韋 瑋，周建偉，陳 矚

1. 核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610065；2. 中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610023；3. 成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059

0 引言

甘肅省岷縣有“西控青海，南通巴蜀，東去三秦”之說，是通往蘭州、隴西、隴南、甘南和四川的必經(jīng)之地，也是甘肅南部重要的商品集散地，享有隴上“旱碼頭”的美稱。但由于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用強烈、松散堆積物較多、水源豐富加上地形陡峭及人類工程活動較活躍等因素，使得區(qū)域內(nèi)頻發(fā)泥石流災(zāi)害。對岷縣及周邊區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)泥石流63處，泥石流頻發(fā)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活。

由于數(shù)值模擬操作簡單、成本較低等特點，在泥石流的研究方法中所占比重越來越大。杜雪劍[1]運用FLO-2D軟件模擬了泥石流的淤埋深度和流動速度，并依據(jù)計算結(jié)果對紅椿溝泥石流工程治理效果進行探討；劉鐵驥[2]借助Massflow軟件模擬冷子溝泥石流工程治理前后的運動過程，為泥石流的工程治理評價提供了依據(jù)；Rodriguez-Paz 等[3]提出了一個基于修正光滑顆粒流體動力學(xué)（CSPH）的泥石流數(shù)值模型；隨著學(xué)者對數(shù)值模擬的研究，數(shù)值模擬越來越成為泥石流研究的主流之一。

1 王家溝泥石流基本概況

1.1 基本特征

王家溝泥石流位于岷縣清水鄉(xiāng)，洮河流水左岸，306省道旁。溝口坐標(biāo)E:104°02′06.4″，N:34°27′28.1″。泥石流匯水面積14.1 km2，相對高差600 m，溝域呈不規(guī)則形態(tài)，溝道長3.64 km，橫切面呈“V”型，主溝縱坡164.83‰。泥石流堆積呈扇形堆積于溝口，扇長164 m，扇寬295 m，擴散角72°。溝道兩岸坡度相對陡峭，植被覆蓋率較低，滑坡與崩塌較為常見。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，王家溝泥石流直接危險溝道內(nèi)王家溝村、松樹村聚居區(qū)及溝口朱家村聚居區(qū)，據(jù)估算威脅資產(chǎn)約7 000萬元，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》[4]（DZ/T0220-2006）中對泥石流潛在危險性等級劃分，王家溝泥石流的潛在危險性為大型。

1.2 形成條件

1.2.1 地形地貌

王家溝泥石流所處地貌類型為構(gòu)造剝蝕中低山地貌，主要發(fā)育的小地貌類型為沖溝及斜坡。兩岸地形坡度大，高陡的地形條件為地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了勢能空間。朱淵等[5]通過研究望謨打蒿溝泥石流特征表明：當(dāng)坡度在一定范圍內(nèi)增加時，土體內(nèi)摩擦力減小，穩(wěn)定性隨之降低。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，王家溝流域兩側(cè)坡度在25°～45°較為居多，而25°～45°的岸坡坡度對泥石流的發(fā)生最敏感[6]。坡度的影響，不僅利于溝谷匯水，而且利于兩岸崩滑體的發(fā)育，亦在一定程度為泥石流的運動提供了補充物源。

1.2.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

流域內(nèi)主要出露三疊系上統(tǒng)隆務(wù)河群一組（TL1），該巖組廣泛分布于流域內(nèi)，主要巖性為濱海 淺海陸棚環(huán)境下的陸源碎屑沉積，底部為灰色厚層長石石英砂巖夾深灰色泥質(zhì)板巖。厚度0.5～6 m，松散-稍密，稍濕的第四系松散殘坡積層土（Q4el+dl）以及粒度較細(xì)，液性指數(shù)變化較大，透水性較差的第四系沖洪積層土（Q4al+pl）亦廣泛分布于王家溝及其支溝溝道兩側(cè)斜坡表層。

溝道流域主要發(fā)育3條活動強烈的斷層，分別為香哈—龐家莊斷層、哈樹—麻路斷層、王家溝—冬麥灘斷層且其中一條斷層穿過王家溝溝道，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，溝道兩旁出露的巖石較破碎，松散堆積物穩(wěn)定性較差。

1.2.3 物源條件

流域內(nèi)崩塌、滑坡、水土流失等現(xiàn)象的發(fā)育程度對泥石流的形成具有決定性作用，是形成泥石流的主要固體物質(zhì)來源[7]。王家溝泥石流的物源主要包括：溝道兩旁的坡體覆蓋一層厚度不均的松散堆積物，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，在雨水侵蝕作用下，匯入溝道，成為物源；流域內(nèi)發(fā)育的崩塌及滑坡地質(zhì)災(zāi)害（崩塌2處，滑坡10處），其中對泥石流松散物補給最多的是位于泥石流形成區(qū)的一處中型滑坡，該滑坡長450 m，寬220 m，相對高差130 m，平均厚度4.5 m，滑坡體積大概1.77×104m3，目前處于不穩(wěn)定狀態(tài)；廣泛分布的風(fēng)成黃土也是主要物源，黃土顆粒成份以粉粒為主，原生結(jié)構(gòu)為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)疏松，垂向節(jié)理及孔隙發(fā)育，有利于地表水的入滲，降雨的入滲破壞了黃土固有的結(jié)構(gòu)特征及粘結(jié)力，降低土體強度，使土體中的裂隙、孔隙不斷擴大，最終形成松散的殘坡積物源；流域內(nèi)分布的三疊系及石炭系地層以砂巖、板巖為主，屬較堅硬巖類，但在長期風(fēng)化剝蝕卸荷作用下，巖體較破碎，松軟，易形成崩坡積物源。

1.2.4 水源條件

水是泥石流的組成部分，我國泥石流的水源主要由暴雨形成[8-10]。王家溝所處溫帶半濕潤氣候區(qū)及向高寒濕潤氣候區(qū)的過渡帶，由東向西，氣溫逐漸降低。受大陸性氣團、副熱帶暖濕氣團的交替影響，形成降雨量多、氣溫低、無霜期短、多冰雹等高寒陰濕氣候特點。據(jù)岷縣氣象局資料顯示，區(qū)內(nèi)降雨集中在5-9月份，約占全年的78%以上。降水常以連陰雨和暴雨的形式出現(xiàn)，暴雨年均1.5次，豐水年可多達3～5次，還多次出現(xiàn)50年及100年一遇的大暴雨及特大暴雨。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓?51.4～817.8 mm，流域一帶多年平均降水量560.8 mm，年最大降水量為689.3 mm，日最大降水量為59.5 mm，1小時最大降水量51.0 mm，10分鐘最大降水量為30.4 mm，具備良好的水源條件。

2 王家溝泥石流運動特

2.1 泥石流容重

經(jīng)現(xiàn)場對泥石流溝道中游和下游現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該泥石流沉積物呈松散狀，有分選性，不存在泥包石的現(xiàn)象，與稀性泥石流特征相符，初步判斷為稀性泥石流。在溝道中游、下游取樣，通過室內(nèi)實驗，由公式（1）計算泥石流容重[11]：

式中γc為泥石流容重，g/cm3；γv為黏性泥石流最小容重；γo為泥石流最小容重；P2為大于等于2 mm的粗顆粒百分含量，P0.05為小于等于0.05 mm的粗顆粒百分含量。計算數(shù)值及結(jié)果如表1所示。

表1 王家溝泥石流容重取值表Table 1 Value table of unit weight of Wangjiagou debris flow

根據(jù)實驗與計算結(jié)果，可判定王家溝泥石流為稀性泥石流（1.5～1.8 g/cm3）。

2.2 泥石流流速

在堆積區(qū)內(nèi)選取典型洪痕斷面，通過測量與分析選取具體計算參數(shù)，溝道流速采用稀性泥石流流速公式（2）計算[12]:

式中：U為泥石流平均速度，m/s；R為水力半徑，m；S為斷面坡度的正切值；g為重力加速度，m/s2；

表2 王家溝泥石流流速計算參數(shù)取值表Table 2 Parameter value table for velocity calculation of Wangjiagou debris flow

2.3 泥石流清水流量與峰值流量計算

根據(jù)清水流量簡易計算公式（3）：

式中：r代表小時平均雨強（mm/h）；i是產(chǎn)流系數(shù)，取值0.5；F代表流域面積（km2）。

根據(jù)現(xiàn)場對泥石流特征研究，對比災(zāi)民的調(diào)查并結(jié)合該溝道曾經(jīng)的災(zāi)害史，判定該泥石流為20年一遇。根據(jù)泥石流峰值流量計算公式（4）：

式中：Qc代表泥石流峰值流量（m3/s）；φ是泥沙修正系數(shù)，通過查表取值為0.31；Qp代表暴雨洪峰流量；Dc是堵塞系數(shù)，通過查表取值為1.2。

2.4 泥石流一次性沖出方量計算

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》提供的計算泥石流一次沖出方量公式（5）計算：

式中：K為修正系數(shù)，取0.264；T為泥石流歷時，單位s；Q為峰值流量，m3/s。

通過現(xiàn)場調(diào)查與走訪，王家溝泥石流大概歷時23 min，即T為1 380 s。

表3 王家溝泥石流一次性沖出方量計算參數(shù)表Table 3 Calculation parameter table of one-time discharge volume of Wangjiagou debris flow

綜上，通過現(xiàn)場調(diào)查及公式計算，王家溝泥石流平均流速U=5.10 m/s；一次性沖出量5.72×104m3，規(guī)模屬于中型泥石流。

3 SPH參數(shù)取值及數(shù)值模擬

光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）是一種“無網(wǎng)格”技術(shù)，方法基于近似函數(shù)和微分算法。通過內(nèi)核函數(shù)定義積分近似值的梯度或散度，通過離散點或多個節(jié)點的一類數(shù)值積分獲得近似值，而不需要定義任何“元素”。該軟件首次應(yīng)用于天體物理模擬，來被拓展至計算流體力學(xué)領(lǐng)域。GeoFlow-SPH數(shù)值分析軟件在模擬的過程中考慮了泥石流沿程的侵蝕作用，讓模擬能夠更加真實地貼近現(xiàn)實情況。

GeoFlow-SPH軟件在模擬泥石流時使用的流變模型為賓漢（Bingham）流體模型，需要輸入的控制參數(shù)為容重、屈服應(yīng)力、粘滯系數(shù)及侵蝕系數(shù)，且GeoFlow-SPH軟件在模擬泥石流時，需根據(jù)調(diào)查與測量，設(shè)置物源的初始方量。

3.1 容重

泥石流的容重決定著泥石流的物理力學(xué)性質(zhì)，對泥石流體屈服應(yīng)力、流速、粘滯系數(shù)及沖擊力等特征參數(shù)有著很大的影響。根據(jù)現(xiàn)場配漿的結(jié)果，取中游、下游的容重平均值，即γc=1.689 g/cm3。

3.2 屈服應(yīng)力

流體的屈服應(yīng)力指的是對于非牛頓流體，在施加較小的剪應(yīng)力時，流體只會產(chǎn)生彈性變形，只有當(dāng)剪應(yīng)力大于某一個定值時流體才會開始流動，此時對應(yīng)的剪應(yīng)力稱為該流體的屈服應(yīng)力。費祥俊[13]通過研究表明：存在黏性顆粒的情況下，流體在較小體積濃度時就會出現(xiàn)屈服應(yīng)力；在沒有黏性顆粒的情況下，流體在體積濃度很高時才會出現(xiàn)屈服應(yīng)力。其計算公式[14]為：

在高校中，一卡通系統(tǒng)與所有的應(yīng)用系統(tǒng)都能聯(lián)通，從學(xué)生的角度來說，一卡通具有消費的便利性，所以在數(shù)據(jù)挖掘分析時采用一卡通系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)作為元數(shù)據(jù)具有較好的研究意義。因此，關(guān)聯(lián)學(xué)生的貧困度與一卡通的消費信息，進行數(shù)據(jù)挖掘從而實現(xiàn)的高校貧困生輔助辨識系統(tǒng)，在貧困生評定過程中能為決策部門提供幫助。

式中γo為環(huán)境容重，在陸面約等于0，在水中約為1 000 kg/m3；H為泥石流的最大堆積厚度，為2.1 m；g是重力加速度，m/s2；θ為泥石流堆積體縱向坡度，通過現(xiàn)場測量計算θ取7°，經(jīng)計算，王家溝泥石流的屈服應(yīng)力為2 490.18 Pa。

3.3 粘滯系數(shù)

粘滯系數(shù)又稱剛性系數(shù)或賓漢粘度，含義是流體各層間相互移動所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，與層間的接觸面積和沿深度方向的速度增量成正比，是代表泥石流內(nèi)摩擦力的一個特征值。粘滯系數(shù)是流體的流變特征參數(shù)之一，在宏觀上表現(xiàn)為泥石流體的粘稠程度。根據(jù)章書成[15]理論推導(dǎo)公式（7）：

式中R表示水力半徑；V為泥石流流速，m/s；求得η=0.073 8 Pa·s。

3.4 侵蝕系數(shù)

泥石流侵蝕作用受泥石流性質(zhì)、規(guī)模大小、溝谷地形、溝床堆積物性質(zhì)等眾多因素的影響，目前侵蝕系數(shù)的計算方法基本上都是通過理論推導(dǎo)和室內(nèi)泥石流模擬試驗的方法獲得的。根據(jù)Hung R[16]研究，推導(dǎo)出的理論公式（8）計算：

式中：Vo為泥石流初始體積，m3；Vfinal為泥石流最終體積，m3；D為侵蝕距離，m。

根據(jù)現(xiàn)場對物源調(diào)查與估算，Vo取0.93×104m3；對侵蝕溝道、堆積區(qū)測量，D取值2.52 km，Vfinal取值7.55×104m3；通過計算，王家溝泥石流侵蝕系數(shù)Ers=0.000 83 m-1。

3.5 模擬結(jié)果

泥石流的侵蝕主要表現(xiàn)為流動過程中的切割和下蝕作用，造成溝道寬度、深度的變化。泥石流侵蝕作用受泥石流性質(zhì)、規(guī)模大小、溝谷地形、溝床堆積物性質(zhì)等因素的影響。圖1為基于GeoFlow-SPH王家溝泥石流時間一半的侵蝕性數(shù)值模擬圖，圖2為基于GeoFlow-SPH王家溝泥石流最終侵蝕性數(shù)值模擬圖。

圖1 運動時間一半時的侵蝕性模擬圖Fig. 1 Erosivity simulation map at half time of movement

圖2 溝道最終侵蝕模擬圖Fig. 2 Simulation map of channel final erosion

如圖可得，隨著時間的推移，王家溝泥石流的侵蝕會向溝道兩旁加寬、加深。結(jié)合現(xiàn)場走訪發(fā)現(xiàn)，溝道中游至溝口地形陡峭，局部坡度達到60°，植被較少且當(dāng)?shù)鼐用穸嘣跍系懒魉野兜谋?、滑堆積體上開墾土地，土體穩(wěn)定性較差；分析發(fā)現(xiàn)：王家溝泥石流的侵蝕性與地形的陡峭、植被的稀少以及溝道兩旁的土體穩(wěn)定性有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場調(diào)查，王家溝泥石流的主要物源為崩、滑物源和溝道兩旁的風(fēng)成黃土，其中參與王家溝泥石流物源方量為0.93×104m3?，F(xiàn)場對泥石流中游和下游物質(zhì)取樣與實驗，判定王家溝泥石流為稀性泥石流。

（2）王家溝泥石流是特殊的地形地貌、流域充沛的水源和松散物源豐富等條件共同激發(fā)。通過計算，王家溝泥石流平均流速U=5.10 m/s，一次性沖出方量V=5.72×104m3，規(guī)模屬中型。

（3）通過對王家溝泥石流侵蝕性參數(shù)的計算，發(fā)現(xiàn)王家溝泥石流的屈服應(yīng)力2 490.18 Pa，粘滯系數(shù)0.073 8 Pa·s，侵蝕系數(shù)0.000 83 m-1。

（4）分析王家溝泥石流侵蝕性模擬圖，發(fā)現(xiàn)：王家溝泥石流上游和溝口位置侵蝕性最弱，溝道中游和下游侵蝕性最強，最大侵蝕高度達到1.75 m，侵蝕會向溝道兩旁加寬、加深。且王家溝泥石流的侵蝕性與地形的陡峭、植被的稀少以及溝道兩旁的土體穩(wěn)定性有關(guān)。