雷布大箐“9·17”泥石流災害發育特征及運動過程模擬分析

劉關雄，張 杰，楊志全，劉正權

(1.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學應急管理部地質災害風險防控與應急減災重點實驗室，云南 昆明 650093；3.云南省高校高烈度地震山區交通走廊工程地質病害早期快速判識與防控重點實驗室，

云南 昆明 650093；4.云南省地質環境監測院，云南 昆明 650216；5.自然資源部高原山地地質災害預報預警與生態保護修復重點試驗室，云南 昆明 650216)

0 引 言

泥石流是由泥砂、石塊、巨礫與水組成的混合流體，在重力的作用下沿山谷溝道快速移動[1]，破壞建筑設施，威脅居民生命安全。降雨與泥石流的發生有密切相關，2016-09-15T08∶00～2016-09-17T08∶00，受持續降雨影響，云南省元謀縣黃瓜園鎮境內多處區域同時暴發山洪泥石流災害，災害損失巨大，成昆鐵路K839+545線路路基橋涵沖毀約300 m(橋梁1座)，線橋涵設備受損，接觸網、電務設備受損，鐵路中斷(見圖1)。此外，此次災害還阻斷龍川江干流形成2個堰塞湖，威脅下游城鎮安全。此次災害造成直接經濟損失超過了4億元。

近年來，泥石流的相關研究集中在監測預警、試驗研究、數值模擬等方面。泥石流監測預警是避免災害最直接的方法，目前的監測預警主要研究引發泥石流的降雨閾值[2]，也有通過識別泥石流次聲波實現監測預警[3]。但我國的泥石流災害主要發生在山區，監測預警的范圍廣、成本高、維護難[4]，成功預報的實例較少[5]。試驗研究可以揭示泥石流產生的機理，研究不同因素，如物源條件、降雨條件、地形條件對泥石流的影響，但目前物理試驗往往都是人工操作，沒有統一的操作規范，誤差難以避免，效率低，每次試驗的現象僅與特定的試驗條件相對應，可重復性較低[6]。此外，大部分試驗都是基于相似原則在室內縮放后進行的，邊界條件對試驗結果造成的影響往往被忽略[7]。相比而言，數值模擬所需研究成本較低，常見的數值模擬軟件可以利用遙感數據結合現場調查，模擬泥石流運動的過程，獲得泥石流爆發過程中流動速度、泥水位高度等空間分布及其隨時間的變化，進而確定泥石流的影響范圍及危險性，目前已有較多學者采用數值模擬方法研究泥石流。楊濤等[8]運用FLO-2D研究了華溪溝泥石流的運動，得到了造成泥石流爆發的臨界降雨條件。戴興建等[9]運用DAN3D和FLOW-3D進行了易貢滑坡—堰塞壩潰壩—洪水演進完整災害鏈的反演，獲得了相關動力學參數。宋兵等[10]運用RAMMS研究了白沙溝泥石流的運動過程，對比了數值模擬和雨洪法計算出的泥石流沖出量，發現兩者差異較小。

鑒于RAMMS采用雙參數的Voellmy-fluid摩擦模型描述流動碎屑之間的摩擦行為，以RKE模型考慮泥石流內部速度變化[11]，可準確模擬泥石流遠程運動問題[12]，且利用二階本質不振蕩(ENO)格式在一般四邊形網格而非嚴格的正交網格上進行數值求解，提高了數值的穩定性。為此，本文通過現場調查和查閱文獻資料，采用RAMMS軟件對雷布大箐泥石流運動過程進行模擬，分析了泥石流爆發的運動過程，并根據模擬結果繪制了危險性分區圖。為了驗證數值模擬的可靠性，將實地勘察結果和模擬結果中的村莊區域泥水位、溝口區域堆積物面積等進行了對比。

1 研究區地質背景

雷布大箐位于元謀縣黃瓜園鎮龍川江干流右岸溝谷。該箐區流域內地形切割強烈，總的地勢東高西低，山脊多呈長壟狀，相對高差1 656 m。溝谷兩岸地形陡峻，山高谷深，植被不發育，地形坡度一般20°～40°，局部陡峻形成陡崖絕壁，屬構造剝蝕、侵蝕中山地貌。

流域上游主要為侏羅紀、白堊紀紫紅色薄～中層狀強～中等風化泥質砂巖、頁巖、泥巖；流域中下游流通區段及溝口堆積區一帶，主要為第四紀沖洪積及河床堆積物，成分復雜，主要由洪沖積砂礫石、砂質粘土夾砂礫石組成，磨圓度較好，具有一定的分選性，厚度懸殊較大，固結程度差。在地質構造上，元謀大斷裂橫穿泥石流流域中部，受元謀斷裂的影響，研究區巖層節理裂隙較發育，巖體抗風化能力差，球狀風化特征較明顯，在降雨作用下，易發生淺表層的土石界面土質滑坡或沿軟弱界面發生順層巖質滑坡。

2 泥石流形成條件分析

2.1 地形條件

雷布大箐流域面積為11.67 km2，主溝呈東西向，全長為8.67 km。受新構造運動的影響，流域中上部(即元謀斷裂東盤)不斷抬升，且切割較深，形成典型的高山河谷(峽谷)區，河谷兩岸橫剖面呈“V”字形，地形較陡，坡度30°～45°，局部可達60°，陡峭的溝岸不利于兩岸風化松散層的長久穩定，在降雨的作用下，強風化松散物不斷下滑堆積，為泥石流的發生提供坡面物源。該段溝道平直，長約5.5 km，縱坡降比為244.54‰，為泥石流的發生提供了有利的地形條件，陡峭的“V”字型溝岸，再加上長距離、大坡降的平直溝道，既有利于溝兩岸的強風化松散物下滑堆積，為泥石流的發生提供坡面物源，更有利于泥石流在溝道內高速運動，以最快的速度搬運、鏟刮、運移溝道兩岸及溝底堆積物。流域中下部(即元謀斷裂西盤)地形起伏不大，坡度比降約為74.81‰，并不斷接受中上游泥石流的大量沉積物補給，為典型的沖洪積堆積地貌區。

2.2 物源條件

2.2.1 坡面崩滑體松散堆積物

研究區處于滇中紅層河谷區，溝谷兩岸的巖土體具有紅層物理特性，巖體固結程度較差，大部分處于半固結狀態，巖體長時間暴露在地表，風化速度加快，巖體內部結構遭受較大的破壞，孔隙率變大，抗壓強度和彈性模量均大大降低，在降雨的作用下易崩解，形成崩塌或滑坡(見圖2)。在泥石流強有力的沖刷、搬運等外動力作用下，主溝道坡腳兩側的土體已全部剝離，參與了泥石流活動。坡腳土體的剝離，新的臨空面的產生，使得原本既陡峭又不穩定的坡岸，在自身重力及新的牽引力作用下，產生新的不等規模的淺表層滑坡或垮塌(見圖3)，為泥石流的發生提供充足的物源。

圖2 坡面松散堆積物

圖3 溝岸淺表層垮塌

2.2.2 溝床堆積物

2016年5月對該泥石流溝調查發現，主溝道在暴發泥石流之前有大量的溝床堆積物，其成分主要為卵礫石與砂石，卵石礫徑為0.2～0.5 m，磨圓度中等，分選性較差，厚度分布不均。從1號攔渣壩可以明顯看到，溝床堆積物已淤滿至壩頂，以攔渣壩為參照，溝床堆積物厚度可達5～8 m。泥石流溝道中游及下游段1/3的溝床堆積物均參與了泥石流運動，使得原來的溝底變寬、變深，具有明顯的“溝底拓寬、侵蝕下切、深切拉槽”的特征，主河道局部地段下切深度1～3 m。泥石流溝床啟動下切拉槽見圖4。

圖4 泥石流溝床啟動下切拉槽

2.3 降雨條件

降雨是導致泥石流發生的主要原因，形成泥石流既需要足夠的水量，還需要有強大的雨強，當降雨量達到一定界限后才能激發泥石流[13]。該區歷年連續降雨中心多集中于下游壩區邊緣及上游山區，即流域上游分水嶺一帶，平均2年遇1次，盆地內最大的日暴雨量為102.9 mm(1969年9月3日)，約占全年降雨量的17%；上游山區最大日暴雨量為146.67 mm(1974年7月26日～7月28日，36 h內降雨量達220 mm)。1990年～2009年，年平均降雨量為697 mm。

通過資料收集，2016年1月1日～9月17日黃瓜園鎮降雨量為660.6 mm。9月1日～17日黃瓜園鎮降雨量為45.1 mm，比去年同期多164.5 mm，9月15日～9月17日黃瓜園鎮的降雨量達103.8 mm。充沛的降雨量導致雷布大箐徑流量比往年明顯增大，為泥石流的形成提供了水源條件。另一方面，降雨也導致溝床、溝壁土體的含水率增大，孔隙水壓力和流動水壓力增大，進而導致了泥石流的發生[13-14]。

3 泥石流數值模擬

首先處理地形數據。將研究區的數字高程模型(DEM)轉化為ASCII格式文件后導入RAMMS軟件并添加對應的高精度遙感影像，根據現場調查加載匯水區范圍并為物源的厚度賦值。

接著選取合理的模擬參數。根據勘察計算結果與文獻資料，泥石流密度ρ為1.67 t/m3，重力加速度g為9.8 m/s2，平均坡角φ取值為50°，采用五邊形法生成流量過程曲線。由于本文采用2階求解器，因此主動-被動土壓力系數(Lambda)取默認值，0深度截止值取默認值以消除模擬實際淺深度最小化數值的誤差[15]。根據研究區特點，摩擦系數μ取0.07，湍流系數ξ取1 500 m/s2。采用概化五邊形法計算泥石流洪峰流量，即

(1)

式中，WC為1次泥石流總量，160.5×104m3；QC為泥石流峰值流量；TC為泥石流持續時間，6 400 s。可以得出，泥石流峰值流量為950.35 m3/s。

根據以上參數，進行RAMMS模擬計算。泥石流運動過程模擬見圖5。從圖5可知，雷布大箐泥石流的運動過程可分為7個階段：

圖5 泥石流運動過程模擬

(1)0～1 000 s。受前期持續降雨的影響，溝道內的水流量逐漸增加，溝床、溝壁土體的強度降低，發生大量崩塌、滑坡，大量物源被沖刷，這些物源隨水流匯聚流動，溝道急轉彎處流動阻力增大。上游的2處較為狹窄的溝道轉彎處，最大泥水位分別達到了2.75 m和3.82 m，流體到達水泥廠附近，溝道彎曲狹窄，流體受阻，有漫流的趨勢。

(2)1 000～2 000 s。洪水流量快速增加，對溝床、溝壁土體的沖刷作用加劇，形成了更多物源，上游溝道狹窄處的最大泥水位達到了5.84 m，下游溝道急轉彎處(水泥廠附近)溝道彎曲狹窄堵塞，堆積泥深劇增，最大達到了2.95 m，流體在水泥廠處發生淺層漫流現象，流體運動到達朱布村南側。

(3)2 000～3 000 s。泥石流的影響范圍擴大到了下游村莊，靠近溝道的村莊區域泥石流泥水位為1～2 m，并且在與龍川江交匯處形成了少量堆積體，由于溝床粗糙阻塞，形成多個堰塞體，泥深交替變化，體現出邊賭邊潰的現象，在水泥廠及朱布村淺層漫流范圍擴大，且成昆鐵路K839+545線路路基橋涵處和黃江鄉級公路逐漸被泥石流淹沒。

(4)3 000～4 000 s。泥石流在村莊區域的影響范圍有所增大，但泥水位的變化較小，溝道水流量劇增，堰塞體數及泥深逐漸增加，特別在雷布村南側及水泥廠附近堰塞體威脅嚴重，在水泥廠附近溝道堵塞造成流體爬高，對耕地造成回淤及淺層漫流現象。堆積區中部泥深達1.97m，且龍川江堆積范圍向兩端呈扇形逐漸擴散。

(5)4 000～5 000 s。上游溝道急轉彎處泥深劇減，發生堰塞體潰壩，流體沖刷能力增大，溝道泥深最大達6m。在龍川江堆積區右岸由于溝岸低，泥流動量大，流體發生漫流現象。

(6)5 000～6 000 s。由于溝道流體發生堰塞體潰壩，溝道揭底沖刷作用強烈，泥深變化較大，龍川江堆積區泥深及范圍持續增加，中部最大泥深達6.5 m。

(7)6 000～6 400 s。流水沖刷，水泥廠附近堰塞體潰壩，朱布村最大泥深達2 m，堆積區泥深最大達6.5 m，堵塞龍川江，嚴重威脅上游居民的安全。

4 泥石流危險性分區

通過危險性分區，可以掌握泥石流暴發的范圍，制定應急預案，泥石流發生前評估災害可能造成損失，為防災減災工作提供依據。結合模擬結果中的泥石流泥水位分布圖、流速分布圖和泥石流強度等級劃分表(見表1)[16]，得出了雷布大箐“9·17”泥石流危險性分區圖(見圖6)。

表1 泥石流強度等級劃分

圖6 泥石流危險性分區

根據圖6所示，高危險區幾乎貫穿了整個泥石流溝道及溝口堆積扇的中間區域，面積約為0.793 4km2，占總危險區面積的45.6%，該區域內主要分布有成昆鐵路路基橋涵處、黃江鄉級公路，泥石流一旦發生，對基礎建筑設施損壞大，經濟損失大。中危險區主要位于朱布村區域及龍川江堆積扇的的兩端及部分邊緣地帶，面積約為0.371 5 km2，占總危險區面積的21.15%，容易對朱布村的部分基礎設施造成破壞和堵塞龍川江，對上游黃瓜果園鎮居民生命財產安全造成嚴重威脅。低危險區主要位于溝道邊緣、堆積扇的邊緣、水泥廠部分區域和由于在水泥廠附近溝道狹窄，流體阻力增大，發生流體爬高，淺層漫流回淤的耕地，面積約為0.570 1 km2，占總危險區面積的32.6%，容易對耕地農作物造成破壞。

5 模擬結果驗證

模擬結果中的泥石流泥水位在溝口村莊的數值分布在1～2 m。根據現場勘察(見圖7)，雷布大箐泥石流流經村莊時的泥水位高度為1.2～1.5 m，兩者的吻合程度較好。

圖7 泥石流經過村莊時的泥水位

模擬結果的泥石流在雷布大箐與龍川江交匯處的面積約為0.47 km2，現場野外調查和遙感數據相結合，實測約為0.52 km2，實際相對誤差為10%，兩者的吻合程度較好。

模擬結果的泥石流危險性分區，成昆鐵路路基橋涵處于中危險區及高危險區內，損毀的可能性較高。實際調查中，成昆鐵路K839+545線路路基橋涵沖毀約300 m，相關設備受損，成昆鐵路中斷，兩者的吻合程度較好。

6 結 語

本文基于RAMMS模擬軟件，以“9·17”雷布大箐泥石流災害為研究對象，對其泥石流發育特征及運動過程進行數值模擬研究，得出以下結論：

(1)根據實地調查和文獻資料，雷布大箐泥石流爆發的根本原因是狹窄彎曲的溝道、充足的降雨和大量可移動物源。

(2)根據數值模擬得知，雷布大箐泥石流爆發的直接原因是上游和村莊東部的溝道急轉彎處的最大泥水位分別達到了8.5 m和4.01 m，溝道內形成了多個堰塞體，隨著洪水流量的增加，小型堰塞體潰決，泥石流流量快速增加，致使泥石流規模擴大，造成災害損失嚴重。

(3)泥石流高、中、低危險區分別占總危險區面積的45.6%、21.15%、32.6%，高危險區的面積占比大，主要貫穿于泥石流溝道及溝口堆積扇的中間區域，成昆鐵路、黃江鄉級公路經過中危險區及高危險區，被損毀的可能性較高。