宋 陽,耿燦欣,林娟娟,鄧潔儀

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

川藏鐵路沿線的地勢(shì)與地形相對(duì)比較復(fù)雜,這里不僅有陡峭的高山、峽谷,還存在著擁有數(shù)百米厚度的古冰磧層、沖洪積層,發(fā)生崩塌、滑坡以及泥石流等自然災(zāi)害的次數(shù)與可能性都相對(duì)較高,其中泥石流災(zāi)害尤為典型。在1953年夏古鄉(xiāng)溝發(fā)生的特大規(guī)模的泥石流以及1983年培龍溝爆發(fā)泥石流,都給當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等造成了巨大的損失,危害十分嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直以來對(duì)泥石流的預(yù)報(bào)預(yù)警等問題都十分關(guān)注,周金星[1]通過歷史上北京山區(qū)發(fā)生的泥石流,分析其影響因子和災(zāi)害特點(diǎn),對(duì)泥石流災(zāi)害的空間分布進(jìn)行了預(yù)報(bào);劉雙等[2]通過分析寨坪溝泥石流的形成條件和基本特征,根據(jù)其啟動(dòng)原理,采用了泥石流預(yù)報(bào)公式進(jìn)行預(yù)警;馬艷鮮等[3]通過西藏歷史上發(fā)生過的泥石流,分析其時(shí)空分布特征與降水條件分析,得到泥石流多發(fā)時(shí)段和地區(qū)的分布,但是以前的研究大多是對(duì)泥石流的時(shí)空特征、規(guī)模大小還有特征值進(jìn)行預(yù)報(bào)。文獻(xiàn)[4]在1972年通過研究分析提出了激發(fā)泥石流的前提條件是10 min內(nèi)的降雨強(qiáng)度;Cannon等[5]分析泥石流現(xiàn)象,得到因?yàn)榈貐^(qū)差異造成的土體、地形的區(qū)別,造成泥石流的臨界降雨值也會(huì)不一樣的結(jié)論;Caine等經(jīng)過對(duì)引發(fā)泥石流的雨強(qiáng)和表面滑坡之間的聯(lián)系進(jìn)行研究,提出了監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的時(shí)間與雨量同產(chǎn)生泥石流的預(yù)測(cè)模型[6,7]。我國(guó)在西南地區(qū)研發(fā)設(shè)計(jì)了“鐵路沿線實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”,在2012年對(duì)四川地區(qū)的泥石流自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)警進(jìn)行了大量的研究和設(shè)計(jì)。常文娟等[8]對(duì)青海8.21泥石流的發(fā)育特征進(jìn)行了研究并對(duì)其進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià);唐川等[9]提出1 h降雨強(qiáng)度和10 min降雨強(qiáng)度相互影響的結(jié)果才形成了暴雨后的泥石流;韋方強(qiáng)等[10]在分析土體含水量與時(shí)間關(guān)系的基礎(chǔ)上,采用最小二乘法提出泥石流早期可利用降水量的計(jì)算模型。目前我國(guó)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方式正逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制并且大力提高精度,這方面以全球定位系統(tǒng)(Global positioning system,GPS)、普通包無線服務(wù)(General packet radio service,GPRS)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展尤為突出。

本文分析和研究地勢(shì)復(fù)雜的山區(qū)泥石流災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理,提出基于泥石流從形成到發(fā)生過程的監(jiān)測(cè)預(yù)警模型,經(jīng)過對(duì)復(fù)雜山區(qū)泥石流在形成過程中的各個(gè)階段的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)合文中提出的各參數(shù)的特征指標(biāo)值和劃分的災(zāi)害等級(jí),形成泥石流災(zāi)害的綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),及時(shí)對(duì)鐵路部門發(fā)出提醒,從而保障高鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

1 川藏鐵路沿線泥石流成災(zāi)機(jī)理分析

川藏鐵路由成都平原作為起點(diǎn),橫穿橫斷山脈,經(jīng)過諸多河流到達(dá)青藏高原,沿線附近地形變化繁復(fù),受風(fēng)化的影響,松散固體物質(zhì)量不斷增加,使得泥石流災(zāi)害特別容易發(fā)生。復(fù)雜山區(qū)泥石流環(huán)境是指地形陡峭、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的土質(zhì)山體,經(jīng)過暴雨降水、冰雪消融等水源沖激的、含有大量泥沙碎石和介于夾帶沙石的水流混合環(huán)境[11-13]。本文將從泥石流的分類、特征以及泥石流的成因等方面對(duì)泥石流災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析。

1.1 泥石流災(zāi)害的分類及特征

泥石流可以根據(jù)成因、流體性質(zhì)以及流體的物質(zhì)組成進(jìn)行分類,根據(jù)川藏鐵路沿線的地質(zhì)情況[14,15],本文主要從泥石流的形成因素方面進(jìn)行分類,分為基于降雨型、基于冰川型和共生型等3類泥石流。其分類如圖1所示。

基于降雨型的泥石流是指降雨雨量為泥石流形成的水體來源,這種泥石流主要發(fā)生在雨水多的季節(jié);在冰川和雪山的外緣地帶會(huì)產(chǎn)生基于冰川型的泥石流,這種泥石流的形成與冰川的變化過程聯(lián)系緊密,并且規(guī)模宏大、難以預(yù)報(bào)、治理難度大;共生型泥石流是以冰川冰雪消融和降雨共同作為水體來源形成的泥石流,由于其成因比較特殊,所帶來的災(zāi)害規(guī)模也會(huì)比前兩種更大。

1.2 泥石流災(zāi)害的成因分析

導(dǎo)致泥石流產(chǎn)生的原因主要有:地形地貌條件、充沛的水源、豐富的松散固體物質(zhì)[16-18],其分類如圖2所示。本文將從引發(fā)因素對(duì)川藏鐵路沿線的易發(fā)泥石流進(jìn)行分析。

成因1。地勢(shì)地形的復(fù)雜多樣。地形地貌是泥石流產(chǎn)生過程中的前提條件。川藏鐵路沿線地形山高溝深、山嶺水流和大量河谷溝壑。這種地形有利于水流的集聚,極易產(chǎn)生降雨型泥石流。在鐵路沿線河流流域內(nèi),冰川、冰湖地貌發(fā)育成熟,侵蝕比較強(qiáng)烈,為冰川型泥石流的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。泥石流形成的地形地貌分類如圖3所示。

成因2。充沛的水源。充沛的水源是泥石流在形成過程中的主要因素。在川藏鐵路沿線的大量降雨、冰川消融、冰雪崩塌等現(xiàn)象,把大量的水資源供給泥石流的形成。所需的水源條件如圖4所示。

成因3。大量的固體不穩(wěn)定物質(zhì)。大量的碎裂固體物質(zhì)是泥石流爆發(fā)的關(guān)鍵原因。川藏鐵路沿線大量的破碎巖體、冰水沉積物等,給泥石流的產(chǎn)生供應(yīng)了大量的碎裂不穩(wěn)定固體物質(zhì)。固體物質(zhì)來源如圖5所示。

2 泥石流環(huán)境下高鐵安全運(yùn)營(yíng)的預(yù)警模型

本文將泥石流在形成過程中的具有代表性的預(yù)警參數(shù)匯合在泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,能夠形成預(yù)警信息與監(jiān)測(cè)信息之間的交互分析檢驗(yàn),這將會(huì)使泥石流預(yù)警的準(zhǔn)確率得到促進(jìn)。

2.1 泥石流形成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

合理選擇監(jiān)測(cè)泥石流相關(guān)參數(shù)的內(nèi)容是保證監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可靠性的重要環(huán)節(jié)。監(jiān)測(cè)目標(biāo)主要從形成泥石流所需條件、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和水體條件等方面進(jìn)行分析,選擇從以下幾個(gè)方面監(jiān)測(cè)泥石流,即水量監(jiān)測(cè)、土地滲水深度監(jiān)測(cè)、泥石流次生波監(jiān)測(cè)和臨災(zāi)泥位監(jiān)測(cè)[19]。將各參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)值與預(yù)警分類等級(jí)相結(jié)合,構(gòu)成基于泥石流形成過程中的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理中心和預(yù)警等3部分系統(tǒng)共同組成預(yù)警系統(tǒng),總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2 泥石流相關(guān)參數(shù)

本文主要對(duì)降雨強(qiáng)度、土壤降雨滲入深度、泥石流運(yùn)動(dòng)過程階段次聲波以及泥石流溝道泥位等參數(shù)進(jìn)行分析。

2.2.1 泥石流降雨量分析

充沛的水源是導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)主要原因,在川藏鐵路沿線降雨以及冰崩、雪崩帶來的冰雪融水都能提供水源。以前的研究人員常會(huì)使用統(tǒng)計(jì)降雨模型對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào),對(duì)10 min降雨量、1 h降雨量、24 h降雨量的臨界雨量值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì),泥石流是否發(fā)生與10 min降雨量的關(guān)系最為密切。

(1)10 min臨界雨量判別式。在綜合分析的基礎(chǔ)上,給出10 min臨界雨量的關(guān)系判別式

Ri10≥μ1Ri10-μ2Pa≥μ3Ri10

(1)

(2)實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。表達(dá)實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系式

Y=R·M

(2)

式中:R為降雨系數(shù);M為地面泥石流溝的判別系數(shù)。

(3)降雨條件函數(shù)。基于式(2),本文使用了降雨條件函數(shù)R與流域內(nèi)的環(huán)境動(dòng)態(tài)函數(shù)M,按照活動(dòng)性要素的作用機(jī)理、數(shù)量差異和在流域的時(shí)空的聯(lián)結(jié)關(guān)系,來預(yù)報(bào)預(yù)警是否會(huì)形成泥石流,產(chǎn)生泥石流時(shí)的降雨條件函數(shù)為

(3)

式中:K為存在前期的降雨量的系數(shù),K>1;沒有前期降雨的情況下系數(shù)K=1;H24h為該區(qū)域在24 h內(nèi)的最大降雨量(mm);H24h(D)為該區(qū)域可能產(chǎn)生泥石流24 h的臨界降雨量(mm);H1h為該區(qū)域在1 h內(nèi)的最大降雨量(mm);H1h(D)為該地區(qū)可能引發(fā)泥石流的1 h臨界降雨量(mm);H1/6h為該區(qū)域在10 min內(nèi)最大降雨量(mm);H1/6h(D)為可能導(dǎo)致該地區(qū)發(fā)生泥石流的10 min以內(nèi)的臨界降雨量(mm)。

對(duì)降雨量預(yù)警參數(shù)進(jìn)行上述分析,得到了降雨條件函數(shù)與泥石流爆發(fā)關(guān)系,見圖7。

利用泥石流降雨條件判別式(3)的結(jié)果對(duì)不同等級(jí)的泥石流進(jìn)行預(yù)警,其臨界判別如表1所示。

表1 降雨系數(shù)R與泥石流預(yù)警臨界判別

2.2.2 泥石流土體入滲深度分析

坡地土壤是泥石流源的重要組成部分,其穩(wěn)定性會(huì)受到降雨入滲的影響。泥石流源土壤降雨入滲深度的臨界指標(biāo)值為

(4)

式中:c為飽和土體粘聚力,λ1為水的飽和容重,λ2為土地飽和容重,λ3為土體浮容重,α為源地土體斜坡坡度,β為源地土體飽和土體內(nèi)摩擦角。

2.2.3 泥石流次聲聲壓分析

次聲波的聲壓值與泥石流的種類和大小有聯(lián)系,泥石流中的固體物質(zhì)越多,流量和流速越大,其幅值和聲壓越大,次聲波形在泥石流發(fā)生時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出間諧正弦波;它的頻率是5～10 Hz,一般大約為6 Hz;幅值為0.5～4.0 Pa。產(chǎn)生泥石流的大小會(huì)直接影響次聲波的強(qiáng)度。據(jù)觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn),泥石流的流量和次聲壓力值之間大致存在線性正比關(guān)系,見圖8。

2.2.4 泥石流泥位分析

在復(fù)雜山區(qū),鐵路一般通過橋涵穿越?jīng)_溝,所以有必要對(duì)泥石流所對(duì)應(yīng)頻率下的洪峰流量進(jìn)行分析,并按照泥石流沖溝通過能力確定橋涵斷面大小。與泥石流的泥位、斷面的過流面積、水力半徑、溝床的縱坡坡度有關(guān),根據(jù)鐵路列車的行車安全性,確定了不同預(yù)警等級(jí)下泥石流的泥位預(yù)警值。泥位預(yù)警判別式為

(5)

式中:G為危險(xiǎn)程度等級(jí);L為泥石流的實(shí)際泥位;l為橋涵、溝道的安全過流泥位。

根據(jù)實(shí)際情況,泥石流的泥位預(yù)警閾值判別等級(jí)見表2。

表2 泥石流泥位閾值判別等級(jí)

2.3 泥石流預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

通過分析泥石流的形成條件,發(fā)現(xiàn)引發(fā)泥石流的主要原因,建立預(yù)警模型。泥石流的預(yù)警模型由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理中心及預(yù)警等3部分系統(tǒng)組成。

架構(gòu)1:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是將上述參數(shù)進(jìn)行采集處理。雨量信號(hào)通過雨量站的雨量筒進(jìn)行采集;對(duì)土壤降雨入滲深度的監(jiān)測(cè)是通過監(jiān)測(cè)泥石流源土壤電導(dǎo)率的變動(dòng),推算求得降雨土壤入滲深度;次聲信號(hào)通過次聲傳感器的采集終端采集;泥位數(shù)據(jù)通過泥位計(jì)采集終端采集。

架構(gòu)2:數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸是把監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳回。按照溝道條件的不同和設(shè)備的要求,選擇采用公網(wǎng)(GSM/GPRS)、北斗衛(wèi)星和光纖/ADSL等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

架構(gòu)3:數(shù)據(jù)處理中心及預(yù)警系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)庫核心和預(yù)警管理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與進(jìn)一步的研究,將數(shù)據(jù)與預(yù)警值進(jìn)行比較,從而按照預(yù)報(bào)的等級(jí)對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)出警報(bào)信息。泥石流預(yù)警系統(tǒng)的流程如圖9所示。

復(fù)雜山區(qū)泥石流預(yù)警信息的發(fā)布主要取決于泥石流預(yù)警的種類和可能發(fā)生災(zāi)害的規(guī)模來確定,從而向危險(xiǎn)區(qū)域的過往列車進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)泥石流流域發(fā)生降雨或者冰川融化等產(chǎn)生水源時(shí),啟動(dòng)流域內(nèi)的水量、滲水深度、振動(dòng)和泥位的信息監(jiān)測(cè),當(dāng)水量、滲水深度和振動(dòng)均未達(dá)到警戒值時(shí),工作人員暫時(shí)不做處理,列車以正常速度運(yùn)行;當(dāng)達(dá)到危險(xiǎn)水量值或者達(dá)到警戒泥位值時(shí)組織相關(guān)人員準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移,每隔一定時(shí)間向列車報(bào)告一次流量,列車應(yīng)降低速度行駛;當(dāng)泥位達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí),應(yīng)組織區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員立即轉(zhuǎn)移,列車停運(yùn)。

3 案例分析

磨子溝地處四川省松潘縣,屬于北亞熱帶氣候,年均降雨量在830 mm左右。這里屬于高原季風(fēng)氣候區(qū),降水分布時(shí)間不均,災(zāi)害性的氣候活動(dòng)比較頻繁。磨子溝的地理位置如圖10所示。

3.1 雨量數(shù)據(jù)分析

由磨子溝泥石流的雨量特征,按照泥石流產(chǎn)生降雨條件判別關(guān)系式來對(duì)泥石流預(yù)警指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算,H24h(D)、H1h(D)、H1/6h(D)臨界降雨量是按照國(guó)家暴雨分區(qū)的年平均降雨量進(jìn)行分區(qū),得出磨子溝泥石流的H24h(D)、H1h(D)、H1/6h(D)臨界降雨量分別為60 mm、20 mm、10 mm。其中,2016年9月6日發(fā)生小規(guī)模泥石流時(shí)的部分降雨系數(shù)曲線如圖11所示。

2016年9月6日單日累積降雨為55.1 mm,10∶22分和11∶10分分別發(fā)出泥石流提示性預(yù)警和泥石流形成預(yù)警。

3.2 泥位數(shù)據(jù)分析

在本文的研究中磨子溝泥石流的泥位采集數(shù)據(jù)僅用于溝口、橋涵等處的泥石流水位監(jiān)測(cè)和預(yù)警,當(dāng)溢流水位達(dá)到正常的洪水位時(shí),表明可能形成泥石流災(zāi)害,此時(shí)給出的是提示性預(yù)警,當(dāng)溢流水位達(dá)到正常洪水位的1.1倍時(shí),表示已經(jīng)可能形成,此時(shí)發(fā)出形成性預(yù)警。按照數(shù)據(jù)確定磨子溝的正常洪水位為0.6 m,建議提示臨界預(yù)警指標(biāo)值可以設(shè)為0.6 m。磨子溝臨界預(yù)警指標(biāo)值見表3。

表3 磨子溝各預(yù)警臨界指標(biāo)值

鑒于磨子溝溝內(nèi)物源補(bǔ)充主要為棄土場(chǎng)表面侵蝕與坡體失穩(wěn)形成泥石流,滑坡形成堵潰決的可能性較小,因此泥位數(shù)據(jù)僅針對(duì)公路涵洞口泥位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,其泥位數(shù)據(jù)曲線如圖12所示。

該場(chǎng)次泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分別于10∶40分和10∶52分發(fā)出泥石流提示性預(yù)警和形成性預(yù)警。提示性預(yù)警是由于泥位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到提示性預(yù)警臨界值0.6 m,形成性預(yù)警是由于泥位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到形成性預(yù)警臨界值0.72 m。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確認(rèn),該次磨子溝發(fā)生了小規(guī)模泥石流,但是并沒有形成泥石流災(zāi)害。

4 結(jié)論

本文分析了在復(fù)雜山區(qū)環(huán)境下極易爆發(fā)的泥石流災(zāi)害,把川藏鐵路沿線的泥石流分為降雨型、冰川型和共生型3種類型的泥石流,分別闡述了其特征和易發(fā)地區(qū);隨后,對(duì)泥石流的成災(zāi)機(jī)理進(jìn)行分析,概括了引發(fā)泥石流的3個(gè)因素,即復(fù)雜的地形地貌條件、充沛的水體來源和豐富大量的松散固體物質(zhì)。最后建立泥石流災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理中心及預(yù)警等3部分系統(tǒng),關(guān)鍵參數(shù)降雨雨量、降雨入滲深度、泥石流在運(yùn)動(dòng)過程中各階段次聲波以及溝道泥位,通過確定它們的閾值,最終達(dá)到預(yù)警的目的。在本文中,對(duì)此預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,證明了此系統(tǒng)的可行性。