大型弃渣场阻断下泥石流动力过程数值模拟研究

钱洪建，漆祖芳，李怀国，丁亚楠，何 磊

（1.国家能源集团金沙江旭龙水电有限公司，甘孜 627950；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；3.中国水利水电第一工程局有限公司，长春 130033）

近年来，随着我国经济的持续发展，一大批重点水利工程在西南地区相继开工建设［1-2］。在水力资源开发过程中， 在工程区附近泥石流沟内布置大型弃渣场越来越普遍, 若不对泥石流加以防治或防治不当，极可能产生严重危害，泥石流的防治成为大型弃渣场防护的焦点问题。目前，国内外专家学者针对泥石流的动力特性和防治问题开展了大量研究， 李卓儒等［3］基于ANSYS CFX 软件研究了急陡沟道泥石流的动力学过程；韩征等［4］探讨了HBP 本构模型在稀性泥石流运动过程中的应用及从三维尺度以SPH形式描述泥石流流变特性；盛豪等［5］采用DAN3D 软件对50 年一遇和100 年一遇工况的泥石流的动力过程进行数值模拟， 并提出了泥石流的综合治理方案；方群生等［6］以瓦窑沟泥石流为例，基于FLO-2D软件反演了震后的急陡型泥石流的特征与规模；王锴等［7］采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法，探究了颗粒级配对矿渣型泥石流运动特征影响；康永德等［8］基于GAST 二维水动力模型预测了泥石流理想水槽试验的危险范围；孔玲等［9］基于VOF 紊流模型研究了泥石流的泥舌下泄运动过程及动力特性。 目前的研究大多着眼于特定沟道的泥石流演进规律及动力过程， 对天然冲沟状态下布置大型弃渣场的泥石流演进规律及动力特性尚缺乏系统研究。

研究天然沟道大型弃渣场阻断下的泥石流演进规律及动力过程， 是弃渣场规划及泥石流防治领域的重要发展方向。 本文以旭龙水电站茂顶河大型弃渣场条件下泥石流为例， 揭示不同工况下泥石流运动—堆积演进规律， 综合评估泥石流防治工程合理性， 为大型弃渣场阻断下泥石流防治关键技术提供理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江干流上游河段， 河床布置混凝土双曲拱坝，最大坝高213 m，装机容量2400 MW，为Ⅰ等大（1）型水电站。

茂顶河主要由主沟、1 号沟、1-1 号沟和1-2 号沟组成（图1），主沟和1 号沟为稀性低频率泥石流沟，1-1 号沟和1-2 号沟为黏性高频率泥石流沟，其中茂顶河弃渣场距坝址约5 km，为沟道型弃渣场，其中弃渣场规模为1670 万m3，弃渣场最大堆渣高度为225 m，属于特大型弃渣场。

图1 茂顶河全貌

2 茂顶河弃渣场泥石流地形地貌

茂顶河流域地处横断山脉地段， 呈明显台阶状下降，属峡谷地貌类型。受地质构造的影响，流域支沟发育不对称，左侧分布较多且支沟流域面积较大，右侧分布较少且支沟流域面积也较小。 茂顶河流域最高点位于西南侧分水岭处，高程5240 m，最低点位于茂顶河汇入金沙江河口处，高程2140 m，相对高差3100 m。流域岸坡以陡坡地貌为主，一般坡度为35°～60°，海拔3200 m 以下斜坡坡面植被不发育，多以荆棘类植物为主，海拔3200 m 以上乔、灌类植物较发育。

3 研究方法

本文基于OpenLISEM 软件模拟洪水、稀性泥石流和黏性泥石流的流动特性和相互作用［10］，提出了一个反演不同工况的泥石流动态过程和综合评估泥石流防治工程合理性的联合分析框架［10］（图2），以促进泥石流演变规律的分析过程。 该框架包含了数据收集、GIS-DTM 模型的构建、耦合模块的开发、数值模拟及泥石流防治工程的合理性评价。

图2 多工况泥石流相互作用的联合分析框架

（1）数据搜集：通过茂顶河流域野外调查和室内相关勘察资料分析获得泥石流物源的物理力学特性指标（表1）。结合茂顶河流域泥石流的历史暴发事件及对泥石流参数的敏感性分析， 确定适用于模拟工程实际所需的最优参数组合（表2）。

表1 泥石流数值模拟的不同控制工况

表2 模拟参数

（2）模型构建：基于ArcGIS 和空间叠加分析技术，利用地形信息和地形特征（如等高线数据、关键控制点等）修正GIS-DTM 模型，建立满足表2 的茂顶河主支沟GIS-DTM 模型。

（3）模块开发：基于两相流方程和平流的方法，建立一个模拟洪水、 稀性泥石流和黏性泥石流的演进过程的综合模型及实现泥石流在复杂防治工程边界处的求解， 从而开展泥石流演变规律和动力过程的研究。

（4）数值模拟：通过模型构建，揭示不同工况下泥石流入库后的动态演进规律及性质变化及分析不同工况的泥石流暴发后拦淤坝库容。

（5）合理性评价：根据数值模拟结果，探讨拦淤坝防治工程设计合理性及预测停淤后排导槽内泥石流的性质及运动参数， 综合评估泥石流防治工程的合理性。

4 泥石流数值模拟结果及评价

4.1 不同工况泥石流数值模拟结果

图3 为控制工况1 的泥石流运动—堆积全过程。由图3 可知，主沟、1 号沟发生泥石流，其冲出的泥砂石块全部堆积于拦挡坝库内（图3（a）），坝后泥石流堆积量为15.8 万m3，泥石流未进入排导槽内，最大堆积深度为16 m（图3（b））。

图3 控制工况1 的泥石流运动—堆积全过程演进规律

图4 为控制工况2 的泥石流运动—堆积全过程。由图4 可知，1-1 和1-2 号沟黏性泥石流冲出量全部堆积在拦挡坝后（图4（a）），坝后泥石流堆积量为3.5 万m3，1-1 号沟泥石流主要堆积在拦挡坝的右侧，最大深度为13 m，1-2 号沟泥石流主要堆积在拦挡坝左侧， 泥石流未进入排导槽内， 最大深度为11.5 m（图4（b））。

图4 控制工况2 的泥石流运动—堆积全过程演进规律

图5 为控制工况3 的泥石流运动—堆积全过程。如图5，所有沟发生泥石流，其冲出物全部堆积于拦挡坝库内 （图5 （a））， 坝后泥石流堆积量为21.1 万m3，主沟、1 号沟、1-1 号沟泥石流主要堆积于坝后右侧，1-2 号沟泥石流主要堆积于坝后左侧，泥石流未进入排导槽内，泥石流最大堆积厚度23 m（图5（b））。

图5 控制工况3 的泥石流运动—堆积全过程演进规律

图6 为控制工况4 的泥石流运动—堆积全过程。如图6，所有沟发生泥石流，冲出流体大部分堆积在拦挡坝后（图6（a）），坝后泥石流堆积量为65 万m3，主沟、1 号沟、1-1 号沟泥石流主要堆积于坝后右侧，1-2 号沟泥石流主要堆积于坝后左侧，泥石流最大堆积厚度34 m（图6（b））。拦淤坝内满库洪水，所有沟同时发生泥石流后，库内水位急剧上升，开始进入排导槽，其最大流体深度达6.1 m（图6（c）），部分泥石流与洪水混合体进入排导槽内（图6（d））。

图6 控制工况4 的泥石流运动—堆积全过程演进规律

图7 为控制工况5 的泥石流运动—堆积全过程。如图7，所有沟发生泥石流，冲出流体大部分堆积在拦挡坝后 （图7 （a））， 坝后泥石流堆积量为63.8 万m3，主沟、1 号沟、1-1 号沟泥石流主要堆积于坝后右侧，1-2 号沟泥石流主要堆积于坝后左侧，泥石流最大堆积厚度31 m（图7（b））。拦淤坝内满库洪水，所有沟同时发生泥石流后,库内水位急剧急剧上升，开始进入排导槽，其最大流体深度达6.3 m（图7（c）），排导槽入流端，部分泥石流溢出排导槽（图7（d））。

图7 控制工况5 的泥石流运动—堆积全过程演进规律

4.2 综合分析评价

本文基于OpenLISEM 软件揭示了5 种工况下泥石流运动—堆积演进规律, 同时预测了停淤后排导槽内泥石流的性质及运动参数,综合评泥石流防治工程的合理性。表3 为不同工况下泥石流计算成果。泥石流演进规律研究结果表明：空库条件下，拦淤坝排导槽进口底板高程以下库容满足拦截100年一遇泥石流事件，泥石流不会进入排导槽；淤积1 次100 年一遇泥石流条件下，若再暴发100 年一遇的泥石流，少量泥石流将进入排导槽；初始满库洪水条件下，拦淤坝坝顶高程设计满足拦截100 年一遇泥石流事件，泥石流进入停淤库后，与坝后洪水混合，水位急剧上升，部分稀性泥石流和洪水混合体进入排导槽内，部分稀性泥石流或洪水将从排导槽入口段溢出， 进入排导槽内流体最大深度为6.3 m。

表3 不同工况下泥石流计算成果

5 结语

本文基于OpenLISEM 软件，对不同工况下泥石流的运动—堆积动态演进规律进行了研究， 综合评估了泥石流防治工程合理性， 对大型弃渣场条件下泥石流防治关键技术推广提供了参考依据。 本次研究仅集中在泥石流的演进过程及评价泥石流防治工程的合理性， 后续研究需对茂顶河泥石流防洪方案进一步探讨。