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user: 3. 工程防灾效果数值模拟 本文以红椿沟泥石流为研究对象，根据监测数据、野外实地调查数据、室内实验数据以及国内外学术刊物公开发表的有关红椿沟泥石流灾害的论文为基础资料，建立研究区数值模拟模型进行数值模拟。 3.1. 模拟理论基础 FLO-2D是由O’Brien [ 2 ] 通过对泥石流的系统研究而提出的二维洪水和泥石流数值模拟软件，该软件使用FLO-2D模型，可广泛的应用于泥石流地质灾害预测模拟、沟道河流洪水管理、抗洪防灾工程风险设计、泥流和土石流等领域，FLO-2D软件能够较为精确的模拟出流体的流动速度和流体的堆积深度，在此基础上，可以预测流体的堆积区域、淹没面积、预估灾害危险区范围等，为防灾减灾工程效果的检验提供数值模拟理论的支持。FLO-2D软件运用了剪应力与剪切应变率为非线性变化的非牛顿流体模型，同时也运用了根据有限差分法求得的泥石流流体运动控制方程，从而模拟出泥石流流体在水平和垂直方向的流速和深度。本文的研究中，主要考虑如下的三个控制方程式： 3.1.1. 连续方程式 (1) 在式(1)中，h为泥石流流体的流动深度，I为水力坡降，u代表流体在水平方向上的平均流速，v代表流体在垂直方向上的平均流速。 3.1.2. 运动方程式 (2) (3) 其中S fx 及S fy 代表摩擦坡降，S ox 及S oy 代表沟床坡降，式(2)和式(3)是代表动力平衡的动量方程。 3.1.3. 流变方程式 O’ Brien在1985 [ 3 ] 年提出应用于高含沙量和泥石流的流变方程： (4) 在(4)式中τ c 代表凝聚型屈服应力；τ mc 代表M. Coulomb剪应力；τ v 代表粘滞剪应力；τ t 代表紊流剪应力；τ d 代表扩散剪应力。 3.2. 模拟方法 在数值模拟研究前期收集了红椿沟地区1:10，000等高线和高精度遥感影像图。模拟一般步骤可分为：获取DEM：加载修正高程后的等高线于ArcGIS软件，使用三维分析工具创建特征三角网，然后将不规则三角网通过栅格化工具，生成研究区的DEM数字高程模型，考虑到本次模拟中流域范围较大，在获取DEM时，采用了分区域获取的方式，以减少后期单次数值模拟的时间和容错能力。 ASCII编码格式文件转化：由于在向FLO-2D导入地形数据的时候，需要将文件编码格式软化为ASCII编码，故本文采用了ArcGIS软件当中的转换工具箱的功能来将原始DEM进行文件格式的转换，从而得到FLO-2D可用的ASCII编码格式文件。 开始数值模拟时，应该首先新建工程项目，将ASCII编码格式文件导入，然后对红椿沟的地形进行计算格网的精度划分，加载需要模拟的每一个流域区段的边界shape文件对红椿沟泥石流的单次模拟范围进行划分，从而确定模拟的计算范围，最后对加载边界条件后的确定计算范围进行高程赋值，通过以上步骤，在数值模拟软件中的数字高程模型的每一个计算格网都对应一个确定的高程值。 3.3. 模拟精度参数选取与注意事项 FLO-2D数值模拟算法精度的关键影响参数，包括研究区泥石流的重度、流量、体积浓度、曼宁系数、流量过程线等。 其中，重度计算在本研究中采用多次现场实验求取平均值的方式来进行；流量由监测数据和流域面积求得；泥石流体积浓度表示流体中固体物质体积与流体总体积的比值，一定程度上决定了流体中颗粒的力学关系，从而在一定程度上决定了泥石流流体的运动和堆积特征，在数值模拟中，体积浓度是决定模拟结果准确与否的重要影响因子之一；曼系数代表地表的粗糙程度，也是影响模拟精度的参数之一，根据现场调查情况，本文取其值为0.1；流量过程线由监测数据通过典型洪水过程放大法求解。 特别指出的是，在对数字高程模型进行计算网格的划分时，网格大小决定了模拟精度和模拟时间，划分网格精度过大计算量成几何倍数增加，计算时间很长，划分网格精度过小，计算时间变短，但模拟结果的准确性会受到影响，不能完整的反应泥石流的暴发情况。通过多次试验调整，10 m × 10 m的方格网划分，既能兼顾效率，又能较合理的满足模拟需要，故本文研究中采用了10 m × 10 m的方格网划分数字高程模型。 在FLO-2D软件中进行数值模拟，需要满足以下假设和限制条件： 假设条件：假设泥石流流体中水压分布为静水压力分布状态；假设流体稳定均匀的流动在计算步长之间；假设流体满足其粘滞系数方程式；假设每个格网高程及参数取值唯一；假设同一网格的粗糙度等参数不变。限制条件：限制FLO-2D软件模型中沟道沟底固定不发生变化；限制泥石流的涌浪现象不能被模拟；限制模拟过程中无新物源，提前设计好模拟集水点的流量过程线。 3.3. 治理工程分布 在红椿沟治理工程体系中，上游三条支沟设计修建了4座拦砂坝，15座谷坊坝和一条固底槽对支沟物质进行稳拦和固底；主沟的沟道中游修建了4座较高的格拦坝对支沟下泄物和工程区物源进行稳拦。其中，1、2#格拦坝针对主沟拉槽下切深度大、揭底冲刷范围广的特点，设计采用了20米高坝结合桩基承台结构；沟道下游修建了排导槽，并把无害洪水顺利导入岷江 [ 4 ] 。全流域治理工程体系分布图见图2所示。 3.4. 数值模拟 在准备工作完成后，将红椿沟泥石流的治理工程以插件的形式添加到模拟工程中去，并通过修改坝体属性将每道坝的参数导入模拟工程文件当中，模拟环境与坝体设计窗口如图3所示。各项数据处理计算完毕后，开始模拟计算工作。10 m × 10 m的方格网精度下，由于大量治理工程的添加，泥石流流体深度势必增加，模拟计算量相应增加，模拟时间将大辐增长，受模拟硬件性能的限制，每次模拟的计算时间达到30~50小时，加上前期数据计算处理的准备工作和模拟过程中调试重启工作，完成1次模拟的时间达到150小时以上。 本文在红椿沟泥石流治理工程防灾效果数值模拟中，把红椿沟分为上游、中游、下游、三个区段，在每一个区段中，选取50年一遇(p = 2%)、100年一遇(p = 1%) 2种工况进行模拟。共进行6次数值模拟，以下图件为模拟结果。 红椿沟上游治理工程防灾效果数值模拟结果参见图4和图5，通过模拟过程和结果分析，因为红椿沟治理工程的作用，泥石流在运动过程中，首先在各级坝体位置发生堆积，回淤，当流体深度接近坝体高度时，流体向下游流动，沟道内的淹没范围受坝体作用明显增加，但流体的流动速度受坝体阻挡流速降低。 图2. 红椿沟泥石流治理工程分布图 图3. 模拟软件坝体设计界面 图4. 设计工况下红椿沟上游治理工程数值模拟结果 图5. 超标工况下红椿沟上游治理工程数值模拟结果 在红椿沟上游右岸的三条支沟沟道内，所设坝体工程对泥石流的拦挡作用明显，模拟显示，无论是设计工况下还是超标降雨工况下，红椿沟上游工程拦挡效果显著。稳固、减少了物源向中下游启动，控制、预防了堵点的形成。 红椿沟中游治理工程数值模拟结果参见图6和图7，由模拟过程和结果分析可知，在设计降雨频率下，中游沟道内所设的4座坝拦挡坝工程对泥石流的拦挡作用十分显著，模拟显示沟道内固源范围符合工程设计目标，在设计工况下的泥石流模拟中红椿沟上游工程拦挡固源效果显著。稳固、减少了物源启动，控制、预防了堵点的形成。强降雨引发泥石流时，中游未出现堵溃及大规模固体物质启动，进入下游排导槽区物质以细颗粒为主，排放总量受控；通过中游区拦挡、调节控制工程作用，工程防治效果好。 红椿沟下游治理工程数值模拟结果参见图8和图9，通过模拟过程和结果分析可知，对红椿沟流域沟道下游全部设计了排导槽，故沟道通过能力大大提高，泥石流流体在超标降雨频率下(p = 1%)，流速降低，流体无堆积，通过排导槽进入岷江，无堵江危害的流体入江，形成堆积扇的扇体范围小，没有造成岷江的堵塞，红椿沟下游固床排导工程在设计工况和超标降雨工况下的泥石流模拟中均防灾减灾效果显著。 图6. 设计工况下红椿沟中游治理工程数值模拟结果 图7. 超标工况下红椿沟中游治理工程数值模拟结果 图8. 设计工况下红椿沟下游治理工程模拟结果 图9. 超标工况运行时红椿沟下游治理工程数值模拟结果