冬奥会延庆赛区造雪引水工程...在泥石流灾害模拟与对策研究_王俊飞.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0514-12王俊飞，金超，袁鸿鹄，等 2023 冬奥会延庆赛区造雪引水工程潜在泥石流灾害模拟与对策研究J 工程地质学报，31(2):514525 doi:1013544/jcnkijeg20220181Wang Junfei，Jin Chao，Yuan Honghu，et al 2023 Numerical simulation and countermeasures of potential debris flow disasters in Yanqing competitionarea of Olympic Winter Games Beijing 2022J Journal of Engineering Geology，31(2):514525 doi:1013544/jcnkijeg20220181冬奥会延庆赛区造雪引水工程潜在泥石流灾害模拟与对策研究*王俊飞金超袁鸿鹄王学良方文欣孙娟娟王宗刚(河北工程大学地球科学与工程学院，邯郸 056038，中国)(北京市水利规划设计研究院，北京 100048，中国)(中国科学院地质与地球物理研究所，页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)(中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)(中国科学院大学，地球与行星科学学院，北京 100049，中国)(山东科技大学，青岛 266590，中国)摘要2022 年北京冬奥会延庆赛区造雪引水工程是赛区重要的配套工程，担负着为赛区造雪系统提供储水及供水的任务。受工程功能和场区地形地貌条件约束，工程场区主要水工设施面临较高的泥石流风险。针对目前利用泥石流动力学数值模拟方法难以考虑多种降雨条件下泥石流启动厚度以进行多情景泥石流灾害模拟预测的问题，基于雨洪法，本文提出了考虑多降雨重现期泥石流沟平均产水厚度和物源平均产石厚度两个指标及计算公式，并结合无人机精细测量、遥感解译、现场调查、Massflow 等手段工具，开展了冬奥会延庆赛区造雪引水工程在不同降雨重现期下潜在泥石流灾害的模拟预测。结果表明:不同高程处的水工构筑物(塘坝和泵站)在不同降雨重现期(20 a、50 a、100 a)下受泥石流威胁的程度存在差异，其中 1050 塘坝泥石流风险最高，面临淤埋和冲击双重破坏;900 塘坝和 1290 蓄水池泥石流风险次之，前者以淤埋破坏为主，后者以冲击破坏为主;900 泵站和 1050 泵站泥石流风险较低。结合模拟分析和现场调查，建议在 1050 塘坝上游修建拦砂坝，在 900 塘坝库尾设置沉砂池，在 1290 蓄水池东侧修建导流槽，以保障水工设施长期安全运行。关键词冬奥会延庆赛区;泥石流;水工设施;Massflow;重现期;模拟预测中图分类号:P642.23文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220181*收稿日期:20220415;修回日期:20221003基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(A 类)(资助号:XDA23090402)This research is supported by Strategic Priority esearch Program of the Chinese Academy of Sciences(Grant No XDA23090402)第一作者简介:王俊飞(1996)，男，硕士生，主要研究方向为地质工程与地质灾害 E-mail:1711317034qqcom通讯作者简介:王学良(1984)，男，博士，副研究员，主要从事地质灾害、工程地质等方面的研究工作 E-mail:wangxueliangmailiggcasaccnNUMEICAL SIMULATION AND COUNTEMEASUES OF POTENTIALDEBIS FLOW DISASTES IN YANQING COMPETITION AEA OFOLYMPIC WINTE GAMES BEIJING 2022WANG JunfeiJIN ChaoYUAN HonghuWANG XueliangFANG WenxinSUN JuanjuanWANG Zonggang(School of Earth Sciences and Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)(Beijing Institute of Water，Beijing 100048，China)(Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)(Innovation Academy for Earth Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)(College of Earth and Planetary Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)(Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)AbstractIn Yanqing Competition Area of Winter Olympic Games Beijing 2022，the snow making and water diver-sion project is an important supporting project，which is responsible for water storage and water supply in the com-petition area Due to engineering functions and topography conditions，the engineering site area is a favorable geo-logical environment for debris flow disaster，and the main hydraulic facilities are faced with high risk of debris flowAt present，it is difficult to use debris flow dynamic numerical simulation method to simulate and predict sedimenterosion thickness under multiple rainfall conditions In terms of this issue，we propose two indexes:the mean thick-ness of water yield in debris flow gully and the mean thickness of stone produced by source under different rainfallrecurrence periods And we simulate and predicte the potential debris flow disaster in engineering area with UAVmeasurement，remote sensing interpretation，field investigation and Massflow The results show that hydraulic facili-ties(damp and pumping stations)at different elevations face different debris flow threats，under different rainfall re-currence periods The debris flow risk of 1050 dam is the highest，facing the double damage of siltation and alluvi-al，followed by the debris flow risk of 900 pumping station and 1290 reservoir The former is mainly siltation dam-age，the latter is mainly alluvial damage The risk of debris flow is low at pump station 900 and pump station 1050Based on simulation analysis and field investigation，it is suggested to build a sand dam upstream of 1050 reservoir，a diversion channel on the east side of 1290 reservoir，and a sand settling basin at the end of 900 reservoir to ensurelong-term safety operation of hydraulic facilitiesKey wordsYanqing competition area;Debris flows;Hydraulic facilities;Massflow;ecurrence;Forecast0引言泥石流是山区一种常见的自然灾变过程与现象(康志成等，2004;王高峰等，2020)。它具有形成过程复杂，暴发突然，来势凶猛，破坏力强的特点(崔鹏等，1993)。当前随着水电、道路、管线、桥隧等工程不断向山区布局，工程泥石流灾害有不断增多的态势。如何针对工程安全需求发展减灾技术，构成了我国泥石流防治的重要需求(崔鹏，2014)。2022 年北京冬奥会延庆赛区造雪引水工程属于赛区重要的配套工程，主要为赛区造雪系统提供储水及供水保障。造雪引水工程受自身功能约束，主要水工设施多沿沟口或河道布置，加之工程所在的延庆山区属泥石流易发区(谢洪等，2001;刘希林等，2016;廖立业等，2021)，如在 2020 年 6 月 18日，工程区 N08 泥石流沟即发生了一次典型泥石流灾害，泥石流一路刮铲沿途物质，拥堵道路，掩埋车辆，对现场施工造成较大影响。其他沟道与 N08 支沟在地形地貌、物源条件具有相似性，存在暴发泥石流的可能。因此，造雪引水工程面临较高的泥石流灾害风险。泥石流对工程设施的破坏主要为淤埋破坏和冲击破坏(雷雨等，2016;邹磊等，2016;潘青等，2020;李睿祺等，2021;司光武等，2021)。为了对工程设施进行精准防护，施工运营方非常关心潜在泥石流的影响范围、强度等信息。泥石流数值51531(2)王俊飞等:冬奥会延庆赛区造雪引水工程潜在泥石流灾害模拟与对策研究模拟可以输出多种泥石流特征参数(如范围、泥深、泥速等)，从而为泥石流防治提供参考(George etal，2014)。当前，随着对泥石流运动方程和流变特性研究的深入，泥石流数值模拟技术也日趋成熟。常见的泥石流数值模型主要基于二维浅水方程(Quan et al，2011;Ouyang et al，2013;Han et al，2015)、光滑粒子流体动力学(Huang et al，2015;Han et al，2019)、离散元法(周健等，2015)和元