基于Massflow的江西省鷺鵡坳溝泥石流運動特征模擬分析

關鍵詞：泥石流；Massflow；泥石流流速；泥石流運動特征

中圖法分類號：TV144 文獻標志碼：A DOI：10. 15974/j. cnki. slsdkb.2025.08.012

文章編號：1006-0081（2025）08-0073-06

0 引言

泥石流發生于山區或陡峭的溝谷中，特別在雨季或者融雪期間，通常含有大量的泥沙、巖石碎片和水。在重力以及水動力加持下，泥石流具有速度快、成型快、破壞力強、破壞范圍廣等特點，是山區工程項目建設的一大危險源[1-3] O

20世紀40年代，前蘇聯學者通過大量的試驗研究認為，闡釋泥石流的動態問題需多學科交叉研究。日本學者提出了許多泥石流監測預警模型，如平野宗夫提出的神經網絡技術對長崎縣水無川流域的泥石流預警準確率高達 71% 。中國對于泥石流的最初研究主要基于實際案例及經驗，修建大量監測站，并通過監測和預警的手段開展防治，如蔣家溝泥石流監測站。泥石流試驗、現場勘察、監測預警等手段能夠取得較為顯著防治效果，但通常比較耗時、耗財和耗力。隨著計算機技術的迅速發展，與傳統方法相比，數值模擬方法更加經濟、便捷。通過校準相關參數，數值模擬能很好地闡釋泥石流復雜的運動特征[4-7]

由于泥石流的流速、流量等不斷變化，在數值模擬中設定的基底模型要與實際泥石流溝相符合[8-9]。對于黏性泥石流，常見的物理模型為賓漢模型、Cross模型、Herschel-Bulkley模型以及Voellmy模型，通常會用到有限元法、離散元法、拉格朗日求解法等[10-12]。目前，針對泥石流問題較為常用的數值模擬軟件包括FLO-2D、PFC、RAMMS、Massflow等。如楊鑫等[13]利用Massflow軟件分析了達摩溝發生泥石流的可能性與危險性，為泥石流監測預警提供理論參考。渠敬凱等[14]運用FLO-2D軟件模擬方家溝泥石流的運動特征以及危險性，結果表明在不同降雨條件下攔擋項對泥石流的防治效果明顯。劉鑫等[15]使用RAMMS軟件模擬不同降雨頻率下的泥石流影響范圍，為泥石流防治工程提供參考依據。朱遠樂等[1利用PFC3D對廣西灰嶺尾礦庫進行模擬，得到潰壩后泥石流的運動時間以及影響范圍。金連才等[17基于OpenLISEM軟件反演棄渣場泥石流運動-堆積運動規律，結果表明，無論是空庫還是滿庫情況下，攔淤壩排導槽對100a一遇和200a一遇泥石流事件都有顯著的防治效果。羅超鵬等[18]采用FLOW-3D軟件對泥石流溝進行運動分析，演化出泥石流運動堆積4個階段，結果顯示驗證精度達到 88% 。

綜上所述，數值方法對于泥石流的運動堆積、泛濫范圍以及防災治理等都有不錯的模擬效果。本文的研究對象為江西省鷺坳溝，該區域因工程建設產生大量人工棄渣堵塞溝道，在極端天氣下容易發生泥石流。本文采用Massflow軟件模擬泥石流的運動過程，通過研究泥石流在不同降雨頻率下的運動特征及影響范圍，為泥石流防治提供參考依據。

1 研究區概況

江西省鷺坳溝（圖1）流域面積為 1.97km² ，支溝發育，支溝與主溝均大角度相交，交角多為 60^° ～90^° ，溝口到溝源高差為 530m ，整體縱坡降為 185‰ 溝道兩側坡度多為 30^°～50^° ，局部地區大于 50^° ，斷面大多呈V形，溝寬約 3～5m ，溝道堆積物以塊石為主。植被覆蓋率約 80%～90% 。

流域內出露地層主要為震旦系下統確門組（ [Z₁d） ，巖性主要為變質中細砂巖、紫紅色泥質粉砂質千枚巖、泥質千枚巖，第四系主要由洪積物、崩坡積物組成。

圖1鷺坳溝全貌影像

Fig.1AerialviewofentireLuciaoValley

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

鷺坳溝具備典型的泥石流溝谷特征，可分為3個區段進行分析（圖2）。

（1）堆積區。該段溝道高程為 150～200m ，長約620m ，縱坡降約 80.6‰ ，溝床寬緩，寬約 5～15m ，深度約 1～2m 。溝道內可見大量大塊石堆積，溝道兩側植被發育，主要為喬木、竹林。此段溝道整體上以淤積為主。

（2）流通區。該段溝道高程 200～450m ，長約1540m ，縱比降約 162‰ ，溝床寬緩，寬約 5～10m ，深度約 1～2m 。溝道堆積物以碎石、塊石為主，有基巖出露，巖性為板巖，該段溝道整體上以沖為主，部分區

域存在淤積。

（3）物源區。此段高程 450～700m ，長約 670m 縱比降約 373‰ ，溝谷陡峭，寬約 1～5m ，深度約1～2m。該段溝床較窄，溝道存在一處較大的人工堆積物，為開挖交通洞時所產生的塊石、碎塊石土。該段溝道整體上以沖為主，部分區域存在塊石、碎塊石淤積。

2.2 物源條件

溝谷流域匯水面積較小，發育有多條支溝，動力條件相對較好，物源大多發育在流通區和物源區。通過野外調查和室內遙感解譯等方法發現，溝口有明顯堆積區，流域內物源主要為坡殘積物源和人工堆積物源（圖3～5）。物源總量較大（表1），整體較為松散，后期施工的棄渣也堆積在溝內，當降雨量較大時，會造成堆積物失穩崩落至溝道內，為溝道增加物源的同時易造成堵塞，形成暴雨-堵塞型泥石流。

圖3溝道物源分布

Fig.3Channel sediment source distribution

人工堆積物往往具有較寬的顆粒分布范圍，包含細顆粒（如砂土、粉土）和較大的碎石甚至塊石。細顆粒在水飽和狀態下可增加泥石流的黏度，大顆粒則可以提供推動力和更強的沖擊性，因此這樣的混合顆粒組成有助于泥石流的形成。人工堆積物的滲透性較強，但其水分吸收和持水能力較弱。當降雨量達到一定程度時，水會在堆積物中積聚而不易下滲，增加滑坡和泥石流發生的風險。

圖4泥石流溝坡殘積物源

Fig.4Residual material source of debris flow gully slope

圖5人工堆積的泥石碎石

Fig.5Artificiallypiledupmud，stonesand gravel

表1鷺坳溝不同種類物源統計

Tab.1Different types statistics of material sources inLuciao Valley

2.3 水文條件

研究區屬亞熱帶季風亞濕潤氣候，多年年平均降水量為 1 631.3mm，3～9 月降水量占全年降水量約83% ，實測最大日降水量為 299.7mm 。12月降雨量最少，為 37.4mm ，僅占全年約 2.25% ，研究區雨水資源豐富，泥石流一般由暴雨激發。

3 研究方法

為研究泥石流的工程影響及運動特征，利用數值模擬軟件Massflow對其進行數值模擬計算。Massflow計算泥石流動態過程的關鍵在于對流體與固體顆粒相互作用的建模，使用離散元法（DEM）模擬泥石流中的顆粒運動，并結合納維－斯托克斯方程來處理流體部分，通過顆粒與流體互動耦合計算泥石流整體的流動和沉降，盡可能準確捕捉泥石流的復雜動態行為。

3.1 計算原理

在泥石流運動過程中，由于其物理過程復雜、變量眾多，在實際運用中很難用準確的方程進行控制和預測，一般將泥石流考慮為密度穩定且不可壓縮介質。用式（1）描述泥石流的質量守恒，用式（2）～（4）描述泥石流的動量守恒。

式中： _！ρ 為流體密度； t 為時間； τ_ij 為 x，y，z 方向上的應力分量； u，v，w 分別為流體在 x，y，z 軸上的速度分量；g_x，g_y，g_z 分別為重力加速度在 _x，y，z 方向上的分量。

對式（1）～（4）進行深度積分，再運用萊布尼茲法則和動力學邊界條件對方程化簡，得到二維淺水波方程：

式中： z_b 為河床標高； h 為泥深； k_ap 為側向壓力系數； 和 分別為 x 和 y 方向上流體速度； τ_b 為底部的剪應力； 為流體密度。

3.2 參數及模型選取

借鑒前人研究成果，并結合泥石流災害特點，選取Voellmy模型作為基底摩擦模型（圖6）。在模擬中主要用到的基底摩擦系數 f 和湍流系數 ξ ，通常通過數值反演的方法確定。 f 的取值范圍為 0.1～0.2 ，ξ 的取值范圍為 100～300m/s^2[19-23] 。結合溝道的實際情況，最終確定基底摩擦系數 f 取0.2，湍流系數 ξ 取 230m/s² 。

圖6泥石流計算模型 Fig.6Debris flow calculation model

4 模擬結果與分析

4.1 流速變化

通過對 10% %，5%，2^c， 2% ， 1% 降雨頻率下暴發泥石流的過程進行模擬，得到不同降雨頻率下泥石流運動過程的流速（圖7）。

由圖7可以看出，泥石流邊緣流速一般大于中部。泥石流自啟動點運動之后，物源區溝道較窄，縱坡較大，在慣性和重力的作用下，泥石流具有高勢能特點，速度較快，經過溝道轉角處流速不斷增加。由于流動狀態由直線流動變為曲線流動需要更大的勢能，其中，固體物質在離心力作用下也會加快泥石流的運動速度。隨著泥石流運動至流通區和堆積區，兩區溝道開闊，坡度變緩，泥石流流速降低。在 0%，5%，2% ，1% 降雨頻率下，運動時長 1800s 時，泥石流最終流速分別為 2.2，2.4，3.1m/s 和 3.3m/s 。

4.2 影響范圍變化

通過對 10% ， 5% ， 2% ， 1% 降雨頻率下暴發泥石流的過程進行模擬，得到不同降雨頻率下泥石流運動過程的影響范圍（圖8）。

由圖8可以看出，在初始時刻，泥石流自啟動點向下游運動，在 200s 時，在各種降雨頻率下，泥石流因其在成型階段匯集的物源少、勢能低，影響范圍較小，深度較低。隨時間推移，泥石流在物源區攜帶更多物源運動至流通區和堆積區，其中，在運動過程中大顆粒物質會在流通區淤積，小顆粒物質隨著泥石流繼續運動，最終在堆積區游積。在 10% 和 5% 降雨頻率下，由于雨強較小，泥石流并未到達溝口且未形成堆積；在2% 和 1% 降雨頻率下，泥石流到達溝口時形成一定規模的堆積扇。在 10% ， 5% . 2% ， 1% 降雨頻率下，運動時長1800s時，泥石流最終泛濫寬度分別為21，22，66m 和 92m 。

圖7不同降雨頻率下泥石流流速（運動時長 1800s ） Fig.7Debris flow velocity under different rainfall frequencies （movement duration：1 8OO seconds）

圖8不同降雨頻率下泥石流影響范圍（運動時長1800 s） Fig.8Influence range of debris flows under different rainfall frequencies （movement duration：1 8Oo seconds）

5泥石流危險性評價

工程施工在鷺坳溝區域上游溝道產生了棄渣堆積，再加上上游段縱坡降大，區域年降雨量豐富，都為泥石流的啟動提供了充足的條件。暴雨是誘發鷺坳溝泥石流的主要因素。雖然鷺鷀坳溝縱坡降較大，但下游溝道寬緩，物源量較小，洪水所帶動的物源量有限。結合數值模擬結果可知，流速越大的區域，泥石流泛濫范圍和逆深也就越大，反之則越小。綜合判斷鷺坳溝物源區為高危險區，流通區為中危險區，堆積區為低危險區。鷺鷀坳溝泥石流屬于低頻、稀性、中型規模型泥石流。

6結論

（1）鷺坳溝谷物源比較豐富，堆積物較為松散，建議進行壓密和加固邊坡處理。（2）在強降雨條件下，人工棄渣容易堵塞溝道形成堵塞-暴雨型泥石流，建議在溝谷設計排導槽，并定期對槽內的固體物質進行清淤，以保障排導槽通暢。（3）模擬結果顯示：在 10% 70，5%，2^c 2% ， 1% 降雨頻率下，運動 1800s 時，泥石流最終流速分別為2.2，2.4，3.1m/s 和 3.3m/s ，最終泛濫寬度分別為21，22，66m 和 92m 。

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（編輯：李慧）

Simulation analysis of debris flow movement characteristics in Luciao Valley based on Massflow

BAGang1，SUNXingwei1，FU Yuchen1，QINBo1，LIULijie2 （1.HuadongSurveyndDesignIstitute（Fujian）Co.tdFuzhou35，China；2StateKeyLboratoryofGeohazardeetion andGeoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 61oo59，China）

Abstract：AttheoutletofLuciao Valleyin Jing'an County，Jiangxi Province，there isa distinct accumulationzone with loose depositsonboth sides ofthe valley，which maycause debris flowand channel blockage under heavyrainfallconditions.Toanalyze the possibilityofa debrisflowoccurring，Massflowsoftware was employed，andthe high-precisiontopographic dataandan improved MacCormack-TVDnumericalalgorithm wasadopted to simulate flowvelocities and impact ranges under different rainfall frequencies. The results indicated that under 10% ， 5% ， 2% ，and 1% rainfall frequencies，the final flow velocities of the debris flow at 1，8OO seconds were 2.2m/s，2.4m/s，3.1m/s and 3.3 m/s，respectively，with corresponding inundation widths of 21m，22m，66m，and 92m . Recommended mitigation measures includes compaction and slopereinforcement to stabilize loose deposits，constructionof drainagechannels，and regulardesilting of solid materials within the channels to ensure unobstructed flow.

Key words：debris flow；Massflow；debris flow velocity；debris flow movement characteristics