康定市桃花沟泥石流发育特征及防治对策

刘 丁 毅， 胡 卸 文， 杨 相 斌， 文 强

(西南交通大学，四川 成都 610031)

1 概 述

泥石流是含有大量固体物质(泥、砂、石)的特殊洪流，为高浓度的液相、固相混合流。其爆发突然，来势猛烈，历时短暂，破坏力强，在暴雨作用下一旦产生，将会给人民财产造成巨大损失[1]。泥石流的堆积区一般地势较为开阔平坦，是泥石流淤积、漫流的场所，也是成灾的主要区域，部分山区的城镇、耕地就坐落在泥石流堆积区上，因此定量预测泥石流危险区范围对堆积区保护对象安全评价具有重要意义。

由于大渡河猴子岩水电站建设需要，部分库区内民众拟迁移至桃花沟泥石流沟口堆积扇上。根据现场地质调查及访问，桃花沟是一条老泥石流冲沟，该沟历史上曾频繁爆发泥石流。2002年该沟爆发了近期内规模最大的一次泥石流，随后一直处于稳定期，除了雨季有小规模山洪冲出外，一直未有较大规模泥石流发生。考虑到该沟纵坡比较大，两侧山体危岩普遍发育，局部崩滑较严重，沟内存在早期山洪或泥石流堆积，沟口受人类工程活动影响较大，在强降雨激发下仍存在爆发泥石流的可能性，对拟建移民搬迁安置点构成潜在危害[2]。因此查明该沟是否仍存在泥石流爆发的可能性，进而判定不同频率下的泥石流是否对拟建场址构成威胁，是场地能否利用的关键。

2 泥石流形成条件

2.1 地形地貌

桃花沟位于大渡河左岸、康定市孔玉乡乡政府对面。流域面积约4.737 km2，主沟长约3.92 km，总体流向为N17°～22°W，平均坡降为562.5‰。

桃花沟具有明显的汇水区、流通区和堆积区(图1)。汇水区在平面上总体呈“漏斗状”，水系主要由主沟与流域最上游的支沟组成，支沟长约0.9 km，总体流向N50°～60°E。两沟汇合处附近沟床宽约10 m，普遍可见厚5～8 m的含孤块碎石土。下游段谷底较为狭窄，局部谷坡山体崩塌频繁，崩坡积物质较丰富。中上游段山体表部风化卸荷强烈，易发生崩解和崩塌，为泥石流提供物源。

流通区沟谷呈“V”字形，沟床纵坡降较大，较为顺直，沟床宽一般5～10 m，局部可达20～40 m。谷坡局部基岩裸露，浅表多为厚度不大的崩坡积覆盖。

距沟口0.8 km以内为堆积区，沟床宽8～20 m，平均纵坡降约300‰，局部达约400‰。沟道内碎石覆盖。近年来由于猴子岩水电站工程建设，沟口靠大渡河上游侧堆积大量工程弃渣，对泥石流堆积区地貌景观破坏严重。

图1 桃花沟流域示意图

2.2 松散物源分布

桃花沟沟域内松散物源以沟道物源、坡面物源和崩塌物源为主，沟口另有弃渣物源。根据野外调查，沟域内松散物源共46处，见表1。总静储量约360.71万m3，总动储量约42.02万m3。由崩塌、弃渣及沟道堆积形成的物源占比达43.6%。

表1 桃花沟沟域内松散物源统计

由于桃花沟沟内植被分布差异，其沟道物源具有明显的分段特征并可以由高至低简单划分为三段：(1)第一段海拔高度介于2 415～2 780 m(图2)，整体坡度35°，局部地段陡至40°～45°。沟道宽达10～20 m，表面均为厚5 m以上的碎石。根据航拍与历史卫星影像显示，该段沟道上方西北方向约500 m处的高位山体发育有大量崩塌堆积体，并沿坡体表面冲沟与主沟道连接，有条件持续向沟道内输送松散物质。结合陈明等[3]对震区部分泥石流沟的特征研究，该段沟道物源一旦启动将呈急陡沟道型泥石流的运动形态，具有倾泻而出、下切侵蚀的特点。同时在支沟汇合处，两岸山体呈陡立状，沟道迅速收窄。若在暴雨和地震条件下，泥石流很可能在此加速，将对下方沟道物源产生强烈冲刷。(2)第二段海拔高度位于2 150～2 410 m，整体坡度20°左右。该段沟道内部植被覆盖茂密，有缓冲与耗能的作用。根据现场调查发现，在一般条件下，从上方滚落的大部分松散碎石到达该段时将逐渐停止滑移，最大块径达到3 m。但在暴雨或地震情况下则容易对其表面铲刮。(3)第三段海拔高度位于2 025～2 105 m之间，坡度介于25°～40°间。该段下端与进沟道路相接，表面植被覆盖一般，沟道内堆积有厚1～3 m的松散堆积物。

图2 沟道物源与高位崩滑堆积物

2.3 沟口现状

目前，桃花沟泥石流原有堆积扇已被新建公路及人工弃渣破坏(图3)。一方面新建公路已将原有沟道完全填埋，另一方面人工弃渣形成三级堆放，导致沟口范围内堆积扇在纵坡方向上坡度增大，可容纳泥石流堆积物的空间减小。尽管弃渣堆坡面上修建了简易排水沟，但其过流断面明显偏小，不能满足10年一遇及以上泥石流排导要求。因此一旦形成泥石流灾害，必将受新建公路堵塞沟道影响，由于惯性超高，越过修筑公路后剩下的残缺山脊，沿既有出沟道路漫流并顺弃渣堆坡面迅速下泄扩散。同时对弃渣产生冲刷掏蚀，后果严重或可破坏其现有的稳定状态，形成暴雨-泥石流-弃渣滑坡失稳灾害链，对移民安置点构成潜在威胁。

图3 桃花沟沟口现状

3 泥石流动力学基本特征

3.1 泥石流容重

根据配浆法与查表法得其容重γH为1.537 g/cm3，泥石流流体性质为过渡性偏稀性泥石流。

3.2 泥石流流速

取桃花沟沟口为计算断面，按50 a和100 a一遇进行分析。由于桃花沟为偏稀性泥石流，故计算公式采用西南地区公式[4]。

(1)

计算结果(表2)说明50 a一遇以上泥石流在沟口处具有较强的冲击破坏作用。

表2 桃花沟沟口平均流速计算结果

3.3 泥石流流量

泥石流的危险范围可以通过泥石流峰值流量进行估算。其峰值流量可通过雨洪修正法[5]进行计算。

QC=DC(1+φ)QP

(2)

式中QC为频率为P的泥石流峰值流量(m3s-1)；Qp为频率为P的暴雨洪水设计流量(m3s-1)；φ为泥沙修正系数，取0.5；DC为泥石流堵塞系数，根据桃花沟沟道实际情况可取值1.8。

桃花沟泥石流沟域洪水流量与峰值流量计算结果见表3。

表3 桃花沟流量计算结果

4 基于CFX数值模拟的沟口堆积区泥石流运动特征分析

为充分掌握桃花沟可能爆发泥石流对移民安置点造成的威胁并验证，笔者利用CFX软件，针对在50 a一遇降水频率下，桃花沟沟口泥石流冲淤漫流及停积范围进行了数值模拟。整个数值模拟过程主要为建立模型—预处理—网格划分—计算求解—后处理。

在求解过程中有以下假设[6]：

(1)流体为均质单相流。

(2)模型为刚体，不发生变形。

4.1 建立模型

基于航拍采集的高精度地形图，利用Auto CAD确定模拟范围并获取高程点数据；通过Surfer和 ANSYS Mechanical APDL形成桃花沟沟口附近的三维地面模型；再用Geology模块削去模型中多余部分；最后在Mesh模块中选择四面体单元对其进行网格划分[7]。

最终建立的桃花沟沟口模型见图4，平面投影长420 m，宽500 m，高20 m。共划分有55 161个节点， 267 013个单元。

图4 桃花沟沟口模型

4.2 预处理

泥石流浆体中的固体物质主要为土和石块，根据大量实验结果表明：其流变性质符合Bingham流体特性，故在预处理过程中选择流变模型为非牛顿体的Bingham模型[8]，其所受剪切力与剪切率的关系如下。

(3)

在预处理中对桃花沟沟口模型的边界约束设置主要有：

(1)将模型后端即沟道上游处设定为进口；下游和两侧边界设置为出口；沟道和坡面设置为壁面；其余部分设置为常温常压的开放型约束。

(2)定义流体流入、流出方式为质量流量，模拟时间为900 s。设流量函数为F(t)，令F在t=0 s与t=900 s时取得最小值，数值上等于洪水流量26.11 m3/s；最大值为峰值流量F=70.50 m3/s，位于t=300 s左右。通过Matlab对泥石流质量流量进行多项式拟合即可得F(t) ，见图5。

预处理完成后的模型边界约束见图6。

4.3 计算求解

在计算求解时采用双精度控制的并行计算模式可以提高计算速度并且减少程序出错概率。在进口端与出口端设置监视器可以得到进、出口流量曲线(图7,图中的数值上质量流量为体积流量与泥石流密度的乘积)。其中，入口端体积流量(下同)在285 s时达到峰值69.3 m3/s；出口端流量在开始30 s后开始增加，并在330 s时达到峰值68.6 m3/s，两个峰值时间差为45 s，说明泥石流运动过程中沟道对泥石流有一定的淤积作用。由于沟道坡度较陡，泥石流运动速度较快，泥石流仅过30 s左右便到达出口端。

图5 泥石流流量函数F(t)

图6 沟口模型边界约束设置示意图

图7 进出口质量流量曲线

4.4 结果分析

通过后处理模块可对计算结果进行可视化处理。笔者选取了泥石流运动中的速度云图和压强云图对桃花沟发生50 a一遇泥石流在沟口的运动特点进行分析。

4.4.1 速度云图分析

图8选取了在整个模拟时间内，泥石流沟道沿途在不同时刻的速度云图。

(a)t=20 s

(b)t=40 s

(c)t=330 s图8 泥石流速度云图

在t=20 s时，泥石流运动到弃渣堆顶部平台，最大速度达到25.5 m/s(泥石流表部，以下同)。修筑公路使得右侧山脊(面向下游)被破坏形成缺口，泥石流可以依赖惯性而越过坡体继续向下运动。t=40 s时，泥石流顺弃渣堆快速下泄并向两侧扩展，其左侧已经到达移民场地右侧的污水处理站，此时最大流速位于平台以及平台下侧的弃渣堆坡面上，达26.4 m/s。此后，泥石流流量不断增加，当t=330 s时达到最大，最高流速为30.5 m/s。此时泥石流流体右侧边缘已经蔓延至移民场地左侧部分区域，平均流速为6.1 m/s，可能对居民住宅和道路产生淤埋。随后泥石流流量逐渐下降，泥石流漫流范围也随之减小，最大流速也逐渐减慢,在t=900 s时降至26.4 m/s。

模拟结果还显示，较高的流速除了对移民场地产生较强的冲击之外，还会对弃渣堆形成侵蚀，形成新的物源补给。

4.4.2 压强云图分析

桃花沟沟口静压强与全压强云图变化趋势见图9、10。静压强是指物体在静止或者匀速直线运动时表面所受的压强，动压强是指流体颗粒每单位体积所携带的动能，两者之和为全压强[12]。

(a)t=20 s

泥石流在沟道运动时，最大正静压位于泥石流前部，t=20 s时为79.13 pa；同时在弃渣堆二级平台以上坡面出现负静压，最大为62.8 pa。随后当泥石流到达出口端开始流出时，以t=300 s为例，最大正静压则主要转移至弃渣平台，最大压强为88.72 pa。此后位于弃渣堆二级平台以上坡面处始终为负静压，最大为80.9 pa。t=900 s时，最大负静压又降至48.1 pa。

泥石流整个运动过程中，全压强始终为正值。泥石流运动前期，最大全压强位于流体前部的中心，行进至弃渣平台后，最大全压强则停留在平台上，为465.2 pa。随着泥石流从弃渣边坡开始下泄并到达出口，弃渣边坡以及平台位置成为了最大全压强中心并增大至718.7 pa，见图10(b)。结合静压分布特征可知，弃渣坡面和平台上受到的最大动压将近800 pa。流量峰值过后，最大全压分布范围开始收缩，在t=900 s时，基本全部下移至弃渣坡面，为567.3 pa。

(a)t=20 s

(b)t=300 s图10 泥石流全压强云图

根据压强云图可知，泥石流的运动与沟口地形密切相关。弃渣平台使泥石流产生部分淤积从而形成较大静压；受坡度影响，泥石流越过平台顺坡面流动时，固体颗粒可能存在悬移，形成负静压；较快的流速使坡面可能因承受较大的压力而产生失稳破坏。

4.5 泥石流堆积范围预测

根据速度云图和压强云图，可以得到50 a一遇泥石流在沟口冲淤漫流堆积范围(图11)[13-14]。

图11 50 a一遇一次冲出泥石流堆积范围模拟预测图

模拟结果显示，50 a一遇泥石流堆积范围大约长400 m，宽250 m。其右侧可到达污水处理站，会对移民安置点居民生命财产安全构成严重威胁。

因此，需要在弃渣堆顶部公路堵塞原沟道段尽快留出排泄通道，改为过水路面；拆除公路内侧违建建筑物，同时弃渣堆表部新建排导槽。为确保万无一失，再修建单边导流堤以防止可能爆发的泥石流对拟建移民安置点的漫流淤积危害。

5 结 语

(1)桃花沟沟域内松散物源以沟道物源、坡面物源和崩塌物源为主，可能形成的泥石流流体性质为过渡性偏稀性。整体沟道坡度较陡，大量弃渣堆积于沟口。一旦发生泥石流，对拟建于原沟口堆积扇上的移民安置场地造成严重威胁。

(2)利用CFX软件模拟的泥石流漫流范围有可能蔓延至污水处理站。弃渣堆顶部平台对泥石流运动过程中的流速和压强等都有明显影响。最大流速、最大负静压和最大全压强基本都集中在弃渣堆二级平台以上的坡面和弃渣平台上。

(3)较高流速可侵蚀弃渣堆形成新的物源补给。而较大压力也可能使其产生失稳破坏，形成暴雨-泥石流-弃渣滑坡失稳灾害链。

(4)建议在弃渣堆顶公路堵塞原沟道段尽快留出排泄通道，改为过水路面；拆除公路内侧违建建筑物；同时新建排导槽或单边导流堤以防止可能爆发的泥石流对拟建移民安置点的漫流淤积危害。