康定市桃花溝泥石流發育特征及防治對策

劉 丁 毅， 胡 卸 文， 楊 相 斌， 文 強

(西南交通大學，四川 成都 610031)

1 概 述

泥石流是含有大量固體物質(泥、砂、石)的特殊洪流，為高濃度的液相、固相混合流。其爆發突然，來勢猛烈，歷時短暫，破壞力強，在暴雨作用下一旦產生，將會給人民財產造成巨大損失[1]。泥石流的堆積區一般地勢較為開闊平坦，是泥石流淤積、漫流的場所，也是成災的主要區域，部分山區的城鎮、耕地就坐落在泥石流堆積區上，因此定量預測泥石流危險區范圍對堆積區保護對象安全評價具有重要意義。

由于大渡河猴子巖水電站建設需要，部分庫區內民眾擬遷移至桃花溝泥石流溝口堆積扇上。根據現場地質調查及訪問，桃花溝是一條老泥石流沖溝，該溝歷史上曾頻繁爆發泥石流。2002年該溝爆發了近期內規模最大的一次泥石流，隨后一直處于穩定期，除了雨季有小規模山洪沖出外，一直未有較大規模泥石流發生。考慮到該溝縱坡比較大，兩側山體危巖普遍發育，局部崩滑較嚴重，溝內存在早期山洪或泥石流堆積，溝口受人類工程活動影響較大，在強降雨激發下仍存在爆發泥石流的可能性，對擬建移民搬遷安置點構成潛在危害[2]。因此查明該溝是否仍存在泥石流爆發的可能性，進而判定不同頻率下的泥石流是否對擬建場址構成威脅，是場地能否利用的關鍵。

2 泥石流形成條件

2.1 地形地貌

桃花溝位于大渡河左岸、康定市孔玉鄉鄉政府對面。流域面積約4.737 km2，主溝長約3.92 km，總體流向為N17°～22°W，平均坡降為562.5‰。

桃花溝具有明顯的匯水區、流通區和堆積區(圖1)。匯水區在平面上總體呈“漏斗狀”，水系主要由主溝與流域最上游的支溝組成，支溝長約0.9 km，總體流向N50°～60°E。兩溝匯合處附近溝床寬約10 m，普遍可見厚5～8 m的含孤塊碎石土。下游段谷底較為狹窄，局部谷坡山體崩塌頻繁，崩坡積物質較豐富。中上游段山體表部風化卸荷強烈，易發生崩解和崩塌，為泥石流提供物源。

流通區溝谷呈“V”字形，溝床縱坡降較大，較為順直，溝床寬一般5～10 m，局部可達20～40 m。谷坡局部基巖裸露，淺表多為厚度不大的崩坡積覆蓋。

距溝口0.8 km以內為堆積區，溝床寬8～20 m，平均縱坡降約300‰，局部達約400‰。溝道內碎石覆蓋。近年來由于猴子巖水電站工程建設，溝口靠大渡河上游側堆積大量工程棄渣，對泥石流堆積區地貌景觀破壞嚴重。

圖1 桃花溝流域示意圖

2.2 松散物源分布

桃花溝溝域內松散物源以溝道物源、坡面物源和崩塌物源為主，溝口另有棄渣物源。根據野外調查，溝域內松散物源共46處，見表1。總靜儲量約360.71萬m3，總動儲量約42.02萬m3。由崩塌、棄渣及溝道堆積形成的物源占比達43.6%。

表1 桃花溝溝域內松散物源統計

由于桃花溝溝內植被分布差異，其溝道物源具有明顯的分段特征并可以由高至低簡單劃分為三段：(1)第一段海拔高度介于2 415～2 780 m(圖2)，整體坡度35°，局部地段陡至40°～45°。溝道寬達10～20 m，表面均為厚5 m以上的碎石。根據航拍與歷史衛星影像顯示，該段溝道上方西北方向約500 m處的高位山體發育有大量崩塌堆積體，并沿坡體表面沖溝與主溝道連接，有條件持續向溝道內輸送松散物質。結合陳明等[3]對震區部分泥石流溝的特征研究，該段溝道物源一旦啟動將呈急陡溝道型泥石流的運動形態，具有傾瀉而出、下切侵蝕的特點。同時在支溝匯合處，兩岸山體呈陡立狀，溝道迅速收窄。若在暴雨和地震條件下，泥石流很可能在此加速，將對下方溝道物源產生強烈沖刷。(2)第二段海拔高度位于2 150～2 410 m，整體坡度20°左右。該段溝道內部植被覆蓋茂密，有緩沖與耗能的作用。根據現場調查發現，在一般條件下，從上方滾落的大部分松散碎石到達該段時將逐漸停止滑移，最大塊徑達到3 m。但在暴雨或地震情況下則容易對其表面鏟刮。(3)第三段海拔高度位于2 025～2 105 m之間，坡度介于25°～40°間。該段下端與進溝道路相接，表面植被覆蓋一般，溝道內堆積有厚1～3 m的松散堆積物。

圖2 溝道物源與高位崩滑堆積物

2.3 溝口現狀

目前，桃花溝泥石流原有堆積扇已被新建公路及人工棄渣破壞(圖3)。一方面新建公路已將原有溝道完全填埋，另一方面人工棄渣形成三級堆放，導致溝口范圍內堆積扇在縱坡方向上坡度增大，可容納泥石流堆積物的空間減小。盡管棄渣堆坡面上修建了簡易排水溝，但其過流斷面明顯偏小，不能滿足10年一遇及以上泥石流排導要求。因此一旦形成泥石流災害，必將受新建公路堵塞溝道影響，由于慣性超高，越過修筑公路后剩下的殘缺山脊，沿既有出溝道路漫流并順棄渣堆坡面迅速下泄擴散。同時對棄渣產生沖刷掏蝕，后果嚴重或可破壞其現有的穩定狀態，形成暴雨-泥石流-棄渣滑坡失穩災害鏈，對移民安置點構成潛在威脅。

圖3 桃花溝溝口現狀

3 泥石流動力學基本特征

3.1 泥石流容重

根據配漿法與查表法得其容重γH為1.537 g/cm3，泥石流流體性質為過渡性偏稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

取桃花溝溝口為計算斷面，按50 a和100 a一遇進行分析。由于桃花溝為偏稀性泥石流，故計算公式采用西南地區公式[4]。

(1)

計算結果(表2)說明50 a一遇以上泥石流在溝口處具有較強的沖擊破壞作用。

表2 桃花溝溝口平均流速計算結果

3.3 泥石流流量

泥石流的危險范圍可以通過泥石流峰值流量進行估算。其峰值流量可通過雨洪修正法[5]進行計算。

QC=DC(1+φ)QP

(2)

式中QC為頻率為P的泥石流峰值流量(m3s-1)；Qp為頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3s-1)；φ為泥沙修正系數，取0.5；DC為泥石流堵塞系數，根據桃花溝溝道實際情況可取值1.8。

桃花溝泥石流溝域洪水流量與峰值流量計算結果見表3。

表3 桃花溝流量計算結果

4 基于CFX數值模擬的溝口堆積區泥石流運動特征分析

為充分掌握桃花溝可能爆發泥石流對移民安置點造成的威脅并驗證，筆者利用CFX軟件，針對在50 a一遇降水頻率下，桃花溝溝口泥石流沖淤漫流及停積范圍進行了數值模擬。整個數值模擬過程主要為建立模型—預處理—網格劃分—計算求解—后處理。

在求解過程中有以下假設[6]：

(1)流體為均質單相流。

(2)模型為剛體，不發生變形。

4.1 建立模型

基于航拍采集的高精度地形圖，利用Auto CAD確定模擬范圍并獲取高程點數據；通過Surfer和 ANSYS Mechanical APDL形成桃花溝溝口附近的三維地面模型；再用Geology模塊削去模型中多余部分；最后在Mesh模塊中選擇四面體單元對其進行網格劃分[7]。

最終建立的桃花溝溝口模型見圖4，平面投影長420 m，寬500 m，高20 m。共劃分有55 161個節點， 267 013個單元。

圖4 桃花溝溝口模型

4.2 預處理

泥石流漿體中的固體物質主要為土和石塊，根據大量實驗結果表明：其流變性質符合Bingham流體特性，故在預處理過程中選擇流變模型為非牛頓體的Bingham模型[8]，其所受剪切力與剪切率的關系如下。

(3)

在預處理中對桃花溝溝口模型的邊界約束設置主要有：

(1)將模型后端即溝道上游處設定為進口；下游和兩側邊界設置為出口；溝道和坡面設置為壁面；其余部分設置為常溫常壓的開放型約束。

(2)定義流體流入、流出方式為質量流量，模擬時間為900 s。設流量函數為F(t)，令F在t=0 s與t=900 s時取得最小值，數值上等于洪水流量26.11 m3/s；最大值為峰值流量F=70.50 m3/s，位于t=300 s左右。通過Matlab對泥石流質量流量進行多項式擬合即可得F(t) ，見圖5。

預處理完成后的模型邊界約束見圖6。

4.3 計算求解

在計算求解時采用雙精度控制的并行計算模式可以提高計算速度并且減少程序出錯概率。在進口端與出口端設置監視器可以得到進、出口流量曲線(圖7,圖中的數值上質量流量為體積流量與泥石流密度的乘積)。其中，入口端體積流量(下同)在285 s時達到峰值69.3 m3/s；出口端流量在開始30 s后開始增加，并在330 s時達到峰值68.6 m3/s，兩個峰值時間差為45 s，說明泥石流運動過程中溝道對泥石流有一定的淤積作用。由于溝道坡度較陡，泥石流運動速度較快，泥石流僅過30 s左右便到達出口端。

圖5 泥石流流量函數F(t)

圖6 溝口模型邊界約束設置示意圖

圖7 進出口質量流量曲線

4.4 結果分析

通過后處理模塊可對計算結果進行可視化處理。筆者選取了泥石流運動中的速度云圖和壓強云圖對桃花溝發生50 a一遇泥石流在溝口的運動特點進行分析。

4.4.1 速度云圖分析

圖8選取了在整個模擬時間內，泥石流溝道沿途在不同時刻的速度云圖。

(a)t=20 s

(b)t=40 s

(c)t=330 s圖8 泥石流速度云圖

在t=20 s時，泥石流運動到棄渣堆頂部平臺，最大速度達到25.5 m/s(泥石流表部，以下同)。修筑公路使得右側山脊(面向下游)被破壞形成缺口，泥石流可以依賴慣性而越過坡體繼續向下運動。t=40 s時，泥石流順棄渣堆快速下泄并向兩側擴展，其左側已經到達移民場地右側的污水處理站，此時最大流速位于平臺以及平臺下側的棄渣堆坡面上，達26.4 m/s。此后，泥石流流量不斷增加，當t=330 s時達到最大，最高流速為30.5 m/s。此時泥石流流體右側邊緣已經蔓延至移民場地左側部分區域，平均流速為6.1 m/s，可能對居民住宅和道路產生淤埋。隨后泥石流流量逐漸下降，泥石流漫流范圍也隨之減小，最大流速也逐漸減慢,在t=900 s時降至26.4 m/s。

模擬結果還顯示，較高的流速除了對移民場地產生較強的沖擊之外，還會對棄渣堆形成侵蝕，形成新的物源補給。

4.4.2 壓強云圖分析

桃花溝溝口靜壓強與全壓強云圖變化趨勢見圖9、10。靜壓強是指物體在靜止或者勻速直線運動時表面所受的壓強，動壓強是指流體顆粒每單位體積所攜帶的動能，兩者之和為全壓強[12]。

(a)t=20 s

泥石流在溝道運動時，最大正靜壓位于泥石流前部，t=20 s時為79.13 pa；同時在棄渣堆二級平臺以上坡面出現負靜壓，最大為62.8 pa。隨后當泥石流到達出口端開始流出時，以t=300 s為例，最大正靜壓則主要轉移至棄渣平臺，最大壓強為88.72 pa。此后位于棄渣堆二級平臺以上坡面處始終為負靜壓，最大為80.9 pa。t=900 s時，最大負靜壓又降至48.1 pa。

泥石流整個運動過程中，全壓強始終為正值。泥石流運動前期，最大全壓強位于流體前部的中心，行進至棄渣平臺后，最大全壓強則停留在平臺上，為465.2 pa。隨著泥石流從棄渣邊坡開始下泄并到達出口，棄渣邊坡以及平臺位置成為了最大全壓強中心并增大至718.7 pa，見圖10(b)。結合靜壓分布特征可知，棄渣坡面和平臺上受到的最大動壓將近800 pa。流量峰值過后，最大全壓分布范圍開始收縮，在t=900 s時，基本全部下移至棄渣坡面，為567.3 pa。

(a)t=20 s

(b)t=300 s圖10 泥石流全壓強云圖

根據壓強云圖可知，泥石流的運動與溝口地形密切相關。棄渣平臺使泥石流產生部分淤積從而形成較大靜壓；受坡度影響，泥石流越過平臺順坡面流動時，固體顆粒可能存在懸移，形成負靜壓；較快的流速使坡面可能因承受較大的壓力而產生失穩破壞。

4.5 泥石流堆積范圍預測

根據速度云圖和壓強云圖，可以得到50 a一遇泥石流在溝口沖淤漫流堆積范圍(圖11)[13-14]。

圖11 50 a一遇一次沖出泥石流堆積范圍模擬預測圖

模擬結果顯示，50 a一遇泥石流堆積范圍大約長400 m，寬250 m。其右側可到達污水處理站，會對移民安置點居民生命財產安全構成嚴重威脅。

因此，需要在棄渣堆頂部公路堵塞原溝道段盡快留出排泄通道，改為過水路面；拆除公路內側違建建筑物，同時棄渣堆表部新建排導槽。為確保萬無一失，再修建單邊導流堤以防止可能爆發的泥石流對擬建移民安置點的漫流淤積危害。

5 結 語

(1)桃花溝溝域內松散物源以溝道物源、坡面物源和崩塌物源為主，可能形成的泥石流流體性質為過渡性偏稀性。整體溝道坡度較陡，大量棄渣堆積于溝口。一旦發生泥石流，對擬建于原溝口堆積扇上的移民安置場地造成嚴重威脅。

(2)利用CFX軟件模擬的泥石流漫流范圍有可能蔓延至污水處理站。棄渣堆頂部平臺對泥石流運動過程中的流速和壓強等都有明顯影響。最大流速、最大負靜壓和最大全壓強基本都集中在棄渣堆二級平臺以上的坡面和棄渣平臺上。

(3)較高流速可侵蝕棄渣堆形成新的物源補給。而較大壓力也可能使其產生失穩破壞，形成暴雨-泥石流-棄渣滑坡失穩災害鏈。

(4)建議在棄渣堆頂公路堵塞原溝道段盡快留出排泄通道，改為過水路面；拆除公路內側違建建筑物；同時新建排導槽或單邊導流堤以防止可能爆發的泥石流對擬建移民安置點的漫流淤積危害。