汶川震区窄陡沟道型泥石流动力学特性及堵江分析——以都汶高速沿线磨子沟为例*

韩　玫　胡　涛　王　严　洪美玲

(①西南交通大学数学学院　成都　610031)

(②西南交通大学地球科学与环境工程学院　成都　610031)

(③成都理工大学环境与土木工程学院　成都　610031)



汶川震区窄陡沟道型泥石流动力学特性及堵江分析
——以都汶高速沿线磨子沟为例*

韩玫①②胡涛③王严②洪美玲②

(①西南交通大学数学学院成都610031)

(②西南交通大学地球科学与环境工程学院成都610031)

(③成都理工大学环境与土木工程学院成都610031)

在汶川震区沟道型泥石流中，普遍存在一种窄陡沟道类型，窄陡沟道型泥石流具有沟道纵坡陡、平均宽度窄、流域面积小的地形特点，在震区容易瞬间汇流形成大规模突发性泥石流灾害。结合四川省都汶高速沿线2013年“7·10”特大群发性泥石流，重点以窄陡沟道型的磨子沟泥石流为实例，针对该泥石流对都汶高速、岷江等造成的冲击淤埋及堵塞问题，通过现场调查泥石流形成条件和发育特征，采用大型流体动力学计算软件CFX模拟再现50年一遇暴雨频率下此类窄陡型泥石流的动力学过程，分析其危险范围、评价其冲击都汶高速桥梁，堵塞岷江，淹没岷江两岸居民安置点的破坏性影响，为提出针对性的泥石流防治工程措施提供依据。

窄陡沟道泥石流危险区堵江

0　引　言

“5·12” 汶川地震后，受特大地震对山体的震裂效应影响，在暴雨条件下时常形成滑坡及泥石流，而在极端暴雨条件下出现的群发性、超大型泥石流堵(沟)江事件，更因堵(沟)江瞬间溃决导致泥石流规模放大而对沿途人民生命财产造成毁灭性破坏(胡卸文等，2015)。在汶川震区，普遍存在一类窄陡沟道型泥石流，这种沟道类型的泥石流虽然流域面积相对较小，但因纵坡陡、沟道狭窄，容易瞬间汇流形成突发性泥石流，具有流速快、沟口冲出规模大、迅速冲淤、迅速堵江而形成一系列重大危害的特点，时常导致沟口建筑物遭受毁灭性影响。因此系统开展窄陡沟道型泥石流沿途动力学特征、尤其是沟口冲淤变化、可能堵江及其导致的灾害链影响，对相应治理工程措施以及建筑物合理布置具有重要的指导意义。

在以往关于泥石流的研究中，胡卸文等(2016)指出在汶川地震灾区存在一类沟道纵坡坡降过陡的泥石流、往往沟道狭窄，其水动力作用强，需要对治理工程方案进行有效的组合；杨东旭等(2015)通过对5大片区泥石流沟资料的统计分析，提出了狭陡型泥石流的概念，分析了其在形成、活动及危害等方面的典型特征，以及相应的防治对策；Tie(2013)以流域面积较小、纵坡坡降较陡的泸定县干沟泥石流为例，通过引入速度衰减系数，预测泥石流的冲出距离，从而判别泥石流是否堵江；庄建琦等(2012)利用水文模型计算不同频率下的泥石流规模，计算堵江危险度值，得到了泥石流堵江的临界阈值；刘翠容等(2013)针对岷江流域泥石流的特点，通过室内模型试验，运用量纲分析法，给出了计算堵江程度的非线性表达式。

总体而言，对窄陡沟道型泥石流的研究已有所涉及，但不够系统深入，尤其是泥石流暴发过程中的动力学特性、沟口堵江与否及相应的危险区范围界定则相对较为薄弱。

本文以都汶高速沿线磨子沟泥石流为例，在进行详细现场勘察的基础上，采用CFX流体动力学软件对磨子沟50年一遇暴发频率的泥石流动力学过程进行三维流场数值模拟，反演“2013-7-10”磨子沟泥石流堆积泛滥的动力学过程，获取危险区范围以及堵江长度、堰塞坝壅高值等堵江基础数据，进而对都汶高速桥梁、G213线以及沟口对岸安置点所受破坏性影响进行评价，进一步归纳出窄陡沟道型泥石流的危害特征及防治对策，具有实际借鉴意义。

1　汶川震区窄陡沟道型泥石流基本特点

2013年7月10日，汶川县境内普降特大暴雨，导致都汶高速沿线17条重点泥石流沟相继暴发。其中以磨子沟为代表的多条窄陡沟道型泥石流冲击都汶高速桥面桥墩、壅堵岷江、回水淹没附近居民安置点而造成严重危害。

1.1窄陡沟道型泥石流发育特征

都汶高速沿线窄陡沟道型泥石流多为深切割的“v”型谷，总体上具有岸坡陡峻，切割深度大的特点。发育特征为：流域面积小于10km2，沟床平均纵坡降大于300‰，流通区平均宽度小于30m。据此标准，都汶高速沿线“7·10”磨子沟、华溪沟、瓦窑沟等均为典型的窄陡沟道型泥石流(表1)。这种沟道条件决定该类泥石流的冲淤特征表现为以冲为主，在大规模暴雨洪水作用下，其冲刷作用将进一步加强。

表1　“7.10”窄陡沟道型泥石流相关参数

Table 1　The parameters of the debris flow with narrow-steep channels on July 10, 2013

泥石流沟磨子沟华溪沟瓦窑沟张家坪沟连山大桥苏村沟福堂沟流域面积/km27.410.391.211.620.75.791.12平均纵坡降/‰424287646494483445655宽度/m5～305～2510～305～2210～255～2515～40

1.2磨子沟泥石流概况

作为窄陡沟道型泥石流的代表，磨子沟位于汶川县绵虒镇羊店村，岷江左岸，距绵虒场镇约7km，沟口前缘有都汶高速公路和G213国道通过(图1)。

图1　磨子沟流域全貌Fig.1　An overview photograph of Mozi gully basin

图2　磨子沟泥石流流域示意图(引自Google earth)Fig.2　Schematic diagram of Mozi debris flow basin(citation from Google Earth)

磨子沟流域形态呈喇叭形，流域面积7.5km2，平均坡降为424‰，沟道宽度为5～30m，具有典型的窄陡沟道特点。沟道平均纵向长度4.8km，支沟较发育，流域内水系呈树枝状分布(图2)。流域内最高海拔3208m，最低海拔1173m，相对高差2035m，沟道总体沿东西展布，沟口呈N10°W流向汇入岷江。

磨子沟沟域内松散固体物源较丰富。根据勘查统计计算结果，磨子沟流域内物源静储量647.5×104m3，动储量170.7×104m3，其中崩塌堆积物源占总物源量的76.0%、动储量的88.2%。崩塌堆积物源主要为 “5·12” 地震崩落的碎块石土，最大粒径可达18m，分布在沟谷陡坡坡脚及斜坡地带，结构松散、无胶结，稳定性差，其参与泥石流活动方式主要有坡面冲刷、切脚、拉槽下切等。

以磨子沟为代表的窄陡沟道型泥石流，在陡峭的地形和重力侵蚀下利于快速汇水，泥石流启动动力充足。2013-7-10磨子沟泥石流一次性冲出固体物质达42×104m3，并堵塞岷江长度近100m(图3、图4)，沟口形成长约150m，宽约170m，面积2.55×104m2的堆积扇(图5)，抬高岷江河床7m，淹没G213草坡4号桥及道路近1000m，冲击影响都汶高速公路大桥8跨约250m；回水淹没沟口对岸安置点房屋42户，距离都汶高速桥面约160m，整个岷江沿线公路等重要工程的防洪标准降低，直接经济损失达1000万元。根据现场勘查，并结合当地气象雨量站的数据对比分析，“7·10”磨子沟沟域范围内的平均降雨量超过50年一遇。

图3　磨子沟泥石流冲击都汶高速公路桥墩并堵塞岷江Fig.3　The Mozi gully debris flow impacted the Duwen freeway and blocked the Minjiang River

图4　磨子沟泥石流堵塞岷江后上游回水淹没居民安置点及G213国道Fig.4　The residents of settlements and the G213 submerged by the upstream water after the blockage the Minjiang River by Mozi gully debris flow

图5　磨子沟2013-07-10泥石流沟口堆积扇Fig.5　The deposition fan of Mozi gully on July 10，2013

2　窄陡沟道型泥石流动力学过程数值模拟条件

由于磨子沟流域沟道为典型的窄陡“v”型谷，即使在2013-7-10泥石流发生后，沟域内仍存在震后残留的丰富松散物源，具备发生大型泥石流的条件，因此集中暴雨汇聚后形成的泥石流会以很快的速度冲出，进入岷江并堵塞主河道，到达都汶高速桥墩及桥面位置，并进一步冲击泛滥造成更大威胁。为了充分掌握窄陡型沟道泥石流动力学过程，尤其是进入主河道的堆积泛滥范围，借助大型流体计算软件ANSYS CFX模拟反演磨子沟泥石流2013-7-10遭遇50年一遇降雨时的危险范围，分析其对都汶高速大桥、岷江及其对岸居民安置点的冲淤、堵塞、淹没等破坏性影响。具体模拟范围(图6，方框线所围区域)。

图6　模拟范围及其所在位置示意图Fig.6　Simulation range and its location

2.1CFX流体软件简介

CFX是一款功能强大的CFD(Computational Fluid Dynamics)工程分析软件。它是以流体力学，数值分析、离散数学等作为理论基础，以电子计算机为工具，对流体力学、热传导等问题进行数值实验、计算机模拟分析(王福军，2004)。

CFX软件是由多个软件模块构成的软件包，包含的4个功能模块分别是前处理器、求解器、求解管理器和后处理器。模拟计算过程包括如下几个阶段：

(1)创建模拟区域的几何模型并划分网格；

(2)前处理：用来定义求解问题中流体介质的属性、计算区域的边界条件、求解参数、迭代步数等问题；

(3)求解：代数方程组的迭代求解过程，期间会反馈信息，显示求解信息；

(4)后处理：对计算结果进行统计并以云图、等值面、动画等方式直观展示。

2.2基于CFX 的磨子沟泥石流数值模拟

2.2.1假设条件及模型建立

借助CFX流体动力学软件对磨子沟泥石流的动力学过程进行数值模拟时，依据软件特点做以下假设：泥石流流体模型设定为均质单相流。

与泥石流接触的沟道、桥梁等均视为刚体，在接触过程中不发生形变；不考虑泥石流流动过程中与外界进行的热量交换(韩玫，2016)。

为了模拟反演磨子沟“7·10”泥石流运动堆积过程，分析其对都汶高速桥梁、岷江及沿岸居民安置点的影响。本次模拟建立的三维模型范围包括泥石流沟口段及相关建筑(图7)，平面范围为500m(长)×350m(宽)，高度20m，使用ICEM CFD对模型进行全四面体网格划分。

图7　磨子沟出口处沟道三维模型Fig.7　The 3D model of the Mozi gully on export site

2.2.2泥石流流体基本参数确定

2.2.2.1泥石流流体密度

经调查发现，磨子沟“7·10”泥石流主沟道中多为块碎石，但沟道两侧崩坡残积中细颗粒含量较多，属于黏性泥石流。参照“7·10”泥石流的性状，在磨子沟中下游堆积区取样配浆，经泥石流目击者认定后进行称重，计算浆体的质量与体积的比值，从而得到泥石流流体密度为γc=1.759t·m-3，对现场配制的泥石流样品进行颗粒分析得到泥石流固体颗粒容重为γH=2.65t·m-3。

2.2.2.2泥石流流变模型

流变模型是反映流体流变特性及其变化过程的力学模型。泥石流流变特性反映了泥石流流体在遭受剪切变形时产生的剪应力与剪切速率的关系。本次数值模拟选取适合描述黏性泥石流流体的宾汉模型作为流变模型(钱宁，1989)。

宾汉模型是尤金·宾汉于1919年提出的一种理想的非牛顿流体模型，在承受外力较小时物体发生塑性流动，而当外力超过屈服应力τ时，流体就会产生黏性流动。其数学模型表述为：

(1)

τB是由细颗粒絮凝作用或颗粒间的相互摩擦作用所形成，反映了悬浮液的浓度较低或细颗粒的含量；η表现的是浆体的黏稠程度，主要受泥石流浆体的浓度及颗粒级配的影响。

屈服应力τB的计算参考费祥俊等(2004)通过对黄河泥沙悬浮液的流变试验得到的计算公式：

(2)

(3)

(4)

式中，Sv为泥石流体中固体颗粒所占的体积比，即体积浓度；Svm为泥石流可形成悬浮液时固体颗粒度含量最大值，即极限浓度，反映了悬浮液颗粒组成的特性；Sv0为悬浮液从牛顿体转变到非牛顿体的临界浓度；B为常数，根据此沟泥石流流体特点，取值为8.45。

浆体的体积浓度Sv采用下式计算：

(5)

极限浓度Svm的经验计算公式(钱宁，1989)为：

(6)

其中，di为颗粒级配曲线中某一级配组粒径的平均值(mm)；ΔPi为这一级配组颗粒占所有颗粒的百分比。对模拟区沟道内堆积的碎石土颗粒进行分析实验结果表明，粒径d<0.01mm 的泥石流颗粒比为17.8%，据此计算得Svm=0.47。各参数取值(表2)。

表2　泥石流流变参数

Table 2　Rheological parameters of the debris flow

SvSvmετB/Pa0.460.470.74228.2

根据配浆试验结果，磨子沟泥石流为黏性泥石流，黏滞系数的选取基于经验值类比并参考表3(李培基等，1982)，取值为η=2.66Pa·s。

表3　容重与黏滞系数的关系

Table 3　Relation of density and viscosity coefficient

容重/g·cm-3<1.51.5～1.8>1.8黏滞系数/Pa·s<0.50.5～3.0>3.0

2.2.2.3泥石流动力学参数

泥石流动力学参数包括流速、流量、冲击力等。其中泥石流的峰值流量利用雨洪法计算获取，根据磨子沟泥石流沿途地震滑坡堵塞沟道状况，并结合堵塞系数取值表(游勇等，2010)，取堵塞系数DC=3.5，从而计算得到磨子沟在50年一遇暴雨频率下暴发的泥石流峰值流量为Qc=357.4m3·s-1，以此作为数值模拟前处理阶段泥石流入口边界流量。

2.2.3边界条件

CFX中的边界条件主要有入口、出口、自由流出口、壁面、对称这5种类型(王福军，2004)。在对磨子沟泥石流流体域建模时，进口边界设定为模拟区上游边界入口，出口边界为下游边界出口，壁面边界为沟道两侧山体地表面，上部为开放式边界(韩玫，2016)。

2.2.4设定模拟时间及流量

受CFX软件模拟时间的限制，本次模拟依据磨子沟泥石流实际暴发时长，选取其暴发过程中某一时段来研究泥石流的运动特点，为瞬态问题求解。

据野外实地勘查和访问，2013年7月10日上午7时磨子沟开始暴发大规模泥石流，持续至9时30分结束，历时约150min，一次性冲出固体物质达42×104m3。

为再现“7.10冲磨子沟泥石流暴发状况，兼顾软件计算量的限制，本次模拟设计的流量曲线将充分依据现场测量结果，模拟时间设定为1800s，时间步长为1s，并设置每隔10s保存一次结果文件。进出口边界流量曲线设计中，初始时刻(t=0)流量设置为洪水流量，流量最大值在10min左右达到，取值依据“7·10”磨子沟泥石流的峰值流量。

求解过程监视的进出口质量流量(体积流量和流体密度的乘积)曲线如图8所示，由于磨子沟泥石流窄陡的沟道特点，泥石流浆体运动速度较快，在较短时间内就有部分浆体从出口流出，因此出口流量曲线在时间上滞后的特征不明显。

图8　进、出口质量流量曲线Fig.8　Mass flow curve of inlet and outlet

3　窄陡沟道型泥石流运动学特征数值模拟结果

3.1泥石流动力过程分析

选择时刻t=10s，30s，50s，650s，1300s，1800s时磨子沟泥石流泛滥堆积的范围及液面速度云图(图9)来分析泥石流运动学特征。

t=10s时，由于沟道坡降较大，泥石流以较快的速度从入口边界进入，向前推进90m(图9a)，到达沟口堆积扇顶部，泥石流流速普遍分布在13.3～17.1m·s-1，整体推进速度为15.2m·s-1。

t=30s时，泥石流继续向前推进至距离入口边界210m处(图9b)，浆体进入岷江，由于岷江河床坡降较缓，泥石流整体推进速度降低至12.7m·s-1。

t=50s时，泥石流在岷江河道内的淤积范围继续扩大至模拟区中下游都汶高速桥墩处，并抵达沟口对岸的居民安置点附近(图9c)，此时距离沟口长度约250m处，淤埋宽度约300m。泥石流浆体从都汶高速桥下通过，到达对岸居民安置点后开始分流，由于桥墩的阻挡，泥石流的平均流速进一步降至10.5m·s-1。

t=650s时，由于泥石流浆体受到都汶高速桥梁以及对岸居民安置点的阻挡影响，浆体堆积高度达到10余米，大量泥石流浆体翻越都汶高速桥面，并淤埋岷江对岸居民安置点(图9d)，淤埋漫流范围达到长度310m，宽度350m。由于沟口堆积扇及岷江河床处平均纵坡降差异较大，泥石流流速的分布范围为2.1～18.5m·s-1。

t=1300s时，泥石流从沟道冲出的整体速度约为16.9m·s-1，然而在岷江河道内漫流的整体速度约为1.8m·s-1，此时仍有部分泥石流浆体翻越都汶高速桥面，一些浆体由于来不及在岷江河道内铺床而从出口流出，淤埋范围没有持续增长(图9e)。

t=1800s时，由于泥石流峰值流量早已过去，同时冲出沟口泥石流的速度大于河道内铺床泥石流速度，泥石流浆体较快从出口流出，在岷江河道内的铺床范围进一步变小，最终泥石流停止运动(图9f)。

综合以上分析，磨子沟泥石流具有流速高、冲击力大、迅速冲淤、迅速堵江的特点。

由于受软件限制，本次模拟中的流体假定为均质单向流，未考虑岷江水流参与运动的情况，从而模拟结果出现泥石流在岷江内淤积面积增长较快，堵江迅速等特点。然而，由于岷江右岸磨子沟下游的华溪沟泥石流先于磨子沟暴发泥石流并堵江，致使江水流速较慢，加之磨子沟泥石流冲击速度较快，岷江江水对泥石流的运动堆积过程影响有限。

3.2泥石流沟口冲淤掩埋范围模拟比较

磨子沟“7·10”泥石流浆体进入岷江后淤积严重且堵断岷江，同时在泥石流过后可见都汶高速桥面和桥墩之间夹有石块(图10)，由此可以判断泥石流浆体已经达到桥面高度，在现有地形条件下必然翻越桥面。同时，泥石流堵塞岷江形成的堰塞湖水位抬升导致沿河居民安置点遭洪水淹没，这些都与数值模拟结果相符。本次模拟结果中泥石流的危险区范围，选取了t=700s时刻，出口边界流量最大时泥石流的泛滥范围(图11)，与“7·10”泥石流的实际堆积范围(图5)基本吻合。

图9　磨子沟50年一遇暴雨频率下泥石流淤埋范围及液面速度云图Fig.9　Inundation range and liquid surface velocity contour of the Mozi gully debris flow once in 50 yearsa.t=10s；b.t=30s；c.t=50s；d.t=650s；e.t=1300s；f.t=1800s

图10　磨子沟泥石流冲击淤埋都汶高速桥墩Fig.10　The Mozigully debris flow impacted and buried the piers of Duwenfreeway

图11　t=700s时刻泥石流沟口堆积扇部位淤埋范围及液面速度云图Fig.11　The inundation range and contour of the debris flow velocity on liquid surface(t=700s)

3.3磨子沟泥石流堵江程度评价

位于磨子沟沟口岷江段河床平均坡降80‰，河面宽度为80～100m，“7·10”磨子沟泥石流暴发时，当地水务局实测岷江流量(表4)。

表4　2013“7.10”岷江磨子沟段洪水流量

Table 4　Flood discharge of Minjiang River at Mozigullysection on July 10th，2013

序号时间流量/m3·s-112013-7-10,5:0068422013-7-10,6:0072632013-7-10,7:0062642013-7-10,8:0062652013-7-10,9:0076262013-7-10,0:00819

根据四川省阿坝州水文水资源勘测局计算绵虒镇磨子沟沟口岷江段多年平均洪峰流量(表5)。

表5　磨子沟沟口岷江段多年平均洪峰流量表

Table 5　Average flood discharge of Minjiang River at Mozigully

降雨频率P/%12510洪峰流量Qp/m3·s-13190290025102210

由表4、表5，可见2013年“7·10”磨子沟泥石流发生时，岷江磨子沟段的流量为626～819m3·s-1，远小于其P=10%的流量，仅为汛期洪水。

由于磨子沟泥石流具有窄陡型沟道特点，在岷江宽度较小、流量不大的情况下，泥石流体能够快速进入岷江，当泥石流一次汇入主河的固体物质量较大并淤塞时，淤塞体会造成主河河道截流，抬高河床，壅高水位而造成淤埋和溃坝危险。

泥石流阻塞主河的程度用R表示，物理意义即为堰塞坝长度与主河宽度比值。R的取值(刘翠容等，2013)与泥石流容重γs、泥石流峰值流量Qc、泥石流流速v、泥石流沟的宽度b、主河流量Q、主河流速u、主河宽度B、主河水深H及泥石流入汇体积Vs等因素的非线性关系如下：

(7)

其中

(8)

(9)

Q=KTQc

(10)

此处一次泥石流过流总量Q的计算采用修正五边形法，根据流域面积选取修正系数K值，T为泥石流模拟时长，沟口段泥石流的流速v的取值参考t=700s时刻的数值模拟结果，岷江洪水流速由姜射坝水文站观测得到，磨子沟沟道宽度与岷江水深由“7·10”泥石流发生后现场勘查所得剖面图获取。

各参数的取值如下：

表6　泥石流堵江程度计算

Table 6　River blocking degree of the debris flow

u/m·s-1v/m·s-1H/mb/mKT/sQc/m3·s-1R1.8164200.1139000357.40.91

计算结果为R=0.91，即堵江宽度达到岷江河宽的91%，这与“7·10”泥石流堵江程度基本吻合。说明利用数值模结果中的速度值来计算堵江程度是可行的，从而进一步验证了数值模拟的可靠性。

3.4磨子沟泥石流堵江回水淹没范围模拟

泥石流堰塞坝体阻塞主河可抬高河床，壅高水位，从而对河岸以及更大范围的各类建筑等造成淹没淤埋的危害(图11)，因此科学估算水位壅高值，进而分析泥石流的回水淹没范围，是泥石流堵江灾害防治工作中需要解决的关键问题。由实际勘察，2013年“7.10”磨子沟泥石流堵江形态近似为三角形，从而利用正交入主河的三角形堰塞体堵河所需泥石流总量的计算公式(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，2000)，可以反算出泥石流堵塞主河后的水位升高值，进而分析岷江回水淹没范围。公式如下：

(11)

式中Vc为泥石流堵塞主河所需要的最小体积方量(m3)；B为主河宽度(m)；φw为堆积体水下休止(安息)角，黏性泥石流时取值为25°；h为主河被泥石流堵塞后河水深度(m)。

根据t=700s时刻磨子沟泥石流动力学特征数值模拟结果(图10)，在50年一遇暴雨频率下，泥石流浆体淤积泛滥范围最大，此时在岷江河床内的堆积体部分超出都汶高速桥面，厚度约为10m，堆积宽度约为160m，堆积长度约为90m，由此可以计算出参与堵塞主河的泥石流体体积约为7.2×104m3。

图12　磨子沟泥石流堵江“5-5”剖面图Fig.12　The“5-5”cross-section diagram of Mozigully debris flow

图13　磨子沟泥石流堵江回水淹没范围示意图Fig.13　Schematic diagram of the backwater inundation range of Mozi gully debris flow after blocking the Minjiang River

利用式(11)计算出泥石流堵江后河水深度为h=15.3m。由于该段岷江原实测水深约4m，因此在50年一遇暴雨频率下泥石流堵塞主河后抬高主河水位约11.3m，由此描绘出堵江回水淹没的范围(图12，图13)，表明回水高程岷江右岸边界与都汶高速桥面的水平距离约为172m。这与2013年“7.10”磨子沟泥石流堵江回水淹没范围基本相符，从而再一次验证了数值模拟结果的合理性和可靠性。

4　窄陡沟道型泥石流防治对策

尽管窄陡沟道型泥石流流域面积相对较小，但泥石流冲出速度快，冲出物源量大，极易造成沟口河道的堵塞，进而形成一系列灾害链，产生更大危害。

对于都汶高速沿线的窄陡沟道型泥石流，其产生的危害一方面表现为泥石流对跨越岷江的都汶高速特大桥桥墩形成冲击和淤埋，严重威胁都汶高速交通运营安全；另一方面，泥石流堵塞岷江形成的堰塞坝体阻塞主河、使河床抬升、水位壅高，进一步回水淹没河岸以及更大范围的各类建筑。如磨子沟泥石流，其流域面积仅为7.5km2，但通过CFX数值模拟可见，沟道中泥石流流速最高可达20m·s-1；而且在t=700s时泥石流的堆积长度、宽度、厚度分别达到了90m、160m、10m，参与堵塞主河的泥石流体体积约为7.2×104m3，可见冲出物源量较大。在其危害性模拟方面，磨子沟泥石流不仅堵塞河道达91%，而且回水淹没了距离都汶高速桥面172m的范围，产生了巨大的危害。

在防治对策上，窄陡沟道型泥石流由于沟道狭窄、水动力作用强烈，在沟道内实施拦砂坝等治理工程难度大、且效果一般，因此在沟口布设公路桥梁等现状建筑工程时，应尽量远离泥石流沟沟口，且应与其斜交布设，尽量避免泥石流的正面冲击和掩埋；另一方面，应根据沟道地形特点及保护对象的差异，合理采用固床固坡、适当拦挡等工程的有效组合。

由于此类沟道型泥石流纵坡坡降较陡，筑坝有效库容有限，而陡峭的地形决定了泥石流一旦启动后冲淤速度快、冲击力强，因此，对其实施治理时应首先在沟道物源丰富部位考虑采取主动固床或稳坡措施，稳固沟床及坡脚大量崩滑物源，特别是防止大规模物源启动；其次，若沟口有合适的地形条件，可辅助采取拦砂坝拦截泥石流，在例如，在磨子沟除了沟道内普遍采用固床潜槛、格宾石笼护坡外，在沟口修建了有效坝高达25m，的拦砂坝，通过固源、拦挡，其综合实施效果良好。

5　结　论

(1)综合分析都汶高速沿线重点泥石流沟地形特征，表明窄陡沟道型泥具有沟道纵坡陡、平均宽度窄、流域面积小的地形特点，在震区容易瞬间汇流形成大规模突发性泥石流灾害，且时常造成堵塞沟口主河道，堵塞溃决引发更大洪水等次生灾害，是沟道型泥石流中的特殊类型。

(2)针对磨子沟窄陡沟道地形，通过大型流体软件CFX对沟口冲淤过程进行了反演，模拟出的沟口冲淤范围和现场实测淤埋范围的吻合度为87%，说明采用CFX进行窄陡沟道型泥石流沟口冲击泛滥范围模拟分析是可行的。

(3)根据数值模结果得到泥石流相关参数，并结合堵江程度经验计算显示，堵江程度系数 R=0.91，即堵江宽度达到岷江河宽的91%，这与“7·10”泥石流堵江程度基本吻合。从而进一步验证了数值模拟结果的合理性和可靠性。

(4)利用数值模拟结果得出的磨子沟泥石流堆积扇的长度、宽度及平均厚度(相应计算进入岷江的泥石流方量)，采用经验公式计算预测堵江后回水高程及相应的淹没范围，也与“7·10”泥石流堵江雍塞后回水范围基本相符。

(5)针对磨子沟为代表的窄陡沟道型泥石流的发育和危害特点，为了确保不会对主河道造成堵江溃决，应采用沟道内固源(固床、固坡)为主、沟口合适部位拦挡为辅的防治措施。

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DYNAMICS CHARACTER AND RIVER-BLOCKING ANALYSIS OF NARROW-STEEP CHANNELS DEBRIS FLOW IN WENCHUAN EARTHQUAKE REGION——ILLUSTRATED WITH CASE OF MOZI GULLY ALONG DUWEN FREEWAY

HAN Mei①②HU Tao③WANG Yan②HONG Meiling②

(①School of Mathematics，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031)

(②Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031)

(③College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu610031)

The debris flow with narrow-steep channels is very common in gully debris flow in Wenchuan earthquake region.High longitudinal slope and narrow average width of the gully and little drainage basin area are observed in this kind of debris flows.Thus，the debris flows with large scale is easily happened due to the quickly converge of the rainfall in earthquake area.In particular，extra-large group debris flows occurred on July 10，2013along Duwen freeway in Sichuan province.This paper concentrates on the phenomenon of the impaction，burying，blockage of Duwen freeway and Minjiang River caused by the debris flow.Through the field investigation of the debris flows，the formation conditions and development characteristics are identified.Using of CFX hydrodynamic calculation software，a simulation of the dynamical process of narrow-steep channels featured debris flow during 50-year storm conditions is set up.The paper makes a prediction of the hazardous region，evaluates the destructive effects on the Duwen freeway，Minjiang River and residents of settlements，which can provide the evidence of the prevention measures design of the debris flow．

Narrow-steep channels，Debris flow，Hazardous region，Blocking river

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.010

2016-01-22;

2016-07-13.

国家自然科学基金(No.41372293、41402266)，四川省国土资源厅科学研究计划(KJ-2014-10，KJ-2015-18，KJ-2016-8)，“长江学者和创新团队发展计划”(“PCSIRT”)资助.

韩玫(1980-)，女，博士生，讲师，主要从事工程地质方面的研究工作.Email: hanmei@home.swjtu.edu.cn

P642.23

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