汶川县映秀镇牛圈沟溃坝型泥石流起动临界条件初步分析

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　　摘 要：为预测牛圈沟潜在溃决点失稳后引发泥石流灾害规模，对牛圈沟3个堵溃点溃决流量进行了预测，计算了溃决洪水影响距离及到达时间，提出了针对牛圈沟堵溃型泥石流起动的判别公式，最后分析了泥石流可能造成的危害。其中得到溃决流量过程曲线，1#、2#堵溃点峰值流量值分别为1124.6m3/s、495.6m3/s，3#堵溃点主要发生沟道侵蚀，并不产生大规模溃决破坏。三个堵溃点溃决后洪水流量放大效应影响距离及到达时间进行了计算，1#堵溃点影响范围到达下游堆积区，2#堵溃点影响距离为547m。牛圈沟溃决型泥石流规模将远大于无溃决泥石流的规模。
　　关键词：串联溃决；流量；泥石流
　　中图分类号：P642.23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0027-02
　　Abstract： In order to predict the scale of debris flow disaster caused by the instability of the potential outburst point in niuquan gully， the flow flow of the three outburst points in niuquan gully is predicted， the impact distance and arrival time of the outburst flood are calculated， and the discriminating formula for starting of the type of debris flow in niuquan gully is put forward， and the possible harm caused by the debris flow is analyzed. The process curve of outburst flow is obtained. The peak flow values of # 1 and # 2 are 1124.6m3/s and 495.6m3/s， respectively. The influencing distance and arrival time of flood flow amplification effect were calculated after three outburst points. The influencing range of 1# breach point reached the downstream accumulation area， and the influencing distance of 2# breach point was 547m. The scale of niuquan gully outburst debris flow will be much larger than that of non-outburst debris flow.
　　Keywords： series break； flow； debris flow
　　1 概述
　　近年来由于“5·12”地震的发生，在汶川地震灾区引发了滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，尤其2008年汶川地震引发了257座滑坡坝[1]。滑坡坝一旦失稳溃决将暴发巨大规模的洪水，甚至当洪峰流量达到一定条件将引发溃决型泥石流。溃决型泥石流来势汹猛，暴发突然，流量大，破坏力强[2]。国内外对于土石坝溃的研究较多，1965年Cristofano[3]建立了漫顶溃决模型，随后一系列溃决计算模型被提出，对于坝体溃决的研究较为成熟。对于08汶川地震形成的沟道堆积体，其溃决后形成泥石流的可能性较大，对于该过程的研究现阶段较少。崔鹏等人的研究成果表明，在小坡度情況下，泥石流形成模式是堵溃式，形成阶段包括冲蚀→冲沟→崩塌→堵塞→溃决→泥石流[4]。因此对潜在暴发溃决型泥石流的研究，分析坝体溃决后流量过程线，以及坝体溃决后发生泥石流的可能性，对于防灾减灾具有重要意义。本文主要针对牛圈沟堵溃点引发泥石流的可能性进行研究分析。
　　2 研究区基本特征
　　牛圈沟位于汶川县映秀镇南侧，岷江右岸，牛圈沟沟口属紫平铺水库的库尾段。该沟为“5·12”汶川特大地震震源所在地，牛圈沟沟长6.1km，流域面积10.7km2，沟源至沟口高差1840m，平均纵坡降266.3‰。主要支沟有莲花心沟、白沟和倒沟。在“5·12”地震后该沟多次发生泥石流，其中2008年“9·26”、2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流规模较大，“9·26”泥石流进入岷江固体物源达到10.5万方。
　　3 研究方法及计算
　　3.1 溃坝流量过程计算
　　对于土石坝溃决流量曲线的研究是研究溃决型泥石流的主要内容之一，本文主要考虑采用模型计算方法及经验公式计算对比牛圈沟溃决流量。对于模型计算方法，根据美国气象局提出的BREACH模型[3]，用来预测由于管涌或漫流引起的土石坝溃决过程，该模型可用于河流坍塌形成的天然土石坝，适用于由地震作用形成的滑坡坝。通过该模型的计算得到坝体破坏过程时间-流量曲线。对于BREACH模型需要收集土石坝的基本参数：迎水面坡度、背水面坡度、坝体长度、坝体厚度、坝体材料性质、坝库容情况和入水流量等参数计算坝体的稳定性。通过BREACH模型计算得到坝体溃决时间流量曲线，可得到坝体溃决时间，溃决后洪水流量变化。1#堰塞体其溃决模式主要为漫顶破坏，在较短的时间内溃口打开，溃决后峰值流量将达到1124.6m3/s，溃决流量远大于正常流量，在较短的时间内带动松散土体引发泥石流；2#堰塞坝库尾对上游泥石流有削弱作用，停留较多泥石流固体物质，堰塞体发生漫顶溃决破坏，峰值流量将达到495.6m3/s，但是由于该堰塞坝库容量较小，其维持较大流量的时间较小；3#堰塞体不会形成大规模溃决，主要是降雨汇流侵蚀沟道，该堰塞体作为一个主要的泥石流物源参与到泥石流的活动中的可能性较大，若暴发泥石流将对下游2#、1#堵塞点影响较大。 　　作为与BREACH模型对比，采用经验方程计算3个土石坝溃决峰值流量，本文主要采用Evans，Walder and O'Connor，Cenderelli等[4-8]人的计算公式计算峰值流量，其中VL等于堰塞湖体积；PE代表堰塞湖潜在能量，其值等于土石坝高度，堰塞湖体积，水的比重9800N/m3三者的乘积。
　　3.2 三联溃决相互影响
　　溃坝时间和洪水到达时间的估计通常在紧急情形下是争分夺秒的。预测土石坝漫流（破坏启始）时间和峰值流量达到下游沟口居民聚集区时间及大小对确定适当的工程措施和疏散计划至关重要。堰塞湖体积和水位之间的关系可以用来预测给定入流流量，土石坝漫溢时间。在崔鹏等[9]的研究中已经应用经验方程来预测洪水到达下游不同距离处峰值流量以及其到达所需时间：
　　通过计算得到1#堵塞点溃决后流量放大（相比未溃决时）持续影响范围为5434m，在堵塞点及堵塞点下游，有足够的泥石流松散物源可参与泥石流活动，该点溃决后将直接影响下游全部区域；2#堵塞点溃决后影响距离为547m小于到达1#堵塞点距离874m，其溃决不会对1#堵塞点产生较大影响；3#堵塞点由于并未形成大规模溃决，所以其自身对下游并不产生较大影响，流量大小主要受降雨量影响。2#、3#堵塞点溃决形成洪水对1#堵塞点并不产生直接影响，主要间接影响1#堵塞点稳定性。
　　3.3 泥石流起动判别条件
　　本文主要分析3个坝体溃决时，泥石流起动的判别条件。在泥石流流体模型的选择中Rickenmann和Koch等[10]人认为Voellmy 模型相比于Bingham，Herschel-Bulkley流变模型能更适用于具有颗粒特征的泥石流泥。Vicente和Medina等[11]人给出了侵蚀判别条件，当满足公式时，发生侵蚀，流水流将携带沟道物质开始运动。
　　4 泥石流危害性預测
　　牛圈沟沟口为岷江冲刷岸，正常水位下沟口处岷江宽度为90m，河道纵比降约为6‰，正常情况下，牛圈沟泥石流不会造成大规模堵江，就其现阶段发展模式分析，泥石流暴发模式为暴雨沟谷型泥石流，冲出物质主要为莲花心沟及主沟下游段提供，而堰塞湖段并未对下游泥石流起动提供物源。2008年9月26日，该次泥石流主要从莲花心沟起动，进入岷江固体物质约10万方，对岷江造成堵塞；2010年8月14日，该次泥石流进入岷江固体物质约8万方，岷江1/3被堵塞。考虑溃决条件影响时2#堵溃点、3#堵溃点溃决时产生的洪峰流量对1#堵溃点影响较小，但若洪水转化为泥石流时，其对1#堵溃点将产生威胁，带动松散物质运动冲击1#堵塞体。
　　堵溃点在未溃决状态下，由于受到堰塞湖消能作用的影响，该段泥石流将以淤积为主松散堆积物源基本不会起动和参与泥石流活动，但若1#堰塞体发生漫顶溢流溃决，首先将造成堵点附近水源和物源的集中起动，堰塞湖内及上游淤积的松散固体物质将参与泥石流活动，并将进一步加剧对堰塞体的揭底冲刷和侧蚀，导致堰塞体滑坡碎屑流堆积体参与泥石流活动，形成水动力条件强大的泥石流。
　　5 结束语
　　本文针对牛圈沟堵溃点溃决后泥石流起动及危害进行了分析。选取该沟三个典型堵溃点，计算坝体溃决时流量与时间关系曲线，其中1#堵溃点峰值流量1124.6m3/s，相比于2#、3#堵溃点对泥石流暴发的影响更大；分析了三个堵溃点串联溃决的相互影响，计算得到1#堵溃点峰值流量影响距离为5434m，溃决流量影响距离大于1#堵溃点到岷江的距离，1#堵溃点下游到岷江都将受到溃决流量的影响；2#、3#溃决后形成的洪水不会直接影响1#堵溃点稳定性，上游段若暴发泥石流，2#、3#溃决点将对泥石流能量放大，从而影响1#堵溃点的堵塞体稳定性；通过计算提出了针对牛圈沟3个堵溃点对应的区间泥石流的起动判别公式，泥石流的起动主要受水流流速、流深所影响；通过与雨洪法计算牛圈沟峰值流量对比，以及震区已发生溃决型泥石流的相似性比较，牛圈沟由堵溃形成泥石流的规模将远大于暴雨沟谷类泥石流。
　　参考文献：
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