基于RAMMS鋤頭溝泥石流運動過程模擬

熊沖沖，胡卸文, 2，劉丁毅，賀書恒

基于RAMMS鋤頭溝泥石流運動過程模擬

熊沖沖1，胡卸文1, 2，劉丁毅1，賀書恒1

（1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，成都 610031；2.西南交通大學高速鐵路運營安全空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，成都 610031）

2013年7月，汶川縣鋤頭溝受暴雨影響爆發泥石流災害，對溝口居民區和交通干線造成嚴重破壞，造成巨大經濟損失。通過對泥石流的發育特征分析和運動特征參數計算，利用RAMMS軟件基于Voellmy模型和REK模型對泥石流運動堆積過程進行數值模擬，獲得泥石流平均流速、泥深的運動變化特征。模擬結果表明，溝口處溝道泥深約2～6m，平均流速2～4m/s。對堆積范圍進行校核，與實地調查結果基本吻合，模擬結果對泥石流運動特征分析及其防治具有積極意義。

泥石流；運動特征；RAMMS；數值模擬

泥石流是山區常見的一種自然地質災害，具有突發性、歷時短、破壞力大等特點（麥華山，2008）。震區由于地震作用導致表層土壤破壞和基巖出露，易形成松散物源，在降雨條件下極易形成泥石流災害（李安潤，鄧輝，等，2019）。通過對泥石流啟動機理、發育特征及運動過程特征分析，將會為山區泥石流治理及交通選線、村落選址布局提供積極的指導意見（劉希林和唐川，1995）。

隨著數值分析方法在山地災害分析研究中得以廣泛應用，選取合理有效的數值分析方法建立數學模型，模擬泥石流運動過程結果，結合實地勘察結論，將對泥石流災害的發育機理分析和防治措施建議提供積極的理論依據（李兆華等，2015；徐博，2016；喬成等，2016）。近年來，馬宗源、廖紅建等人0（馬宗源等，2008）應用ANSYS-CFX 軟件，對泥石流進行數值模擬分析，討論了泥石流對攔擋工程的影響結果；HUNGR使用基于半經驗方法和等效流體的DAN 3D 模型對泥石流的運動過程進行模擬（Hungr，1995）；楊濤、唐川等利用 FLO-2D對華溪溝泥石流進行數值模擬，得到泥石流堆積厚度及堆積范圍等結果（楊濤等，2018）；段學良等利用MASSFLOW模型對泥石流運動特征進行模擬，對流域進行危險區劃分（段學良等，2019）。

圖1 鋤頭溝溝口堆積扇

圖2 鋤頭溝流域平面圖（1∶10000）

數值模型選取的合理性對泥石流模擬將產生重要影響，RAMMS利用Voellmy-Salm流變連續介質模型處理泥石流體的流變問題，并利用RKE模型來進行補充調整，從而更好地分析泥石流運動中特征參數的動態變化。本文通過實地調查，運用RAMMS對20年一遇降雨頻率下鋤頭溝泥石流運動過程進行模擬分析計算，獲得其平均流速和流深的變化特征，對模擬結果進行分析，評價該泥石流溝對當地居民點的危害程度。

1 研究區概況

鋤頭溝位于汶川縣綿虒鎮羌鋒村，岷江右岸，與綿虒鎮中心相距約1.5km，溝口有羌鋒村村民10余戶，堆積扇前緣經過G213國道和都汶高速公路，2013年7月10日鋤頭溝爆發泥石流災害，對當地居民和交通干線造成嚴重影響（圖1）。

1.1 地形條件

鋤頭溝流域面積為21.7km2，主溝長8.9km，整體上可分為清水區、物源區和流通堆積區（圖2），主溝平均縱坡降184‰（圖3）。鋤頭溝流域地形屬深切割構造侵蝕低山和中山地形，溝道總體呈V型溝谷地貌，上游溝段較為狹小，谷寬5～l5m，下游段溝谷寬度較大，谷寬50～120m。流域內總體上地形陡峻，支溝發育，崩塌等不良地質現象發育，受地震作用影響，巖體破碎、松散、崩落，形成豐富的崩塌物堆積于主溝道及兩側，為泥石流水源和物源匯集提供了有利條件。

圖3 鋤頭溝主溝縱剖面圖

1.2 物源條件

鋤頭溝流域內松散固體物源十分豐富，主要有崩滑堆積物源、坡面堆積物源、溝道堆積物源，沿溝道及支溝溝道兩側分布。受“5.12地震”影響，溝內多處發生崩塌，巖體破碎，加之岸坡形態破壞水土流失，大量崩滑物源堆積于坡腳；地震作用下斜坡上的松散堆積體開裂松散，形成大量坡面堆積物源；溝域內主溝道較順直，支溝發育且坡度大，在長期的地質構造、風化剝蝕作用下溝谷內及兩側形成大量第四系松散堆積物。豐富的物源儲量，極大增加了泥石流發生的危險性。據調查統計結果，流域內崩滑堆積固體物源總量為250.82×104m3；主溝道堆積固體物源總量為541.50×104m3，坡面侵蝕固體物源總量為102.00×104m3，支溝物源約305.54×104m3，共計松散固體物源量1231.86×104m3。

1.3 水源條件

流域內海拔較低無冰雪融水，大氣降水是誘發泥石流的主要水源條件。研究區年平均降水量526.3mm，最大年降水量648.6mm，最小年降水量369.8mm，汛期集中暴雨降水量滿足激發泥石流的降雨條件。溝域整體呈扇形，地形陡峻，支溝呈樹枝狀排列發育，溝谷上游及各支溝縱坡大，暴雨條件下利于地表徑流的形成和匯集，為鋤頭溝泥石流的形成提供了水源條件。

圖4 鋤頭溝物源儲量統計柱狀圖

1.4 泥石流發育機理

鋤頭溝屬暴雨溝谷型泥石流，流域地形高差大，溝道呈“V”形溝谷形態，主溝道平均坡降較大，且支溝呈樹枝狀排列發育，有利于物源的堆積和水源的匯聚，受“5·12”地震影響，溝道兩岸坡腳堆積大量松散物源。流域中上游及各支溝泥石流物源在暴雨影響下啟動，向主溝道匯聚，在地表徑流沖刷攜帶作用下，溝道內泥沙塊石等裹挾溝岸兩側堆積物順溝向下游移動，同時對溝床的掏蝕揭底作用使得岸坡穩定性變差，增加固體物源，最終爆發泥石流災害。綜上所述，鋤頭溝具備泥石流爆發的地形、物源、水源條件。

2 泥石流運動特征參數計算

本次數值模擬需獲取泥石流運動特征參數為泥石流流體重度、流速及暴雨洪峰流量、泥石流峰值流量，可采用相關公式計算獲得。

1）泥石流重度。現場配漿法與查表法所得泥石流重度綜合取值17.21kN/m3，屬于稀性泥石流。

2）泥石流流速。鋤頭溝泥石流屬稀性泥石流，流速計算公式采用西南地區（鐵二院陳光曦）公式：

式中：Vc—泥石流流速；H—泥石流平均泥深；I—主溝縱坡降；1/n—溝床糙率系數。

溝口處20年一遇泥石流流速計算結果見表1。

表1 鋤頭溝泥石流溝口流速計算結果

表2 鋤頭溝泥石流溝口流量計算結果

3）暴雨洪峰流量和泥石流峰值流量

泥石流峰值流量采用雨洪修正法進行計算：

溝口處20年一遇泥石流峰值流量計算結果見表2。

3 RAMMS軟件基本原理

RAMMS由瑞士聯邦積雪與雪崩研究所開發，軟件中DEBRIS-FLOW模塊（即泥石流模塊），能夠預測泥石流運行路徑、流動速度、流動深度和壓強等數據的空間分布，可以較好地對泥石流的運動狀態進行數值模擬（溫麗旺，2018）。

Hungr0通過研究發現利用連續介質模型進行泥石流數值模擬過程時，結果易受到很多不確定條件的干擾，不同流變模型對結果有重要影響（Hungr，Eberhardt，2005）。由于泥石流地質災害發生過程的復雜性，所以RAMMS運用Voellmy-Salm流變連續介質模型將泥石流流體視為非穩定及非均質的，利用物質能量與運動轉化法則來處理泥石流的運動、堆積過程，并運用RKE（Random Kinetic Energy）模型來進行補充調整，分析參數的動態變化特征，從而得到理想的模擬結果。

3.1 Voellmy-Salm流變模型

Christen0發現Voellmy-Salm流變連續介質模型的求解泥石流參數流深H和平均流速V，可以較好地表現泥石流的運動特征(Christen，Kowalski，etal，2010)。用質量平衡方程（公式4）求解流深H。

各式中：H—泥石流流深；V—泥石流平均流速；S—摩擦阻力，與庫倫摩擦系數μ和湍流摩擦系數ξ有關；x、y、z—笛卡爾坐標系中平面坐標x、y和高程z；t—泥石流運動時間；—泥石流流體密度，g—重力加速度，—平均坡角。

3.2 RKE模型

RKE模型可以隨時間的變化對泥石流的運動模擬過程進行實時調整修正，由于流體速度方向變化的雜亂性，RKE模型將流速V分為平均速度和瞬時速度，x、y方向上流速為平均速度和瞬時速度的矢量和，并設定z方向平均速度為0，以此更好表現泥石流的實時運動特征變化。RKE模型中摩擦系數μ和湍流系數發揮重要作用，可由下式得出：

式中：為摩擦系數，為湍流系數，R為一常數(定義為表示隨機動能密度函數的摩擦指數增長率)，R為深度平均隨機動能。

4 鋤頭溝泥石流數值模擬

4.1 參數設置

第一步地形數據處理，首先利用研究區1:10000等高線地形圖建立數字高程模型（DEM），轉化為ASCII格式文件后導入RAMMS軟件，以此加載流域范圍和物源區域，根據實地調查結果為不同種類物源厚度分別賦值。

4.2 模擬結果分析

根據上述設定參數，利用RAMMS對鋤頭溝在P=5%暴雨情況下運動情況進行數值模擬，得到泥石流平均流速和泥深狀態模擬結果，見圖5、圖6。

由圖5模擬結果來看，鋤頭溝泥石流物源在外力作用下啟動開始滑動，物源流速逐漸增大，由于泥石流各段縱坡降的變化，流速隨時間變化表現為增大-減慢-穩定再到停止運動的規律。同時由于研究區內實際地形的復雜性，泥石流流速變化表現出一定局部差異性，如較大流速多次出現在較陡坡降主支溝交匯處。泥石流運動至近溝口時，流速較為穩定，約為2～4m/s，與前文計算分析結果保持一致，同時符合實地調查結果。

由圖6模擬結果來看，鋤頭溝泥石流中上游段和支溝上游段多為泥石流啟動段，表層松散物質、殘坡積碎石等物源隨著水源匯聚流動，600s時流域內出現多處較大泥深，最大厚度可達12m，多出現于主、支溝交匯處，物源匯聚后沿著主溝道內運動，中下游段隨著溝道縱坡變化，流深逐漸趨于穩定，約為2～6m，然后逐漸變小直至溝口堆積扇處。流深整體隨時間變化的運動規律表現為由啟動-逐漸增大-趨于穩定運動至溝口堆積區，且在此過程中物源不斷堆積至溝道中。流深的運動規律符合實地調查結果。

圖5 鋤頭溝不同時步泥石流流動速度狀態圖

圖6 鋤頭溝不同時步泥石流泥深狀態圖

4.3 影響范圍校核

受泥石流溝道和山體地形限制，泥石流運動至出山口處，地形開闊，泥石流開始向兩側擴散，隨著溝道內物源的不斷涌出，開始向前方及兩側呈扇狀堆積，最終沿堆積扇前緣匯入岷江河道。根據實地調查，鋤頭溝泥石流溝口堆積扇前緣長度約370m，扇軸長度約150m，為一老堆積扇。取模擬結果中泥石流泥深分布圖作為參考影響范圍，并與泥石流實際堆積范圍作比較，可知兩者吻合程度較好（圖7）。由此可得泥石流一旦爆發，將會對溝口居民區以及交通干線造成嚴重損害，建議采取合理有效的攔擋工程對其進行防治。

圖7 泥石流危險區范圍

5 結論

汶川縣綿虒鎮鋤頭溝流域面積為21.7km2，主溝長8.9km，主溝平均縱坡降184‰，流域內支溝發育，松散物源豐富；通過RAMMS軟件對鋤頭溝泥石流進行數值模擬，考慮P=5%暴雨頻率，計算得到泥石流參數（泥深和平均流速）：容重17.21kN/m3，溝口流速3.72m/s，雨洪法計算洪峰流量121.27m3/s，泥石流峰值流量350.03m3/s。RAMMS模擬結果，下游流通堆積區處泥深約2～6m，平均流速約2～4m/s，劃分泥石流可能影響范圍與實際堆積范圍對比基本吻合。

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Simulation of Debris Flow Activity in the Chutou Gully based on RAMMS

XIONG Chong-chong1HU Xie-wen1,2LIU Ding-yi1HE Shu-heng1

(1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

In July 2013, a rainstorm triggered a debris flow at the Chutou Gully, Wenchuan County which caused serious damage and huge economic losses to the local residential areas and the main lines of communication. This paper has a discussion on its development characteristics and calculates its dynamical parameters. The process of movement and accumulation of the debris flow is simulated based on Voellmy model and REK model by means of RAMMS software in order to obtain the moving and changing characteristics of the average velocity and depth of the debris flow. The simulation results show that the depth of mud is about 2～6 m and the average movement velocity is about 2～4 m/s, and the stacking range is basically consistent with the actual results. The simulation results have a positive effect on the analysis of debris flow characteristics and its control.

debris flow; dynamic characteristics; RAMMS; numerical modeling

2020-05-10

國家重點研發計劃（2018YFC1505401），國家自然科學基金資助（No.41731285，41672283）

熊沖沖（1994-），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事工程地質方面研究

胡卸文（1963-），男，博士，教授、博士生導師，主要從事工程地質、環境地質方面的教學與研究工作

X43；P642.23

A

1006-0995（2021）01-0107-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.022