四川壤塘縣茸郎溝泥石流發育特征及危險性

韓 雨 菲， 胡 卸 文， 韓 玫， 熊 沖 沖， 盛 豪

(西南交通大學，四川 成都 610031)

0 引 言

泥石流災害常見于山區，多是由于集中降雨誘發，具有發生突然、歷時短、破壞力大、難以預報等特點[1]。泥石流的危險區范圍是指泥石流在流通、堆積等沖淤過程中造成毀滅性災難的區域。合理可靠的泥石流危險區范圍確定，對山區交通選線、城鎮村落選址布局以及泥石流綜合防治措施的選取等都具有重要的實際意義和科學價值[2]。

目前最為廣泛應用的泥石流危險區范圍確定主要有物理模擬試驗法、數學模型法及數值模擬法。通過查閱國內外文獻，表明物理模擬試驗及數學模型預測大多以泥石流影響因子為基礎進行分析，獲得泥石流堆積范圍，結果較為單一，而數值模擬法一般不僅能預測泥石流危險范圍，也能夠體現泥石流運動過程中的動力特征。近年來泥石流流體動力特性及數值模擬方法探索不斷深入，胡凱衡[3]根據流團模型原理，假定泥石流摩阻為速度的二次多項式，對泥石流在堆積區的堆積過程和特征進行了數值模擬；韋方強[4]等結合了泥石流流體數值模擬技術和GIS技術，對泥石流的堆積運動過程進行數值模擬，獲取了模擬中泥石流堆積范圍中每一點的最大動量，以動量作為分區指標建立了模型。馬宗源、李珂等人[5-6]應用ANSYS 軟件，對粘性泥石流流體進行數值模擬分析，得到了泥石流的流場數據，并初步討論了泥石流流體對攔擋壩等防治設施的影響。四川阿壩州壤塘縣茸郎泥石流溝為則曲河右岸一級支流，茸木達鄉于茸郎溝溝口，有鄉政府、郵政所、供電站、茸木達中心校、衛生院等基礎設施，居民約300人，一旦泥石流爆發則會對當地居民生命財產安全構成嚴重威脅(見圖1)。

圖1 茸郎溝溝口鄉政府所在地

本文在對茸郎溝泥石流的形成條件及發育特征進行實地野外調查的基礎上，運用CFX軟件對其運動特征參數及運動過程開展研究，通過對茸郎溝20 a與50 a一遇降雨頻率下的泥石流運動過程進行數值模擬，以預測其危險區范圍，進而評價該泥石流溝對茸木達鄉居民點的危害程度。

1 茸郎溝泥石流發育特征

茸郎溝溝域面積為45.59 km2，主溝縱長14.81 km，整體上可分為清水動力區、形成流通區和堆積區，平均縱坡降51‰，上游清水匯流區及形成流通區呈"V"型溝谷地貌，溝谷較為狹窄，縱坡較陡，水流湍急，且動態變化較大；下游溝段呈“U”型堆積谷地貌，谷寬一般20～50 m左右。茸郎溝支溝較為發育，中游及下游發育9條支溝，流通區兩側岸坡坡度35°～45°，(見圖2，圖3)。

圖2 茸郎溝流域平面圖

茸郎溝所處區域高原季風性氣候十分顯著，干濕季節明顯，氣溫和降雨垂直分帶明顯。壤塘縣多年平均降水量705.6 mm，從最近30 a的降雨資料分析，近年來降雨有逐漸增大的趨勢。茸郎溝流域出露地層主要為第四系松散堆積物殘坡積層(Q4)及三疊系上統新都橋組(T3xd)板巖-砂巖地層。茸木達地區屬構造剝蝕高原地貌，由于局部溝谷段坡面及溝道松散堆積物豐富，在豐水期易形成泥石流災害。

圖3 茸郎溝主溝縱剖面圖

經調查走訪得知，茸郎溝最近于2015年連續強降雨后發生過一定規模的泥石流災害，泥石流持續10多分鐘，泥石流沖出物質為稀狀泥漿并夾雜少量大塊石，該次泥石流淹過耕地，漫入當地居民家中并造成少量損毀，直接經濟損失達幾十萬元，所幸未造成人員傷亡。

2 泥石流運動特征參數

泥石流運動特征參數是數值模擬求解設置、分析對比的依據，所需確定參數主要為泥石流重度及峰值流量，可采用雨洪修正法計算獲得。

2.1 泥石流重度

現場配漿法與查表法所得泥石流重度基本吻合，重度取值15.30 kN/m3，屬于稀性泥石流。

2.2 泥石流流速

茸郎溝泥石流屬稀性泥石流，流速計算公式采用西南地區(鐵二院陳光曦)公式[7]：

(1)

溝口附近泥石流流速計算結果見表1。

表1 茸郎溝泥石流溝口流速計算結果

(3)泥石流峰值流量

泥石流峰值流量采用雨洪修正法進行計算：

QC=DC(1+φ)QP

(2)

QP=0.278ψAS/tn

(3)

式中QC泥石流斷面峰值流量(m3/s)；φ泥沙修正系數；QP暴雨洪峰流量；Dc堵塞系數；ψ洪峰徑流系數；S單位歷時的暴雨平均強度(mm/h)；A流域面積(km2)；t匯流時間(h)；n暴雨遞減指數。

溝口泥石流峰值流量計算結果見表2。

表2 茸郎溝泥石流溝口流量計算結果

3 基于CFX的泥石流運動過程數值模擬

3.1 CFX軟件簡介

CFX是一種計算流體動力學(Computional Fluid Dynamics)，即CFD軟件，通過求解流體控制方程，模擬流體流動時各種相關物理現象，其全隱式耦合多網格線性求解器支持多相流等復雜物理模型，并行計算能力強大，收斂速度快且結果精準。

CFX計算基礎為區域離散化數值計算，常用方法有有限差分法、有限元法及有限體積法。CFX求解器采用的為有限體積法，相比于其他兩種方法，能夠精確滿足物理量積分守恒，是目前在流體流動求解中最有效的數值計算方法。

CFX求解過程包括建模、前處理、求解、后處理幾個階段。

3.2 泥石流流場幾何設定

泥石流數值模擬的基礎是建立泥石流流場幾何模型，綜合應用Auto CAD，Surfer，Design Modeler等建模工具，通過點-線-面-體的構建方式建立茸郎溝溝口堆積區三維地質模型，模型平面范圍為500 m×400 m，流體域高度20 m。在WorkbenchMesh模塊中調用ICEM-CFD前處理器進行網格劃分，選擇生成簡單，適合復雜幾何圖形的四面體(Tetrahedrons)[8]，全模型共生成59 985個節點，293 138個單元(見圖4)。

圖4 茸郎溝泥石流溝口堆積區模型及網格劃分

3.3 前處理

前處理模塊中，主要需設定泥石流流體流變模型及邊界條件。

3.3.1 泥石流流變模型

流變模型的正確選擇對于數值模擬結果的準確性及泥石流流動規律的探索有著重要意義。大量試驗結果表明，一般的泥石流流體性質更適合Bingham模型[9]，其數學模型表達如下：

(4)

3.3.2 邊界條件設定

CFX中的邊界有入口(Inlets)、出口(Outlets)、壁面(Walls)、開放式邊界(Opening)、對稱面(Symmetry)5種類型。對于茸郎溝溝口模型，設定如下：

(1)入口：堆積區上游，溝道泥石流流入處。在質量和動量(MassandMomentum)模塊中設定流體進入方式為質量流量(BulkMassFlowRate)，定義多項式函數Q(t)，表示泥石流流量隨時間的變化。設定t=0s時取洪水流量，總模擬時間1/3處為泥石流峰值流量(見圖5)。函數通過CFXExpressionLanguage(CEL語言)編譯并定義計算中的泥石流流量變化。

(a)P=5%

(b)P=2%圖5 茸郎溝泥石流堆積區流量變化過程曲線

(2)出口：模型四側邊界。主要設定出口條件為靜態壓強，流體性質為亞聲速流體(Subsonic)。

(3)開放式邊界：模型上部。設置為開放壓強與方向，壓力1.01×105Pa。

(4)壁面：泥石流流動面。設置為無滑移壁面，粗糙度取0.1m。

設置完成模型(見圖6)。

3.4 求解

CFX求解管理器可監視整個求解過程，主要體現在入口與出口質量流量變化，兩次模擬進出口質量流量曲線求解結果(見圖7)。

圖6 模型邊界條件設置

(a)P=5%

(b)P=2%圖7 質量流量曲線求解結果

由圖7可見，進口質量流量曲線與設置的泥石流流量過程曲線吻合。20a一遇泥石流模擬中，出口質量流量曲線分別在t=75s處陡然下降，說明此時泥石流到達了出口邊界并流出，在t=320s附近，泥石流峰值流量從入口流入，t=415s時到達出口邊界，出口峰值流量較進口峰值流量減小到20.92m3/s，說明建筑體對于泥石流有攔擋與淤積作用。50a一遇泥石流模擬中，泥石流在t=65s處從出口邊界流出，較20a一遇泥石流流速較大，與實際情況相符，泥石流進口峰值流量出現在t=450s附近，75s后流出邊界，出口峰值流量為34.64m3/s。

3.5 后處理及分析

3.5.1 泥石流運動過程分析

CFX后處理功能多樣，可以多種形式直觀展示數值模擬結果，如等值線圖、矢量圖、動畫輸出等。本文以20a一遇泥石流模擬為例，通過泥石流流速云圖描述分析運動過程(見圖8)。

(a)t=50 s

(b)t=90 s

(c)t=340 s

(d)t=550 s

(e)t=900 s圖8 不同時刻泥石流液面速度云圖(a～e)

t=50s時，沿溝道運動的泥石流推進300m，首先淹沒了離入口最近的房屋，而后產生分支，大部分仍沿主溝道流動，小部分漫過溝道進入平坦寬闊的堆積區并逐步擴散，由于溝道狹窄，沿溝道運動速度快，最大速度達到8.679m/s，堆積區漫流速度分布在2～4m/s之間。t=90s時，泥石流已經流過出口，在居民區漫流范圍逐步擴大，鄉政府大院已經完全淹過，下游低矮民房開始被淤埋，此時危險范圍沿溝道長度400m，垂直溝道60m。t=340s時，峰值流量已經流入，泥石流整體運動速度增大，平均速度達5.5m/s，最大速度9.130m/s，由于建筑物的攔擋停淤作用，泥石流在居住區內的平均運動速度較小，為1.5m/s。t=550s時，泥石流在堆積區漫流范圍達到最大，沿溝道方向長度達430m，垂直溝道最大達280m，此時速度隨著流量降低而減小，t=900s時，泛濫范圍稍有縮小，入口流量回到洪水流量值，泥石流整體流速達最小值。

3.5.2 泥石流危險區范圍分析

取模擬結果中最大泥石流漫流范圍作為危險區范圍，20a一遇泥石流取t=550s時刻，50a一遇泥石流取t=680s時刻，以及現場訪問得到2015年實際受災范圍(見圖9)。

圖9 泥石流危險區范圍

由圖9可知，2015年泥石流爆發頻率小于20a一遇，受溝道與山體的限制，20a與50a一遇泥石流在垂直溝道方向泛濫范圍差別不大，差異主要在于順溝道方向的最大堆積長度，20a一遇泥石流最大堆積長度為430m，50a一遇泥石流最大堆積長度為470m，泥石流最大泛濫范圍分別占居民區總面積的67%、79%。一旦暴發泥石流，茸木達鄉政府所轄居民區將面臨重大威脅，需采取諸如堆積區上游側單邊或雙邊防護堤等有效防治措施。

4 結 論

(1)位于壤塘縣的茸郎溝溝域面積為45.59km2，主溝縱長14.81km，平均縱坡降51‰，為則曲河右岸一級支流，茸木達鄉政府位于茸郎溝溝口，有鄉政府、郵政所、供電站、茸木達中心校、衛生院等基礎設施，居民約300人，2015年連續強降雨后發生過一定規模的泥石流災害，對溝口居住區形成部分淤埋，潛在危害性大。

(2)數值模擬結果顯示，茸郎溝泥石流20a一遇泥石流通過堆積區平均速度為4.30m/s，最大流速為9.13m/s，50a一遇泥石流通過堆積區平均速度為4.78m/s，最大流速為10.00m/s。由于堆積區平坦開闊，建筑物較多，阻擋淤積作用使得泥石流在居民區內漫流速度較溝道內小得多。

(3)數值模擬所得到的危險區范圍顯示，20a與50a一遇泥石流均對溝口茸木達鄉有較大威脅，最大堆積長度分別為430m、470m，居民區受災面積分別達67%、79%。說明一旦暴發泥石流，對茸木達鄉居民構成嚴重威脅，需采取有效防治措施。