泥石流流量的數字模擬分析
——以云南省永勝縣馬坪子大箐泥石流為例

張橋

（四川省煤田地質局一三五隊四川瀘州646000）

泥石流流量的數字模擬分析
——以云南省永勝縣馬坪子大箐泥石流為例

張橋

（四川省煤田地質局一三五隊四川瀘州646000）

在進行治理工程設計參數的分析上，對最關鍵的流量參數進行了數值模擬，利用FLOW-3D的General Moving Object model模型進行模擬計算，通過對10年一遇暴雨、30年一遇暴雨、50年一遇暴雨及100年一遇暴雨采用雨洪法及模擬計算進行對比后，通過加權平均，模擬計算結果為雨洪法計算結果的83.5%，可見雨洪法計算得出的結論更趨保守，但模擬計算更接近實際情況，因此結果更具針對性。

泥石流流量；模擬計算

泥石流流量在泥石流各項參數處于十分重要的地位，像一次泥石流過流總量、一次泥石流固體沖出物等設計數據，都是以泥石流流量為基礎進行計算的。

而泥石流流量的計算方法復雜且多種多樣，甚至同一種算法在不同地區的公式及取值都不盡相同：例如雨洪法計算中的匯流參數m計算公式在四川地區和云南地區的差異性就較大；而暴雨遞減系數n在四川地區是采用1h、6h雨強在各頻率系數修正后進行計算，但在云南地區則是通過查水文手冊取值。這些方式的不同往往導致計算結果存在較大偏差，怎樣選擇一種具代表性、精度較高的計算方式，對泥石流治理的研究是十分重要的。通過查閱相關資料，當前普遍的泥石流流量計算方法都存在計算精度不高，參數取定困難，計算結果與泥石流實際流量差異較大等情況，這些公式方法都是學者在經驗研究的基礎上得出的，而以前的研究往往針對泥石流單溝，系統性的分析大量泥石流的研究較少，從而導致現階段計算方法不具代表性。近些年來，由于計算機的廣泛應用，數值模擬技術得到高速發展，將數值模擬引入泥石流流量計算，能夠最大程度的模擬泥石流地形、坡降等重要參數，由此得出的流量數據與泥石流的實際情況相吻合，這樣在進行治理工程設計時，就避免了由于流量問題導致的設計保守，使得在滿足治理效果的前提下，達到治理費用的最優化。

現階段針對粘性、稀性泥石流流量建立的模型有：①粘塑技術（粘性泥石流）；②顆?；瑒蛹夹g（稀性泥石流）；③綜合阻力系數計算（粘性、稀性泥石流）。

1 粘塑技術

指數流變方程針對不同性質的泥石流計算方程是不同的，本次只對粘性泥石流進行分析研究，公式如下：

其中：h為水深；y為距河床的距離；u為沿水流方向的點流速；

γm為泥石流水沙混合體的容重；u為動力粘滯系數；η為指數方程中的粘性剪切力指數（對賓漢流體，η=1）；τi為內部剪切力，τy為屈服應力。如果將si表示為屈服應力、粘性和有關水力要素的函數，可以得到：

上述公式主要與含砂量、體積有關。通常情況下，粘性泥石流對屈服應力的要求較高，在水深、河床坡降、流速等方面必須到達相關指標。

2 顆?；瑒蛹夹g

顆?；瑒蛹夹g的應用具備一定的前提條件，但由于其在模擬過程中可以對坡率、水動力條件、粒徑等方面進行分析，其計算結果的準確性較高，相關公式如下：

其中，e為系數；x1，x2分別為孔隙水壓力恢復區和泥石流前坡的位置；ka/p為常數系數；θ為河床坡降；φhed為內摩擦角。在對縱坡率在20～30°之間的稀性泥石流計算結果可靠性最高。

3 綜合阻力系數技術

綜合阻力系數方法與泥石流重度、水力半徑及坡率有密切關系，且橫向、縱向剪應力也是一個重要參數，泥石流中剪應力的形成、分布比較復雜，可以由內外摩阻力、紊流等條件產生，因此在各剪應力分力合并為剪應力合力的計算上，必須選擇合理的模擬形式。剪應力合力公式為：τi=γmRSi，其中τi為泥石流床面總剪切力；si為綜合能坡，si=n2tf（Q，R，A）。

同樣，泥石流所涉及的各種阻力也存在這種問題，如何采用合理的綜合阻力系數代表所有阻力，這也是該項技術面臨的難點、重點，同時在模擬計算時，由于可以在流量計算中運用sf、se、sl及u等重要參數，該技術計算得到的成果也與泥石流流量的真實情況相吻合。

4 模擬計算方法的驗證

本文以馬坪子大箐泥石流溝為例，對雨洪法及模擬計算方法進行比較。馬坪子大箐泥石流溝流域面積約0.298km2，縱向溝長約1.95km，縱向坡降539.69～980.75‰，由兩條主溝六條支溝組成，溝谷形態整體狹長，溝道呈一典型的“V”字型峽谷，按10年一遇暴雨進行計算溝口流量為12.88m3/s，30年一遇暴雨進行計算溝口流量為18.26m3/s，50年一遇暴雨進行計算溝口流量為20.82m3/s，100年一遇暴雨進行計算溝口流量為24.33m3/s。泥石流流域內山勢陡峭，地表松散堆積物豐富，多呈塊石狀，其中粒徑在0.2～0.7m之間的占70%，粒徑在0.7～1.5m之間的占30%。

圖1 10年一遇暴雨雨洪法、模擬計算結果過程線

圖2 30年一遇暴雨雨洪法、模擬計算結果過程線

圖3 50年一遇暴雨雨洪法、模擬計算結果過程線

而利用模擬技術進行計算，由于馬坪子大箐泥石流溝為稀性泥石流，且平均坡降大于大于φhed（20～30°），運用顆?；瑒蛹夹g模型，選取General Moving Object model（FLOW-3D）模型對泥石流溝口流量進行分析研究（圖1～4）。

根據10年、30年、50年及100年一遇暴雨雨洪法、模擬計算結果過程線進行分析，可以得到馬坪子大箐泥石流溝口流量按10年一遇暴雨為10.56m3/s，按30年一遇暴雨為15.15m3/s，按50年一遇暴雨為17.48m3/s，按100年一遇暴雨為20.68m3/s。通過加權平均，將采用顆粒滑動技術模型計算得到的泥石流溝口流量與雨洪法計算得到的泥石流溝口流量進行對比，可以發現雨洪法得出的數值更大，按該數值進行設計更顯保守，而模擬計算結果僅為雨洪法計算結果的83.5%，按該數值進行設計，在保證治理工程能夠達到治理效果的基礎上，又節約了費用，再加之在模擬計算中，可以加入不能帶入雨洪法計算的各種與流量直接或間接相關的參數，如動力粘滯系數、摩阻坡降等，其結果與泥石流流量的實際情況較為接近。

圖4 100年一遇暴雨雨洪法、模擬計算結果過程線

5 結語

本文通過以馬坪子大箐泥石流溝口流量計算為例，將按顆?；瑒蛹夹g模型、雨洪法兩種算法得到的結果進行比較分析，得出數值模擬技術更具可靠性、優越性的依據。泥石流流量計算是一個復雜、系統的過程，采用相同模型、不同影響因子計算的結果也存在較大偏差，因此在建立模型的過程中，也要對各因子進行篩選，并對數值進行校核，如條件可能，最好與周邊相似工程計算結果進行類比，以得出最合理的組合方式。每種模擬技術都有其局限性，包括顆粒滑動技術，但隨著科技技術的不斷發展，將來在泥石流流量及其它重要參數的分析計算上，將與泥石流的實際情況越來越接近。

[1]李宗臣.淺談地質災害的防與治.臺聲·新視角，2005.

[2]羅元華.泥石流堆積數值模擬及泥石流災害風險評估方法研究.中國地質大學博士論文.1998.

[3]耿弘，梁永寧，任堅.云南地質災害及災害防治.云南地質，2002（03）.

[4]唐川.汶川地震區暴雨滑坡泥石流活動趨勢預測[J].山地學報，2010，28（3）：341～349.

[5]謝洪，鐘敦倫，矯震，等.2008年汶川地震重災區的泥石流[J].山地學報，2009，27（4）501～509.

[6]唐川，鐵永波.汶川震區北川縣城魏家溝暴雨泥石流災害調查分析[J].山地學報，2009，27（5）：625～630.

[7]張自光，張志明，張順斌.都江堰市八一溝泥石流形成條件與動力學特征分析[J].中國地質災害與防治學報，2010，21（1）：34～38.

[8]曹屹東.汶川震區典型暴雨泥石流形成特征與條件的實驗研究[D].成都理工大學，2010.

[9]齊信.基于3S技術強震區地質災害解譯與危險性評價研究——以四川省北川縣為例[D].成都理工大學，2010.

[10]崔鵬，莊建琦，陳興長，等.汶川地震區震后泥石流活動特征與防治對策[J].四川大學學報（工程科學版），2010，42（5）10～19.

[11]蘇延敏.數值模擬在泥石流流量計算中的應用.山西建筑，2010，7.

P642.23

A

1004-7344（2016）28-0214-02

2016-9-21

張橋（1983-），男，工程師，碩士，主要從事工民建勘察、巖土設計及地質災害勘查、設計等工作。