基于FLO-2D模型的不同频率泥石流数值模拟研究

摘要

龙溪河流域位于四川省都江堰市龙池镇，自从2008年汶川地震之后，长期受到滑坡和泥石流等灾害的影响。2013年8月13号，地震后诱发的滑坡和持续降雨导致了该流域同时暴发48条泥石流灾害。为了对研究区进行危险性分区，从中选取了其中12条泥石流沟基于FLO-2D数值模型进行模拟。在野外调查的基础上，对比数值高程模型，发现这12条泥石流沟中的松散堆积物达42.3×106 m3。本次研究的目的是基于数值模拟的结果，获取研究区泥石流危险性分区结果，比对并检验泥石流减灾工程的效果，为当地的防灾减灾措施和居民疏散，泥石流灾害风险管制提供参考。
　　FLO-2D模型是二维洪水演算模型，该模型可以模拟流体在复杂的地形和城镇中的运动堆积情况。该模型可以对多种复杂的流体进行较好的模拟，包括泥流，水流到泥石流。FLO-2D使用全动态波动量方程来拟合洪水过程线从而准确预测洪水经过的地区。该模型在模拟流体的运动中，也同时考虑了流体粘性和屈服应力。在模拟过程中，采用典型洪水过程放大的方法求解清水流量过程线，基于积分的数学算法进行求解，首先由降雨推导出清水的总流量，即通过降雨情况和流域面积确定相应暴雨的历时长短T，再根据降雨时间T和流域面积推导出流域范围内总的清水流量WP;在每一次数值模拟中均考虑了5种不同频率的重现周期(20％，5％，2％，1％，0.5％)。FLO-2D数值模拟的程序流程为:1.通过野外勘察的沟道分区和滑坡解译结果确定泥石流集水点的位置。在模拟中，以集水点为泥石流在主沟或支沟中的形成区域，通常位于泥石流物源区并且是流域内降雨汇集的位置;2.通过数值高程模型、FLO-2D用户手册、前人研究和野外调查准备数值模拟中所需的各种数据;3.在集水点编入流量过程线;4.进行模拟，获取结果。
　　在重现周期为20年一遇的模拟中（8.13特大泥石流灾害），12条泥石流沟的总堆积范围达215550m2，总冲出量约为950000m3;其中一半以上堆积深度为1-3m，最大流速达7.22m/s。根据野外调查数据和影像资料验算了模拟结果的精确性，精确度在60％到87％之间，证明模拟结果是可靠的。研究区自然条件下的的危险性评价基于泥石流影响强度和重现周期。泥石流影响强度主要考虑的因子为数值模拟获得的最大泥深和最大流速。研究区的危险范围总计达529775 m2，其中高危险性区域主要分布在堆积扇中前部以及偏下龙溪河下游的堆积区。
　　考虑汶川震区的泥石流减灾工程情况。选取麻柳沟和水打沟在FLO-2D中进行加坝数值模拟，以对比修建减灾工程后泥石流沟的危险性变化。为了防治泥石流灾害，这两条泥石流沟都修建了5座拦砂坝。为了达到较好的对比效果，本次研究设计了两种情况，即:减灾工程不被损毁和减灾工程被损毁。在加入坝体进行模拟前，特别对沟道的地形进行了修正。在第一种情况下，由于坝体的拦挡作用，水打沟的堆积范围减小了约47％，两条泥石流沟的堆积深度都明显降低。由于研究区大面积滑坡的原因，流域内存在很多巨石。野外调查表明，在汶川震区，大多数人造的混凝土拦砂坝是被泥石流中巨石携带的巨大冲击力损毁的。所以，在另一种情况中，为了反映坝体破坏的过程，选择了FLO-2D数值模型中的发展型溃口式溃坝模型。
　　为了方便进行危险性评价，每条泥石流沟针对不同坝体破坏情况（第一道坝被损毁，所有坝体被损毁）各设计了8次数值模拟。模拟结果显示，在坝体损毁的情况下，泥石流堆积区范围是自然条件下的堆积范围1-1.5倍。在坝体损毁的瞬间，泥石流在坝后的最大流速是不损毁情况下的3.4-4倍;坝后断面的峰值流量也达到不损毁情况下的2～6倍。这个结果比较符合野外调查的数据，这表明了FLO-2D数值模型中的发展型溃口式溃坝模型比较适用于研究区。
　　研究区工程条件下的危险性评价是基于泥石流影响强度，重现周期和坝体损毁情况。坝体损毁情况被划分为两种情况:第一道坝被损毁;所有坝体被损毁。通过这两种损毁情况，我们可以定义一个关于坝群损毁情况的变化区间，以便危险性评价。最后，把得到的危险性分区图和之前的工程不损毁情况下的危险性分区图进行叠加，得到最终的泥石流危险性分区图。结果显示，总冲出量越小防治效果越好。通过两条泥石流沟的最终危险性分区图可以看出，修建泥石流减灾工程后，主要变化为高危险区面积减小，中危险去和低危险区面积相对增加。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据和研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状与趋势

1．2．1 泥石流危险性评价国内外研究现状

1．2．2 泥石流数值模拟的国内外研究现状

1．3 主要研究内容、研究思路和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路和技术路线

第2章 研究区概况

2．1 位置和交通

2．2 研究区气象水文条件

2．2．1 气象条件

2．2．2 水文条件

2．3 研究区地质环境条件

2．3．1 地貌条件

2．3．2 地质构造条件

2．3．3 地层岩性条件

第3章 基于FLO-2D模型的自然条件下泥石流数值模拟研究

3．1 泥石流流变模型概述

3．2 FLO-2D泥石流模拟模型

3．3 龙溪河流域自然条件下泥石流数值模拟

3．3．1 地形数据处理

3．3．2 数值模拟参数选择

3．3．3 集水点的选取

3．3．4 流量过程线的确定

3．3．5 自然条件下泥石流过程的数值模拟

3．4 自然条件下龙溪河流域泥石流危险性评价

3．5 数值模拟结果验证

第4章 基于FLO-2D模型的泥石流数值模拟研究(存在工程条件下)

4．1 存在工程条件下泥石流数值模拟方法选取与验证

4．1．1 存在工程条件下泥石流数值模拟方法选取

4．1．2 方法验证

4．2 研究区存在工程条件下泥石流沟道特征及工程情况

4．2．1 麻柳沟泥石流沟道特征及工程情况

4．2．2 水打沟泥石流沟道特征及工程情况

4．3 龙溪河流域存在工程条件下泥石流数值模拟

4．3．1 工程区域地形校正

4．3．2 存在工程条件下泥石流过程的数值模拟

4．4 存在工程条件下单沟泥石流危险性评价

第5章 基于FLO-2D模型的超越频率下泥石流数值模拟研究(考虑工程损毁情况)

5．1 泥石流沟减灾工程损毁历史情况

5．1．1 羊岭沟泥石流工程损毁情况

5．1．2 张家坪泥石流工程损毁情况

5．1．3 银涧子泥石流工程损毁情况

5．2 考虑工程损毁条件下泥石流过程的数值模拟

5．2．1 FLO-2D溃坝模型概述

5．2．2 工程损毁工况设计

5．2．3 考虑工程损毁条件下泥石流过程的数值模拟

5．3 考虑工程损毁条件下单沟泥石流危险性评价

5．4 泥石流工程坝体损毁峰值流量概化曲线推导

第6章 研究区不同条件下泥石流数值模拟结果分析

6．1 研究区不同条件下泥石流运动堆积特征分析

6．1．1 自然条件下泥石流运动堆积特征分析

6．1．2 存在工程条件下泥石流运动堆积特征分析

6．1．3 考虑工程损毁条件下泥石流运动堆积特征分析

6．2 龙溪河流域泥石流堆积范围与重现周期的相关性分析

6．3 龙溪河流域泥石流堆积扇规模与重现周期的相关性分析

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 未来展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果