发育特征及成灾模式

2.1 泥石流分区特征

直溪河泥石流具有明显的高寒高海拔特性，发育过程受人类工程活动影响显著，属于山区沟谷型旺盛期粘性泥石流。该泥石流具有明显的分区性，根据该沟谷的整体地形形态结构与地理特征、水流向沟谷汇集的气候条件和泥石流沟谷中的松散物和固体物质的形成堆积流通分布，将该泥石流沟分为形成区、流通区和堆积区（图1）。

2.2 泥石流物源特征及成灾模式

2.2.1 补给特征

滑坡堆积物是直溪河泥石流主要的物源，分布在直溪河及其南侧支沟高陡斜坡下方，由于两条沟沟岸斜坡岩性、风化程度差异性较大，因此，滑坡堆积物成分也不相同，以页岩、灰岩、砂岩等为主，岩块粒径从西向东逐渐变大。山体受到构造、冻融和降雨的影响，形成了多处不稳定危岩体，在后期外界条件的改变下易失稳形成崩塌堆积物。大量松散堆积主要分布在沟道内的斜坡地带，为黏性土、砂土夹碎石层，杂乱无明显结构，碎块石粒径较小。土体较为松散，局部发生了小型滑塌灾害。由于其主要分布在沟道内，洪水对斜坡坡脚的冲刷和侵蚀作用会造成斜坡失稳而形成新的泥石流物源补给。

2.2.2 链式灾害成灾模式

基于直溪河泥石流形成区斜坡的失稳模式及其物质组成，将直溪河泥石流沟域内提供物源的链式灾害进行分析，可归纳为以下5 种成灾模式：

（1）崩塌-碎屑流：岩体结构破坏→形成危岩体→岩体失稳→岩体碰撞解体→碎屑流分选堆积。由于崩塌区位置一般较高，因此其势能较大，堆积碎屑流向下运动的距离较长。

（2）岩质滑坡-碎屑流：岩体结构破坏→形成不稳定滑体→滑体失稳→滑体解体、铲刮→碎屑流堆积。由于滑坡产生的碎屑流具有速度快、滑移距离远的特征，因此物源体会沿着沟道向沟口方向以碎屑流的形式运移，如有水的参与，其下滑距离会明显增大。

（3）土石混合体滑坡-碎屑流：该模式主要发育在支沟西北侧的斜坡上，滑坡规模一般较小，呈条带状分布，在向下滑动的过程中势能逐渐消耗，因此滑坡物源多在斜坡中部的滑坡地带堆积，小部分会滑移到沟底。

（4）松散堆积层-基岩接触面滑坡-碎屑流：前期的崩塌、滑坡和坡积物在坡体中部停留、堆积，由于斜坡中部的坡度仍旧较陡，加之土岩不良地质界面的控制，在降雨和冻融的作用下会发生松散堆积层-基岩接触面滑坡。由于其厚度较小，土体松散，下滑过程中坡体解体完全，如果滑体处于较高的斜坡上，其下滑速度较快，碎屑流运移距离较长。

（5）松散堆积层内滑坡-碎屑流：在斜坡中下部，由于前期的不良地质作用形成了较厚的松散堆积体，在降雨和坡脚冲刷的作用下，易整体失稳下滑，但总体完整性较好。

2.3 泥石流流体特征

该沟泥石流历时短，来势猛，堵塞严重，具阵性，龙头较高，流速大，弯道超高现象严重，沿途补给性强，规模大，巨砾多。2002年8月暴发的泥石流，弯道超高达1.1 m，龙头高达3.5 m，流体像混凝土一样，容重达2.1 t/m3。在县医院、五中桥、变电站桥上泥浆保存完好，一次性泥石流持续30～40 min，整个县城有震感和异味，具有清晰的石头碰撞声，属典型的黏性泥石流。

2.4 泥石流堆积物特征

受到特殊气候地形及地理条件的影响，泥石流包砾堆积现象普遍，石块呈南北向排列展布，形似柳叶：分布区长1 650 m，宽1～400 m，面积0.25 km2，较大块石多数部分位于上部。2002年8月暴发的泥石流，在与水磨房河交汇弯道处的堆积物高达 5 m，体积44 000 m3，多为卵石，砾石含量占2%～5%，直径40 cm 左右，无分选，磨圆度差，小于 2 mm 的颗粒占9%～26%[20−21]。

3 泥石流运动过程数值模拟

3.1 FLO-2D 原理

FLO-2D 模型原理主要是非牛顿流体模型和中央有限差分法计算固液二相流的运动方程[22]。本研究采用FLO-2D 模型模拟泥石流流速、堆积深度、冲出体积、致灾范围的过程中，主要采用以下3 个控制方程：

（1）连续性方程

式中：h—流体堆积深度/m；

t—泥石流运动时间/s；

u—水平方向的平均流速/(m·s−1)；

v—垂直方向的平均流速/(m·s−1)；

I—沟谷坡降/‰。

模拟运算时，式（1）控制泥石流质量守恒。

（2）运动方程

式中：Sfx、Sfy—x、y方向的摩擦坡降/‰；

SoxSoy、—x、y方向的河床坡降/‰。

（3）泥石流模型的基础是O’Brien 和Julien 的流变模型流变方程

式中：Sf、Sy、Sv、Std—分别为摩擦坡降、屈服坡降、黏性坡降、紊流分散坡降/‰；

y—屈服应力；

m—流体比重；

K—层流阻力系数；

h—泥深/m；

η—流体黏滞系数；

n—曼宁系数；

v—流体流速/(m·s−1)。

3.2 流量计算

3.2.1 设计频率

在泥石流模拟中降雨量的不同直接影响着泥石流运动堆积范围的划定。考虑泥石流灾害形成条件与降雨关系密切，而强降雨作为直溪河泥石流主要引发条件，因此用降雨频率表示泥石流发生的频率。对直溪沟10年一遇（P=10%）、20年一遇（P=5%）、50年一遇（P=2%）和100年一遇（P=1%）4 种重现周期下的冲淤过程进行对比。4 种工况具体降雨情况见表2。

表2 4 种工况具体降雨情况Table 2 Precipitation situation of four kinds of working conditions

3.2.2 参数设定

数值模拟中准确选取泥石流相关参数对正确输出模拟结果非常重要。本研究通过现场实际调查，结合查阅文献资料和FLO-2D 用户使用手册建议取值等综合分析，设定最终参数（表3）。

表3 泥石流参数取值Table 3 Parameters for the debris flow

3.2.3 流量数值模拟结果

模拟不同重现周期下泥石流冲淤过程的关键在于获取准确的泥石流流量过程线。根据FLO-2D 使用手册，将洪峰流量乘以放大因子(BF,BF=1·(1-Cv)-1)，得到泥石流最大流量，其模拟结果如图3所示。

图3 直溪沟清水流量、泥石流流量过程线Fig.3 Changes in clear water flow and debris flow in the Zhixi Gully

3.3 泥石流模拟结果分析

根据4 种降雨频率情况下泥石流流量的模拟结果，对泥石流致灾情况进行模拟，得出泥石流在4 种工况条件下发生时的流动速度、堆积深度、冲出距离、冲出体积及致灾范围。具体见表4。10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇降雨工况下的堆积深度如图4（a）、图5（a）、图6（a）、图7（a）所示，泥石流流速如图4（b）、图5（b）、图6（b）、图7（b）所示。

图5 20年一遇泥石流堆积深度和流动速度Fig.5 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 20 years

图6 50年一遇泥石流堆积深度和流动速度Fig.6 Depth and flow velocity of debris flow accumulation once in 50 years

表4 不同降雨频率下直溪沟泥石流模拟结果Table 4 Simulation results of debris flow in Zhixi Gully under different rainfall frequencies

3.4 综合分析

通过对上述4 种不同工况条件下泥石流运动过程的计算结果（表3 和图4—图7）进行分析，可以得到以下结论：

（1）直溪沟泥石流的最大流动速度、最大堆积深度以及冲出沟口堆积距离、体积与不同降雨重现期均呈正相关性。

（2）从模拟结果来看，泥石流流速与堆积深度整体主要受地形控制。由于泥石流流体主要沿高程降低方向流动，泥石流形态并非呈“扇形”堆积，而是呈不规则堆积，且随着降雨重现周期的增大，泥石流的最大流动速度、堆积厚度、堆积范围和冲出体积都在不断增大，但增加幅度不同。

（3）设计频率从10%、5%降至2%时，各项结果的增加幅度较小。从2%到1%时，各项结果增幅明显变大，表明降雨频率越小，泥石流爆发时对县城居住区的致灾影响越大。从图4—图7 可以看出，各个设计频率下的泥石流均已冲进县城，尤其当设计频率为1%时，其冲出面积为91 600 m2，致灾面积接近其他三种设计频率的总和。