方群生，陳志和，唐川，徐惠梁

(1.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 3.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275； 4.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 5.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031)

汶川8.0級地震后，震區(qū)山體破碎嚴(yán)重，震后災(zāi)區(qū)地質(zhì)環(huán)境變得更為脆弱，泥石流災(zāi)害處于新的活躍期[1-4]。汶川地震后，震區(qū)泥石流活動具有易發(fā)、頻發(fā)、數(shù)量多、規(guī)模大、臨界雨量閾值降低等特點(diǎn)，且多為黏性泥石流[5-7]。2010年“8.13”、2013年“7.10”，震區(qū)暴發(fā)了致災(zāi)更嚴(yán)重的群發(fā)性泥石流[8-9]。其中有一類運(yùn)動、成災(zāi)規(guī)模較為典型的急陡溝道型泥石流，此類泥石流具有較小流域面積、較為陡峭的地形、較好物源條件、較好溝谷匯水條件、水動力大、沖蝕能力強(qiáng)、致災(zāi)嚴(yán)重等特征[10-12]。

目前，相關(guān)研究對急陡溝道型泥石流涉及較少，以美國科羅拉多州的泥石流形成的研究為背景，美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS) 發(fā)現(xiàn)在急陡溝道條件下，泥石流的物源起動中的“消防管效應(yīng)”較為明顯。Cannon等[13]和Godt & Coe[14]認(rèn)為松散堆積物在山谷匯流作用下起動形成泥石流過程中會形成“消防管效應(yīng)”，唐川等[15]提出在陡峭流域上游暴雨產(chǎn)生溝道徑流導(dǎo)致水流快速集中，這個過程像“消防水管”效應(yīng)。Yu等[16]通過野外實(shí)地調(diào)查選取臺灣陳有蘭溪流域的117 條泥石流，構(gòu)建消防管效應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型。之后，狹陡型泥石流、窄陡溝道型泥石流、急陡型泥石流等對急陡溝道型泥石流的定義被相繼提出[10,17-18]。陳明等[10]定義急陡溝道型泥石流為流域面積<5 km2、溝道平均縱比降>30%、流域完整系數(shù)<0.4 的區(qū)域，溝谷處于發(fā)育壯年期，匯水集中，侵蝕能力大，物源豐富，沖出量相對較大，地形條件上相似于溝谷型泥石流，形成、運(yùn)動上又相似于坡面型泥石流的這一類泥石流。楊東旭等[17]定義狹陡溝道型泥石流為流域面積<3 km2、溝道平均縱比降>30%、流域完整系數(shù)<0.4 的區(qū)域，流域鄰脊(谷) 狹窄、溝床縱坡陡峻、地表物源豐富的發(fā)展期山坡泥石流。韓玫等[18]提出窄陡溝道型泥石流為流域面積相對較小、縱坡陡、溝道狹窄，容易瞬間匯流形成突發(fā)性泥石流，具有流速快、溝口沖出規(guī)模大、迅速沖淤、迅速堵江而形成一系列重大危害的特點(diǎn)，時常導(dǎo)致溝口建筑物遭受毀滅性影響的泥石流。屈永平等[19]通過野外調(diào)查和遙感解譯，定義了汶川強(qiáng)震區(qū)急陡溝道泥石流的平均縱比降為400‰的溝道泥石流。龔凌楓等[11]通過實(shí)驗(yàn)研究表明，急陡溝道泥石流堆積體的起動是急陡溝道泥石流沖出量巨大的主要原因。韓玫等[18]以磨子溝泥石流為例，采用CFX軟件模擬再現(xiàn)50年一遇暴雨頻率下窄陡型泥石流的動力學(xué)過程，分析其危險(xiǎn)范圍和破壞性影響。胡卸文等[20]研究震后泥石流的首期治理工程發(fā)現(xiàn)，對于溝道縱坡降較大、溝道狹窄、水動力作用較強(qiáng)的這類泥石流，以往的治理工程難以起作用，往后應(yīng)有效地組合防治工程方案。陳明等[10]采用FLO-2D數(shù)值模擬瓦窯溝急陡型泥石流基本特征及沿途動力學(xué)特征，結(jié)果表明FLO-2D數(shù)值模型對急陡型泥石流仍具有較強(qiáng)的有效性和實(shí)用性。唐得勝[21]選取龍溪河的12條泥石流，采用FLO-2D進(jìn)行自然和工程條件下泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)評價，結(jié)果顯示，總沖出量越小防治效果越好。

目前，急陡溝道型泥石流的預(yù)警和工程控制難度較大，關(guān)于這類泥石流的研究雖已有所涉及，但數(shù)值模擬未考慮工程措施影響。本文以汶川震區(qū)映秀鎮(zhèn)急陡型泥石流瓦窯溝為實(shí)例，結(jié)合野外調(diào)研數(shù)據(jù)，采用FLO-2D模擬4種不同降雨頻率下的瓦窯溝泥石流在非工程和工程措施下的沖出規(guī)模，為深入了解汶川震區(qū)急陡溝道型泥石流規(guī)模、頻率和危險(xiǎn)性等提供參考。

1 典型案例——瓦窯溝概況

瓦窯溝流域汶川縣綿虒鄉(xiāng)高店村，溝口地理坐標(biāo)31°20′5.39″N，103°28′58.97″E，溝口前緣有綿虒服務(wù)區(qū)配電房及國道G213經(jīng)過。流域面積約1.21 km2，溝道縱向長度約2.78 km，平均縱比降約為48.9%，坡度一般為35°～65°。溝道地形陡峻，臨空條件發(fā)育，且具有中上游寬，下游窄的特點(diǎn)。溝道的斜坡上部堆積體以松散的粉質(zhì)粘土夾碎塊石土為主，溝道兩側(cè)坡腳地堆積大量不穩(wěn)定堆積體。2013年7月10日，在特大暴雨作用下，誘發(fā)了瓦窯溝泥石流，大量松散物質(zhì)轉(zhuǎn)化為泥石流快速沖出溝道。從7月10日上午9時至7月11日凌晨2時不斷有泥石流沖出溝道，累計(jì)造成高店村9戶民房完全被掩埋，18戶民房部分被淤埋，綿虒服務(wù)區(qū)配電房部分被淤埋，停車場被淤積約3 000 m2，國道213線及老213線各被掩埋330 m。導(dǎo)致綿虒服務(wù)區(qū)停止運(yùn)營，國道213線及老213線中斷，因當(dāng)?shù)卣皶r組織人員撤離所幸無人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失約1 000萬元。本次泥石流災(zāi)害沖出量淤積在溝道出山口與河道之間的寬闊平壩上，泥石流堆積體前緣未到達(dá)岷江河道，未造成堵河。形成的堆積扇最大沖出長度約143 m，最大沖出寬度約307 m，堆積面積約3.9×104m2，累積3次沖出量約22×104m3，如圖1。根據(jù)綿虒鎮(zhèn)區(qū)域氣象站資料，結(jié)合分析本次發(fā)生”7.10”泥石流的降雨量為20年一遇降雨強(qiáng)度(參考最近的羊店站點(diǎn))，但考慮到前期連續(xù)降雨的影響及其疊加作用(達(dá)67.3 mm)，確定本次“7.10”泥石流屬于50年一遇泥石流。

圖1 瓦窯溝“7.10”泥石流沖出量淤積Fig.1 Accumulation fan of Wayao gully debris flow runout volume in the 7.10 event

2 數(shù)值模擬參數(shù)率定

2.1 數(shù)據(jù)來源

DTM是FLO-2D模擬的基礎(chǔ)地形模型。依據(jù)瓦窯溝1∶10 000等高線的地形數(shù)據(jù)。模擬前，本文采用10 m×10 m的網(wǎng)格模擬，計(jì)算流域邊界，并插值計(jì)算網(wǎng)格的高程點(diǎn)。工程情景模擬時，將實(shí)際的工程位置導(dǎo)入到地形數(shù)據(jù)，先創(chuàng)建壩體，并設(shè)置屬性，賦值給壩體的高度、方向，導(dǎo)入防治工程參數(shù)(圖2)。

防治工程模擬具體步驟：① 確定泥石流入流點(diǎn)的位置；② 通過數(shù)值高程模型、FLO-2D 用戶手冊、前人研究和野外調(diào)查準(zhǔn)備數(shù)值模擬中所需的各種參數(shù)數(shù)據(jù)；③ 在入流點(diǎn)處設(shè)置流量過程線；④ 若高程數(shù)據(jù)為未發(fā)生泥石流或修建工程前的數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行校正，以便達(dá)到較好的模擬效果；⑤ 在 FLO-2D 軟件中形成的地形模型中，設(shè)置防治工程相關(guān)參數(shù)；⑥ 進(jìn)行模擬，獲取結(jié)果。

通過野外的調(diào)查與測量，得到瓦窯溝流通區(qū)格柵壩的高、寬及設(shè)計(jì)庫容量等壩體參數(shù)，壩體的高、寬及設(shè)計(jì)庫容量分別為9 m，2 m，9.78×104m3。瓦窯溝溝口設(shè)置有排導(dǎo)槽工程，相對于流通區(qū)的格柵壩，其對泥石流沖出量的排導(dǎo)、消能、停淤的作用較小，因此本次數(shù)值模擬只考慮起主要攔擋作用的格柵壩，這也是泥石流淤積范圍及淤積量與實(shí)際有一定差距的原因之一。

2.2 參數(shù)率定

結(jié)合FLO-2D 手冊，對瓦窯溝數(shù)值模擬的參數(shù)進(jìn)行率定。假設(shè)泥石流的降雨頻率同于暴發(fā)頻率，然后獲取一次泥石流清水流量Qp，結(jié)合洪峰流量Qs，采用雨洪法獲取瓦窯溝不同降雨頻率下起始點(diǎn)的流量見表1。

1)重度及體積濃度

Fang等[7]在華溪溝泥石流溝口堆積扇上隨機(jī)取樣，采用現(xiàn)場配漿計(jì)算泥石流的容重，結(jié)合FLO-2D參考手冊，綜合選取體積濃度，模擬精確度約達(dá)89%。本文參考其方法，通過野外實(shí)地調(diào)查及現(xiàn)場試驗(yàn)，選取平均重度為2.3 g/m3，密度為2.65 t/m3，綜合選取體積濃度為CV=60%。

圖 2 FLO-2D 數(shù)值模擬軟件中的壩體設(shè)計(jì)窗口Fig.2 Dam design window in FLO-2D numerical simulation software

2)屈服應(yīng)力及粘滯系數(shù)

王納納[22]利用FLO-2D對汶川震區(qū)羊嶺溝和碼頭溝沖出量進(jìn)行模擬，根據(jù)震區(qū)泥石流特性，結(jié)合FLO-2D使用手冊和詹錢登等[23]的實(shí)驗(yàn)，選取屈服應(yīng)力(τy)及粘滯系數(shù)(η)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α1=0.811、α2=0.004 62、β1=13.72、β2=11.24，碼頭溝的模擬結(jié)果精確度達(dá)74%，羊嶺溝的模擬結(jié)果精確度達(dá) 88%。由于本文選取的瓦窯溝位于汶川縣綿虒鄉(xiāng)，其地質(zhì)地貌條件和泥石流特性與羊嶺溝和碼頭溝相似，因此參考其方法取值。屈服應(yīng)力(τy)及粘滯系數(shù)(η)的大小主要取決于流體的體積濃度，相應(yīng)的求解如下：

η=α1exp(β1cν)

(1)

τy=α2exp(β2cν)

(2)

式中，α1、α2、β1、β2的取值為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取瓦窯溝的屈服應(yīng)力及粘滯系數(shù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)α1=0.811、α2=0.004 62、β1=13.72、β2=11.24。綜合野外調(diào)查，因此參考其方法取瓦窯溝粘滯系數(shù)η=3 449.75。

3)層流阻滯系數(shù)(K)

根據(jù)FLO-2D手冊，定義泥石流流域內(nèi)稀疏植被所采用的層流阻滯系數(shù)為1 000～4 000，唐得勝[21]運(yùn)用FLO-2D，選取層流阻滯系數(shù)K=2 280，對汶川震區(qū)茶馬古道溝等12條泥石流溝進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果平均精確度達(dá)70.42%。由于瓦窯溝位于汶川震區(qū)，其地質(zhì)地貌條件和泥石流特性相似，綜合野外調(diào)查，因此參考其方法取瓦窯溝層流阻滯系數(shù)K=2 285。

4)曼寧粗糙系數(shù)

曼寧粗糙系數(shù)(c2)取決于王裕宜等[24]的公式(3)和FLO-2D手冊，常鳴[25]根據(jù)王裕宜[24]公式和FLO-2D手冊，結(jié)合現(xiàn)場野外調(diào)查確定泥石流堆積扇的堆積厚度分別計(jì)算出汶川震區(qū)黃央溝等12條泥石流溝的曼寧粗糙系數(shù)，模擬結(jié)果平均精確度達(dá)70.42%。參考其方法，本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，確定瓦窯溝流域內(nèi)只存在無碎石分布的矮草原植被，且堆積扇的平均厚度約為3 m，故取值曼寧粗糙系數(shù)為0.1。

(3)

式中，Rns為體積濃度，h為泥深。

對比分析陳明等[10]設(shè)置降雨頻率為2%，瓦窯溝泥石流在非工程措施條件下的數(shù)值模擬的參數(shù)，本文在曼寧粗糙系數(shù)略有差異，其他參數(shù)均保持一致，因此降雨頻率為2%，非工程措施下的模擬結(jié)果和精度均非常接近。但本文同時還模擬了降雨頻率為10%、20%、100%時，非工程措施條件下，瓦窯溝泥石流沖出量情況，以及考慮治理工程條件下，分別模擬瓦窯溝在不同降雨頻率下的沖出量情況，對其進(jìn)行工程措施影響效果分析。

溝道的侵蝕/堆積的分界點(diǎn)為本文模擬的入流點(diǎn)[26]，模擬時間按照泥石流實(shí)際歷時確定，瓦窯溝泥石流按照“7.10”泥石流總歷時約0.6 h。為對比非工程措施和工程措施下發(fā)生的泥石流，將兩種情景下的泥石流入流點(diǎn)選取同一處。

3 急陡溝道型泥石流沖出量模型預(yù)測

3.1 非工程措施下模擬結(jié)果及分析

不同降雨頻率會影響泥石流的沖出范圍，數(shù)值模擬瓦窯溝在非工程措施下4種不同降雨重現(xiàn)周期(P=1%，2%，5%和10%)的泥石流沖出量。如圖3所示，隨著重現(xiàn)期的增加，沖出影響范圍、平均深度、總沖出量均出現(xiàn)減少，重現(xiàn)期為10、20、50和100年一遇時，均不會堵塞岷江河道，但重現(xiàn)期超過50年一遇時，會對國道G213線及綿虒服務(wù)區(qū)造成不同程度的損壞，具有較大的危險(xiǎn)性。這與瓦窯溝“7.10”泥石流事件的結(jié)果保持一致，重現(xiàn)期為50年一遇時，沖出量和沖出規(guī)模均不形成堵江。P=1%的沖出量分別是P=2%、P=5%的1.69倍、2.81倍，如表2所示。

3.2 非工程措施下模擬驗(yàn)證

根據(jù)野外調(diào)查和相關(guān)文獻(xiàn)資料，瓦窯溝“7.10”泥石流事件是降雨頻率為P=2%下暴發(fā)的泥石流，運(yùn)用基于模擬堆積區(qū)域與實(shí)測沖出量范圍疊加分區(qū)的精度評估模型[27]，對比驗(yàn)證實(shí)際發(fā)生的沖出規(guī)模與模擬結(jié)果，模擬的最大沖出長度、最大沖出寬度、沖出范圍分別為156 m、259 m和2.77×104m2，實(shí)際發(fā)生的最大沖出長度、最大沖出寬度、沖出范圍分別為143 m、307 m和2.9×104m2，沖出范圍出現(xiàn)重疊的部分為2.45×104m2，模擬精度達(dá)到86.4%，模擬結(jié)果與實(shí)際發(fā)生泥石流事件的結(jié)果較為吻合。

3.3 工程措施下泥石流沖出量數(shù)值模擬

急陡型泥石流溝道修建了工程措施，比無工程措施下的泥石流沖出規(guī)模大很多。本文采用FLO-2D準(zhǔn)確設(shè)置工程位置，以及將防治工程的攔擋效果反應(yīng)出來。通過分析急陡溝道型泥石流在工程措施下的沖出規(guī)模，檢驗(yàn)工程措施對泥石流的防治效應(yīng)。

表1 瓦窯溝泥石流不同降雨頻率起始點(diǎn)的流量表Table 1 Discharges of starting points in the catchments of Wayao gully at different rainfall frequency

表2 非工程措施下瓦窯溝泥石流的模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of the Wayao gully debris flow under nonengineering measures scenarios

通過野外現(xiàn)場調(diào)查，瓦窯溝只在流通區(qū)修建了一道格柵壩的防治工程，壩后沒有松散堆積物質(zhì)，庫容量非常大。攔擋壩主要作用是阻止泥石流進(jìn)一步侵蝕流通區(qū)溝道，消耗泥石流能量，降低流速，減少沖出量沖出溝口。數(shù)值模擬時主要考慮這一道攔擋壩(圖4)，其壩體有效高度為9 m，壩體淤埋深度為1.2 m，壩體軸線長度為20 m，壩體寬度為2 m，庫容量為9.78×104m3。

模擬模型在非工程措施的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上加入一道攔擋壩，模擬結(jié)果顯示，隨著降雨重現(xiàn)期(P=1%，P=2%，P=5%，P=10%)的不斷增加，沖出量不斷減少，在重現(xiàn)期不超過P=5%時，防治工程防治效果更為明顯。P=10%和P=5%時，攔擋壩擋住大部分泥石流，使其停淤在壩后。當(dāng)重現(xiàn)期為P=2%和P=1%時，部分泥石流越過防治工程沖出溝口，模擬具體結(jié)果如圖5和表3所示。

排導(dǎo)槽一般都修建于泥石流溝口位置，雖對泥石流掩埋的范圍有較大的限制，會影響泥石流沖出量的長度和寬度，但排導(dǎo)槽對泥石流沖出量的排導(dǎo)、消能、停淤的作用較小。同時本文數(shù)值模擬工程措施時，瓦窯溝的沖出量在10年、20年、50年一遇降雨頻率下并未沖出溝口，即排導(dǎo)槽工程沒有影響到?jīng)_出量規(guī)模，而100年一遇降雨頻率下沖出量大部分亦未沖出溝口，排導(dǎo)槽工程對沖出量的影響較小，因此本文沒有考慮排導(dǎo)槽工程。

3.4 非工程與工程措施下模擬結(jié)果分析

相同降雨重現(xiàn)期，非工程措施下的沖出量遠(yuǎn)大于工程措施下的沖出量。當(dāng)重現(xiàn)期為P=10%和P=5%時，由于防治工程的作用，泥石流未沖出溝口。非工程措施下，大量泥石流沖出溝口，沖入岷江，P=5%時，沖入岷江河道的泥石流物質(zhì)變大，沖出物只淤積在溝道出山口與河道之間的寬闊平壩上，未形成堵塞河道，這與“7.10”瓦窯溝泥石流實(shí)際發(fā)生的沖出規(guī)模較一致。P=1%時，沖出量損毀部分國道G213道路，很大部分沖出量進(jìn)入岷江河道。

P=2%時，在工程治理效果下，泥石流少量沖出溝口，比非工程措施下的沖出量減少6.47×104m3，減少83.16%，沖出影響范圍減少2.1×104m2，減少75.81%，平均堆積深度減少0.85 m，減少30.25%。P=1%時，泥石流沖出量顯著降低，比非工程措施下的沖出量減少8.39×104m3，減少63.70%，沖出影響范圍減少2.01×104m2，減少50%，平均深度減少1.03 m，減少31.60%，未對國道G213道路形成威脅，且較少沖出量進(jìn)入岷江河道(圖3和圖5)。工程措施的攔擋壩受泥石流物質(zhì)堆積后，堆積深度加大，不斷降低溝道縱坡降，致使泥石流沖出動能不斷變小，有效控制了泥石流的沖出規(guī)模。

圖4 瓦窯溝治理工程現(xiàn)場照片(攝于2018年1月8日)Fig.4 The site photos of treatment engineering in Wayao gully (Photographed on Jan 8, 2018 )

表3 工程措施下瓦窯溝泥石流的模擬結(jié)果
Table 3 Simulation results of the Wayao gully debris flow under engineering measures scenarios

P/%沖出量/(104m3)平均堆積深度/m堆積扇面積/(104m2)最大沖出長度/m最大沖出寬度/m14.722.232.0113221221.311.960.6789148

圖5 工程措施下不同降雨頻率的瓦窯溝泥石流沖出量模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of the runout volume in Wayao gully at different rainfall frequency under engineering measures scenarios

4 結(jié) 論

急陡型泥石流的形成、運(yùn)動及成災(zāi)過程具有特有的規(guī)律，研究此類泥石流沖出規(guī)模，可以更深入掌握汶川震區(qū)急陡溝道型泥石流的風(fēng)險(xiǎn)、危害程度。通過對汶川震區(qū)的典型急陡溝道型泥石流瓦窯溝的現(xiàn)場調(diào)查分析，以及采用FLO-2D數(shù)值模擬非工程和工程措施兩種情景下的泥石流沖出量，得到以下結(jié)論：

1)以汶川震區(qū)的典型急陡溝道型泥石流瓦窯溝為例，采用FLO-2D模擬重現(xiàn)期50年一遇時，瓦窯溝泥石流沖出量情況，模擬精度達(dá)到86.4%。模擬結(jié)果與瓦窯溝“7.10”泥石流事件的沖出規(guī)?；颈３忠恢?，這表明模擬方法具有很高的準(zhǔn)確性和有效性。

2)模擬重現(xiàn)期50年一遇時，工程治理措施下比非工程措施下的沖出量減少83.16%，沖出影響范圍減少75.81%，平均堆積深度減少30.25%。模擬重現(xiàn)期100年一遇時，沖出規(guī)模顯著降低，工程治理措施下比非工程措施下的沖出量減少63.70%，沖出影響范圍減少50%，平均深度減少31.60%。