大型棄渣場阻斷下泥石流動力過程數值模擬研究

錢洪建，漆祖芳，李懷國，丁亞楠，何 磊

（1.國家能源集團金沙江旭龍水電有限公司，甘孜 627950；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；3.中國水利水電第一工程局有限公司，長春 130033）

近年來，隨著我國經濟的持續發展，一大批重點水利工程在西南地區相繼開工建設［1-2］。在水力資源開發過程中， 在工程區附近泥石流溝內布置大型棄渣場越來越普遍, 若不對泥石流加以防治或防治不當，極可能產生嚴重危害，泥石流的防治成為大型棄渣場防護的焦點問題。目前，國內外專家學者針對泥石流的動力特性和防治問題開展了大量研究， 李卓儒等［3］基于ANSYS CFX 軟件研究了急陡溝道泥石流的動力學過程；韓征等［4］探討了HBP 本構模型在稀性泥石流運動過程中的應用及從三維尺度以SPH形式描述泥石流流變特性；盛豪等［5］采用DAN3D 軟件對50 年一遇和100 年一遇工況的泥石流的動力過程進行數值模擬， 并提出了泥石流的綜合治理方案；方群生等［6］以瓦窯溝泥石流為例，基于FLO-2D軟件反演了震后的急陡型泥石流的特征與規模；王鍇等［7］采用數值模擬與物理模型試驗相結合的方法，探究了顆粒級配對礦渣型泥石流運動特征影響；康永德等［8］基于GAST 二維水動力模型預測了泥石流理想水槽試驗的危險范圍；孔玲等［9］基于VOF 紊流模型研究了泥石流的泥舌下泄運動過程及動力特性。 目前的研究大多著眼于特定溝道的泥石流演進規律及動力過程， 對天然沖溝狀態下布置大型棄渣場的泥石流演進規律及動力特性尚缺乏系統研究。

研究天然溝道大型棄渣場阻斷下的泥石流演進規律及動力過程， 是棄渣場規劃及泥石流防治領域的重要發展方向。 本文以旭龍水電站茂頂河大型棄渣場條件下泥石流為例， 揭示不同工況下泥石流運動—堆積演進規律， 綜合評估泥石流防治工程合理性， 為大型棄渣場阻斷下泥石流防治關鍵技術提供理論依據和技術支撐。

1 研究區概況

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江干流上游河段， 河床布置混凝土雙曲拱壩，最大壩高213 m，裝機容量2400 MW，為Ⅰ等大（1）型水電站。

茂頂河主要由主溝、1 號溝、1-1 號溝和1-2 號溝組成（圖1），主溝和1 號溝為稀性低頻率泥石流溝，1-1 號溝和1-2 號溝為黏性高頻率泥石流溝，其中茂頂河棄渣場距壩址約5 km，為溝道型棄渣場，其中棄渣場規模為1670 萬m3，棄渣場最大堆渣高度為225 m，屬于特大型棄渣場。

圖1 茂頂河全貌

2 茂頂河棄渣場泥石流地形地貌

茂頂河流域地處橫斷山脈地段， 呈明顯臺階狀下降，屬峽谷地貌類型。受地質構造的影響，流域支溝發育不對稱，左側分布較多且支溝流域面積較大，右側分布較少且支溝流域面積也較小。 茂頂河流域最高點位于西南側分水嶺處，高程5240 m，最低點位于茂頂河匯入金沙江河口處，高程2140 m，相對高差3100 m。流域岸坡以陡坡地貌為主，一般坡度為35°～60°，海拔3200 m 以下斜坡坡面植被不發育，多以荊棘類植物為主，海拔3200 m 以上喬、灌類植物較發育。

3 研究方法

本文基于OpenLISEM 軟件模擬洪水、稀性泥石流和黏性泥石流的流動特性和相互作用［10］，提出了一個反演不同工況的泥石流動態過程和綜合評估泥石流防治工程合理性的聯合分析框架［10］（圖2），以促進泥石流演變規律的分析過程。 該框架包含了數據收集、GIS-DTM 模型的構建、耦合模塊的開發、數值模擬及泥石流防治工程的合理性評價。

圖2 多工況泥石流相互作用的聯合分析框架

（1）數據搜集：通過茂頂河流域野外調查和室內相關勘察資料分析獲得泥石流物源的物理力學特性指標（表1）。結合茂頂河流域泥石流的歷史暴發事件及對泥石流參數的敏感性分析， 確定適用于模擬工程實際所需的最優參數組合（表2）。

表1 泥石流數值模擬的不同控制工況

表2 模擬參數

（2）模型構建：基于ArcGIS 和空間疊加分析技術，利用地形信息和地形特征（如等高線數據、關鍵控制點等）修正GIS-DTM 模型，建立滿足表2 的茂頂河主支溝GIS-DTM 模型。

（3）模塊開發：基于兩相流方程和平流的方法，建立一個模擬洪水、 稀性泥石流和黏性泥石流的演進過程的綜合模型及實現泥石流在復雜防治工程邊界處的求解， 從而開展泥石流演變規律和動力過程的研究。

（4）數值模擬：通過模型構建，揭示不同工況下泥石流入庫后的動態演進規律及性質變化及分析不同工況的泥石流暴發后攔淤壩庫容。

（5）合理性評價：根據數值模擬結果，探討攔淤壩防治工程設計合理性及預測停淤后排導槽內泥石流的性質及運動參數， 綜合評估泥石流防治工程的合理性。

4 泥石流數值模擬結果及評價

4.1 不同工況泥石流數值模擬結果

圖3 為控制工況1 的泥石流運動—堆積全過程。由圖3 可知，主溝、1 號溝發生泥石流，其沖出的泥砂石塊全部堆積于攔擋壩庫內（圖3（a）），壩后泥石流堆積量為15.8 萬m3，泥石流未進入排導槽內，最大堆積深度為16 m（圖3（b））。

圖3 控制工況1 的泥石流運動—堆積全過程演進規律

圖4 為控制工況2 的泥石流運動—堆積全過程。由圖4 可知，1-1 和1-2 號溝黏性泥石流沖出量全部堆積在攔擋壩后（圖4（a）），壩后泥石流堆積量為3.5 萬m3，1-1 號溝泥石流主要堆積在攔擋壩的右側，最大深度為13 m，1-2 號溝泥石流主要堆積在攔擋壩左側， 泥石流未進入排導槽內， 最大深度為11.5 m（圖4（b））。

圖4 控制工況2 的泥石流運動—堆積全過程演進規律

圖5 為控制工況3 的泥石流運動—堆積全過程。如圖5，所有溝發生泥石流，其沖出物全部堆積于攔擋壩庫內 （圖5 （a））， 壩后泥石流堆積量為21.1 萬m3，主溝、1 號溝、1-1 號溝泥石流主要堆積于壩后右側，1-2 號溝泥石流主要堆積于壩后左側，泥石流未進入排導槽內，泥石流最大堆積厚度23 m（圖5（b））。

圖5 控制工況3 的泥石流運動—堆積全過程演進規律

圖6 為控制工況4 的泥石流運動—堆積全過程。如圖6，所有溝發生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后（圖6（a）），壩后泥石流堆積量為65 萬m3，主溝、1 號溝、1-1 號溝泥石流主要堆積于壩后右側，1-2 號溝泥石流主要堆積于壩后左側，泥石流最大堆積厚度34 m（圖6（b））。攔淤壩內滿庫洪水，所有溝同時發生泥石流后，庫內水位急劇上升，開始進入排導槽，其最大流體深度達6.1 m（圖6（c）），部分泥石流與洪水混合體進入排導槽內（圖6（d））。

圖6 控制工況4 的泥石流運動—堆積全過程演進規律

圖7 為控制工況5 的泥石流運動—堆積全過程。如圖7，所有溝發生泥石流，沖出流體大部分堆積在攔擋壩后 （圖7 （a））， 壩后泥石流堆積量為63.8 萬m3，主溝、1 號溝、1-1 號溝泥石流主要堆積于壩后右側，1-2 號溝泥石流主要堆積于壩后左側，泥石流最大堆積厚度31 m（圖7（b））。攔淤壩內滿庫洪水，所有溝同時發生泥石流后,庫內水位急劇急劇上升，開始進入排導槽，其最大流體深度達6.3 m（圖7（c）），排導槽入流端，部分泥石流溢出排導槽（圖7（d））。

圖7 控制工況5 的泥石流運動—堆積全過程演進規律

4.2 綜合分析評價

本文基于OpenLISEM 軟件揭示了5 種工況下泥石流運動—堆積演進規律, 同時預測了停淤后排導槽內泥石流的性質及運動參數,綜合評泥石流防治工程的合理性。表3 為不同工況下泥石流計算成果。泥石流演進規律研究結果表明：空庫條件下，攔淤壩排導槽進口底板高程以下庫容滿足攔截100年一遇泥石流事件，泥石流不會進入排導槽；淤積1 次100 年一遇泥石流條件下，若再暴發100 年一遇的泥石流，少量泥石流將進入排導槽；初始滿庫洪水條件下，攔淤壩壩頂高程設計滿足攔截100 年一遇泥石流事件，泥石流進入停淤庫后，與壩后洪水混合，水位急劇上升，部分稀性泥石流和洪水混合體進入排導槽內，部分稀性泥石流或洪水將從排導槽入口段溢出， 進入排導槽內流體最大深度為6.3 m。

表3 不同工況下泥石流計算成果

5 結語

本文基于OpenLISEM 軟件，對不同工況下泥石流的運動—堆積動態演進規律進行了研究， 綜合評估了泥石流防治工程合理性， 對大型棄渣場條件下泥石流防治關鍵技術推廣提供了參考依據。 本次研究僅集中在泥石流的演進過程及評價泥石流防治工程的合理性， 后續研究需對茂頂河泥石流防洪方案進一步探討。