雷布大箐“9·17”泥石流灾害发育特征及运动过程模拟分析

刘关雄，张 杰，杨志全，刘正权

(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大学应急管理部地质灾害风险防控与应急减灾重点实验室，云南 昆明 650093；3.云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验室，

云南 昆明 650093；4.云南省地质环境监测院，云南 昆明 650216；5.自然资源部高原山地地质灾害预报预警与生态保护修复重点试验室，云南 昆明 650216)

0 引 言

泥石流是由泥砂、石块、巨砾与水组成的混合流体，在重力的作用下沿山谷沟道快速移动[1]，破坏建筑设施，威胁居民生命安全。降雨与泥石流的发生有密切相关，2016-09-15T08∶00～2016-09-17T08∶00，受持续降雨影响，云南省元谋县黄瓜园镇境内多处区域同时暴发山洪泥石流灾害，灾害损失巨大，成昆铁路K839+545线路路基桥涵冲毁约300 m(桥梁1座)，线桥涵设备受损，接触网、电务设备受损，铁路中断(见图1)。此外，此次灾害还阻断龙川江干流形成2个堰塞湖，威胁下游城镇安全。此次灾害造成直接经济损失超过了4亿元。

近年来，泥石流的相关研究集中在监测预警、试验研究、数值模拟等方面。泥石流监测预警是避免灾害最直接的方法，目前的监测预警主要研究引发泥石流的降雨阈值[2]，也有通过识别泥石流次声波实现监测预警[3]。但我国的泥石流灾害主要发生在山区，监测预警的范围广、成本高、维护难[4]，成功预报的实例较少[5]。试验研究可以揭示泥石流产生的机理，研究不同因素，如物源条件、降雨条件、地形条件对泥石流的影响，但目前物理试验往往都是人工操作，没有统一的操作规范，误差难以避免，效率低，每次试验的现象仅与特定的试验条件相对应，可重复性较低[6]。此外，大部分试验都是基于相似原则在室内缩放后进行的，边界条件对试验结果造成的影响往往被忽略[7]。相比而言，数值模拟所需研究成本较低，常见的数值模拟软件可以利用遥感数据结合现场调查，模拟泥石流运动的过程，获得泥石流爆发过程中流动速度、泥水位高度等空间分布及其随时间的变化，进而确定泥石流的影响范围及危险性，目前已有较多学者采用数值模拟方法研究泥石流。杨涛等[8]运用FLO-2D研究了华溪沟泥石流的运动，得到了造成泥石流爆发的临界降雨条件。戴兴建等[9]运用DAN3D和FLOW-3D进行了易贡滑坡—堰塞坝溃坝—洪水演进完整灾害链的反演，获得了相关动力学参数。宋兵等[10]运用RAMMS研究了白沙沟泥石流的运动过程，对比了数值模拟和雨洪法计算出的泥石流冲出量，发现两者差异较小。

鉴于RAMMS采用双参数的Voellmy-fluid摩擦模型描述流动碎屑之间的摩擦行为，以RKE模型考虑泥石流内部速度变化[11]，可准确模拟泥石流远程运动问题[12]，且利用二阶本质不振荡(ENO)格式在一般四边形网格而非严格的正交网格上进行数值求解，提高了数值的稳定性。为此，本文通过现场调查和查阅文献资料，采用RAMMS软件对雷布大箐泥石流运动过程进行模拟，分析了泥石流爆发的运动过程，并根据模拟结果绘制了危险性分区图。为了验证数值模拟的可靠性，将实地勘察结果和模拟结果中的村庄区域泥水位、沟口区域堆积物面积等进行了对比。

1 研究区地质背景

雷布大箐位于元谋县黄瓜园镇龙川江干流右岸沟谷。该箐区流域内地形切割强烈，总的地势东高西低，山脊多呈长垄状，相对高差1 656 m。沟谷两岸地形陡峻，山高谷深，植被不发育，地形坡度一般20°～40°，局部陡峻形成陡崖绝壁，属构造剥蚀、侵蚀中山地貌。

流域上游主要为侏罗纪、白垩纪紫红色薄～中层状强～中等风化泥质砂岩、页岩、泥岩；流域中下游流通区段及沟口堆积区一带，主要为第四纪冲洪积及河床堆积物，成分复杂，主要由洪冲积砂砾石、砂质粘土夹砂砾石组成，磨圆度较好，具有一定的分选性，厚度悬殊较大，固结程度差。在地质构造上，元谋大断裂横穿泥石流流域中部，受元谋断裂的影响，研究区岩层节理裂隙较发育，岩体抗风化能力差，球状风化特征较明显，在降雨作用下，易发生浅表层的土石界面土质滑坡或沿软弱界面发生顺层岩质滑坡。

2 泥石流形成条件分析

2.1 地形条件

雷布大箐流域面积为11.67 km2，主沟呈东西向，全长为8.67 km。受新构造运动的影响，流域中上部(即元谋断裂东盘)不断抬升，且切割较深，形成典型的高山河谷(峡谷)区，河谷两岸横剖面呈“V”字形，地形较陡，坡度30°～45°，局部可达60°，陡峭的沟岸不利于两岸风化松散层的长久稳定，在降雨的作用下，强风化松散物不断下滑堆积，为泥石流的发生提供坡面物源。该段沟道平直，长约5.5 km，纵坡降比为244.54‰，为泥石流的发生提供了有利的地形条件，陡峭的“V”字型沟岸，再加上长距离、大坡降的平直沟道，既有利于沟两岸的强风化松散物下滑堆积，为泥石流的发生提供坡面物源，更有利于泥石流在沟道内高速运动，以最快的速度搬运、铲刮、运移沟道两岸及沟底堆积物。流域中下部(即元谋断裂西盘)地形起伏不大，坡度比降约为74.81‰，并不断接受中上游泥石流的大量沉积物补给，为典型的冲洪积堆积地貌区。

2.2 物源条件

2.2.1 坡面崩滑体松散堆积物

研究区处于滇中红层河谷区，沟谷两岸的岩土体具有红层物理特性，岩体固结程度较差，大部分处于半固结状态，岩体长时间暴露在地表，风化速度加快，岩体内部结构遭受较大的破坏，孔隙率变大，抗压强度和弹性模量均大大降低，在降雨的作用下易崩解，形成崩塌或滑坡(见图2)。在泥石流强有力的冲刷、搬运等外动力作用下，主沟道坡脚两侧的土体已全部剥离，参与了泥石流活动。坡脚土体的剥离，新的临空面的产生，使得原本既陡峭又不稳定的坡岸，在自身重力及新的牵引力作用下，产生新的不等规模的浅表层滑坡或垮塌(见图3)，为泥石流的发生提供充足的物源。

图2 坡面松散堆积物

图3 沟岸浅表层垮塌

2.2.2 沟床堆积物

2016年5月对该泥石流沟调查发现，主沟道在暴发泥石流之前有大量的沟床堆积物，其成分主要为卵砾石与砂石，卵石砾径为0.2～0.5 m，磨圆度中等，分选性较差，厚度分布不均。从1号拦渣坝可以明显看到，沟床堆积物已淤满至坝顶，以拦渣坝为参照，沟床堆积物厚度可达5～8 m。泥石流沟道中游及下游段1/3的沟床堆积物均参与了泥石流运动，使得原来的沟底变宽、变深，具有明显的“沟底拓宽、侵蚀下切、深切拉槽”的特征，主河道局部地段下切深度1～3 m。泥石流沟床启动下切拉槽见图4。

图4 泥石流沟床启动下切拉槽

2.3 降雨条件

降雨是导致泥石流发生的主要原因，形成泥石流既需要足够的水量，还需要有强大的雨强，当降雨量达到一定界限后才能激发泥石流[13]。该区历年连续降雨中心多集中于下游坝区边缘及上游山区，即流域上游分水岭一带，平均2年遇1次，盆地内最大的日暴雨量为102.9 mm(1969年9月3日)，约占全年降雨量的17%；上游山区最大日暴雨量为146.67 mm(1974年7月26日～7月28日，36 h内降雨量达220 mm)。1990年～2009年，年平均降雨量为697 mm。

通过资料收集，2016年1月1日～9月17日黄瓜园镇降雨量为660.6 mm。9月1日～17日黄瓜园镇降雨量为45.1 mm，比去年同期多164.5 mm，9月15日～9月17日黄瓜园镇的降雨量达103.8 mm。充沛的降雨量导致雷布大箐径流量比往年明显增大，为泥石流的形成提供了水源条件。另一方面，降雨也导致沟床、沟壁土体的含水率增大，孔隙水压力和流动水压力增大，进而导致了泥石流的发生[13-14]。

3 泥石流数值模拟

首先处理地形数据。将研究区的数字高程模型(DEM)转化为ASCII格式文件后导入RAMMS软件并添加对应的高精度遥感影像，根据现场调查加载汇水区范围并为物源的厚度赋值。

接着选取合理的模拟参数。根据勘察计算结果与文献资料，泥石流密度ρ为1.67 t/m3，重力加速度g为9.8 m/s2，平均坡角φ取值为50°，采用五边形法生成流量过程曲线。由于本文采用2阶求解器，因此主动-被动土压力系数(Lambda)取默认值，0深度截止值取默认值以消除模拟实际浅深度最小化数值的误差[15]。根据研究区特点，摩擦系数μ取0.07，湍流系数ξ取1 500 m/s2。采用概化五边形法计算泥石流洪峰流量，即

(1)

式中，WC为1次泥石流总量，160.5×104m3；QC为泥石流峰值流量；TC为泥石流持续时间，6 400 s。可以得出，泥石流峰值流量为950.35 m3/s。

根据以上参数，进行RAMMS模拟计算。泥石流运动过程模拟见图5。从图5可知，雷布大箐泥石流的运动过程可分为7个阶段：

图5 泥石流运动过程模拟

(1)0～1 000 s。受前期持续降雨的影响，沟道内的水流量逐渐增加，沟床、沟壁土体的强度降低，发生大量崩塌、滑坡，大量物源被冲刷，这些物源随水流汇聚流动，沟道急转弯处流动阻力增大。上游的2处较为狭窄的沟道转弯处，最大泥水位分别达到了2.75 m和3.82 m，流体到达水泥厂附近，沟道弯曲狭窄，流体受阻，有漫流的趋势。

(2)1 000～2 000 s。洪水流量快速增加，对沟床、沟壁土体的冲刷作用加剧，形成了更多物源，上游沟道狭窄处的最大泥水位达到了5.84 m，下游沟道急转弯处(水泥厂附近)沟道弯曲狭窄堵塞，堆积泥深剧增，最大达到了2.95 m，流体在水泥厂处发生浅层漫流现象，流体运动到达朱布村南侧。

(3)2 000～3 000 s。泥石流的影响范围扩大到了下游村庄，靠近沟道的村庄区域泥石流泥水位为1～2 m，并且在与龙川江交汇处形成了少量堆积体，由于沟床粗糙阻塞，形成多个堰塞体，泥深交替变化，体现出边赌边溃的现象，在水泥厂及朱布村浅层漫流范围扩大，且成昆铁路K839+545线路路基桥涵处和黄江乡级公路逐渐被泥石流淹没。

(4)3 000～4 000 s。泥石流在村庄区域的影响范围有所增大，但泥水位的变化较小，沟道水流量剧增，堰塞体数及泥深逐渐增加，特别在雷布村南侧及水泥厂附近堰塞体威胁严重，在水泥厂附近沟道堵塞造成流体爬高，对耕地造成回淤及浅层漫流现象。堆积区中部泥深达1.97m，且龙川江堆积范围向两端呈扇形逐渐扩散。

(5)4 000～5 000 s。上游沟道急转弯处泥深剧减，发生堰塞体溃坝，流体冲刷能力增大，沟道泥深最大达6m。在龙川江堆积区右岸由于沟岸低，泥流动量大，流体发生漫流现象。

(6)5 000～6 000 s。由于沟道流体发生堰塞体溃坝，沟道揭底冲刷作用强烈，泥深变化较大，龙川江堆积区泥深及范围持续增加，中部最大泥深达6.5 m。

(7)6 000～6 400 s。流水冲刷，水泥厂附近堰塞体溃坝，朱布村最大泥深达2 m，堆积区泥深最大达6.5 m，堵塞龙川江，严重威胁上游居民的安全。

4 泥石流危险性分区

通过危险性分区，可以掌握泥石流暴发的范围，制定应急预案，泥石流发生前评估灾害可能造成损失，为防灾减灾工作提供依据。结合模拟结果中的泥石流泥水位分布图、流速分布图和泥石流强度等级划分表(见表1)[16]，得出了雷布大箐“9·17”泥石流危险性分区图(见图6)。

表1 泥石流强度等级划分

图6 泥石流危险性分区

根据图6所示，高危险区几乎贯穿了整个泥石流沟道及沟口堆积扇的中间区域，面积约为0.793 4km2，占总危险区面积的45.6%，该区域内主要分布有成昆铁路路基桥涵处、黄江乡级公路，泥石流一旦发生，对基础建筑设施损坏大，经济损失大。中危险区主要位于朱布村区域及龙川江堆积扇的的两端及部分边缘地带，面积约为0.371 5 km2，占总危险区面积的21.15%，容易对朱布村的部分基础设施造成破坏和堵塞龙川江，对上游黄瓜果园镇居民生命财产安全造成严重威胁。低危险区主要位于沟道边缘、堆积扇的边缘、水泥厂部分区域和由于在水泥厂附近沟道狭窄，流体阻力增大，发生流体爬高，浅层漫流回淤的耕地，面积约为0.570 1 km2，占总危险区面积的32.6%，容易对耕地农作物造成破坏。

5 模拟结果验证

模拟结果中的泥石流泥水位在沟口村庄的数值分布在1～2 m。根据现场勘察(见图7)，雷布大箐泥石流流经村庄时的泥水位高度为1.2～1.5 m，两者的吻合程度较好。

图7 泥石流经过村庄时的泥水位

模拟结果的泥石流在雷布大箐与龙川江交汇处的面积约为0.47 km2，现场野外调查和遥感数据相结合，实测约为0.52 km2，实际相对误差为10%，两者的吻合程度较好。

模拟结果的泥石流危险性分区，成昆铁路路基桥涵处于中危险区及高危险区内，损毁的可能性较高。实际调查中，成昆铁路K839+545线路路基桥涵冲毁约300 m，相关设备受损，成昆铁路中断，两者的吻合程度较好。

6 结 语

本文基于RAMMS模拟软件，以“9·17”雷布大箐泥石流灾害为研究对象，对其泥石流发育特征及运动过程进行数值模拟研究，得出以下结论：

(1)根据实地调查和文献资料，雷布大箐泥石流爆发的根本原因是狭窄弯曲的沟道、充足的降雨和大量可移动物源。

(2)根据数值模拟得知，雷布大箐泥石流爆发的直接原因是上游和村庄东部的沟道急转弯处的最大泥水位分别达到了8.5 m和4.01 m，沟道内形成了多个堰塞体，随着洪水流量的增加，小型堰塞体溃决，泥石流流量快速增加，致使泥石流规模扩大，造成灾害损失严重。

(3)泥石流高、中、低危险区分别占总危险区面积的45.6%、21.15%、32.6%，高危险区的面积占比大，主要贯穿于泥石流沟道及沟口堆积扇的中间区域，成昆铁路、黄江乡级公路经过中危险区及高危险区，被损毁的可能性较高。