強震區溝谷寬緩組合對泥石流動力學特征影響研究

收稿日期：2023-05-15；接受日期：2023-10-18

基金項目：國家自然科學基金聯合基金項目（U22A202602）

作者簡介：趙宇鵬，男，碩士研究生，研究方向為工程地質與地質災害。E-mail：zyp2810@163.com

通信作者：楊太強，男，博士，主要從事地質災害等方面的研究。E-mail：ytq7958@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0167-09

引用本文：趙宇鵬，楊太強，王昆，等.

強震區溝谷寬緩組合對泥石流動力學特征影響研究

［J］.人民長江，2024，55（6）：167-175.

摘要：岷江上游分布著大量寬緩型和窄陡型泥石流溝，溝道的寬緩和窄陡對泥石流動力學特征具有重要影響。以岷江上游寬緩型溝谷桃關溝為研究對象，采用Massflow軟件模擬再現了溝谷內泥石流的動力過程，得到了“寬緩支溝+寬緩主溝”“窄陡支溝+寬緩主溝”兩種組合下的泥石流動力學特征。研究表明：流域內不同級別支溝間的寬緩組合對泥石流的運移具有顯著影響，這種溝間組合因素影響了泥石流的速度和泥深。 “窄陡+寬緩”組合下，前期泥石流流速較大，下蝕效應明顯，擴散路徑長，后期多淤積；而“寬緩+寬緩”組合下，溝內泥石流的側蝕效應更顯著，加劇了溝道的演化。這兩種組合下的泥石流均有堵塞河道進而發育成堰塞湖的風險。研究成果提高了關于溝道寬緩組合對泥石流運移影響的認識，可為溝谷類泥石流危險性評價提供參考。

關" 鍵" 詞：泥石流； 溝谷形態； 寬緩-窄陡； 動力特征； 強震區； 岷江上游

中圖法分類號： P642.23

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.023

0" 引 言

泥石流常啟動于溝谷或山坡，是一種由暴雨、融雪等水源激發，并裹挾有大量泥沙、石塊和巨礫等物質的兩相流體，按集水區地貌特征劃分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流［1］。中國川渝地區群山綿延、雨水豐沛，常發生泥石流等地質災害。特別是岷江上游流域受2008年“5·12”汶川特大地震的影響［2］，滑坡、泥石流等災害頻發，該流域內有“寬緩”和“窄陡”兩種類型的溝谷型泥石流［3］。“寬緩”溝谷型特點：① 流域面積X1＞10 km2；② 溝床平均縱坡降X4＜200‰；③ 流域寬度局部可達到80～100 m。“窄陡”溝谷型特點：① 流域面積X1＜2 km2；② 溝床平均縱坡降X4＞300‰；③ 流域平均寬度小于50 m。

泥石流的啟動、發育和淤積不僅受到泥石流自身流變特征的影響［4-5］，還受到泥石流所處流域幾何特征的制約［6］。泥石流的敏感性分析常常與地貌演化階段進行關聯，分支小流域地貌演化程度的差異大體決定了主溝泥石流的來源，因此，面積-高程和面積-坡度積分常作為泥石流敏感性及物質供給能力的判斷依據［7-10］。強震區泥石流精細化預報模型已經得到了改進［11］，在模型中考慮了泥石流形成區溝道寬度和顆粒粒徑的影響，并在多次強震區泥石流事件中得到良好驗證。趙賓杰等對169條泥石流溝地形參數進行統計分析，重點研究了流通區溝道寬度、流通區及形成區溝床平均縱比降，給出了窄陡泥石流溝的具體參數，這對泥石流類型的區分及窄陡型泥石流研究提供了參考［12］。在云南省怒江流域，一些泥石流的發生特征也顯著受到溝道形態的影響，比如溝道寬度的突然變窄等［13-14］，研究表明怒江東月各泥石流的強致災能力與臨近溝口處的溝道大轉彎以及寬度突變有關［15］。目前，對泥石流動力學特征的研究主要采用現場實驗法、室內實驗法和數值模擬法。其中數值模擬法常被用作泥石流災害的動力學過程研究，并且在災害分區評估中具有重要作用［16-18］。常用的泥石流數值模擬軟件主要有FLO-2D、CFX、Massflow等。比如：胡卸文等基于流體動力學軟件對CFX的桃關溝與江口溝開展了泥石流的模擬與反演，分析了泥石流對溝口段建筑造成的沖擊淤埋問題以及泥石流危險區范圍分布情況［19-20］；于虹等基于SPH-SEM耦合方法討論了泥石流沖擊輸電塔時的動力學特征及擴散行為［21］；陳明等基于FLO-2D軟件的強震區窄陡型瓦窯溝泥石流模擬再現了其啟動、侵蝕、堆積動力演化過程［22］，研究了窄陡型泥石流動力學特征以及泥石流的啟動、挾帶和擴散過程，為強震區窄陡型泥石流的風險評估、監測預警提供了重要參考。

目前，國內外對泥石流流域特征的研究較多，對泥石流的研究方法多種多樣［16-22］，但對于多支溝泥石流，特別是流域內不同級別溝道間的寬緩組合對泥石流動力過程及流域地貌演化的影響研究仍存在空白。本次研究依托汶川縣桃關溝流域的地形地貌及“7·10”災難性泥石流事件，通過數值模擬研究，闡明寬緩組合變化對溝道泥石流運動的影響。通過了解泥石流在不同寬緩組合條件下的流動特征，將有助于制定合理、有效的減災工程設施。

1" 研究區概況

桃關溝位于汶川縣映秀鎮街上村，源于岷江左岸的桶棚梁子，屬岷江左岸一級支流，夾在龍門山系和邛崍山系之間，溝口坐標為103°29′9.02″E，31°15′7.47″N，其流域形態似扇形（圖1），總體流向由東北向西南，流域面積約50.86 km2，主溝長約13.3 km，發育多條支溝，主溝溝口有大量居民區和工業區。

桃關溝流域位于龍門山華夏系構造體系中南段的九頂山華夏系構造帶內，屬甘孜－松潘地槽褶皺帶與揚子地臺之間隙褶皺亞系，區域內構造活動頻繁，其中第四系活動斷裂茂汶斷裂帶對研究區影響較大。由于一系列大型斷裂帶的影響，研究區所處的汶川縣地震活動頻繁，據地震烈度分級標準，屬Ⅷ度地震烈度區，頻繁的地質構造運動使得流域內的坡積物變得松散。據統計，受強震影響，研究區出現了大量的滑坡和不穩定坡體，僅“5·12”地震引起的新增物源點達百余處，估算各類松散物源總量達2 800萬ｍ3，物源散布在流域的主、支溝中，常布于坡度較陡的區域，上游物源儲量相較多于下游，這為泥石流的暴發提供了良好的物質條件。

研究區所處的映秀鎮屬亞熱帶濕潤季風氣候區，根據相關氣象資料，該區域年均降水量常年在1 253.1 mm左右，雨季集中在5～9月，7、8月為降雨峰值期，常發生暴雨。強降雨會導致巖土體軟化飽和，降低其抗剪強度并增加容重，加劇溝道內坡體的不穩定。因此，暴雨不僅為泥石流啟動提供了充足的水動力，還間接為其提供了豐富的固體物源。

根據相關評估［23］，桃關溝屬極度危險的泥石流溝，歷史上曾多次發生大規模泥石流事件。2008年汶川“5·12”大地震是桃關溝泥石流發生頻率的關鍵轉折點。地震前，該流域分別于 1890、1963、1991年雨季發生泥石流事件；地震后，暴發了2010年“8·13”、2012年“8·17”、2013年“7·10”特大泥石流事件，2019年“8·21”小規模山洪泥石流。

2" 流域幾何特征

桃關溝流域屬深切割中、高山侵蝕地形，溝道上陡下緩，平均坡降197 ‰，主溝坡降從兩河口的113 ‰降至溝口的61 ‰，支溝平均坡降普遍高于主溝（表1），具有山高坡陡的特點。流域平均坡度在35°以上，下游主溝的溝道寬度在60～120 m之間；如圖2、圖3（f）所示，下游主溝溝內多緩坡（19°～30°），岸坡坡度大，具有“U”形谷的特點；上游支溝多，除上桃關溝、高巖溝外，其余支溝溝道較窄小，溝長較短（表1、圖3），具有“V”形谷的特點。根據文獻的劃分標準［3］，流域內枧槽溝、漆樹溝、小段溝等數條支溝屬“窄陡”型溝道，上桃關溝和高巖溝屬“寬緩”型溝道。流域內水系發育，下桃關溝為主溝，上桃關溝和高巖溝是該流域的一級支溝，一級支溝發育多條二級支溝，上游發生的泥石流常啟動于二級支溝，流入一級支溝，在兩河口呈“Y”形交匯，匯入主溝，發生堆積。

3" Massflow泥石流運動模擬

3.1" Massflow模擬原理

泥石流是多相流體，具有流體的力學性質，其運動過程同樣遵循流體力學的質量守恒規律和動量守恒規律。Massflow是利用改進的Navier-Stokes方程，將方程中的變量在深度方向進行積分，進而推導出質量守恒方程（式（1））和動量守恒方程（式（2）～（4）），最后求得流體的流速和泥深。

ρt+ρux+ρvy+ρwz=0（1）

ρut+ρu2x+ρuvy+ρuwz

=ρgx+τxxx+τyxy+τzxz（2）

ρvt+ρuvx+ρv2y+ρvwz

=ρgy+τxyx+τyyy+τzyz（3）

ρwt+ρuvx+ρvwy+ρw2z

=ρgz+τxzx+τyzy+τzzz（4）

式中：u，v，w 分別代表流體速度在 x，y，z 軸上的分量；ρ為流體的密度；t為時間；τij為不同方向上的應力分量；gx，gy，gz分別代表重力加速度g在x，y，z軸上的分量，表達成矩陣形式如下：

gxgygz=cosθy0－sinθy010sinθy0cosθy 1000cosθxsinθy0－sinθxcosθx 00g（5）

3.2" Massflow模擬參數

3.2.1" 地形參數處理

地形參數主要包括四川省2020年12.5 m數字高程模型（DEM）和桃關溝流域高精度衛星影像圖。將獲取的DEM導入ArcGIS中，利用掩膜提取功能，截取出研究區DEM，然后再通過轉換工具中的Raster to ASCⅡ，將柵格化的DEM轉化成可以導入Massflow軟件的ASC碼。

3.2.2" 泥石流溝道選取

考慮到其他支溝溝道在地形特征等方面與本文所選取具體支溝道具有相似性，并且有些溝道從目視解譯情況來看暴發成規模的泥石流概率較低，故選取枧槽溝（Jcg）、銀溝（Yg）、漆樹溝（Qsg）和小段溝（Xdg） 、桃關1號支溝（Tgzg）、上桃關溝（Stgg）和高巖溝（Gyg）作為典型代表。因此，本次模擬分別選取了5條窄陡型支溝和2條寬緩型支溝，共7種工況，具體類型見表2。

3.2.3" 泥石流參數確定

（1） 密度。

泥石流密度反映了其物理力學性質，常采用現場配漿法、經驗公式法、查表法等方法確定。由現有文獻對桃關溝泥石流堆積物配制漿液測量并多次校正的結果可知［20，24］，桃關溝泥石流漿液密度介于1.756～1.830 t/m3，但測得“7·10”泥石流漿體密度γc為1 731 kg/m3，綜合取值，本文模擬中桃關溝泥石流密度為1 744 kg/m3，屬過渡性黏性泥石流。

（2） 流量。

由于缺乏連續的泥石流流量觀測數據，常采用簡單五邊形概化方法來描述泥石流的流量過程曲線。劉鐵驥等［25］在冷漬溝泥石流的Massflow數值模擬中對流量過程曲線采用了簡單概化五邊形理論，本文仍采用該理論。考慮到泥石流在最不利條件下的災害效應，本次模擬以桃關溝“7·10”泥石流峰值流量為參考［20，24］，本文模擬確定峰值流量為630 m3/s，時間為1 800 s，如圖4所示。

（3） 摩擦模型。

Massflow軟件中提供了多種基底摩擦模型，Voellmy 模型是基于庫倫模型演變的一種經驗性模型，該模型將基底摩擦阻力與速度視為正比關系，并考慮了流體的湍流系數，常適用于泥石流、泥流等災害［26］：τb=σμ+ρgv2ξ（6）

式中：τb為基底的剪應力，Pa；σ為正應力，Pa；μ為摩擦系數；ρ為泥石流平均密度，kg/m3；ξ為湍流系數，m/s2。

本次模擬采用Voellmy 模型，摩擦系數（μ）和湍流系數（ξ）是Massflow建模的重要參數，參考該流域周邊溝道模擬的驗算參數［27］，μ和ξ分別取值為0.1和300。

（4） 啟動點。

泥石流的啟動點受到降雨、地質、地形等影響，具有隨機性和不確定性。根據研究，較陡的坡道更易引發泥石流，其中26.6°的溝道坡度是泥石流啟動的轉折點［6］；西南地區泥石流溝中 25°～45°范圍的坡積物在強降雨誘發下極易失穩［28］，從而暴發滑坡、泥石流等山地災害。運用ArcGIS提取的桃關溝坡度因子（流域內25°～45°坡度范圍與流域面積比值）為0.66，這與黃成等［29］研究結果接近。結合前人研究，本次模擬將7條支溝的泥石流啟動點坡度范圍確定為26°～35°。

3.3" 模擬結果及分析

本文模擬結果包含了7種工況下的流速和泥深（圖5）。為分析這兩種類型下泥石流的整體流速和泥深，本文利用ArcGIS軟件隨機提取每種工況下100組點源數據，采用了統計學方法，計算各工況的平均流速和泥深。最后利用ArcGIS軟件測算了各工況下泥石流的運移路徑。具體結果見表3。

從圖5（c）、（f）和（d）、（g）來看，工況3、6和工況4、7中泥石流的擴散路徑較多重疊，可作為“窄陡+寬緩”組合與“寬緩+寬緩”組合下的典型進行對比。結合表3可知，工況3的流速相比工況6高了6.41 m/s，增加298 %，工況4的流速相比工況7高了3.75 m/s，增加97 %；工況3的運移路徑相比工況6多1.65 km，工況4的運移路徑相比工況7多1.07 km；而工況3的泥深相比工況6低了1.36 m，降低16.64 %，工況4的泥深相比工況7低了1.37 m，降低16.91 %。因此，在泥石流參數相同的條件下，“窄陡+寬緩”（工況3、4）組合下泥石流的流速明顯高于“寬緩+寬緩”（工況6、7）組合下流速。但從泥深來說，“窄陡+寬緩”組合下的泥石流淤積略低于“寬緩+寬緩”組合。就泥石流運移路徑而言，“窄陡+寬緩”組合下的溝道更利于泥石流的遠程擴散。

由圖5（a）、（b）、（e）中可知，泥石流啟動的支溝盡管接近主溝溝口，但最終仍沒有沖出溝口、堵塞岷江，這與 “7·10” 桃關溝泥石流實際發生的沖出規模相一致。相較于其他工況，工況1、2、5的泥石流這3種工況下的流速、泥深、運移路徑等參數都較為接近。從圖2流域近溝口的高程和坡度變化可以看出，隨著下游主溝的加寬，泥石流的淤積逐漸變大，不斷降低了溝道縱坡坡降，迫使流體沖出動能逐漸減小，有效控制了其沖出規模。

總地來說，在泥石流發生前，受地形地貌的影響，流域內泥石流的發生其實是在流域的局部地貌下活動的，因此，流域內溝道寬緩組合作為一種局部地貌的顯現造成了泥石流活動性與動力特征的差異。

4" 泥石流沖、淤變化特征

4.1" 泥石流動力學參數橫向分布特征

為了解上述兩種組合下溝內泥石流的動力學參數橫向分布變化，本文分別對工況1～7的模擬結果隨機截取4個斷面，支溝先取2個面、主溝后取2個面，并分別編號JM1、JM2，截面內順次取8個點，以獲取對應點位的流速和泥深。

4.1.1" 窄陡型+寬緩型

如圖6（a）所示，泥石流在窄陡溝道內流速多表現出中間大、邊緣小的特點，泥深表現正好與流速相反，這與實際的泥石流觀測數據是一致的［28］。造成這種流速橫向分布方式的原因是復雜的，多數研究認為是邊界約束以及流體性質共同作用下的結果，而流動強度、斷面寬深比和邊壁相對粗糙度是影響速度分布的重要因素［30］，但其系統機制研究仍然不夠深入且尚無定論［31-32］。

如圖7（a）所示，在寬緩主溝中，泥石流橫向流速多呈中間小、邊緣大的特點，而泥深呈中間大、邊緣小的特點。從這種變化可知，隨著下游主溝溝道變寬，流體緩慢沖蝕下游溝道，龍頭流速逐漸減小，溝道中部出現淤積，但后發泥石流流速較大，當后發泥石流疊加前陣淤積泥石流時，流速矢量方向發生改變（圖8），導致流速出現邊緣大于中部的現象。

4.1.2" 寬緩型+寬緩型

如圖5 （f）、（g）和圖9所示，該組合方式下，無論主、支溝，流體均表現出泥深大、流速小的特點，泥石流橫向流速呈中間小、邊緣大的特點，而泥深呈中間大、邊緣小分布，說明溝內的泥石流仍以既沖又淤的方式發展。沖以緩慢的沖刷下切作用為主，圖9（a）中Gyg-JM1數據取自溝內直道段，流速、泥深曲線走勢與窄陡溝道下泥石流變化規律相似，Gyg-JM2取自Gyg-JM1之后，且橫向流速右邊部大于中部，溝中偏左的區域有淤積。可以發現，泥石流在直溝道中緩慢流動，流經窄道時，流速增大，過窄道后，流速減小，泥深變大，出現停淤，因此，當后發泥石流在沖入前方停淤泥石流時，流速矢量方向向溝道兩側偏移，導致邊緣泥石流流速大于中部流速，這會促使泥石流加強對溝邊物源的側蝕，從而加劇溝道變寬［33］。如圖5（f）、（g）和圖9（b）所示，淤是寬緩溝道的常見現象，淤積常由溝道寬緩、溝內堆積形成的攔截或溝內的急轉彎以及主支溝大角度交匯時候的“彎道超高”的消能作用所引起，但對于寬緩組合溝道而言，溝道的寬緩與溝內急轉彎和主支溝交匯角的組合效應，會加重泥石流淤積，或發育成堰塞湖［34］，增加了泥石流的致災風險。

4.2" 致災效應分析

從泥石流流速和泥深的橫向分布特征來看，“窄陡支溝+寬緩主溝”組合下，窄陡支溝中流速較高，以沖刷揭底、溯源侵蝕的方式侵蝕溝內物源，且橫向流速多呈中部大于邊緣的方式分布，因此，泥石流的下蝕效應更顯著；而“寬緩支溝+寬緩主溝”組合下，由于溝內淤積，泥石流橫向流速多呈邊緣大于中部的方式分布，故泥石流的側蝕效應更顯著。但無論哪種溝道組合方式，下游寬緩主溝溝內都存在淤積。淤積的增加導致溝內形成堰塞壩，或遇上暴雨形成新一輪泥石流事件，或在后發泥石流沖擊下發生潰壩災害，短時形成大方量泥石流，淹沒并沖毀下游構筑物，這與岷江流域泥石流災害評價的結果一致［3，23，33］。桃關溝主溝溝道長且寬緩，溝內易出現堵潰，加之主支溝和支溝間溝谷長度、縱坡坡降、溝道形態特征的差異，造成泥石流表現出持續時間長、沖出規模大、各支溝形成洪峰匯至溝口的時間呈錯峰抵達的特點，因此，當支溝群發泥石流時，可能出現陣流現象。若出現陣流時，則屬多種組合的疊加效應。窄陡支溝的高流速有利于夾帶溝內物源，增加下游溝道泥石流規模，同時溝內形成的高能量流體，若其流入主溝，將猛烈沖擊主溝內堰塞壩，加大潰壩風險。寬緩支溝溝內發生淤積，一旦潰壩，瞬時形成大方量泥石流，沖入主溝，可能會導致多級潰壩。

泥石流發生后的地貌效應，即泥石流發生后有些區段由于刮鏟、夾雜效應會引起溝床侵蝕下切，而有些地方淤積，形成泥石流灘地地貌，這與泥石流發生后的地形變化是息息相關的。

5" 結 論

桃關溝流域主支溝有兩種組合形式，分別是“寬緩型支溝+寬緩型主溝”和“窄陡型支溝+寬緩型主溝”。通過地理信息系統分析了溝谷地貌形態，并基于Massflow軟件平臺對主支溝組合形式下的泥石流動力特征進行了對比分析，得到以下結論：（1） “窄陡+寬緩”組合下，高流速多出現于窄陡支溝，大淤積多發生于寬緩主溝。這種組合下泥石流是以先沖后淤的方式發育的，以先下蝕后側蝕的方式侵蝕溝道及溝內物源；而“寬緩+寬緩”組合下，泥石流流速小、泥深大、運移路徑較大，泥石流在該組合下是以既沖又淤的方式發育的，主要以側蝕的方式侵蝕溝道，加劇溝道變寬。

（2） 泥石流在上述兩種組合下都可能淤積形成堰塞壩，或發育成堰塞湖，一旦遇上暴雨或洪水，淤積物將會成為物源，引起泥石流動量增加，為大型泥石流的孕育和發生提供便利條件。若考慮群溝組合效應，不排除鏈式災害的風險。

（3） 宏觀上來說，對于泥石流所具有的這種非線性現象，在溝道不同組合情況下，初始幾何條件可能決定了其演化的大方向。同時，上述結果也表明，流域內各級支溝的流域特征及組合關系，除了流體性質外，可以成為防止泥石流致災的關鍵因素。

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（編輯：鄭 毅）

Influence of combination of gentle and steep gullies on dynamic characteristics of debris flows in a strong earthquake area

ZHAO Yupeng1，YANG Taiqiang2，WANG Kun2，CHENG Wei2，LUO Junyao2

（1.Faculty of Land and Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China;

2.Power China Kunming Survey and Design Institute，Kunming 650051，China）

Abstract：

There are a large quantity of wide-gentle gullies and narrow-steep gullies in upstream of Minjiang River basin.The geometry of gullies has important influences on kinetic characteristics of debris flows.Taking Taoguangou gully，a wide-gentle gully in the upper reaches of Minjiang River，as the research object，we used Massflow software to simulate the dynamic process of debris flow in the gully，and the dynamic characteristics of debris flow with \"narrow-steep branch channel+wide-gentle main channel， or wide-gentle branch channel+wide-gentle main channel\" were obtained.The results show that the combination of wide-gentle channels of different levels in the basin has a significant effect on the initiation mode and behavior of debris flows，which affects the velocity and mud depth of debris flows.Under the combination of \"narrow-steep+wide-gentle\"，the flow velocity of debris flow is large in the early stage，the effect of down-cutting is obvious，the run-out path is long，and the sedimentation is more in the later stage.Under the combination of \"wide-gentle+wide-gentle\"，the lateral erosion effect of debris flow in the trench is more significant，which intensifies the evolution of the trench.Both the two combinations have the risk of blocking the river and developing into a barrier lake.This study improves the understanding of the influence of wide-gentle channel combination on debris flow migration and is helpful to the future risk assessment of debris flow.

Key words：

debris flow; gully geomorphology; wide-gentle and narrow-steep; dynamic characteristics; strong earthquake area; upstream of Minjiang River