高位遠程崩滑碎屑流-泥石流災害鏈的演變過程與影響范圍預測
——以“4·5”四川洪雅縣鐵匠灣地質災害鏈為例

劉 鑫,張 文,李 根,劉 波

1.四川省地質環境調查研究中心,成都 610081

2.四川九一五建設工程有限公司,四川 眉山 620010

3.吉林大學建設工程學院,長春 130026

4.中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081

0 引言

2021年4月5日6時左右,四川洪雅縣柳江鎮趙河村13組道路上方山體陡崖處突發高位崩塌災害,崩塌體的高位勢能轉化為動能作用于陡崖下部斜坡崩坡積體觸發滑坡,所有巖土體共同形成了崩滑碎屑流。因其局部穩定性較差,后期在降雨作用下,碎屑流沿斜坡向下游雙溪河運動,又形成了泥石流次生災害,最后造成雙溪河全部堵塞,形成小規模堰塞湖。該堰塞湖一旦潰決,將對雙溪河下游兩岸居民造成嚴重威脅。所以,本次災害并不是單一的地質災害,而是由一種地質災害引發形成的多災種威脅較大的災害鏈。本次災害鏈共造成5戶房屋被掩埋,3人失蹤,150 m道路損毀斷道,林木損毀3 000 m3,直接經濟損失約600萬元,可見其危害之大[1-3]。

所謂災害鏈,就是由于受外界影響而發生的地質災害進而啟動另外一種或多種地質災害損失的過程[4-7]。20世紀以來,已有眾多學者開展了對崩滑碎屑流方面的研究,特別是自2017年茂縣疊溪鎮新磨村特大滑坡的發生,碎屑流的概念逐步被大家所認知[8-9]。胡卸文等[10]在蘆山地震觸發大巖崩滑坡-碎屑流特征與運動過程的研究中,對滑坡發生并形成碎屑流的成因機制及成災原因進行了初步分析。曾慶利等[9]在茂縣新磨特大滑坡-碎屑流的發育特征與運移機理的研究中,深入探討了影響碎屑流運動性的主要效應及其致災機理,并評價了類似災害的監測預警新方法。高楊等[11]開展了高位遠程滑坡沖擊鏟刮效應研究進展及問題的研究,總結歸納了高位遠程滑坡沖擊鏟刮效應的國內外研究現狀,總結了高位遠程滑坡的沖擊鏟刮模式主要有嵌入鏟起模式、裹挾刮帶模式、沖擊滑移模式和沖擊飛濺模式。當前對于比較典型的崩滑災害鏈的研究與防治已有較大進展[12-18],但主要以滑坡-碎屑流、高位崩滑-碎屑流、泥石流-滑坡-堰塞湖等災害鏈模式為主,而對高位崩塌-碎屑流滑坡-泥石流的災害鏈模式研究較少。

關于碎屑流的研究,在計算機數值模擬其運動過程方面也取得了一些成果。李祥龍等[19]采用PFC2D主要模擬了移除擋土墻后沿斜坡滑動、移動和堆積的過程,并分析了巖體的初始高度、滑動體的體積和地面波動程度等因素對碎屑流運動的影響。楊濤等[20]運用FLO-2D對岷江小流域6條泥石流溝進行數值模擬,重現了泥石流爆發的現狀,得出其堆積扇危險特征。本文采用RAMMS(rapid mass movements simulation)數值模擬方法模擬泥石流運動過程,利用Voellmy-Salm流變連續介質模型獲取其流深、流速等流動參數,并采用RKE(random kinetic energy)模型來進行調整,使模擬效果更加符合實際。

在洪雅縣鐵匠灣突發高位遠程崩滑地質災害周邊還存在長約15 km的類似高陡崖斜坡地段。在我國山區這類高陡崖斜坡地段較為發育。近年來受多次地震的影響,這些地段地質結構受到破壞,突發高位遠程崩滑流災害鏈可能較大。“4·5”洪雅縣鐵匠灣突發高位遠程崩滑地質災害是典型的山區陡崖斜坡地段高位遠程崩塌觸發滑坡碎屑流災害鏈之一,并形成次生泥石流。本文對類似的災害鏈采用數值模擬開展高位遠程崩滑流地質災害影響范圍預測研究,并對類似區域開展預防預報工作,劃定危險區范圍,提出有效的斷鏈措施,以指導該類災害鏈的防治工作,對減少經濟損失和提高理論研究水平提供技術支持。

1 地質環境條件

鐵匠灣崩滑災害鏈位于四川省眉山市洪雅縣柳江鎮趙河村,地處川西山地東緣(圖1)。研究區地質環境條件較為復雜,受褶皺、斷裂等地質構造因素控制,高陡崖斜坡地段分布較廣(圖2),地質災害發育,主要以高位崩塌、滑坡等災害為主。受地形及植被的影響,該類地質災害隱蔽性強、危害性大。

圖1 四川洪雅縣鐵匠灣崩滑災害全貌三維模型圖

圖2 鐵匠灣崩滑災害周邊陡崖區域

1.1 地形地貌

災害鏈所在地的地貌類型為中山地貌,整體北高南低,上部陡崖近直立,呈東西向展布,長度約15 km,高度為100 ～150 m;下部斜坡整體地形坡度約35°,崖頂高程約1 653 m,溝口海拔約824 m,相對高差829 m,崖頂至雙溪河水平長度約1 880 m,整體縱坡降44%,泥石流堆積區距下游雙溪村村委會一帶聚居區約700 m(圖3)。

圖3 鐵匠灣災害鏈所在位置典型地形地貌照片

1.2 地層巖性

1.3 地質構造

據調查,災害鏈附近無活動斷裂通過。距離災害鏈附近最近的1條活動斷裂是柳江沖斷層,距離約為7.2 km。

1.4 降雨條件

研究區受雅安市雨城區氣象條件影響較大,常年降雨量和降雨頻率較洪雅縣觀測數據偏高,氣候多變。根據收集災害發生前后降雨資料(圖5),2021年4月5日在崩滑碎屑流發生后,自4月6日至4月20日期間,降雨天數為14 d(占比約93%),日降雨量在1.0～22.5 mm之間,崩塌發生于4月5日,日降雨量約為1.5 mm,次生泥石流最初形成于4月10日,日降雨量為16.4 mm。

圖5 研究區2021年3月1日至4月20日的日降雨量

2 災害鏈的啟動、發展及轉化

根據現場調查分析,災害鏈的啟動源為高位崩塌。該崩塌源所處陡崖巖體破碎、節理裂隙發育,主要由兩組X共軛裂隙與近水平巖層共同作用,將巖體切割為塊體,陡崖下部由于差異風化形成了凹腔,并在后緣形成了卸荷裂隙,在重力、降雨等不利因素作用下,整個崩塌體發生突然垮塌(圖6)。

圖6 崩塌啟動源正面圖

上部陡崖處高位崩塌發生后,崩落的大量巖塊對下方崩坡積土層斜坡體造成沖擊和加載,巨大的高位勢能轉化為動能,破壞斜坡的穩定性,從而觸發下方自然斜坡發生滑動(圖7)。崩滑碎屑流滑坡堆積體沿斜坡溝道內呈流體狀堆積分布,且在發生災害后,崩滑碎屑流堆積體局部穩定性差,現場調查時偶可清晰聽到巖土體相互撞擊聲和擠壓樹木斷裂發出的斷裂聲音,表面碎屑流堆積體仍然處于蠕滑變形中。受崩滑碎屑流滑動時對原斜坡鏟刮及剪切作用,在崩滑碎屑流左側邊界原道路上發育3條剪切裂縫,經人工簡易監測,最大裂縫寬度達1.5 m,深度達4 m(圖8)。

圖7 滑坡啟動后形成的碎屑流范圍

圖8 碎屑流滑坡左側剪切裂縫

災害發生大約一周后,洪雅縣趙河村降雨頻繁,在降雨的影響下,“鐵匠灣”碎屑流物質演變為泥石流向雙溪河發展(圖9)。泥石流堆積物逐步向雙溪河堆積,造成雙溪河全部堵塞,堆積物最長超過200 m,寬約15 m,厚度為1～3 m。堆積區上游形成小規模堰塞湖,回水區長度40～50 m,預估水深1.0～2.0 m,地表水沿堆積區外側流出。下游雙溪村村委會一帶及村委會下游漫水橋可見明顯的沖出物(圖10),漫水橋涵管逐漸堵塞(圖11),趙河場鎮一帶可見沖出的樹木。

圖9 災害鏈全景照片

圖10 雙溪村委會受災照片

根據以上分析,鐵匠灣高位遠程崩滑流災害鏈發展模式為:高位遠程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流災害→堰塞湖。目前,災害已經發生,受崩滑碎屑流直接威脅的對象已基本轉移;在以后暴雨或連續降雨等不利工況下,碎屑流巖土體將逐步轉化為泥石流流體進入雙溪河,從而對雙溪河下游河道兩側56戶185人的生命財產安全構成嚴重威脅,潛在經濟損失約4 000萬元。所以,對次生泥石流災害在不同頻率下的危險性分析將變得尤為重要。

3 次生泥石流演變過程的數值模擬

3.1 模擬方法

為進一步評估鐵匠灣突發高位遠程崩滑碎屑流轉為泥石流之后對下游的影響,采用RAMMS數值模擬方法進行模擬[21-22]。

RAMMS是由瑞士聯邦森林、雪與景觀研究所(WSL)與雪和雪崩研究所(SLF)共同開發的三維數值模型。其中的DEBRIS-FLOW模塊可以對泥石流的運動路徑、流速、流深等分布進行模擬。該軟件采用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流體,利用能量與運動轉化來模擬泥石流的運動和堆積過程,并可以用公式(1)—(3)求解泥石流流深H和流速v。模型采用的公式如下:

?tH+?x(Hvx)+?y(Hvy)=Q;

(1)

(2)

(3)

式中:vx,vy分別為流速v在x,y方向上的分量;cx,cy分別為x,y方向上的校正因子;gz為重力加速度沿z軸的分量;Gx,Gy分別為重力沿x,y方向的分量;Fx,Fy分別為摩擦阻力在x,y方向的分量;ka為主動土壓力系數;Q為一次降雨強度。

模型中將摩擦阻力分為兩部分:其一為靜摩擦阻力,與庫倫摩擦系數(μ)有關;其二為運動阻力,與速度和黏性湍流摩擦系數(ξ)有關。x向和y向的摩阻力見式(4)(5):

Fx=nvx[(μgzH+gzv2/ξ)];

(4)

Fy=nvy[(μgzH+gzv2/ξ)];

(5)

(6)

式中:v為流速的大小;nv[=nvx,nvy]為流速方向上的單位向量,nvx為單位向量nv沿x軸的分量大小,nvy為單位向量nv沿y軸的分量大小。

RKE模型可以對Vomlley-Salm流變連續介質模型模擬的結果隨時間的變化進行調整,其中最重要的2個系數μ和ξ與平均隨機功能Ek有關,可由式(7)(8)得出:

μ(Ek)=μ0exp(-Ek/R0);

(7)

ξ(Ek)=ξ0exp(-Ek/R0)。

(8)

式中:μ0=μ(Ek)|Ek=0;ξ0=ξ(Ek)|Ek=0;R0為隨機動能密度函數的指數增長率。

泥石流為具有流變性質的流體,經實際應用驗證,RAMMS應用Vomlley-Salm流變連續介質模型和RKE模型來處理流變問題,能很好地模擬泥石流運動過程,得到泥石流的運動特征參數。

3.2 工況選取

根據《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T-CAGHP 006—2018)[23]以及前述對泥石流參數計算,本次模擬分別針對泥石流在降雨頻率P在10%、5%、2%、1%條件下進行泥石流演進過程、形成堰塞體和堰塞體潰決的模擬。

3.3 參數設置

在RAMMS中采用Input hydrography的方法設置初設條件,泥石流流量采用三角形單峰曲線輸入。其中不同降雨頻率下的多年最大暴雨量平均值依據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(1)四川省水利電力廳.四川省中小流域暴雨洪水計算手冊.成都:四川省水利電力廳,1984.確定,而泥石流的流量是根據雨洪法和《泥石流災害防治工程勘查規范(試行)》(T-CAGHP 006-2018)[21]計算所得(表1)。在形成泥石流前,該泥石流流域內的物源單一,僅為“4·5”洪雅縣鐵匠灣突發高位遠程崩塌物源及滑坡碎屑流物源,可統計出物源總儲量和動儲量(表2)。后續雖然該泥石流已形成,但均為小規模逐步累積,暫未發生較大規模泥石流,故泥石流發生時間不確定,根據前述雨洪法計算的泥石流參數,推測不同降雨頻率下的時間為(1 000,1 800,2 700和3 600 s),據此創建泥石流的流量曲線。計算采用的地形為無人機正射地形DEM。泥石流的密度ρ為1.745 g/cm3,重力加速度g為9.8 m/s2,μ為0.20,ξ為320 m/s2(根據調查所得數據通過物理原理計算所得)。泥石流動能達到最大動能的5%,模擬自動停止。

表1 不同降雨頻率下的降雨量和泥石流流量

表2 泥石流物源統計表

3.4 模擬過程

該泥石流為典型的崩滑堆積體受降雨作用轉化形成泥石流向下發展,最初開始階段受降雨作用,崩滑堆積體逐步失穩隨水流運移,由于形成區溝道發育不明顯,水動力條件較弱,因此運移速度相對較小;到溝道中下游,溝道發育且匯流作用較強,水動力條件加強,進而使得松散物質加速運動;到溝口后,由于溝道與主河垂直相交,且主河水流量小、輸砂能力差,易形成堰塞體并堵塞溝道(與后期發展實際情況相符);在強降雨作用下,主河水流量驟漲,易引起堰塞體潰決。據此,將次生泥石流災害模擬分為4個階段。

開始階段:泥石流在降雨條件下開始起動,初期只有少量物質。

加速階段:隨著泥石流流量的增加,泥石流的影響范圍增大,并向下游運動。

堵塞溝道階段:泥石流溝下游縱坡降僅有42‰,坡度很緩,到達溝口后進入河道,動能變小,開始逐漸堆積在溝口。

潰決階段:當溝口堆積的泥石流堰塞體達到一定高度后,將逐漸發生潰決并向下游運動。

3.5 模擬結果

經過以上數值模擬的準備工作后,經過RAMMS軟件的模擬,形成了不同降雨頻率下次生泥石流下方堰塞體潰決后在4個運動階段中的泥石流流深分布圖(圖12—15)以及其能形成的最大流速vmax和最大流深Hmax分布(圖16),泥石流的最大流速、流深模擬圖表示泥石流在該位置曾經達到過的最大速度和高度,該結果可以幫助我們與現場泥痕等結果進行對比驗證。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. 開始階段;b. 加速階段;c. 堵塞溝道階段;d. 潰決階段。

a. P=10%,vmax=8.48 m/s,Hmax=3.25 m; b. P=5%,vmax=8.55 m/s,Hmax=3.97 m;c. P=2%,vmax=9.66 m/s,Hmax=5.17 m; d. P=1%,vmax=15.7 m/s,Hmax=12.97 m。

從模擬圖12—16看出,潰決后的泥石流明顯增大了河道的流量和高度,將對下游居民和建筑產生威脅。尤其在100 a一遇降雨中,泥石流在運動過程中流深最大值為12.97 m,在運動過程中最大流速達到15.7 m/s,其模擬結果明顯大于其余低頻率降雨條件下的結果。其原因為在100 a一遇降雨作用下,碎屑流大部分物源極易參與泥石流向下運動,在下游溝口處發生大量堆積,形成堵塞,故在流量計算中泥石流堵塞系數取值較大,模擬結果泥石流的影響范圍也較低頻降雨有明顯擴大,由模擬結果可以判斷該區域及下游2處房屋聚集區在強降雨氣候條件下為重要危險區,應注意防范。

3.6 模擬結果的可信性分析

首先基于現場調查驗證獲取了其動力學特征參數,并對鐵匠灣泥石流的演進過程進行了模擬。結果表明,鐵匠灣的演進過程分為開始—加速—減速—終止4個階段,流深、流速和影響范圍隨著降雨頻率的增大而增加。若繼續演進,可能對下游村莊產生影響,有必要采取相應工程措施進行防護治理,保障下游人民生命財產安全。

在形成次生泥石流的過程中,災害點附近最大降雨量接近于10 a一遇,將模擬結果與實際發生泥石流后的堆積區范圍(圖17)進行對比,發現次生泥石流災害發生后的影響區范圍與本次10 a一遇(P=10%)的模擬結果基本一致。因此,本次數值模擬結果是可信的。

圖17 泥石流發生后下游堆積區照片

4 災害鏈影響范圍預測

前文對鐵匠灣突發高位遠程崩滑災害可能形成的次生災害鏈動態變化進行了數值化模擬分析,形成了次生泥石流在雙溪河內淤堵產成堰塞體并預估其潰決后泥石流體沿雙溪河的堆積范圍,考慮到泥石流對雙溪河河岸存在沖刷、鏟刮的影響,實際影響范圍在模擬結果的基礎上適當進行擴大,最終形成了P為10%、5%、2%、1%等不同降雨頻率下災害鏈整體的影響范圍(圖18)。從圖18中可以看出,在10 a一遇降雨頻率下,影響范圍最遠至進入雙溪河下游約300 m;在20 a一遇降雨頻率下,影響范圍已擴展至雙溪村部分分散農戶;在50 a一遇降雨頻率下,影響范圍覆蓋雙溪村人口密集區;在100 a一遇降雨頻率下,影響范圍將繼續向下游發展,延伸至老趙河聚居區。

圖18 預測鐵匠灣突發高位遠程崩滑次生災害鏈不同降雨頻率下危險區范圍全景圖

5 結論與建議

1)洪雅縣鐵匠灣崩滑流災害鏈首先是由于上方山體陡崖處突發高位崩塌災害,崩塌體的高位勢能轉化為動能作用于陡崖下部斜坡崩坡積體觸發滑坡,所有巖土體共同形成了遠程滑坡碎屑流;然后在雨水的作用下,碎屑流沿斜坡向下游雙溪河運動,形成了泥石流次生災害;最后泥石流堆積體造成雙溪河全部堵塞,形成小規模堰塞體。故鐵匠灣高位遠程崩滑流是一種模式為高位遠程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流災害→堰塞體的災害鏈。

2)采用RAMMS軟件針對泥石流在降雨頻率P為10%、5%、2%、1%等條件下進行泥石流演進過程、形成堰塞體后的潰決進行模擬,得出了不同降雨頻率下可能形成的最大流速、最大流深及其位置,進一步指導防災避險工作。

3)根據軟件模擬結果,形成了整個災害鏈在不同降雨頻率下的影響范圍,可對鐵匠灣崩滑流災害鏈周邊及其余地質條件類似的地質災害監測與防治工作提供參考。