基于Massflow的梅龙沟流域泥石流危险性评价_徐泽浩.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.12.008收稿日期：2022-10-15作者简介：徐泽浩（1998-）,男，四川广元人，硕士研究生，研究方向：地质灾害防治，E-mail：。基于Massflow的梅龙沟流域泥石流危险性评价徐泽浩，范雅婕（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）摘要：2020年6月17日凌晨3时左右，在丹巴县半扇门乡暴发短时强降雨，继而梅龙沟泥石流爆发，堆积物堵塞小金川河，导致下游阿娘寨村一组全部被淹埋，泥石流堵塞形成的堰塞坝溃决后，河道水流开始侵蚀位于沟口的阿娘寨古滑坡坡脚，导致山体失稳并造成大规模灾害。为明确梅龙沟泥石流的危险性划分，分析不同降雨频率（20年一遇、50年一遇、100年一遇）下的泥石流爆发强度，利用深度积分连续统分析方法模拟泥石流运动过程,并结合流速和堆积厚度建立梅龙沟泥石流危险性评价模型。结果表明：梅龙沟20年一遇规模泥石流的影响范围为0.15 km2；50年一遇规模泥石流的影响范围为0.18 km2；100年一遇规模泥石流的影响范围为0.24 km2。梅龙沟泥石流低危险区面积占比为27.3，中危险区面积占比为31.1，高危险区面积占比为41.6。高危险区主要集中在沟道、沟口关州村附近以及小金川河河道中央。关键词：梅龙沟；Massflow；泥石流；危险性评价中图分类号：642.23文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）12-0038-06第 58 卷 第 12 期2022 年 12 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.12Dec.，20221前言泥石流是山区常见的地质灾害之一1，具有爆发突然、来势凶猛、历时短暂、破坏力大等特点2。泥石流通常是突然发生的，并且具有长期强烈的影响3。中国西南地区多次发生特大泥石流，造成了严重的经济损失和人员伤亡4。因此，明确泥石流的动态过程，评估泥石流的危险性，是山区泥石流防治的关键。由于涉及复杂的土壤-水相互作用，泥石流的引发和演变过程仍未被完全掌握。在设计规范和标准中，提出过几种估算特定流域泥石流体积或水文过程线的可行评估方法5。也可以通过物理模型和相应的数值方法对泥石流的动态过程和受其影响的区域进行定量评估6。真实泥石流具有的大流出面积和长流动持续时间的特征，导致建模所涉及的计算非常耗时7。深度积分连续统法可以通过仅考虑主要特征来降低计算复杂度，广泛应用于泥石流动态过程建模8。基于动态过程建模结果的泥石流风险分类对于防灾和城镇规划具有重要意义9。泥石流的流深和冲击力等相关因素是衡量其破坏程度的关键指标，相关学者也对此进行了大量研究。CHANG等9采用二维非恒定流的方程组对芭蕉河流域内泥石流的泥深及流速进行数值模拟，提出了泥石流堆积区的危险性分区标准。常鸣等10利用非牛顿流体模式及中央有限差分的数值方法进行了八一沟泥石流数值模拟，并基于模拟结果得到危险性分布图。金文祥11利用Massflow软件来模拟西藏定日县达仓沟泥石流运动过程及危险性分区，并取得了与实际情况较为吻合的效果。梅龙沟流域中含有大量的沟道松散堆积物，且沟道纵向比降较大，如果受到强降雨的影响，容易发生泥石流灾害并引发灾害链。泥石流灾害威胁面积广，因此识别泥石流威胁面积和预测致灾过程十分重要。为了明确梅龙沟泥石流的运动过程并进行预测，采用Massflow软件基于深度积分连续统分析方法进行数值模拟，将模拟结果结合泥石流强度划分，建立梅龙沟泥石流危险性评价模型，得到在不同降雨频率下的梅龙沟泥石流危险性分区，为梅龙沟未来的防灾减灾提供参考。2梅龙沟流域概况梅龙沟流域位于甘孜藏族自治州丹巴县半扇门乡，小金川河右岸，沟口距上游半扇门乡约3.4 km，梅龙沟流域发育多条支沟(图1)，总面积约63.2 km2，38其中主沟长约10.7 km，平均纵比降约25.3%，沟口堆积区地形相对较缓12。梅龙沟流域内物源主要为大量的沟道松散堆积物，其块石粒径分布范围广，主沟纵坡大，如受到强降雨的影响，冲沟侧壁、底部被侵蚀，将加剧边坡坍塌程度，并铲刮沟道内原有的大量松散材料，释放到冲沟中，启动形成侵蚀型泥石流。梅龙沟沟谷呈“V”形，岸坡较陡，多大于40，沟道宽 3060 m13。2020 年 6 月 17 日凌晨 3 时左右，该地区暴发短时强降雨，小时最大降雨量达34.1 mm，雨强规模达50年一遇。当月日降雨量与累计降雨量见图2。根据无人机影像及现场调查，梅龙沟泥石流暴发后主要堆积于沟口，部分堆积于河道边，形成泥石流扇。堆积体物质组成以硅质岩、板岩、砂岩碎块石和砂土为主，分选性差，大部分的粒径大于100 mm。泥石流冲出口堆积物最大粒径约210 mm，河道边堆积物最大粒径约400 mm（表1），堆积物颗粒级配曲线见图3。3梅龙沟泥石流数值模拟采用DEM数据的分辨率为5 m，此数据由91卫图软件下载的等高线在 ArcGIS 软件中生成。将DEM数据转换为ASC格式的图像文件，作为进行泥石流模拟的地形条件。3.1Massflow模型泥石流的动力学过程和径流特征可以采用深度积分连续统方法分析14，常用的模型主要有Coulomb（库伦）模型、Bingham（宾汉姆）模型、Manning（曼宁）模型和Voellmy模型等15。研究主要使用 Massflow 软件中的基底摩阻模型，该模型为图1梅龙沟流域及泥石流现场(a)梅龙沟流域(c)泥石流破坏情况N阿娘寨滑坡泥石流沟流域边界图例(b)泥石流河道现场403020100日降雨量/mm日降雨量累计降雨量1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121314151617 18日期/日150100500累计降雨量/mm图22020年6月日降雨量及累计降雨量（注：截至泥石流暴发次日）表1泥石流冲出口及河道边堆积物颗粒级配粒径尺寸/mm0.10.51.02.05.010.020.050.0100.0150.0200.0类别冲出口颗粒级配/%4.158.6010.4513.7917.6023.2433.5549.1359.8674.84100.00河道边颗粒级配/%4.869.0512.3818.0923.2829.8643.3649.7658.2861.93100.00图3梅龙沟泥石流颗粒级配曲线1009080706050403020100质量占比/%河道边堆积物泥石流冲出口堆积物10-210-1100101102103粒径尺寸/mm第12期徐泽浩，等：基于Massflow的梅龙沟流域泥石流危险性评价第58卷39Voellmy模型。泥石流一般被假设为不可压缩且有着恒定密度的流体,其运动过程要遵循流体力学中的质量守恒定律以及动量守恒定律。模型中为了使流体运动方向与平均坡度角平行,将其分别围绕x轴和y轴旋转角度x和y。流动层上部临界表面由Zs表示,下部临界表面由Zb 表示。流动层厚度h=Zs-Zb。其中 u、v、w 分别代表流体速度在 x、y、z 轴上的分量。流动层需满足质量守恒方程式以及x、y、z方向上的动量守恒方程式。质量守恒方程式为：t+()ux+()vy+()wz=0（1）动量守恒方程式为：(u)t+()u2x+()uvy+()uwz=gx+(xxx+yxy+zxz)（2）(v)t+()uvx+()v2y+()pvwz=gy+(xyx+yyy+zyz)（3）(w)t+()uvx+()vwy+()w2z=gz+(xzx+yzy+zzz)（4）式中：为流体密度(kg/m3)；t为时间；ij为不同方向上的应力分量(如xx代表x方向上的切应力,xy代表xy方向上的切应力)；gx、gy、gz为各坐标轴上的重力分量。3.2泥石流参数选取通过遥感数据及现场调查，确定了梅龙沟的流域面积F、沟道长度L、沟床坡降J，然后计算流域特征系数：=LJ1/3F1/4（5）由于梅龙沟泥石流形成的堰塞坝在3 h内发生溃决，根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册降雨等值线图15，确定梅龙沟泥石流参数（表2）。表2梅龙沟泥石流参数流域面积F/km263.2沟道长度L/km10.7沟床坡降J0.253爆发频率P/%521暴雨特征值Cs12.2102.5412.793Cs62.0782.3432.541H1/mm29.83834.33037.699H6/mm51.94658.56463.527=1时的流域汇流时间0/h2.5162.4192.355洪峰径流系数0.8100.8370.854汇流参数m0.5390.5090.4963.3泥石流流量雨洪法是假设泥石流与暴雨同频率、同步发生,计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量建立的计算方法16。通过查阅水文手册，根据水文方法计算出不同频率下断面的小流域暴雨洪峰流量，然后选用堵塞系数，并计算泥石流流量：Qc=()+1 QpDc（6）式中：Qc频率为P的泥石流洪峰流量（m3/s）；泥石流泥沙修正系数；Qp频率为P的暴雨洪水设计流量（m3/s）；Dc堵塞系数。其中，泥石流泥沙修正系数为：=()c-w/（H-c）（7）式中：c泥石流的密度（t/m3），取1.71 t/m3；w清水的密度（t/m3），取1.00 t/m3；H泥石流中固体物质的密度（t/m3）。通过现场取泥石流堆积体试样，试验室测量固体物质体积Vs及固体物质总重量ms，然后通过梅龙沟泥石流冲出口堆积物的颗粒筛分试验，根据公式H=ms/Vs，获得泥石流的固体物质密度。由Vs=0.047 75 m3，ms=0.016 3 t，得到H=3.418 t/m3。梅龙沟泥石流冲出口堆积物颗粒筛分试验结果见表3。通过查询DZ/T 0220-2006 泥石流灾害防治工程勘查规范，确定泥石流堵塞系数Dc值为2.5，然后计算得到梅龙沟20年一遇、50年一遇、100年一遇泥石流的流量（表4）。2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷40泥石流数值模拟中最重要的是选取适合的泥石流过程线和基本摩擦模型，使泥石流流量线的持续时间和峰值流量同实际情况相符合，提高数值模拟模型的精度。为研究梅龙沟泥石流对河道边村落及结构设施带来的风险，简单起见，对于沟壑泥石流的数值模拟通常假设流入过程线为等腰三角形14，17，但为了更准确地描述泥石流的流动过程，研究采用了广义五边形模型18。流入过程线的持续时间设定在2020年，为持续观测的1 500 s。梅龙沟20年一遇、50年一遇、100年一遇泥石流的流量线见图4。4梅龙沟泥石流模拟结果根据不同的参数取值,对不同降雨强度下的梅龙沟泥石流运动过程进行综合模拟，最终得到泥石流运动过程中的最大堆积范围，如图5所示。在梅龙沟沟口与河道交汇处，泥石流的堆积深度最大，并且向河道两侧扩散，导致河道堵塞，最终造成阿娘寨古滑坡的复活。不同重现期模拟结果的区别主要在于泥石流强度，对于20年一遇规模的泥石流来说，最大的淤积深度达到7.2 m，堆积扇处淤积深度介于2.0 m和3.0 m之间；50年一遇规模的泥石流最大淤积深度可达8.3 m，堆积扇淤积深度介于2.5 m和3.5 m之间；而对于100年一遇规模的泥石流，最大的淤积深度为10.6 m，淤积深度介于3.0 m和4.0 m之间。通过对不同重现期下的危害面积进行对比，20 年一遇、50 年一遇、100 年一遇规模的泥石流的影响范围分别为 0.15 km2、0.18 km2、0.24 km2。5梅龙沟泥石流危险性评价根据梅龙沟泥石流的模拟结果，基于双因素评价体系16，18，即以最大流体深度和最大冲击动量相结合来量化评估泥石流的危险性，将泥石流的强度划分为表5所列的高、中、低3个危险性分区。泥石流危险性评价划分标准图中的泥石流强度为基于三种降雨频率模拟的泥深和流速相乘得到的，将泥石流强度与重现周期结合来进行危险性划分。结合梅龙沟泥石流的形成条件，参考CHANG等9提出的泥石流强度影响及危险性区域划分方法，得到梅龙沟泥石流危险性评价标准（图6）。基于上述泥石流强度评价体