基于數值模擬的泥石流危險性評價研究

崔小普，時澤龍

（1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038；2.中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710076）

泥石流發生后危害較大[1-6]，因而泥石流潛在危險性的判定一直伴隨著成災前后。早在1899年，美國學者Davis[7]就指出泥石流地貌發育可分為幼年期、壯年期以及老年期。地貌發育階段的判定可以有效的對泥石流危害提出評估，進而提出預防措施。本文對吳家溪泥石流形成機理進行危險性評價和穩定性分析[8-11]，并用有限元軟件進行模擬，判斷該泥石流所處發育階段，進而掌握其地質災害的基本特征。

1 研究區概況

吳家溪泥石流位于龍山縣里耶鎮吳家村，屬侵蝕剝蝕構造中低山地貌單元，地勢總體西北高東南低，最高標高+450m，最低標高+250m，相對高差200m。自然斜坡坡度一般為25～50°，局部陡坎處達75°，溝道粗糙，整個流通區坡度較陡，平均總坡降約為486‰。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形地貌條件

吳家溪溝域內山高坡陡，平均坡度25°～35°，有利于降雨的匯集，形成豐富的水源。同時，由于雨水沖刷溝谷內兩側坡體和坡腳，使之產生滑坡隱患，且溝谷縱坡較大，為松散固體物質搬運提供了有利的地形地貌條件。

2.2 物源條件

滑坡區屬中低山地貌，地形地貌條件較簡單，滑坡后緣最大高程約+440m，前緣最小高程+406m，相對高差34m。整體地形坡度相對較陡，地面坡角20～35°。前緣剪出口至后緣滑坡體水平長度為53m，滑坡前緣最大橫寬約 45m，滑坡體平均厚 7m，面積約0.20×104m2，體積約1.40×104m3，滑坡主滑方向 85°。

2.3 水源條件

據龍山縣氣象局實測資料，區內日最大降雨量為205.70mm，50年一遇的小時降雨量為81.00mm，完全具備引發泥石流災害的降雨條件，因此暴雨形成的地表徑流是引發泥石流的主要水源。

2.4 泥石流基本特征值計算

2.4.1 泥石流流體重度

本文運用現場配方法和查表法兩種方法對泥石流流體重度進行計算，進而選擇比較適合的方法。

（1）現場配方法

經調查吳家溪泥石流的發生性狀，將漿體攪拌成當時泥石流漿體濃度并進行稱重，量測漿體體積，計算其重度作為泥石流流體的重度，如表1，其計算公式為：

式中，γc為泥石流重度 t/m3；Gc為配制泥漿重量 t；V為配制泥漿m3。

表1 泥石流流體重度（配方法）

表2 泥石流流體重度（查表法）

表3 泥石流流量

圖1 泥石流地質剖面和計算模型網格圖

參照泥石流相關規范[12]，查表確定該溝域泥石流重度和泥沙修正系數，其結果如表2。

配方法測定一般只能反映當前一次泥石流發生的結果，誤差較大；查表法是在現狀調查基礎上進行預測得出重度值，更宜作為測定結果。

2.4.2 泥石流流量

泥石流峰值流量采用“雨洪法”進行計算。“雨洪法”是假設泥石流與暴雨同頻率、同步發生，計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉化為泥石流流量的假設條件下建立的計算方法[13]。

式中，Qc為頻率為P 的泥石流洪峰值流量m3/s；QP為頻率為P 的暴雨洪峰值流量m3/s；φ 為泥石流泥砂修正系數；DC為泥石流堵塞系數值，主溝取2.00。計算結果見表3。

分析可知，泥石流流量大，總量多，整體沖擊力大，沖起高度可達0.74m，由于撞擊作用，在彎道處沖起高度可以達到1m 以上，總體上來說，吳家溪泥石流危險性較大。

3 模型的建立及穩定性分析

表4 穩定性計算工況、荷載組合

表5 穩定系數計算結果

3.1 模擬計算

泥石流的地質剖面圖以及數值模型見圖1。本次模擬選取2 維計算模型，進行平面應變分析。網絡節點數14829 個，單元總數8156 個（網絡單元數6308，梁單元數462，多段線單元數1386）。將模型在天然狀態以及暴雨工況下進行仿真，模擬了兩種工況下的滑坡穩定性。將仿真模型得到的安全系數與傳遞系數法[14]進行比較分析，驗證計算的正確性。

天然狀態下邊坡穩定性分析：

天然狀態下，運用計算模型驗算的安全系數為1.07，表明邊坡現處于基本穩定狀態。（如圖2、3）

圖2 天然狀態下塑性應變云圖

圖3 天然狀態下位移云圖

暴雨工況下的塑性應變云圖及位移云圖如圖4，5 所示。暴雨工況下模型驗算的安全系數為0.66，穩定性系數偏低，邊坡處于不穩定狀態。

3.2 泥石流穩定性計算

圖4 暴雨下塑性應變云圖

圖5 暴雨下位移云圖

本次穩定性計算考慮兩種工況，詳見表4。其中，滑坡區地震設防烈度為小于Ⅵ度區，不計地震荷載。參照相關規范推薦的滑動面為折線型，采用傳遞系數法進行穩定性評價和推力計算，計算結果見表5。表5 結果顯示：該滑坡處于天然狀態時，1-1 剖面以及2-2 剖面處于穩定和基本穩定狀態；暴雨工況下，處于不穩定狀態。

通過傳遞系數法和數值軟件模擬得到的安全系數比較接近，說明計算結果比較準確。天然狀態下均能夠保持穩定，不發生破壞；暴雨工況下，滑坡穩定性系數大大降低，說明降雨對滑坡穩定性有顯著影響，連續降雨和突降暴雨是誘發滑坡的直接因素。

4 結論

吳家溪泥石流從發生頻率上看屬高頻泥石流，發展階段屬發展期；溝域內具備發生泥石流的基本條件，隨著溝內大量松散固體物源的增加，在強降雨作用下，大規模的泥石流災害可能發生。

通過數值模擬軟件建模得到的安全系數與傳遞系數法所得結果較吻合，說明吳家溪泥石流現階段仍不穩定，暴雨時危險性極大，急需治理。針對當前泥石流的發育狀態，提出了相應防治措施，為相類似的防災減災工作提供了依據。