汉源县范家沟泥石流拟设工程治理效果研究

2022-11-18翟兆斌，胡卸文，刘波，席传杰

四川水力发电 2022年5期

翟兆斌，胡卸文，刘波，席传杰

(西南交通大学，四川成都 610031)

0 引言

泥石流是多发生在山区的含有大量固体物质(泥、砂、石)的特殊洪流，为高浓度的液体、固体相混合流[1]。其具有快流速、大流量、强破坏以及突发性等特点，一旦发生将给人民生命财产安全带来巨大威胁[2]。

随着计算机技术的发展，目前数值模拟越来越多地被应用于泥石流动力学特征研究及工程治理效果的评价。如刘丁毅等[3]运用CFX对桃花沟泥石流沟口漫淤范围进行了预测，分析了泥石流对沟口场地的影响；刘波等[4]运用RAMMS对巴曲冰湖溃决型泥石流的演进过程进行了模拟研究并提出了相应的工程治理措施建议；杜雪剑等[5]运用FLO-2D对红椿沟进行了数值模拟，对已建的工程措施治理效果进行了研究评判；丛凯等[6]运用FLO-2D对泥湾沟加设工程措施前后工况的的泥石流运动效果进行了模拟比较，这些研究均取得了一定的实际效果。

范家沟泥石流属于高频泥石流，目前处于发展期。2020年夏季因多日的连续强降雨，于2020年7月25日及8月17日先后暴发两次泥石流灾害，造成已建的两道拦砂坝淤满。将来若再次发生极端强降雨极易引发大规模泥石流，对沟口工业园区构成严重威胁。采用FLO-2D，结合研究区地形数据、雨量数据针对雅安市汉源县范家沟泥石流模拟自然工况20 a、50 a、100 a一遇不同降雨频率下泥石流的运动过程，对比拟设拦砂坝条件下的数值模拟结果，对拟设工程的防治效果进行评价。

1 FLO-2D基本原理

FLO-2D是一种体积守恒模型，规定了东、南、西、北及东北、东南、西北、西南八个流动方向，流体运动特征和堆积特征主要由流体流动速度、流量、流深、流动范围四个指标表示[7]。FLO-2D实现四个指标的原理为：将数字高程模型划分为若干方形小单元，运动方程(式1、2)和连续方程(式3)可计算出每个小单元的流深、流量，通过流深数值确定流动范围，流体动量方程可以确定相邻单元之间流体的流速[8]。

(1)

(2)

式中g为重力加速度；sfx、sfy为X、Y方向摩擦坡降；sox、soy为X、Y方向床底坡降。

(3)

式中t为流体运动时间；h为流深；i为有效雨强；u为X方向流速；v为Y方向流速。

2 范家沟泥石流发育特征

2.1 流域概况

范家沟位于汉源县东北方向28 km万里乡建坪村，白岩河左岸，沟口地理坐标：东经102°44′11.9″，北纬29°24′16.9″，流域面积9.15 km2，最高点为东侧分水岭处，高程为2 903 m，最低点为沟口与白岩河交界处，高程为1 523 m，相对高差1 380 m，主沟道长4.56 km，平均纵比降204‰，谷坡陡峻，两岸坡度一般为25°～60°，局部可达70°，岸坡基岩裸露较多，沟道两岸植被发育，以矮灌木丛为主，覆盖率达80%。

流域内河谷地貌由“V”型峡谷逐渐向“U”型过渡，沟道宽10～40 m。沟道流域中上部分叉为两条沟，呈“Y”字型展布，其中支沟名“阴沟”，沟道长2.32 km，沟道平均纵比降270‰，范家沟流域示意图见图1。

图1 范家沟流域示意图

流域内主要出露地层为震旦系、第四系，震旦系主要为陡山沱组灰岩，第四系主要为滑坡堆积层(Q4del)、残坡层(Q4el+dl)、泥石流堆积层(Q4sef)。

2.2 物源及水源条件

根据现场调查，流域内物源来源主要为崩滑堆积、坡面侵蚀和沟道侵蚀堆积，结合现场调查及遥感影像解译分析，范家沟总静储量约为432.43万m3，总动储量约27.91万m3。

范家沟泥石流的水源主要是大气降雨，短时间强降雨所形成的地表径流是引发泥石流灾害的主要水源。根据《四川省暴雨参数统计图集》2010年版内的暴雨等值线图，范家沟流域的年平均降雨量为730.8 mm，10 min、1 h、6 h、24 h。多年最大暴雨量平均值分别为12 mm、32 mm、47 mm、62 mm，在50 a一遇降雨条件下，10 min、1 h、6 h、24 h雨量分别可达25.8 mm、71.9 mm、116.8 mm、149.8 mm。据吴积善等[9]对四川省西部山区泥石流沟的研究，四川山区泥石流激发雨量一般为一次48～55 mm左右或者10 min降雨量达到8～12 mm。同时，由于沟谷陡峻的地形利于降水的汇集，强降雨下范家沟引发泥石流灾害的条件是完全具备的。

3 模拟条件设置

3.1 拟设拦砂坝位置及模拟参数选取

在2020年“8·17”泥石流暴发后，对范家沟原有工程进行了修缮治理。基于施工便利及经济原因，计划将原有的2号拦砂坝拆除，在其上游30 m处新修一道拦砂坝(新2号拦砂坝)，让其与已存的1号拦砂坝共同拦截上游冲出的固体物质，表1与图2是范家沟拟设拦砂坝相关参数及范家沟位置示意图。

表1 范家沟拟设拦砂坝相关参数

图2 范家沟拦砂坝位置示意图

根据FLO-2D手册，结合范家沟泥石流基本地质条件，泥石流数据值模拟采用参数见表2。

表2 泥石流数值模拟采用参数

CV为体积浓度，取值参考FLO-2D手册[10]；K为层流阻滞系数，取值参考FLO-2D手册；宾汉屈服应力及宾汉黏滞系数参考O’Brien建议值及FLO-2D手册取值。

3.2 清水流量过程线的确定

FLO-2D模拟时需选定集水点，即泥石流暴发的起动点，一般选取在主沟道与支沟道坡度下降快、利于汇水的地方，本次选取的集水点位置在清水动力区与形成区的交界，泥石流集水点示意图见图3。

图3 泥石流集水点示意图

在集水点处需输入清水洪峰流量过程线，该过程线需在清水流量的基础上加以处理。计算清水洪峰流量时一般采用雨洪修正法[11]，计算公式如下：

(4)

式中Qp为频率为p的暴雨洪水设计流量，m3/s；ψ为洪峰径流系数；s为暴雨雨力，mm/h；n为暴雨指数；F为流域面积，km2；τ为流域汇流时间，h。

求得不同降雨频率下主沟集水点暴雨洪峰流量见表3，不同降雨频率下支沟集水点暴雨洪峰流量见表4。

表3 不同降雨频率下主沟集水点暴雨洪峰流量

表4 不同降雨频率下支沟集水点暴雨洪峰流量

在计算得到范家沟的清水洪峰流量后，根据泥石流历时，可以运用五边形概化法则求取清水流量过程线。五边形概化法是把一次泥石流暴雨洪峰流量的1/4赋予暴发时间的1/3处，把一次泥石流暴雨洪峰流量的1/3赋予暴发时间的2/3处[12]，进而整体绘制出泥石流暴发的清水流量过程线，五边形概化法的清水流量过程曲线见图4。

图4 五边形概化法的清水流量过程曲线

暴雨洪水在混合泥沙石块后在运动过程中会产生流量放大效应，因此泥石流的洪峰流量应为暴雨洪峰流量乘以膨胀系数BF，BF计算公式如下：

(5)

式中CV为泥石流体积浓度，%。

计算得出主沟膨胀因子BF为2.57，支沟膨胀因子BF为2.42，不同降雨频率下主沟集水点泥石流流量见表5，不同降雨频率下支沟集水点泥石流流量见表6。

表5 不同降雨频率下主沟集水点泥石流流量

表6 不同降雨频率下支沟集水点泥石流流量

3.3 模拟过程

该次数值模拟的过程为：(1)将处理的地形数据在ArcGis中转换为可供FLO-2D软件识别的ASCII文件；(2)在FLO-2D中将ASCII文件导入，然后将流域划分为15 m×15 m的网格；(3)在集水点处输入清水流量过程线，再输入各项参数，模拟时间与当次降雨强度出现峰值的时间相当。

4 泥石流数值模拟结果

4.1 自然工况下模拟结果

由图5可知，在20 a一遇降雨条件下时，泥石流冲至沟口工业园区边缘，沟道内最大流速为4.7 m/s。在50 a一遇降雨条件下时，泥石流继续向前流动，漫流进工业园区内泥石流的平均流速为0.85 m/s，沟道内最大流速为5.1 m/s。在100 a一遇降雨条件下，泥石流漫流在工业园区内的范围增大，最远冲至白岩河河岸，园区范围内泥石流平均流速为0.78 m/s，沟道内最大流速达5.5 m/s。

(a)20年一遇频率(5%)

在20 a一遇降雨条件下时，沟道内最大厚度为3.3 m。在50 a一遇降雨条件下时，沟道内最大堆积厚度为3.6 m；淤积在工业园区内的最大厚度为0.9 m，平均厚度约0.42 m。在100 a一遇降雨条件下，沟道内最大堆积厚度为3.8 m，淤积在工业园区内的最大厚度为1.2 m，平均厚度约0.51 m。

由图6可知，在20 a一遇降雨条件下，沟口堆积区的面积约6.03×104m2，堆积区平均厚度为0.53 m，最大厚度1.16 m，堆积区的冲出方量约3.20×104m3。在50 a一遇降雨条件下时，沟口堆积区的面积约8.88×104m2，堆积区平均厚度为0.55 m，最大厚度1.34 m，堆积区的冲出方量约4.88×104m3。在100 a一遇降雨条件下，沟口堆积区的面积约13.16×104m2，平均厚度为0.59 m，最大厚度1.48 m，堆积区的冲出方量约7.76×104m3。可得出在3种降雨频率下范家沟泥石流的堆积区面积、冲出方量、平均厚度和最大厚度均随降雨频率的增大而增大，范家沟数值模拟堆积区特征见表7。

图6 自然工况下不同频率范家沟泥石流堆积区情况

表7 范家沟数值模拟堆积区特征

4.2 治理工况下泥石流模拟结果

由图7可知，泥石流在20 a及50 a一遇降雨条件下由于受到拦砂坝的阻挡作用，泥石流流速在接近拦砂坝时降低至坝前停止运动，在到达拦砂坝前流动过程中泥石流最大流速分别为4.6 m/s和5.1 m/s。在100 a一遇降雨条件下泥石流在到达2号坝前流动过程中最大流速为5.5 m/s，到达2号拦砂坝时由于受到阻挡，漫坝之后流速降低。同时又由于坝前泥石流的回淤效果致使沟道宽度增大，过水范围增加，同样的流量下，流速自然也会相应减小，在2号坝到1号坝间最大流速为4.6 m/s，当漫过1号坝后流速则降至平均1.8 m/s。

(a)20 a一遇频率(5%)

在20 a及50 a一遇降雨条件下，淤积在2号拦砂坝后的最大堆积厚度分别为7.9 m和9.7 m，未超过拟设拦砂坝的有效高度。在100 a一遇降雨条件下在2号拦砂坝后的最大堆积厚度为10.7 m，在1号坝后的最大堆积厚度为8.0 m，泥石流在漫过1号坝之后堆积厚度明显变薄，平均在0.6 m左右。

4.3 拦挡工程治理效果分析

由于FLO-2D在模拟时无法考虑泥石流对拦砂坝体结构的损坏，因此对拦挡措施的评价主要基于拦砂坝后泥石流的淤积情况。

针对20 a及50 a一遇降雨条件下泥石流主要分析2号拦砂坝后的淤积数据，对2号坝后的平均堆积厚度和堆积物方量进行统计，20 a与50 a一遇降雨频率下2号拦砂坝堆积特征见表8。可以看出在20 a与50 a一遇降雨频率下2号坝后的堆积总量是符合设计库容的，说明拟设拦砂坝对于一次20 a或50 a一遇的泥石流暴发具有有效的拦挡作用，可使泥石流在2号坝后被全部拦截。针对100 a一遇降雨条件下泥石流主要分析1、2号拦砂坝后淤积数据，同样对坝后的平均堆积厚度和堆积物方量进行统计，100 a一遇降雨频率下拦砂坝堆积特征见表9。在100 a一遇降雨条件下，泥石流在1号坝与2号坝后的堆积总量基本达到拟设计库容总量，共计拦蓄5.78×104m3，在淤满2道拦砂坝之后，漫坝后的泥石流堆积深度及流动速度都明显降低，最终堆积在下游沟道中，并未流至沟口。因此，拟设的拦挡措施对100 a一遇的泥石流也具有良好的防治效果。