同 霄, 彭建兵,2, 朱兴华, 马鹏辉, 孟振江

(1.长安大学 地质工程与测绘学院, 西安 710054; 2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安 710054)



天水市红花咀沟滑坡泥石流分析防治

同 霄1, 彭建兵1,2, 朱兴华1, 马鹏辉1, 孟振江1

(1.长安大学 地质工程与测绘学院, 西安 710054; 2.西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室, 西安 710054)

红花咀沟上游和侧壁经过多次小规模滑移，堆积黄土疏松，随着夏秋集中降雨，滑坡体在失稳后会沿着红花咀沟顺流而下，携带沟内的大量黄土物源转变泥石流，估计潜在的泥石流物源有105m3。利用颗粒流数值分析以及Lorente模型、刘希林模型的对比，确定了滑坡泥石流的规模及危害范围。选取布设拦挡坝的防治措施，计算得到布置拦挡坝后，泥石流前缘距离缩短为1 531 m，堆积区宽度降低至552 m，在房屋公路农田中堆积区的宽度减小到174 m以及泥石流的峰值速度降低为10.1 m/s。提出拦挡坝评价指标P来衡量其防治效率，计算结果显示拦挡坝可以很大程度降低泥石流的危害程度。

滑坡; 泥石流; 数值计算; 拦挡坝; 预警预防

甘肃省天水市位于陇西黄土高原的东南侧，市区呈条带状，东西长约30 km，南北宽2～3 km。天水境内山脉纵横，地势西北高，东南低，海拔为1 000～2 000 m。东部和南部因古老地层褶皱而隆起，形成山地地貌。北部因受地质沉陷和红、黄土层沉积，形成黄土丘陵地貌。中部小部分地区因纬向构造带的断裂，形成渭河地堑，经第四纪河流分育和侵蚀堆积，形成渭河河谷地貌[1]。红花咀沟位于大沟村和刘家堡村东侧，地形条件和地质条件相似，在进入夏秋两季，雨水充沛的情况下，红花咀沟易发生滑坡泥石流灾害，对红花咀沟滑坡泥石流灾害进行预警预测，这对滑坡泥石流灾害的研究与防治有重要意义。对滑坡泥石流的预警，其中一个核心问题是对灾害危险范围的预测。日本在20世纪80，90年代取得了较多研究成果，池谷浩[2]基于统计理论，通过流域的面积计算泥石流堆积扇的长度与宽度，对泥石流危险范围进行了系统研究。高桥保[3]通过室内泥石流模型试验，提出了计算泥石流危险范围的经验模型。欧美学者Cannon等[4]根据动力学的理论提出了泥石流危险范围最远冲出距离的计算模型。Lorente等[5]建立了西班牙Pyrenean地区的泥石流危险范围的指数经验模型。国内开展泥石流危险范围研究较早的学者是刘希林等[6]，基于回归分析理论，提出了泥石流危险范围的预测模型。

本文在野外调查的基础上，采用颗粒流数值计算方法，建立红花咀沟滑坡泥石流模型，对灾害的危险范围进行定量的预测，选取Lorente模型和刘希林模型进行对比，同时选取拦挡坝的防治措施，数值计算预测得到在下游布设拦挡坝后，对滑坡泥石流灾害的防治效果，提出拦挡坝效果评价指标，并对红花咀沟滑坡泥石流灾害的防治提出建议措施。

1　滑坡调查分析

1.1研究区概况

红花咀沟距离天水市区23 km，在羲皇大道的南侧，如图1所示，3号沟为红花咀沟，其西侧分布有3条沟；2号沟为马家塔沟；1号沟为2013年12月16日发生的刘家堡滑坡；4号沟为2013年7月22日发生的大沟滑坡泥石流。红花咀沟距离大沟约600 m，距离刘家堡约350 m。红花咀沟长1.3 km，沟的源头处和侧壁发生多次小规模滑移，沟的下半部分植被覆盖，1，2，3号沟在下部汇为一条，北侧的出口处是一片工厂和住宅区。

1.2滑坡体野外调查

滑坡后壁海拔1 320 m，出口处海拔1 090 m，海拔差为230 m。滑坡后壁宽10 m，高10 m，后壁裸露

光滑，经过常年剥落和滑移，在下方堆积了大量块状的松散黄土。随着长年的滑移堆积，现在堆积物形成了4个台阶(图2—3)。形成的第1级台阶长15 m，宽30 m；第2级台阶较大，长30 m，宽80 m；第3级台阶长10 m，宽60 m；第4级台阶最大，长50 m，宽100 m。滑坡堆积物为黄土松散物质，掺杂少量泥岩，孔隙度较大。

图1红花咀沟的地理位置

图2滑坡后壁和第一级台阶

图3第四级台阶和冲沟

根据野外调查，在红花咀沟的两侧，由于常年雨水冲刷侵蚀作用，从沟的源头处发育了两条冲沟，宽约1.5 m，最深有1.0 m，平均0.5 m。其中1条延伸至第4台阶，另外1条延伸至沟底(图3)。在第2级台阶上发现拉张裂缝，宽约5 cm，沿着台阶边缘发育，延伸长度约20 m(图4)。在夏季集中降雨条件下，雨水从地势较高处向地势较低处流动，由于堆积物土质疏松，所以在滑坡堆积物中发育了较多的小规模泥石流扇，其形态完整(图5)。

2　滑坡转化为泥石流的潜在危险性分析

在集中降雨诱发下，位于沟谷上游的松散滑坡体会沿着沟道滑动，由于大量雨水的软化及润滑作用，可滑动很远，滑体常堆积于沟口。在黄土高原地区，这种滑坡泥石流时有发生，常造成更大的未预料到的灾害损失[7]。滑坡泥石流形成的主要条件有3个：

(1) 充沛的水动力。天水市位于中纬度内陆地区，属于冷温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，其具有冬春两季干旱少雨，夏秋两季湿热多雨的气候特征。天水地区年降水量一般为400～700 mm。年内降水分配不均，一般降水多集中在夏秋两季，占年总降水量77.4%[8]。这种集中降雨的特点为红花咀沟发生泥石流提供了水动力；

(2) 陡峻的地形。红花咀沟三面环山，海拔高差230 m，上部坡度高达45°～60°，下部坡度15°左右。沟内已经被冲沟切割，谷壁较陡峻、为狭窄的深切沟谷。这种地形为泥石流的物源区和流通区提供了地形条件[9]。泥石流的堆积区一般位于山口外侧、地形平缓等区域。红花咀沟的另一面为开阔地带，修建有公路、工厂、民房和农田。羲皇大道是天水市区的主干道，连接着G310高速公路，是连接天水和宝鸡，进出甘肃省和陕西省的主要交通要道；

图4第二级台阶上的裂缝

图5小规模泥石流扇

(3) 丰富的松散物质。根据野外调查和探访村民，红花咀沟已经发生了多次滑坡，现在的地表物源为滑坡形成的堆积物。堆积物松散破碎，抗侵蚀能力差，受到集中降雨的侵蚀冲刷，可能形成泥石流造成严重危害。红花咀沟的侧壁陡峭，也分布了较多的小规模滑坡，在强降雨的作用下，滑坡体可直接转变为泥石流，或者滑坡体补给泥石流，增大泥石流灾害的规模[10-11]。根据计算，潜在的泥石流物源有105m3，属于中型泥石流。

为了将未来可能造成的损失降到最低，选取Lorente经验模型、刘希林模型以及颗粒流数值计算方法对红花咀沟滑坡泥石流灾害进行定量的预警预测，划分出潜在的危害范围。

2.1经验公式分析法

Lorente等[5]建立了西班牙Pyrenean地区的泥石流冲出距离经验模型：

L=7.13(M·H)0.271

(1)

式中：L——泥石流冲出最大距离(m)；M——泥石流冲出堆积物总量(m3)；H——泥石流流域高差(m)。

该模型将泥石流冲出总量与地形高差的乘积作为自变量，在国际上被普遍接受并应用。根据该公式，带入红花咀沟的参数，M=105m3，H=230 m，可以预测得到红花咀沟滑坡泥石流的冲出距离L=705 m。

刘希林等[6]利用泥石流堆积模型试验得到的泥石流危险范围模型，可以预测泥石流危险范围，最大堆积长度，最大堆积厚度。

a=0.5063l2

(2)

(3)

(4)

式中：a——泥石流危险范围(m2)；l——泥石流最大堆积长度(m)；V——松散固体物质(可能)的最大补给量(m3)；G——堆积区域的坡度(°)；γc——泥石流(可能)的最大容重(kN/m3)；d——泥石流最大堆积厚度(m)。

2.2数值分析

随着计算机技术的发展，对于滑坡泥石流运动过程中大变形、不连续变形等问题，运用离散单元法等数值分析进行数值模拟，已经成为一种可行的手段。本文利用颗粒流数值方法分析了红花咀沟滑坡泥石流的运动过程和危险范围。颗粒流数值方法适用于研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动(大位移)问题。目前在国内外已被广泛应用于包括滑坡、泥石流等各个研究领域[12]。

结合红花咀沟旁边已经发生的大沟滑坡泥石流和刘家堡滑坡的滑面深度位置，假设得到红花咀沟的滑面位置，并建立数值模型，模型高230 m，长2 300 m，上游物源方量为105m3。在颗粒流方法中，物质宏观的特性取决于颗粒介质之间的接触参数，颗粒间的接触参数没有方法直接测量得到，只能通过数值试验和室内试验的标定匹配来得到符合现实情况的接触参数，反复调试颗粒微观参数，使其能够反映土体的宏观力学参数，与室内试验相吻合。本文数值模拟的参数如表1所示。

表1　数值模型参数

黄土在降雨入渗的过程中，随着土体内部含水量的增加，土体的强度会相应减小，当强度小于临界条件时，滑坡体发生运动。在持续降雨条件下，随着含水量的剧增，滑坡转换为泥石流顺沟而下，对沟谷下游造成严重破坏。雨水起到了关键的软化及润滑作用。为了模拟降雨条件下滑坡泥石流的运动过程，随着计算时步的增加，降低颗粒间的接触强度来模拟水的软化作用，同时降低颗粒间摩擦力来模拟水的润滑作用。当滑坡体内受力超过临界强度后，滑坡前端土体颗粒开始沿着红花咀沟向下滑动，当滑坡前端土体中索固力完全释放后，滑坡上部的土体由于失去下部索固力的支撑，也沿着红花咀沟向下运动，并且推挤前面的土体运动，这时到达红花咀沟出口处的泥石流速度达到了最高值15.931 m/s。随着运动的进一步发生，泥石流运动速度慢慢变小，大部分堆积在红花咀沟的出口处和羲皇大道处，这里的地形相对较低且平坦，在这形成了泥石流的堆积区，距离红花咀沟上部1 100～1 800 m。泥石流前缘到达的最远位置为2 200 m左右。

2.33种方法相互比较

本文在野外地质调查工作的基础上，利用Lorente模型、刘希林模型以及颗粒流数值计算，分析了红花咀沟滑坡泥石流的运动过程，并且预测得到泥石流灾害范围。由图6可以看出，3种方法得到的红花咀沟滑坡泥石流的危害范围较吻合，出口处的公路、工厂、民房和农田都包括在内。红花咀沟西侧的两条沟和红花咀沟在下部贯通为一条，这两条沟的物源十分丰富，尤其是刘家堡已经发生大规模滑坡。这3条沟的物源总量达到106m3，这为发生特大滑坡泥石流灾害提供了潜在的条件。

Lorente模型是一个经验公式，其考虑了高差和物源方量两个参数，即重力势能转化为动能，由上游运动至下游的一个过程，计算结果是泥石流的冲出距离，这对预警预测而言过于简单，没有得堆积区的范围大小。刘希林模型是由室内泥石流堆积模型试验得到的数学预测模型，该模型没有考虑不同研究对象实际的坡形、地形起伏的影响以及不同的土体强度参数的影响。颗粒流数值计算以实际地形建立模型，通过室内试验和数值标定得到符合现实情况的数值参数，并计算得到泥石流的堆积区和最远到达位置，这样预测的结果更有针对性。从结果可以看出，颗粒流数值计算的堆积区覆盖了红花咀沟下游的大量人类工程，滑坡泥石流灾害的规避、预防与防治工作应该得到重视。

3　灾害防治

3.1数值模型

泥石流是一种破坏性特别强的地质灾害，其由上游高速向下游运动，对下游造成严重冲击破坏。对于泥石流灾害发生前的预测和灾害发生后的治理这一科学问题，国内外学者均有深入研究。目前，众多学者均认为泥石流拦挡坝是防治泥石流灾害最为可行有效的措施，拦挡坝是修建在泥石流沟上的一种横向拦挡建筑物。拦挡坝一般有两种类型[13]，一种是高坝，普遍为5 m左右[14]，有比较大的库容，能保证将泥石流全部拦截储存在坝体内部，当坝体逐渐淤满时，人工进行清除或将坝体加高。另一种为低坝，也叫做砂坊、谷坊、埝，这种坝的高度较小，一般为1～3 m[15]，泥石流淤满后随即从坝顶流过，它的作用是拦截泥流，减缓下行速度，降低泥石流的冲击力。泥石流拦挡坝可以构成群坝，也可以单独一个存在[16-18]。本文选取布防泥石流低坝的防治方法，进行数值计算得到预期防治效果。滑坡后壁海拔最高处设为x=0 m，红花咀沟长1 300 m，在下游出口1 270 m处设置拦挡坝，选取坝体高度为2 m，计算模型参数和上文保持一致。

图6泥石流的危险范围

3.2计算结果

图7是两种工况达到稳定后的结果对比图，图中a为自然状态下，即不设置拦挡坝的工况，b是在x=1 270 m处设置拦挡坝的工况。从对比图可以看出，自然状态下泥石流到达的最前缘是2 219 m，而设置拦挡坝后，由于拦挡坝对泥石流的拦截作用，降低了泥石流运动速度，所以泥石流达到的最前缘为1 531 m，明显降低了泥石流对下游远端的危害。自然状态下，到达稳定后的堆积区范围是1 144～1 832 m，共688 m，而设置拦挡坝后，堆积区的范围上移到922～1 474 m，共552 m，堆积区集中在拦挡坝的附近，这是由于随着泥石流的向下运动，其被拦截储存在坝体内部，当淤满后才会从坝顶流出，这时溢出的泥石流速度较小，所能到达的范围缩短，堆积在拦挡坝附近，如图7中虚线矩形所示。红花咀沟长为1 300 m，出口处房屋、公路及农田的范围为1 300～2 300 m。自然状态下，宽度为532 m的泥石流堆积在下游平坦地带，将会造成严重危害。而设置拦挡坝后，堆积区宽度减小了136 m，而且堆积区上移了220 m左右，其中只有170 m的泥石流堆积在下游平坦地带，是自然状态下的30%，很大程度上降低了泥石流的危害，如图7实线矩形框所示。

图7计算结果对比

在数值计算中每计算60 000时步保存结果，提取得到颗粒运动的最大速度，即泥石流峰值速度，绘制得到两种工况下峰值速度对比图，如图8所示。从图中可以看出自然状态下峰值速度为15.931 m/s，而设置拦挡坝后峰值速度降低为10.101 m/s。自然状态下，当计算时步为1.8×106时，泥石流运动速度为0.004 m/s，而设置拦挡坝后，计算时步为1.8×106时，泥石流运动速度为1.48×10-10m/s。这说明设置拦挡坝后，泥石流运动的时间缩短，更容易达到平衡状态，本文设置的平衡状态是1.00×10-10m/s，即当所有颗粒的速度降低为1.00×10-10m/s时，认为泥石流达到平衡状态，不再运动。根据统计，自然状态下，计算时步为7.2×106时达到平衡，设置拦挡坝后，计算时步为2.0×106时达到平衡。

3.3防治效果评价

将自然状态下和设置拦挡坝两种工况的泥石流最前缘、堆积区宽度、在房屋公路农田中堆积区的宽度、泥石流的峰值速度这4个结果列在表2中，分别为K1—K4。计算得到拦挡坝评价指标P，P根据设置拦挡坝后的泥石流运动结果与自然状态下泥石流运动结果计算得到：

(5)

式中：Ko——自然状态下的计算结果；Kb——设置拦挡坝后的计算结果；1—4——表2中列出的4种计算结果。

可以看出P值越大，表明设置拦挡坝后对泥石流危害的降低效果越好(表2)。对于泥石流最前缘、堆积区宽度、在房屋公路农田中堆积区的宽度和泥石流的峰值速度分别降低了30.70%，20.00%，67.29%和36.60%。若防治评价指标P较小，防治效果不明显，可提高拦挡坝的高度或者布置多个拦挡坝，以此达到降低泥石流速度，上移泥石流堆积区，缩短泥石流堆积区宽度、减小泥石流前缘的效果，从而更大程度上降低泥石流的危害程度。

图8　泥石流峰值速度对比

4　结论及建议

(1) 计算得到红花咀沟滑坡泥石流的危险范围，并采用Lorente模型和刘希林模型进行对比验证数值计算的准确性。红花咀沟出口处，距离红花咀沟上部1 100～1 800 m的范围为滑坡泥石流的堆积区，滑坡泥石流前缘到达的最远位置为2 200 m左右。这一危险范围覆盖了大量的公路、工厂、民房和农田。

(2) 选取布置拦挡坝的防治方法，计算得到布置拦挡坝后，泥石流前缘距离为1 531 m，堆积区宽度552 m，在房屋公路农田中堆积区的宽度为174 m以及泥石流的峰值速度为10.101 m/s，和自然状态相比分别降低了30.70%，20.00%，67.29%，36.60%。计算结果表明拦挡坝可以很大程度降低泥石流的危害程度。

(3) 提出拦挡坝评价指标P，P值越大，表示拦挡坝的防治效果越好。若评价指标P较小，防治效果不明显，可提高拦挡坝的高度或者布置多个拦挡坝，以此达到降低泥石流速度，上移泥石流堆积区，缩短泥石流堆积区宽度、减小泥石流前缘的效果，从而降低泥石流的危害程度。

(4) 对于天水市红花咀沟滑坡泥石流需要进行监测预警措施，并且在下游出口处布置拦挡坝，同时建立群策群防，预警预报的防灾减灾体系。查明红花咀沟危险区域的人口和财产，进行疏散演练，保障人民生命安全，将危害降低到最小程度。

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Analysis and Prevention of Landslide Debris Flow in Honghuazui of Tianshui City

TONG Xiao1, PENG Jianbing1,2, ZHU Xinghua1, MA Penghui1, MENG Zhenjiang1

(1.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China;2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineering,MinistryofEducation,Xi′an710054,China)

The accumulation of loess is loose after many small slips of the upper and side walls in Honghuazui. With concentrated rainfall in the summer and fall, the instability landslide will move downstream along the gully and will carry a large number of loess sources and transform into debris flow, it will be estimated that there is 105m3of the potential debris flow source. Using the quantitative formula and particle flow numerical calculation analysis of Honghuazui, we determined the size and scope of landslide debris flow. The control method of setting up the embankment was selected, and the debris flow front distance reduced to 1 531 m, the accumulation zone width reduced to 552 m, the accumulation zone width in building, highway and farmland reduced to 174 m and the debris flow peak velocity decreased to 10.1 m/s. The embankment evaluation indexPto measure the efficiency of control was put forward. The calculation results show that the embankment can greatly reduce the harmful level of debris flow.

landslides; debris flow; numerical calculation; embankment; early warning

2015-06-02

2015-06-15

国家重点基础研究发展计划(2014cb744702);中央高校基本科研业务费资助项目(自然科学类基础研究项目)(310826151046)

同霄(1987—),男,陕西三原人,博士研究生,研究方向为地质灾害。E-mail:tong@chd.edu.cn

彭建兵(1953—),男,湖北麻城人,博士,教授,主要从事工程地质与地质灾害研究。E-mail:dicexy_1@chd.edu.cn

P642.2

A

1005-3409(2016)03-0343-05