基于FLO-2D模型的不同頻率泥石流數(shù)值模擬研究.pdf

1、龍溪河流域位于四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)，自從2008年汶川地震之后，長期受到滑坡和泥石流等災(zāi)害的影響。2013年8月13號(hào)，地震后誘發(fā)的滑坡和持續(xù)降雨導(dǎo)致了該流域同時(shí)暴發(fā)48條泥石流災(zāi)害。為了對(duì)研究區(qū)進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)，從中選取了其中12條泥石流溝基于FLO-2D數(shù)值模型進(jìn)行模擬。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)比數(shù)值高程模型，發(fā)現(xiàn)這12條泥石流溝中的松散堆積物達(dá)42.3×106 m3。本次研究的目的是基于數(shù)值模擬的結(jié)果，獲取研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果，

2、比對(duì)并檢驗(yàn)?zāi)嗍鳒p災(zāi)工程的效果，為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)措施和居民疏散，泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管制提供參考。
　　FLO-2D模型是二維洪水演算模型，該模型可以模擬流體在復(fù)雜的地形和城鎮(zhèn)中的運(yùn)動(dòng)堆積情況。該模型可以對(duì)多種復(fù)雜的流體進(jìn)行較好的模擬，包括泥流，水流到泥石流。FLO-2D使用全動(dòng)態(tài)波動(dòng)量方程來擬合洪水過程線從而準(zhǔn)確預(yù)測洪水經(jīng)過的地區(qū)。該模型在模擬流體的運(yùn)動(dòng)中，也同時(shí)考慮了流體粘性和屈服應(yīng)力。在模擬過程中，采用典型洪水過程放大的方法求解清

3、水流量過程線，基于積分的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行求解，首先由降雨推導(dǎo)出清水的總流量，即通過降雨情況和流域面積確定相應(yīng)暴雨的歷時(shí)長短T，再根據(jù)降雨時(shí)間T和流域面積推導(dǎo)出流域范圍內(nèi)總的清水流量WP;在每一次數(shù)值模擬中均考慮了5種不同頻率的重現(xiàn)周期(20％，5％，2％，1％，0.5％)。FLO-2D數(shù)值模擬的程序流程為:1.通過野外勘察的溝道分區(qū)和滑坡解譯結(jié)果確定泥石流集水點(diǎn)的位置。在模擬中，以集水點(diǎn)為泥石流在主溝或支溝中的形成區(qū)域，通常位于泥石流物源區(qū)

4、并且是流域內(nèi)降雨匯集的位置;2.通過數(shù)值高程模型、FLO-2D用戶手冊、前人研究和野外調(diào)查準(zhǔn)備數(shù)值模擬中所需的各種數(shù)據(jù);3.在集水點(diǎn)編入流量過程線;4.進(jìn)行模擬，獲取結(jié)果。
　　在重現(xiàn)周期為20年一遇的模擬中（8.13特大泥石流災(zāi)害），12條泥石流溝的總堆積范圍達(dá)215550m2，總沖出量約為950000m3;其中一半以上堆積深度為1-3m，最大流速達(dá)7.22m/s。根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)和影像資料驗(yàn)算了模擬結(jié)果的精確性，精確度在60％

5、到87％之間，證明模擬結(jié)果是可靠的。研究區(qū)自然條件下的的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)基于泥石流影響強(qiáng)度和重現(xiàn)周期。泥石流影響強(qiáng)度主要考慮的因子為數(shù)值模擬獲得的最大泥深和最大流速。研究區(qū)的危險(xiǎn)范圍總計(jì)達(dá)529775 m2，其中高危險(xiǎn)性區(qū)域主要分布在堆積扇中前部以及偏下龍溪河下游的堆積區(qū)。
　　考慮汶川震區(qū)的泥石流減災(zāi)工程情況。選取麻柳溝和水打溝在FLO-2D中進(jìn)行加壩數(shù)值模擬，以對(duì)比修建減災(zāi)工程后泥石流溝的危險(xiǎn)性變化。為了防治泥石流災(zāi)害，這兩條泥石流

6、溝都修建了5座攔砂壩。為了達(dá)到較好的對(duì)比效果，本次研究設(shè)計(jì)了兩種情況，即:減災(zāi)工程不被損毀和減災(zāi)工程被損毀。在加入壩體進(jìn)行模擬前，特別對(duì)溝道的地形進(jìn)行了修正。在第一種情況下，由于壩體的攔擋作用，水打溝的堆積范圍減小了約47％，兩條泥石流溝的堆積深度都明顯降低。由于研究區(qū)大面積滑坡的原因，流域內(nèi)存在很多巨石。野外調(diào)查表明，在汶川震區(qū)，大多數(shù)人造的混凝土攔砂壩是被泥石流中巨石攜帶的巨大沖擊力損毀的。所以，在另一種情況中，為了反映壩體破壞的過

7、程，選擇了FLO-2D數(shù)值模型中的發(fā)展型潰口式潰壩模型。
　　為了方便進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，每條泥石流溝針對(duì)不同壩體破壞情況（第一道壩被損毀，所有壩體被損毀）各設(shè)計(jì)了8次數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，在壩體損毀的情況下，泥石流堆積區(qū)范圍是自然條件下的堆積范圍1-1.5倍。在壩體損毀的瞬間，泥石流在壩后的最大流速是不損毀情況下的3.4-4倍;壩后斷面的峰值流量也達(dá)到不損毀情況下的2～6倍。這個(gè)結(jié)果比較符合野外調(diào)查的數(shù)據(jù)，這表明了FLO-2D數(shù)值

8、模型中的發(fā)展型潰口式潰壩模型比較適用于研究區(qū)。
　　研究區(qū)工程條件下的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是基于泥石流影響強(qiáng)度，重現(xiàn)周期和壩體損毀情況。壩體損毀情況被劃分為兩種情況:第一道壩被損毀;所有壩體被損毀。通過這兩種損毀情況，我們可以定義一個(gè)關(guān)于壩群損毀情況的變化區(qū)間，以便危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。最后，把得到的危險(xiǎn)性分區(qū)圖和之前的工程不損毀情況下的危險(xiǎn)性分區(qū)圖進(jìn)行疊加，得到最終的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖。結(jié)果顯示，總沖出量越小防治效果越好。通過兩條泥石流溝的最終危險(xiǎn)