prediction of debris-flow danger area of jiangkou gully based on cfx

第卷第期 Vol. No.

2014 年月 2014

收稿日期：2014-xx-xx

基金项目：国家自然科学基金项目（批准号：41372293、41402266），中央高校基本科研业务费专项资金（2682013BR003）。

第一作者简介：刁仁辉，1990 年生，男，西南交通大学地球科学与环境工程学院在读硕士研究生，研究方向为地质灾害防治工程。

文章编号：

基于 CFX 的江口沟泥石流危险区范围预测模拟

刁仁辉 1 胡卸文 1，2 梁敬轩 2 罗刚 2 魏来 2

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，四川成都 610031）

摘要：拟建猴子岩水电站移民安置点位于江口沟泥石流堆积扇上。通过现场调查泥石流形成条件和运动特征，获得了 1958

年发生的 50 年一遇泥石流危险区范围，根据雨洪法计算确定了泥石流的相关运动学参数。使用基于有限体积法的 CFX 软件，

选择 Bingham 流变模型对江口沟泥石流流动过程的液面分布情况和速度场进行了三维数值模拟，得出了泥石流危险区范围和

速度场分布情况。通过对比数值模拟和现场实测的危险区范围，发现两者吻合度为 85.5%，验证了使用 CFX 软件进行泥石

流危险区范围预测的准确性。为泥石流防治工程设计及危险区范围划定提供了一种新的方法，对工程实践具有重要的指导意

义。

关键词：泥石流；危险区；CFX；数值模拟

中图分类号：文献标识码：A

Prediction of Debris-flow Danger Area of Jiangkou Gully Based on CFX

DIAO Renhui1, HU Xiewen1,2，LIANG Jingxuan2, LUO Gang2，WEI Lai2

(1. School of Geosciences and Environment Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Aseismic Engineering Technology Key

Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: The expected resettlement of the immigrants for Houziyan hydropower station located on the accumulation fan of Jiangkou

debris flow. Through the field investigation of the debris flow formation conditions and motion characteristics, the danger area of

debris flow occurred in 1958 with a frequency of 50-year return period was obtained, and the motion parameters of debris flow was

determined through the rain-flood method. The dangerous area of debris flow and the distribution of velocity field was then analyzed

using Three-dimensional flow numerical simulation of fluid level distribution and velocity field of Jiangkou gully debris flow by

Bingham rheological model and the software of CFX based on Finite Volume Method. The dangerous area obtained by numerical

simulation could fit up to 85.5% compared with the field investigated dangerous area, this validated the accuracy of using CFX to

simulate the dangerous area of debris flow. This paper provides a new approach for designing prevention project and delineation of

dangerous area of debris flow, which has a great significance on guiding engineering practice.

Key words: Debris Flow; Dangerous Area; CFX; Numerical Simulation

1. 引言

泥石流是发生在山区携带大量泥砂、石块的洪

流[1]。它的运动具有爆发突然、历时短暂、速度快

等特点。泥石流的危险区范围是指泥石流在形成、

流通、堆积过程中，对人类生产、生活和自然环境

造成灾难性后果的区域。其中，泥石流的堆积区一

般地势较为开阔平坦，是泥石流淤积、漫流的场所，

也是成灾的主要区域，部分山区的城镇、耕地就坐

落在泥石流堆积区上。定量的预测泥石流危险区范

围具有重要意义。

国内外已有学者对泥石流危险区范围进行过

研究。日本学者石川芳治等[2]通过水工模型实验用

数值模拟研究了泥石流的堆积泛滥范围。CUI Peng

等 [3] 等利用 Arc-SCS 模型对四川省北川县

Huashiban 沟危险区范围进行了数值模拟并与近期

发生的泥石流危险区范围进行对比，契合度达

81.75%。唐川[4]采用隐式剖开算子法求解泥石流扩


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散过程的二维非恒定流方程组,建立了预测泥石流

危险范围的数学模型。王纯祥等[5]给出了泥石流的

二维数值模拟公式，结合 GIS 技术模拟了日本九州

南部熊本县水俣市宝川区集村的泥石流的传播和泛

滥过程，该模型可用于预测泥石流的流动距离和泛

滥范围。李同春等[6]利用 Geoflow 程序对四川省境

内某一较大泥石流沟 20 年一遇频率下泥石流的泛

滥区域进行数值模拟，得到了泥石流的泛滥范围和

实时的流速、泥深分布。

已有的研究主要通过分析影响泥石流运动的

因素来计算或模拟泥石流危险区范围，大多集中在

结果的讨论而缺乏泥石流运动过程的描述。本文在

对江口沟泥石流的性质、形成条件、发育特征等进

行了现场调查的基础上，通过 CFX 软件对江口沟

50 年频率下泥石流运动过程进行数值模拟。通过生

成泥石流流动时的液面分布范围、速度场等，对泥

石流危险区范围进行预测，进而对上述拟选移民场

地的可行性进行评价。

2. 研究区概况

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康

定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐 22 级开

发方案的第 9 个梯级电站。由于水电站建设需要，

需将部分库区内民众迁移至江口沟泥石流堆积扇上

（图 1、3）。

江口沟流域面积 10.88km2，主沟纵长 6.19km，

平均坡降 307.64‰（图 2），沟域总体呈近 EW 向展

布，主沟流域形态似勺子型，沟内常年流水。距沟

口 1435m 处发育 1 条支沟，支沟长约 3.51km。详

细沟谷特征参数见表 1。江口沟形成区和流通区呈

“V”字型沟谷，植被较发育，两侧坡面崩、坡积物

较丰富，沟床可见早期泥石流堆积；堆积区（图 3）

沟段山坡基岩裸露，植被不发育，主要发育坡残积

和沟道堆积物。

江口沟泥石流属于典型的高山区沟谷型泥石

流。据对现场的堆积物调查情况并结合试验资料分

析，江口沟在高频暴雨洪水下多以携沙洪流或水石

流形式呈现，低频泥石流多在局部山体垮塌后形成，

多伴有沟道冲刷淘蚀及局部阵性堵塞现象，易呈过

渡性偏粘性泥石流。

根据调查访问，江口沟近期较大规模泥石流发

生于 1958 年 8 月份，连续几天暴雨后，沟内大量木

头、石块被冲出，并将沟道两侧大量耕地淤埋，泥

石流漫过沟口小桥直泄大渡河，所幸未造成人员伤

亡。根据现场调查和查阅当年降雨资料，江口沟

1958 年泥石流频率为 50 年一遇。

图 1 江口沟流域平面图（1:10000）

Fig.1 Plan of Jiangkou gully (1:10000)

图 2 主沟纵剖面图

Fig.2 Longitudinal profile of main gully

图 3 江口沟泥石流堆积扇

Fig.3 Accumulation area of Jiangkou debris flow

Table 1 Characteristic parameters of Jiangkou gully

表 1 江口沟沟谷特征参数

沟名汇水面积

/km2

沟长

/km

平均坡降

/‰

主沟 10.88 6.19 307.6

支沟 3.51 3.09 416.0

3. 基于 CFX 的泥石流数值模拟

3.1 CFX 软件及其理论简介

CFD (Computational Fluid Dynamics)是指通过

计算机数值计算和图像显示技术,对包含有流体运

动和热传导等相关的物理现象的系统而做的分析[7]。本文采用的大型 CFD 软件 CFX 是全球第一个

通过 ISO9001 质量认证的大型商业软件。作为世界

上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件，算法

上的先进性，丰富的物理模型和前后处理的完善性

使 CFX 在结果精确性，计算稳定性，计算速度和灵

活性上都有优异的表现。

主沟

支沟


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目前运用于流体计算的数值方法主要有：有限

差分法、有限元法和有限体积法（又称控制体积法）

三种[8]。其中，有限体积法因为具备计算效率高、

收敛性好而被广泛用在 CFD 软件开发中，CFX 就

是建立在有限体积法的基础上的。

有限体积法是将分析对象划分为若干个互不

重复的控制体积，然后将问题的控制方程对每一个

控制体积积分，通过插值的形式将体积界面的物理

量用节点上的物理量来近似表示。有限体积法的核

心思想体现在区域离散化的方式上，而区域离散化

的实质则是用有限个离散点来代替原来的连续空间[9]。区域离散过程是:首先将拟计算的区域划分为多

个互不重叠的子区域（即网格），在此基础上确定每

个子域的节点位置及该点所代表的控制体积，该区

域离散过程完成之后可以得到四种最基本的要素：

①节点：需要求解的物理量的几何位置；②控制体

积：应用控制方程或定律的最小几个单元；③界面：

界面规定了与各节点相对应的控制体积的分界面位

置；④网格线：连接相邻节点而形成的曲线簇。在

离散的过程中,利用节点作为控制体积的代表,将每

一个控制体积上的物理量定义且储存在该节点上。

图 4、图 5 是一维、二维有限体积法的计算网格，

图中对节点、控制体积、界面和网格线都做了标注。

图 4 一维问题有限体积法计算网格

Fig.4 Computational grid of finite volume method for

One-dimensional problem

图 5 二维问题有限体积法计算网格

Fig.5 Computational grid of finite volume method for

Two-dimensional problem

典型的 CFX 分析过程包括如下几个阶段：

（1）建立流体区域模型并划分网格；

（2）前处理，包括求解问题的设置以及流体

性质、边界条件及初始条件等的设置；

（3）求解：进行求解过程设置，求解控制方

程，监视收敛过程；

（4）后处理：CFX 可以以云图、流线、迹线、

等值面等方式直观地显示求解结果，也可以生成动

画来显示瞬态问题的变化过程，使问题的分析和研

究更为直观。

3.2 假设条件

本文中基于 CFX 的泥石流数值模拟作了如下

假设：

（1）泥石流流体为均质单相流；

（2）沟道、山体均为刚体，在与泥石流接触

过程中不变形，故无法模拟泥石流对沟道的侵蚀。

3.3 建立模型和划分网格

泥石流沟谷三维地质模型属于复杂三维实体

模型，无法由 ANSYS 中的简单图元直接生成。建

模过程中综合使用了 Auto CAD、Surfer 以及 Design

Modeler 等软件，遵循从点到线、从线到面、从面

到体的自下而上的建模方式。

首先，根据现场测绘数据在 Auto CAD 中生成

江口沟堆积区的等高线，使用插件将等高线中读出

的高程点值输入到 Surfer 中；然后在 Surfer 中选取

建模的平面范围和划分间距，并生成 grd 格式文件；

利用生成的文件输出至 ANSYS 中，生成堆积区的

地面模型；最后把地面模型导入到 Workbench 中，

将地面拉伸生成流体域实体模型。

本次建模目标是江口沟泥石流堆积区，故只建

立沟口平面范围内 450m×500m 的模型，流体域的

高度为 20m。在 Workbench 下的 mesh 模块中调用

ANSYS ICEM CFD 对模型进行网格划分。模型采用

四面体进行划分，并对地面高度以上 10m 范围内的

流体域进行加密处理，共生成 156981 个节点，

804451 个单元。

图 6 模型尺寸及网格划分图

Fig.6 Size and mesh of the model

3.4 前处理

3.4.1 泥石流运动参数的确定

W


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本次江口沟泥石流危险区范围预测的 CFX 数

值模拟前处理中需要确定的泥石流运动参数有：泥

石流重度、入口处泥石流流速和泥石流峰值流量。

3.4.1.1 泥石流重度

现场勘查在江口沟堆积区沟口位置采取泥石

流堆积物配合沟水搅拌泥石流浆体，经询问曾见过

泥石流发生性状的村民，将浆体搅拌成当时泥石流

浆体浓度并进行称重，量测浆体体积，计算其重度

作为泥石流流体的重度。其计算公式为：

式中：γc—泥石流重度（t/m3）；

Gc—配制泥浆重量（t）；

V—配制泥浆体积（m3）。

实验结果如表 2 所示，江口沟泥石流重度为

1.685～1.759 t/m3，数值模拟计算取平均值 1.721t/m3

为泥石流重度。

Table 2 Table of bulk density calculation

表 2 重度试验计算表

泥浆重量 Gc

/kg

泥浆体积 V

/L

泥石流重度 γc

/t·m-3

7.05 4.58 1.668

6.96 4.24 1.720

6.31 4.15 1.759

3.4.1.2 泥石流流速

江口沟泥石流选用中铁西南科学研究院研究

东川泥石流后推荐的流速改进公式[10]：

2

1

3

21

IRmV cC

（1）

212

1

111

H

CH

CH （2）

式中：VC—泥石流流速（m/s）；

γH—泥石流中固体颗粒容重（t/m3）；

γC—泥石流容重（t/m3）；

mc—巴克诺夫糙率系数；

R—水力半径（m），P

wR ；

w—过流断面面积（m2）；

P—湿周（m）；

I —泥石流水面坡度或沟床纵坡（‰）；

α–– 阻力系数；

CH

C

1 ，为泥沙修正系数。

用上式计算时，直接通过实验、测量或经验值

可确定的参数有：泥石流中固体颗粒重度 γH，和巴

克诺夫糙率系数 mc。

Table 3 Table of velocity calculation

表 3 流速计算表

巴克诺夫糙率系数 Mc 6

泥石流固体颗粒重度 γH (t/m3) 2.6

坍方程度系数 A 0.800

坍方区平均坡度 Ic（‰） 800

泥石流重度 γc (t/m3) 1.568

泥沙修正系数 0.55

泥石流阻力系数 α 1.56

泥石流流速 VC（m/s） 4.58

3.4.1.3 泥石流峰值流量

泥石流的危险区范围很大程度上是由泥石流峰

值流量流过时的范围确定的。江口沟泥石流峰值流

量采用雨洪修正法中的东川公式[10]确定：

CBC DQQ )1( （3）

式中，Qc––泥石流流量 m3/s；

QB––泥石流沟的洪水流量 m3/s；

Dc––泥石流堵塞系数。

其中，QB取暴雨时的最大洪峰流量，50 年一遇

暴雨频率下江口沟按推理公式[11]计算得到的洪水流

量为 27.0m3/s。根据现场勘查，江口沟河槽整体较

顺直，河段宽窄较均匀，存在少量卡口、陡坎。主

支沟交角多小于 60，形成区不太集中。河床堵塞情

况一般，推测泥石流流体多呈稠浆—稀粥状。综合

上述情况结合文献[10]，泥石流堵塞系数取值为 2.0。

综上计算得江口沟 50 年一遇暴雨频率下的泥石流

峰值流量为 83.7 m3/s。

3.4.2 泥石流流变模型的设定

CFX 中提供了多种流变模型供用户选择，其中

就有适合描述粘性泥石流的经典流变模型—宾汉模

型[12]（Bingham model）。其数学模型描述如下：

（4）

式中，为宾汉极限剪应力；

η为刚度系数（又称粘滞系数）；

为流体的流速梯度；

其中主要是由泥石流体重泥沙颗粒间的摩擦

力以及粘性颗粒的絮凝状结构形成，η 则主要受泥

石流体的浆体浓度及泥石流体中的颗粒级配影响。

费翔俊[13]通过对黄河泥沙悬浮液的流变试验，

直接测得悬浮液的宾汉极限剪应力与其体积比浓

度 Sv有关。悬浮液的宾汉极限应力可表示为


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（5）

式中，B 为常数 8.45，

（6）

（7）

（8）

式中，Sv为粘性泥石流中的体积比浓度，Svm为颗粒

极限浓度，λ为线性浓度，取 1.82。

对于黏度较大并且颗粒均匀的 Bingham型泥石

流，其 Sv＞0.6，Svm的范围为 0.55~0.60。具体参数

取值详见表 4。

Table 4 Value of the rheological parameters

表 4 流变参数取值表

Sv Svm B λ

0.65 0.56 8.45 1.82

对泥石流刚度系数的取值，本文采用李培基等[14]对云南蒋家沟观测、实验得出的泥石流重度和刚

度系数关系，插值取 1.1 Pa·s。

Table 5 Relation between density of debris flow and

stiffness coefficient

表 5 泥石流容重与刚度系数关系表

容重（g/cm3） <1.5 1.5~1.8 >1.8

刚度系数（Pa·s） <0.5 0.5~3.0 >3.0

3.4.3 边界条件的设定

CFX 中有进口（inlet）、出口（outlet）、壁面

（wall）、开放式（opening）、对称式（symmetry）

五种边界类型[15]。在江口沟堆积区流体域模型中，

设置堆积区上游入口为进口，下游和两侧为出口式

边界，沟道山体的地表面为壁面边界，上部为开放

式边界。设置完毕后的模型如图 7 所示。

图 7 边界条件示意图

Fig.7 Schematic diagram of boundary condition

其中，进口界面设置泥石流以质量流量（Bulk

Mass Flow Rate）流入，泥石流质量流量随时间变化

的函数可以通过 CFX 中的 CFX Expression

Language（CEL 语言）来定义并在质量流量选项中

调用。泥石流危险区范围由地形、泥石流峰值流量、

历时时间、冲出规模等因素决定[16]，此次数值模拟

总时间选定为 900s，模拟情况为一次泥石流峰值流

量经过江口沟堆积区泛滥的范围。其中初始时刻

（t=0s）流量取洪水流量，t=300s 取泥石流峰值流

量，泥石流流量随时间变化关系如图 8 所示。

出口边界设置为静态压强（Static Press），压力

为 1atm；开放式边界设置为开放压强与方向

（Opening Pressure and Direction），压力为 1atm；壁

面边界设置为无滑移的粗糙壁面，壁面粗糙度取

0.1m。

图 8 进口流量与时间关系

Fig.8 Relation between inlet flow and time

3.5 求解

本次求解为瞬态问题求解，模拟总时间为 900s，

时间步长为 1s，设置每隔 10s 保存一次结果文件。

求解过程中同时设置监视泥石流在入口面和出口面

的质量流量。

求解过程监视的进出口质量流量曲线如图 9。

从图中可以看出，进口质量流量曲线与前文设定的

进口流量吻合。出口质量流量曲线在 t=110s 时开始

下降，说明此时泥石流开始从出口边界流出；

t=390s 时出口质量流量达到最大值，说明此时泥石

流峰值流量流过出口边界。

图 9 进、出口质量流量曲线

Fig.9 Bulk mass flow rate of inlet and outlet

进口边界

出口边界


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3.6 后处理及分析

CFX 的后处理内容丰富、功能强大，可以通过

等值面、云图、流线等方式反应整个流场的细节。

本文主要通过泥石流液面上的流速云图来描述泥石

流运动的过程。不同时刻的流速云图见图 10—图

14。

图 10 t=50s 时速度云图

Fig.10 Contour of velocity (t=50s)









从时间尺度分析，泥石流从进口流入，在上游

受沟道地形和山体限制，流体主要沿沟道运动；在

中游地势变得平坦开阔，流体漫过沟岸并在两侧扩

散；运动到下游地形更为平坦，泥石流进一步向两

侧泛滥淤积，最终经过河岸流入大渡河。整体上，

泥石流在 0~110s 时间段逐渐向下运动并向沟岸两

侧泛滥，直至出口边界；110s~390s 时间段泥石流

峰值流量流过堆积区，在 t=390s 时泥石流泛滥范

围达到最大；390s~900s 时间段，流量不断减小，

流体基本在原先流动范围内流动，但泛滥范围和流

速均有所减小。

从空间角度分析，以泥石流泛滥范围最大的

t=390s 时刻为例。沿泥石流流动方向上看，泥石流

流速在沟道上游左岸弯道处速度最大，最大速度为

13.48m/s，这是由于泥石流在弯道冲高后回落，流

体的重力势能迅速转化为动能所致。在中段由于地

势平坦，泥石流流速有所减缓。在沟口下游泥石流

流体到达大渡河，由于河岸地势较陡，局部流速增

加到 10m/s 以上。垂直泥石流流动方向上看，流体

在沿原有沟道附近速度较大，泥深也较厚；向沟道

两侧方向流速逐渐减小，泥深亦减小。

据现场对生活在江口沟附近的多位 70 岁以上

老人的访问，经现场实测得到 1958 年泥石流的危

险区范围，将其与本文数值模拟得到的危险区范围


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对比如图 15 所示。经过图像对比，模拟范围较调

查范围略大，两则吻合度为 85.5%，吻合度较高，

这也验证了本次数值模拟的准确性。与现场实测范

围有偏差的原因，一是近年来附近村民在堆积扇上

耕作，导致现在地面与 1958 年地面有所改变；二

是受建模精度的限制，模拟的地面无法体现真实地

面的全部细节。

图 15 模拟危险区范围与现场调查危险区范围对比平面图

Fig.15 Plane compare with simulated dangerous area and

investigated dangerous area

4. 结论

本文在对江口沟泥石流进行现场调查的基础

上，确定了泥石流运动参数。使用 CFX 软件对江口

沟 50 年一遇泥石流进行了模拟，得出了泥石流危险

区范围。模拟结果证明，使用 CFX 进行泥石流危险

区范围预测模拟具有模拟过程形象生动，模拟结果

准确可靠等优点。

（1）模拟结果显示，江口沟 50 年一遇泥石流

流过堆积区的平均速度为 5.76m/s。其中最大速度为

13.59m/s，出现在堆积区上游沟道左岸弯道处，这

是由于泥石流在弯道冲高回落引起的；在堆积区下

游泥石流流经河岸到达大渡河，由于河岸坡度较大，

导致局部流速增加到 10m/s 以上。

（2）通过数值模拟得到的危险区范围和现场实

测得出的危险区范围比较，二者吻合度高达 85.5%。

证明了 CFX 进行泥石流危险区范围预测模拟的准

确性。

（3）拟建移民安置点位于该泥石流沟堆积扇扇

体的前缘。根据本文模拟得到的危险区范围，50

年一遇暴雨频率下的泥石流将会对拟建移民安置

点构成威胁。现状条件下该区域不宜作为集中移民

安置点，建议避开泥石流影响范围。如果使用该场

地，则应采取有效的治理措施。

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现场调查范围数值模拟范围

拟建移民

安置点

prediction of debris-flow danger area of jiangkou gully based on cfx

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