基于RAMMS锄头沟泥石流运动过程模拟

熊冲冲，胡卸文, 2，刘丁毅，贺书恒

基于RAMMS锄头沟泥石流运动过程模拟

熊冲冲1，胡卸文1, 2，刘丁毅1，贺书恒1

（1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 610031）

2013年7月，汶川县锄头沟受暴雨影响爆发泥石流灾害，对沟口居民区和交通干线造成严重破坏，造成巨大经济损失。通过对泥石流的发育特征分析和运动特征参数计算，利用RAMMS软件基于Voellmy模型和REK模型对泥石流运动堆积过程进行数值模拟，获得泥石流平均流速、泥深的运动变化特征。模拟结果表明，沟口处沟道泥深约2～6m，平均流速2～4m/s。对堆积范围进行校核，与实地调查结果基本吻合，模拟结果对泥石流运动特征分析及其防治具有积极意义。

泥石流；运动特征；RAMMS；数值模拟

泥石流是山区常见的一种自然地质灾害，具有突发性、历时短、破坏力大等特点（麦华山，2008）。震区由于地震作用导致表层土壤破坏和基岩出露，易形成松散物源，在降雨条件下极易形成泥石流灾害（李安润，邓辉，等，2019）。通过对泥石流启动机理、发育特征及运动过程特征分析，将会为山区泥石流治理及交通选线、村落选址布局提供积极的指导意见（刘希林和唐川，1995）。

随着数值分析方法在山地灾害分析研究中得以广泛应用，选取合理有效的数值分析方法建立数学模型，模拟泥石流运动过程结果，结合实地勘察结论，将对泥石流灾害的发育机理分析和防治措施建议提供积极的理论依据（李兆华等，2015；徐博，2016；乔成等，2016）。近年来，马宗源、廖红建等人0（马宗源等，2008）应用ANSYS-CFX 软件，对泥石流进行数值模拟分析，讨论了泥石流对拦挡工程的影响结果；HUNGR使用基于半经验方法和等效流体的DAN 3D 模型对泥石流的运动过程进行模拟（Hungr，1995）；杨涛、唐川等利用 FLO-2D对华溪沟泥石流进行数值模拟，得到泥石流堆积厚度及堆积范围等结果（杨涛等，2018）；段学良等利用MASSFLOW模型对泥石流运动特征进行模拟，对流域进行危险区划分（段学良等，2019）。

图1 锄头沟沟口堆积扇

图2 锄头沟流域平面图（1∶10000）

数值模型选取的合理性对泥石流模拟将产生重要影响，RAMMS利用Voellmy-Salm流变连续介质模型处理泥石流体的流变问题，并利用RKE模型来进行补充调整，从而更好地分析泥石流运动中特征参数的动态变化。本文通过实地调查，运用RAMMS对20年一遇降雨频率下锄头沟泥石流运动过程进行模拟分析计算，获得其平均流速和流深的变化特征，对模拟结果进行分析，评价该泥石流沟对当地居民点的危害程度。

1 研究区概况

锄头沟位于汶川县绵虒镇羌锋村，岷江右岸，与绵虒镇中心相距约1.5km，沟口有羌锋村村民10余户，堆积扇前缘经过G213国道和都汶高速公路，2013年7月10日锄头沟爆发泥石流灾害，对当地居民和交通干线造成严重影响（图1）。

1.1 地形条件

锄头沟流域面积为21.7km2，主沟长8.9km，整体上可分为清水区、物源区和流通堆积区（图2），主沟平均纵坡降184‰（图3）。锄头沟流域地形属深切割构造侵蚀低山和中山地形，沟道总体呈V型沟谷地貌，上游沟段较为狭小，谷宽5～l5m，下游段沟谷宽度较大，谷宽50～120m。流域内总体上地形陡峻，支沟发育，崩塌等不良地质现象发育，受地震作用影响，岩体破碎、松散、崩落，形成丰富的崩塌物堆积于主沟道及两侧，为泥石流水源和物源汇集提供了有利条件。

图3 锄头沟主沟纵剖面图

1.2 物源条件

锄头沟流域内松散固体物源十分丰富，主要有崩滑堆积物源、坡面堆积物源、沟道堆积物源，沿沟道及支沟沟道两侧分布。受“5.12地震”影响，沟内多处发生崩塌，岩体破碎，加之岸坡形态破坏水土流失，大量崩滑物源堆积于坡脚；地震作用下斜坡上的松散堆积体开裂松散，形成大量坡面堆积物源；沟域内主沟道较顺直，支沟发育且坡度大，在长期的地质构造、风化剥蚀作用下沟谷内及两侧形成大量第四系松散堆积物。丰富的物源储量，极大增加了泥石流发生的危险性。据调查统计结果，流域内崩滑堆积固体物源总量为250.82×104m3；主沟道堆积固体物源总量为541.50×104m3，坡面侵蚀固体物源总量为102.00×104m3，支沟物源约305.54×104m3，共计松散固体物源量1231.86×104m3。

1.3 水源条件

流域内海拔较低无冰雪融水，大气降水是诱发泥石流的主要水源条件。研究区年平均降水量526.3mm，最大年降水量648.6mm，最小年降水量369.8mm，汛期集中暴雨降水量满足激发泥石流的降雨条件。沟域整体呈扇形，地形陡峻，支沟呈树枝状排列发育，沟谷上游及各支沟纵坡大，暴雨条件下利于地表径流的形成和汇集，为锄头沟泥石流的形成提供了水源条件。

图4 锄头沟物源储量统计柱状图

1.4 泥石流发育机理

锄头沟属暴雨沟谷型泥石流，流域地形高差大，沟道呈“V”形沟谷形态，主沟道平均坡降较大，且支沟呈树枝状排列发育，有利于物源的堆积和水源的汇聚，受“5·12”地震影响，沟道两岸坡脚堆积大量松散物源。流域中上游及各支沟泥石流物源在暴雨影响下启动，向主沟道汇聚，在地表径流冲刷携带作用下，沟道内泥沙块石等裹挟沟岸两侧堆积物顺沟向下游移动，同时对沟床的掏蚀揭底作用使得岸坡稳定性变差，增加固体物源，最终爆发泥石流灾害。综上所述，锄头沟具备泥石流爆发的地形、物源、水源条件。

2 泥石流运动特征参数计算

本次数值模拟需获取泥石流运动特征参数为泥石流流体重度、流速及暴雨洪峰流量、泥石流峰值流量，可采用相关公式计算获得。

1）泥石流重度。现场配浆法与查表法所得泥石流重度综合取值17.21kN/m3，属于稀性泥石流。

2）泥石流流速。锄头沟泥石流属稀性泥石流，流速计算公式采用西南地区（铁二院陈光曦）公式：

式中：Vc—泥石流流速；H—泥石流平均泥深；I—主沟纵坡降；1/n—沟床糙率系数。

沟口处20年一遇泥石流流速计算结果见表1。

表1 锄头沟泥石流沟口流速计算结果

表2 锄头沟泥石流沟口流量计算结果

3）暴雨洪峰流量和泥石流峰值流量

泥石流峰值流量采用雨洪修正法进行计算：

沟口处20年一遇泥石流峰值流量计算结果见表2。

3 RAMMS软件基本原理

RAMMS由瑞士联邦积雪与雪崩研究所开发，软件中DEBRIS-FLOW模块（即泥石流模块），能够预测泥石流运行路径、流动速度、流动深度和压强等数据的空间分布，可以较好地对泥石流的运动状态进行数值模拟（温丽旺，2018）。

Hungr0通过研究发现利用连续介质模型进行泥石流数值模拟过程时，结果易受到很多不确定条件的干扰，不同流变模型对结果有重要影响（Hungr，Eberhardt，2005）。由于泥石流地质灾害发生过程的复杂性，所以RAMMS运用Voellmy-Salm流变连续介质模型将泥石流流体视为非稳定及非均质的，利用物质能量与运动转化法则来处理泥石流的运动、堆积过程，并运用RKE（Random Kinetic Energy）模型来进行补充调整，分析参数的动态变化特征，从而得到理想的模拟结果。

3.1 Voellmy-Salm流变模型

Christen0发现Voellmy-Salm流变连续介质模型的求解泥石流参数流深H和平均流速V，可以较好地表现泥石流的运动特征(Christen，Kowalski，etal，2010)。用质量平衡方程（公式4）求解流深H。

各式中：H—泥石流流深；V—泥石流平均流速；S—摩擦阻力，与库伦摩擦系数μ和湍流摩擦系数ξ有关；x、y、z—笛卡尔坐标系中平面坐标x、y和高程z；t—泥石流运动时间；—泥石流流体密度，g—重力加速度，—平均坡角。

3.2 RKE模型

RKE模型可以随时间的变化对泥石流的运动模拟过程进行实时调整修正，由于流体速度方向变化的杂乱性，RKE模型将流速V分为平均速度和瞬时速度，x、y方向上流速为平均速度和瞬时速度的矢量和，并设定z方向平均速度为0，以此更好表现泥石流的实时运动特征变化。RKE模型中摩擦系数μ和湍流系数发挥重要作用，可由下式得出：

式中：为摩擦系数，为湍流系数，R为一常数(定义为表示随机动能密度函数的摩擦指数增长率)，R为深度平均随机动能。

4 锄头沟泥石流数值模拟

4.1 参数设置

第一步地形数据处理，首先利用研究区1:10000等高线地形图建立数字高程模型（DEM），转化为ASCII格式文件后导入RAMMS软件，以此加载流域范围和物源区域，根据实地调查结果为不同种类物源厚度分别赋值。

4.2 模拟结果分析

根据上述设定参数，利用RAMMS对锄头沟在P=5%暴雨情况下运动情况进行数值模拟，得到泥石流平均流速和泥深状态模拟结果，见图5、图6。

由图5模拟结果来看，锄头沟泥石流物源在外力作用下启动开始滑动，物源流速逐渐增大，由于泥石流各段纵坡降的变化，流速随时间变化表现为增大-减慢-稳定再到停止运动的规律。同时由于研究区内实际地形的复杂性，泥石流流速变化表现出一定局部差异性，如较大流速多次出现在较陡坡降主支沟交汇处。泥石流运动至近沟口时，流速较为稳定，约为2～4m/s，与前文计算分析结果保持一致，同时符合实地调查结果。

由图6模拟结果来看，锄头沟泥石流中上游段和支沟上游段多为泥石流启动段，表层松散物质、残坡积碎石等物源随着水源汇聚流动，600s时流域内出现多处较大泥深，最大厚度可达12m，多出现于主、支沟交汇处，物源汇聚后沿着主沟道内运动，中下游段随着沟道纵坡变化，流深逐渐趋于稳定，约为2～6m，然后逐渐变小直至沟口堆积扇处。流深整体随时间变化的运动规律表现为由启动-逐渐增大-趋于稳定运动至沟口堆积区，且在此过程中物源不断堆积至沟道中。流深的运动规律符合实地调查结果。

图5 锄头沟不同时步泥石流流动速度状态图

图6 锄头沟不同时步泥石流泥深状态图

4.3 影响范围校核

受泥石流沟道和山体地形限制，泥石流运动至出山口处，地形开阔，泥石流开始向两侧扩散，随着沟道内物源的不断涌出，开始向前方及两侧呈扇状堆积，最终沿堆积扇前缘汇入岷江河道。根据实地调查，锄头沟泥石流沟口堆积扇前缘长度约370m，扇轴长度约150m，为一老堆积扇。取模拟结果中泥石流泥深分布图作为参考影响范围，并与泥石流实际堆积范围作比较，可知两者吻合程度较好（图7）。由此可得泥石流一旦爆发，将会对沟口居民区以及交通干线造成严重损害，建议采取合理有效的拦挡工程对其进行防治。

图7 泥石流危险区范围

5 结论

汶川县绵虒镇锄头沟流域面积为21.7km2，主沟长8.9km，主沟平均纵坡降184‰，流域内支沟发育，松散物源丰富；通过RAMMS软件对锄头沟泥石流进行数值模拟，考虑P=5%暴雨频率，计算得到泥石流参数（泥深和平均流速）：容重17.21kN/m3，沟口流速3.72m/s，雨洪法计算洪峰流量121.27m3/s，泥石流峰值流量350.03m3/s。RAMMS模拟结果，下游流通堆积区处泥深约2～6m，平均流速约2～4m/s，划分泥石流可能影响范围与实际堆积范围对比基本吻合。

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Simulation of Debris Flow Activity in the Chutou Gully based on RAMMS

XIONG Chong-chong1HU Xie-wen1,2LIU Ding-yi1HE Shu-heng1

(1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

In July 2013, a rainstorm triggered a debris flow at the Chutou Gully, Wenchuan County which caused serious damage and huge economic losses to the local residential areas and the main lines of communication. This paper has a discussion on its development characteristics and calculates its dynamical parameters. The process of movement and accumulation of the debris flow is simulated based on Voellmy model and REK model by means of RAMMS software in order to obtain the moving and changing characteristics of the average velocity and depth of the debris flow. The simulation results show that the depth of mud is about 2～6 m and the average movement velocity is about 2～4 m/s, and the stacking range is basically consistent with the actual results. The simulation results have a positive effect on the analysis of debris flow characteristics and its control.

debris flow; dynamic characteristics; RAMMS; numerical modeling

2020-05-10

国家重点研发计划（2018YFC1505401），国家自然科学基金资助（No.41731285，41672283）

熊冲冲（1994-），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事工程地质方面研究

胡卸文（1963-），男，博士，教授、博士生导师，主要从事工程地质、环境地质方面的教学与研究工作

X43；P642.23

A

1006-0995（2021）01-0107-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.022