高位远程崩滑碎屑流-泥石流灾害链的演变过程与影响范围预测——以“4·5”四川洪雅县铁匠湾地质灾害链为例

刘 鑫,张 文,李 根,刘 波

1.四川省地质环境调查研究中心,成都 610081

2.四川九一五建设工程有限公司,四川 眉山 620010

3.吉林大学建设工程学院,长春 130026

4.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081

0 引言

2021年4月5日6时左右,四川洪雅县柳江镇赵河村13组道路上方山体陡崖处突发高位崩塌灾害,崩塌体的高位势能转化为动能作用于陡崖下部斜坡崩坡积体触发滑坡,所有岩土体共同形成了崩滑碎屑流。因其局部稳定性较差,后期在降雨作用下,碎屑流沿斜坡向下游双溪河运动,又形成了泥石流次生灾害,最后造成双溪河全部堵塞,形成小规模堰塞湖。该堰塞湖一旦溃决,将对双溪河下游两岸居民造成严重威胁。所以,本次灾害并不是单一的地质灾害,而是由一种地质灾害引发形成的多灾种威胁较大的灾害链。本次灾害链共造成5户房屋被掩埋,3人失踪,150 m道路损毁断道,林木损毁3 000 m3,直接经济损失约600万元,可见其危害之大[1-3]。

所谓灾害链,就是由于受外界影响而发生的地质灾害进而启动另外一种或多种地质灾害损失的过程[4-7]。20世纪以来,已有众多学者开展了对崩滑碎屑流方面的研究,特别是自2017年茂县叠溪镇新磨村特大滑坡的发生,碎屑流的概念逐步被大家所认知[8-9]。胡卸文等[10]在芦山地震触发大岩崩滑坡-碎屑流特征与运动过程的研究中,对滑坡发生并形成碎屑流的成因机制及成灾原因进行了初步分析。曾庆利等[9]在茂县新磨特大滑坡-碎屑流的发育特征与运移机理的研究中,深入探讨了影响碎屑流运动性的主要效应及其致灾机理,并评价了类似灾害的监测预警新方法。高杨等[11]开展了高位远程滑坡冲击铲刮效应研究进展及问题的研究,总结归纳了高位远程滑坡冲击铲刮效应的国内外研究现状,总结了高位远程滑坡的冲击铲刮模式主要有嵌入铲起模式、裹挟刮带模式、冲击滑移模式和冲击飞溅模式。当前对于比较典型的崩滑灾害链的研究与防治已有较大进展[12-18],但主要以滑坡-碎屑流、高位崩滑-碎屑流、泥石流-滑坡-堰塞湖等灾害链模式为主,而对高位崩塌-碎屑流滑坡-泥石流的灾害链模式研究较少。

关于碎屑流的研究,在计算机数值模拟其运动过程方面也取得了一些成果。李祥龙等[19]采用PFC2D主要模拟了移除挡土墙后沿斜坡滑动、移动和堆积的过程,并分析了岩体的初始高度、滑动体的体积和地面波动程度等因素对碎屑流运动的影响。杨涛等[20]运用FLO-2D对岷江小流域6条泥石流沟进行数值模拟,重现了泥石流爆发的现状,得出其堆积扇危险特征。本文采用RAMMS(rapid mass movements simulation)数值模拟方法模拟泥石流运动过程,利用Voellmy-Salm流变连续介质模型获取其流深、流速等流动参数,并采用RKE(random kinetic energy)模型来进行调整,使模拟效果更加符合实际。

在洪雅县铁匠湾突发高位远程崩滑地质灾害周边还存在长约15 km的类似高陡崖斜坡地段。在我国山区这类高陡崖斜坡地段较为发育。近年来受多次地震的影响,这些地段地质结构受到破坏,突发高位远程崩滑流灾害链可能较大。“4·5”洪雅县铁匠湾突发高位远程崩滑地质灾害是典型的山区陡崖斜坡地段高位远程崩塌触发滑坡碎屑流灾害链之一,并形成次生泥石流。本文对类似的灾害链采用数值模拟开展高位远程崩滑流地质灾害影响范围预测研究,并对类似区域开展预防预报工作,划定危险区范围,提出有效的断链措施,以指导该类灾害链的防治工作,对减少经济损失和提高理论研究水平提供技术支持。

1 地质环境条件

铁匠湾崩滑灾害链位于四川省眉山市洪雅县柳江镇赵河村,地处川西山地东缘(图1)。研究区地质环境条件较为复杂,受褶皱、断裂等地质构造因素控制,高陡崖斜坡地段分布较广(图2),地质灾害发育,主要以高位崩塌、滑坡等灾害为主。受地形及植被的影响,该类地质灾害隐蔽性强、危害性大。

图1 四川洪雅县铁匠湾崩滑灾害全貌三维模型图

图2 铁匠湾崩滑灾害周边陡崖区域

1.1 地形地貌

灾害链所在地的地貌类型为中山地貌,整体北高南低,上部陡崖近直立,呈东西向展布,长度约15 km,高度为100 ～150 m;下部斜坡整体地形坡度约35°,崖顶高程约1 653 m,沟口海拔约824 m,相对高差829 m,崖顶至双溪河水平长度约1 880 m,整体纵坡降44%,泥石流堆积区距下游双溪村村委会一带聚居区约700 m(图3)。

图3 铁匠湾灾害链所在位置典型地形地貌照片

1.2 地层岩性

1.3 地质构造

据调查,灾害链附近无活动断裂通过。距离灾害链附近最近的1条活动断裂是柳江冲断层,距离约为7.2 km。

1.4 降雨条件

研究区受雅安市雨城区气象条件影响较大,常年降雨量和降雨频率较洪雅县观测数据偏高,气候多变。根据收集灾害发生前后降雨资料(图5),2021年4月5日在崩滑碎屑流发生后,自4月6日至4月20日期间,降雨天数为14 d(占比约93%),日降雨量在1.0～22.5 mm之间,崩塌发生于4月5日,日降雨量约为1.5 mm,次生泥石流最初形成于4月10日,日降雨量为16.4 mm。

图5 研究区2021年3月1日至4月20日的日降雨量

2 灾害链的启动、发展及转化

根据现场调查分析,灾害链的启动源为高位崩塌。该崩塌源所处陡崖岩体破碎、节理裂隙发育,主要由两组X共轭裂隙与近水平岩层共同作用,将岩体切割为块体,陡崖下部由于差异风化形成了凹腔,并在后缘形成了卸荷裂隙,在重力、降雨等不利因素作用下,整个崩塌体发生突然垮塌(图6)。

图6 崩塌启动源正面图

上部陡崖处高位崩塌发生后,崩落的大量岩块对下方崩坡积土层斜坡体造成冲击和加载,巨大的高位势能转化为动能,破坏斜坡的稳定性,从而触发下方自然斜坡发生滑动(图7)。崩滑碎屑流滑坡堆积体沿斜坡沟道内呈流体状堆积分布,且在发生灾害后,崩滑碎屑流堆积体局部稳定性差,现场调查时偶可清晰听到岩土体相互撞击声和挤压树木断裂发出的断裂声音,表面碎屑流堆积体仍然处于蠕滑变形中。受崩滑碎屑流滑动时对原斜坡铲刮及剪切作用,在崩滑碎屑流左侧边界原道路上发育3条剪切裂缝,经人工简易监测,最大裂缝宽度达1.5 m,深度达4 m(图8)。

图7 滑坡启动后形成的碎屑流范围

图8 碎屑流滑坡左侧剪切裂缝

灾害发生大约一周后,洪雅县赵河村降雨频繁,在降雨的影响下,“铁匠湾”碎屑流物质演变为泥石流向双溪河发展(图9)。泥石流堆积物逐步向双溪河堆积,造成双溪河全部堵塞,堆积物最长超过200 m,宽约15 m,厚度为1～3 m。堆积区上游形成小规模堰塞湖,回水区长度40～50 m,预估水深1.0～2.0 m,地表水沿堆积区外侧流出。下游双溪村村委会一带及村委会下游漫水桥可见明显的冲出物(图10),漫水桥涵管逐渐堵塞(图11),赵河场镇一带可见冲出的树木。

图9 灾害链全景照片

图10 双溪村委会受灾照片

根据以上分析,铁匠湾高位远程崩滑流灾害链发展模式为:高位远程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流灾害→堰塞湖。目前,灾害已经发生,受崩滑碎屑流直接威胁的对象已基本转移;在以后暴雨或连续降雨等不利工况下,碎屑流岩土体将逐步转化为泥石流流体进入双溪河,从而对双溪河下游河道两侧56户185人的生命财产安全构成严重威胁,潜在经济损失约4 000万元。所以,对次生泥石流灾害在不同频率下的危险性分析将变得尤为重要。

3 次生泥石流演变过程的数值模拟

3.1 模拟方法

为进一步评估铁匠湾突发高位远程崩滑碎屑流转为泥石流之后对下游的影响,采用RAMMS数值模拟方法进行模拟[21-22]。

RAMMS是由瑞士联邦森林、雪与景观研究所(WSL)与雪和雪崩研究所(SLF)共同开发的三维数值模型。其中的DEBRIS-FLOW模块可以对泥石流的运动路径、流速、流深等分布进行模拟。该软件采用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流体,利用能量与运动转化来模拟泥石流的运动和堆积过程,并可以用公式(1)—(3)求解泥石流流深H和流速v。模型采用的公式如下:

∂tH+∂x(Hvx)+∂y(Hvy)=Q;

(1)

(2)

(3)

式中:vx,vy分别为流速v在x,y方向上的分量;cx,cy分别为x,y方向上的校正因子;gz为重力加速度沿z轴的分量;Gx,Gy分别为重力沿x,y方向的分量;Fx,Fy分别为摩擦阻力在x,y方向的分量;ka为主动土压力系数;Q为一次降雨强度。

模型中将摩擦阻力分为两部分:其一为静摩擦阻力,与库伦摩擦系数(μ)有关;其二为运动阻力,与速度和黏性湍流摩擦系数(ξ)有关。x向和y向的摩阻力见式(4)(5):

Fx=nvx[(μgzH+gzv2/ξ)];

(4)

Fy=nvy[(μgzH+gzv2/ξ)];

(5)

(6)

式中:v为流速的大小;nv[=nvx,nvy]为流速方向上的单位向量,nvx为单位向量nv沿x轴的分量大小,nvy为单位向量nv沿y轴的分量大小。

RKE模型可以对Vomlley-Salm流变连续介质模型模拟的结果随时间的变化进行调整,其中最重要的2个系数μ和ξ与平均随机功能Ek有关,可由式(7)(8)得出:

μ(Ek)=μ0exp(-Ek/R0);

(7)

ξ(Ek)=ξ0exp(-Ek/R0)。

(8)

式中:μ0=μ(Ek)|Ek=0;ξ0=ξ(Ek)|Ek=0;R0为随机动能密度函数的指数增长率。

泥石流为具有流变性质的流体,经实际应用验证,RAMMS应用Vomlley-Salm流变连续介质模型和RKE模型来处理流变问题,能很好地模拟泥石流运动过程,得到泥石流的运动特征参数。

3.2 工况选取

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T-CAGHP 006—2018)[23]以及前述对泥石流参数计算,本次模拟分别针对泥石流在降雨频率P在10%、5%、2%、1%条件下进行泥石流演进过程、形成堰塞体和堰塞体溃决的模拟。

3.3 参数设置

在RAMMS中采用Input hydrography的方法设置初设条件,泥石流流量采用三角形单峰曲线输入。其中不同降雨频率下的多年最大暴雨量平均值依据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(1)四川省水利电力厅.四川省中小流域暴雨洪水计算手册.成都:四川省水利电力厅,1984.确定,而泥石流的流量是根据雨洪法和《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T-CAGHP 006-2018)[21]计算所得(表1)。在形成泥石流前,该泥石流流域内的物源单一,仅为“4·5”洪雅县铁匠湾突发高位远程崩塌物源及滑坡碎屑流物源,可统计出物源总储量和动储量(表2)。后续虽然该泥石流已形成,但均为小规模逐步累积,暂未发生较大规模泥石流,故泥石流发生时间不确定,根据前述雨洪法计算的泥石流参数,推测不同降雨频率下的时间为(1 000,1 800,2 700和3 600 s),据此创建泥石流的流量曲线。计算采用的地形为无人机正射地形DEM。泥石流的密度ρ为1.745 g/cm3,重力加速度g为9.8 m/s2,μ为0.20,ξ为320 m/s2(根据调查所得数据通过物理原理计算所得)。泥石流动能达到最大动能的5%,模拟自动停止。

表1 不同降雨频率下的降雨量和泥石流流量

表2 泥石流物源统计表

3.4 模拟过程

该泥石流为典型的崩滑堆积体受降雨作用转化形成泥石流向下发展,最初开始阶段受降雨作用,崩滑堆积体逐步失稳随水流运移,由于形成区沟道发育不明显,水动力条件较弱,因此运移速度相对较小;到沟道中下游,沟道发育且汇流作用较强,水动力条件加强,进而使得松散物质加速运动;到沟口后,由于沟道与主河垂直相交,且主河水流量小、输砂能力差,易形成堰塞体并堵塞沟道(与后期发展实际情况相符);在强降雨作用下,主河水流量骤涨,易引起堰塞体溃决。据此,将次生泥石流灾害模拟分为4个阶段。

开始阶段:泥石流在降雨条件下开始起动,初期只有少量物质。

加速阶段:随着泥石流流量的增加,泥石流的影响范围增大,并向下游运动。

堵塞沟道阶段:泥石流沟下游纵坡降仅有42‰,坡度很缓,到达沟口后进入河道,动能变小,开始逐渐堆积在沟口。

溃决阶段:当沟口堆积的泥石流堰塞体达到一定高度后,将逐渐发生溃决并向下游运动。

3.5 模拟结果

经过以上数值模拟的准备工作后,经过RAMMS软件的模拟,形成了不同降雨频率下次生泥石流下方堰塞体溃决后在4个运动阶段中的泥石流流深分布图(图12—15)以及其能形成的最大流速vmax和最大流深Hmax分布(图16),泥石流的最大流速、流深模拟图表示泥石流在该位置曾经达到过的最大速度和高度,该结果可以帮助我们与现场泥痕等结果进行对比验证。

a. 开始阶段;b. 加速阶段;c. 堵塞沟道阶段;d. 溃决阶段。

a. 开始阶段;b. 加速阶段;c. 堵塞沟道阶段;d. 溃决阶段。

a. 开始阶段;b. 加速阶段;c. 堵塞沟道阶段;d. 溃决阶段。

a. 开始阶段;b. 加速阶段;c. 堵塞沟道阶段;d. 溃决阶段。

a. P=10%,vmax=8.48 m/s,Hmax=3.25 m; b. P=5%,vmax=8.55 m/s,Hmax=3.97 m;c. P=2%,vmax=9.66 m/s,Hmax=5.17 m; d. P=1%,vmax=15.7 m/s,Hmax=12.97 m。

从模拟图12—16看出,溃决后的泥石流明显增大了河道的流量和高度,将对下游居民和建筑产生威胁。尤其在100 a一遇降雨中,泥石流在运动过程中流深最大值为12.97 m,在运动过程中最大流速达到15.7 m/s,其模拟结果明显大于其余低频率降雨条件下的结果。其原因为在100 a一遇降雨作用下,碎屑流大部分物源极易参与泥石流向下运动,在下游沟口处发生大量堆积,形成堵塞,故在流量计算中泥石流堵塞系数取值较大,模拟结果泥石流的影响范围也较低频降雨有明显扩大,由模拟结果可以判断该区域及下游2处房屋聚集区在强降雨气候条件下为重要危险区,应注意防范。

3.6 模拟结果的可信性分析

首先基于现场调查验证获取了其动力学特征参数,并对铁匠湾泥石流的演进过程进行了模拟。结果表明,铁匠湾的演进过程分为开始—加速—减速—终止4个阶段,流深、流速和影响范围随着降雨频率的增大而增加。若继续演进,可能对下游村庄产生影响,有必要采取相应工程措施进行防护治理,保障下游人民生命财产安全。

在形成次生泥石流的过程中,灾害点附近最大降雨量接近于10 a一遇,将模拟结果与实际发生泥石流后的堆积区范围(图17)进行对比,发现次生泥石流灾害发生后的影响区范围与本次10 a一遇(P=10%)的模拟结果基本一致。因此,本次数值模拟结果是可信的。

图17 泥石流发生后下游堆积区照片

4 灾害链影响范围预测

前文对铁匠湾突发高位远程崩滑灾害可能形成的次生灾害链动态变化进行了数值化模拟分析,形成了次生泥石流在双溪河内淤堵产成堰塞体并预估其溃决后泥石流体沿双溪河的堆积范围,考虑到泥石流对双溪河河岸存在冲刷、铲刮的影响,实际影响范围在模拟结果的基础上适当进行扩大,最终形成了P为10%、5%、2%、1%等不同降雨频率下灾害链整体的影响范围(图18)。从图18中可以看出,在10 a一遇降雨频率下,影响范围最远至进入双溪河下游约300 m;在20 a一遇降雨频率下,影响范围已扩展至双溪村部分分散农户;在50 a一遇降雨频率下,影响范围覆盖双溪村人口密集区;在100 a一遇降雨频率下,影响范围将继续向下游发展,延伸至老赵河聚居区。

图18 预测铁匠湾突发高位远程崩滑次生灾害链不同降雨频率下危险区范围全景图

5 结论与建议

1)洪雅县铁匠湾崩滑流灾害链首先是由于上方山体陡崖处突发高位崩塌灾害,崩塌体的高位势能转化为动能作用于陡崖下部斜坡崩坡积体触发滑坡,所有岩土体共同形成了远程滑坡碎屑流;然后在雨水的作用下,碎屑流沿斜坡向下游双溪河运动,形成了泥石流次生灾害;最后泥石流堆积体造成双溪河全部堵塞,形成小规模堰塞体。故铁匠湾高位远程崩滑流是一种模式为高位远程崩塌→碎屑流滑坡→次生泥石流灾害→堰塞体的灾害链。

2)采用RAMMS软件针对泥石流在降雨频率P为10%、5%、2%、1%等条件下进行泥石流演进过程、形成堰塞体后的溃决进行模拟,得出了不同降雨频率下可能形成的最大流速、最大流深及其位置,进一步指导防灾避险工作。

3)根据软件模拟结果,形成了整个灾害链在不同降雨频率下的影响范围,可对铁匠湾崩滑流灾害链周边及其余地质条件类似的地质灾害监测与防治工作提供参考。