基于分形理论和模型试验的沟道物源动储量评价模型

汶川地震后,大量松散固体物源堆积在沟道中,使沟道泥石流发生的概率激增。准确的计算泥石流沟道物源的动储量一直是泥石流物源统计的难点。文章以七盘沟下游主沟段沟道物源为研究对象,在实地勘查、资料收集的基础上,以室内模型试验为研究手段,引入分形理论将复杂的土体粒度成分用分维值定量描述,研究不同沟道堆积体在不同降雨作用下的侵蚀规律,建立以降雨强度和分维度为双影响因子的动储量评价模型。研究表明:粗粒土不易起动,但在充足的水动力条件下,侵蚀作用会成倍放大;上细下粗土发生泥石流时侵蚀变化和总的侵蚀规模较小,这种粒序分布形式有益于沟道的稳定;上粗下细土与粗粒土的侵蚀现象类似,但发生大规模泥石流的降雨阈值低于粗粒土;沟道物源中,侵蚀作用效应的排序为:溯源侵蚀>下切侵蚀>侧缘侵蚀>潜蚀;文章所拟合的公式适用于宽缓型沟道泥石流,对于窄陡型沟道泥石流存在一定的局限性。     

火后泥石流形成过程的物源启动模式研究

火后泥石流是火烧迹地最为严重的次生地质灾害,相对于传统泥石流和震后泥石流,其物源启动模式及致灾机理呈现出特殊性。通过对四川省乡城县仁额拥沟火烧迹地沟道不同时间尺度下的累积侵蚀量统计分析,将火烧迹地物源启动分为3个阶段:坡面侵蚀阶段、高含沙水流沟道侵蚀阶段和泥石流沟道刨蚀阶段,其中面蚀到沟蚀转变所需的汇流面积与斜坡倾斜度和火烈度呈负相关,高含沙水流转变为泥石流后常常造成沟道侵蚀率的激增;火烧后2 a的坡面侵蚀量相当于火烧前10~30 a的侵蚀总量,且主要发生在中度及严重火烧区;火烧区的滑坡发育率远高于未火烧区,但未发现火烈度对滑坡体积有明显影响,其主要受临空面高度影响,并呈幂函数正相关,滑坡物源启动模式为坡脚切坡触发的逐级牵引后退式补给。     

栾川县柿树沟泥石流形成机理浅析

栾川县泥石流多为暴雨型泥石流。以栾川县柿树沟泥石流为例,浅析沟道拖拽一溃决型泥石流形成机理。沟道拖拽一溃决型泥石流是指地表径流在土体表面形成盖流层后,层底水流会对土体产生一定的拖拽力,致使土体局部或整体突然液化而转化形成的泥石流。通过柿树沟典型断面启动条件和松散堆积体受力量化分析,还原出柿树沟底松散物质在拖拽力作用下,游离母体发生溃决,转化形成泥石流过程。确定判别沟道拖拽一渍决型泥石流沟主要依据。为防灾减灾提供基础依据。     

水力类泥石流冲出规模模拟实验

在物源条件一定的情况下,通过实验模拟,研究水力类泥石流在不同流速、流量和纵比降组合条件下的沟道启动、揭底机理和运动特征。用Herschel-ulkley模型分析泥石流运动时的受力情况,整理实验数据获得侵蚀高度与纵比降的关系和流量与揭底距离的关系。     

北京市密云区典型泥石流侵蚀过程分析

泥石流运动过程伴随着剧烈的侵蚀,导致其洪峰流量增加、规模增大、破坏性增强。本文通过对2016年8月12日北京市密云区龙潭沟景区曹庄子沟泥石流为例,通过野外调查和地形扫描分析了该场泥石流的动力侵蚀过程。结果表明:激发该场泥石流的降雨重现期达到20年一遇,为典型短历时、高强度降雨;泥石流体中缺乏粘性颗粒,主要以砂粒为主,但容重达到粘性泥石流标准,为典型高容重、低粘度泥石流体。泥石流侵蚀作用一开始并不剧烈,但随着泥石流运动,这种侵蚀作用增强,导致沟道侵蚀深度增加;沟道中弯道处和地形急变段受到泥石流侵蚀作用最为剧烈,尤其是地形急变段对泥石流的侵蚀作用具有加强效应;侵蚀率与流速同步变化,并且与泥石流体所产生的剪切力呈正相关关系。林木能够降低泥石流流速,消耗泥石流动能,进而减小泥石流破坏性。由于天然条件下的泥石流侵蚀过程研究较少,本文中侵蚀率与地形变化的关系以及泥石流体剪切力的正相关关系为泥石流防治规划设计和该类泥石流的预测预报提供了案例和思路。     

沟岸侧蚀对泥石流形成和运动过程的影响

沟岸被侧蚀掉的松散物质会通过动量交换将能量传递给龙头,从而影响泥石流的形成和运动过程。前人建立了许多模型来研究泥石流的侵蚀过程对泥石流形成和运动过程的影响,但是模型中大多以底蚀作用为前提条件。通过侧蚀模型和底蚀模型两种水槽实验的对比,针对泥石流的形成和运动过程展开研究。实验发现侧蚀作用更有利于泥石流的形成和运动,泥石流的龙头高度和速度都有波动特征,但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。侧蚀作用使得泥石流的龙身速度更快于龙头速度,龙身颗粒源源不断地堆积于龙头,使得龙头有较大的高度和附加坡降,因此,侧蚀条件下龙头的速度更快。     

强震区侵蚀-溃决型泥石流的动力特性定量分析

强震作用导致流域内松散物源、微地貌及水文环境发生剧烈变化,致使强震区泥石流的形成机制和活动规律区别于普通泥石流。从启动判别、沟床侵蚀和溃决放大效应等3个方面入手,利用物理模型和数值模拟,定量分析了强震区泥石流启动-流通-堆积全过程的动力特性。结合案例验证了强震侵蚀-溃决型泥石流的力学机制。分析表明,泥石流沟床侵蚀是外部应力增加、内部强度衰减和松散物质基础3种机制的综合结果,沟道堰塞体溃决导致泥石流流量被瞬间放大,进而反馈到侵蚀机制中,导致泥石流规模剧增。红椿沟8·14泥石流案例验算显示,H02、H03堰塞体溃决导致泥石流流量放大至800.80m3·s-1,沟床侵蚀物质总量达34.72×104m3,约占总规模的50%。     

基于动力过程的冰湖溃决洪水侵蚀演化特征研究北大核心CSCD

冰湖溃决洪水具有范围广、持续时间长、危害大并经常伴随有泥石流发生等特点。目前针对冰湖溃决洪水动力演化特征的定量研究相对匮乏。为此,对次仁玛错冰湖溃决洪水灾害演化特征进行研究,以实地调查及多期遥感影像为基础,并采用泥沙输移模型和水动力模型耦合方法揭示冰湖溃决洪水侵蚀演化特征。模型基于精度为12.5 m的数字高程(DEM)地形数据,模拟反演1981年次仁玛错冰湖溃决洪水动力演化过程,与实测结果进行对比,验证模型的适用性和可行性,并对冰湖再次溃决进行预测分析,定量评价冰湖溃决洪水在演进过程中流深、流速、侵蚀和沉积特征。溃决洪水在演进过程中对章藏布支沟冰碛物及下游沟岸松散坡积物进行冲刷侵蚀,高含沙洪水逐渐演化为稀性泥石流,在707滑坡处流深8~10 m,最大流速13.7 m·s^(-1),侵蚀深度8~9 m。稀性泥石流在主沟沉积形成堰塞坝,坝高9~11 m,短暂堵塞波曲河。稀性泥石流对樟木口岸下游滑坡群坡脚进行冲刷侧蚀,侵蚀深度约10~13 m,易引发大规模次生灾害,稀性泥石流到达水电站处,淤埋水电站进水口,导致水电站失效。整体来看,溃决洪水在演进过程中,洪水对上游沟床及沟岸进行强烈的侵蚀夹带,洪峰流量增强,在中游,稀性泥石流对沟岸进行侧蚀,在沟道狭窄处流速增大,下切侵蚀增强,在沟道宽阔处,流速降低,固体物质沉积,整体达到冲淤平衡,洪峰流量随距离逐渐衰减,至下游,沟道地形开阔,流速放缓,稀性泥石流逐渐沉积,同时对沟道两岸进行侧蚀,整体为沉积。模型可以良好地揭示冰湖溃决洪水灾害侵蚀演化动力特征。     

地震灾区新建蒲虹公路弃土泥石流成灾特征与防治建议

蒲虹公路是地震灾区的一条灾后新建公路。公路外边坡堆放有大量的弃土,在强降雨的作用下易转化为泥石流。此类现象受到研究者的关注。本文通过对弃土场的分布、组成及成灾特征的研究,提出了科学合理的处理方法。弃土泥石流形成模式包括:(1)沟道内弃土场在沟道洪水侵蚀作用下产生泥石流或土体溜滑形成泥石流;(2)坡面上弃土场滑动,表面液化形成局部坡面泥石流;(3)沟道两侧弃土场的基脚被侵蚀,形成滑坡堵河后溃决形成泥石流。弃土泥石流的成灾特征主要为弃土泥石流翻越挡墙或摧毁挡墙,堵塞涵洞或排水口,淤埋公路,威胁居民点等,它的处置需要特别注意排水,并平整压实,恢复生态。     

四川木里县项脚沟“7·5”特大型泥石流特征及发展趋势分析

2021年7月5日,凉山州木里县项脚沟暴发特大型泥石流灾害。文章通过野外调查和特征参数计算,研究了本次泥石流的形成条件、暴发过程和暴发特征。根据实地考察判断,泥石流主要在森林火灾、短时强降雨和沟道地形条件等因素共同作用下暴发,为暴雨径流冲刷引发的火后泥石流。暴雨形成的洪水冲刷坡面、侵蚀沟道,导致沟道两岸坍塌滑坡,堵溃效应明显,泥石流规模扩大。项脚沟过火面积达74.61%,高烈度火烧区面积达57.98%,泥石流临界降雨强度为77.84 mm/h,累计降雨达141.60 mm。根据泥石流特征参数计算结果,此次泥石流密度范围为1.83～1.93 g/cm³,属黏性泥石流,主沟下游出口流速为7.22 m/s,峰值流量759.08 m³/s。结合雨洪法和形态调查法结果分析,此次泥石流重现周期为百年一遇。结合泥石流发育趋势,文章认为流域仍有可能暴发大型泥石流,提出了上游固坡、中游调控、下游排导的防治建议。     

崩岗地貌发育的土体物理性质及其土壤侵蚀意义——以广东五华县莲塘岗崩岗为例

崩岗集中发育在我国广东、福建等东南7省(自治区),面积约5万km2,是华南地区土壤侵蚀最严重的区域.崩岗是水力—重力复合侵蚀交替作用的产物,也是沟谷侵蚀发展的结果.崩岗主要发育在花岗岩厚层风化壳上,崩岗土体以高黏粒、低砾石含量的粗砂土为基本特征.崩岗崩积锥土体粒径自坡顶至坡脚由粗变细,反映出坡面流水的侵蚀和搬运过程.崩岗土体可蚀性强,可蚀性因子K值平均为0.26,比花岗岩红壤地区的平均K值高0.03 ～ 0.05.崩积锥坡脚K值大于坡顶,即坡脚可蚀性大于坡顶.崩岗崩壁和崩积锥土体的平均黏粒含量为10.13％,大于5％这一泥石流形成的必要条件.崩岗流域地形陡峻,一旦遭遇强降雨,有条件转化成“泥石流”.崩岗形成的“泥石流”平均中值粒径仅为常规泥石流的1/12,砾石含量仅为1/4.因此,崩岗型泥石流(即由崩岗转化成的“泥石流”)并不是通常意义上的泥石流,是广义泥石流大类中的一个新种——泥砂流.     

表面喷洒SH固土剂的泥石流堆积土的抗雨蚀性能

降雨对堆积土的径流冲刷和入渗软化,是引发泥石流的关键因素。选取甘肃张掖泥石流现场堆积土为研究对象,借助人工模拟降雨试验,研究100 mm·h-1的降水强度下表面喷洒SH固土剂的泥石流堆积土的抗雨蚀性能。试验结果表明,未喷SH固土剂的堆积土,表面雨蚀严重,形成数条冲刷沟,且伴有大量泥沙流失;喷洒SH固土剂后,SH固土剂与表层土颗粒胶结形成高强黏结性的塑性胶膜,堆积土表面无明显冲痕,冲刷量少,抗雨蚀性能强;随SH固土剂喷量增加,固化土的抗雨蚀性能先增大后趋稳定;SH固土剂与粉土和砂土颗粒形成结构稳定的"镶嵌式"土膜混合层,整体上优于碎石土"漂浮式"土膜混合层的抗雨蚀性能;SH固土剂喷量和堆积土土质类型共同影响着固化土抗雨蚀性能。综合考虑费用、抗雨蚀效果等因素,建议对粉土和砂土类的堆积土,SH固土剂喷洒量为1.0 kg·m-2,对碎石土类,应适当增加喷洒量。     

黏性泥石流沟床冲刷深度研究

沟床冲刷深度是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,关于黏性泥石流沟床冲刷的研究较少,沟床冲刷深度还没有权威可信的计算方法,是泥石流防治工程设计急需解决的技术问题。详细分析了黏性泥石流及可能冲刷沟床运动过程中受力情况,推导出黏性泥石流沟床最大冲刷深度计算公式。公式表明黏性泥石流沟床冲刷深度随泥石流泥深、泥石流重度和沟床纵比降及沟床堆积土体黏性的增大而增大,随沟床堆积土体内摩擦角的增大而减小。与现有计算方法相比,公式基于严格理论推导,计算结果更为精确,可用于计算已发生泥石流地区的不同频率的泥石流的冲刷深度,并举例说明了计算公式的实用价值,其结果为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

基于水槽试验的冰碛土泥石流启动机理分析

冰碛土启动形成泥石流在中巴公路沿线十分常见。前人对冰碛土特征变化及影响冰川泥石流形成的研究较少。为进一步探索泥石流暴发的原因,此次基于水槽试验,结合研究区的冰碛土物理力学特性进而探究冰碛土体形成泥石流的过程与机制。结果表明:（1）融水流量分别为8 L/min、12 L/min、16 L/min和56 L/min的情况下,冰碛土内部结构发生变化,其被冲刷时的破坏形式和启动过程具有差异性;（2）泥沙含量随融水流量和时间的不同而发生波动变化,泥石流冲刷启动和土体坍塌淤堵反复循环;（3）综合冰碛土特征变化及实验现象,将冰碛土泥石流的启动机理分为渗透饱和、侵蚀坍塌、冲刷启动三个部分;（4）冰碛土泥石流的稳定系数与水流流量呈幂函数关系。     

四川西昌“3·30”火烧区响水沟火后泥石流成灾机理

2020年3月30日,西昌市经久乡发生森林大火,响水沟流域植被被林火大面积烧毁,同年雨季,响水沟流域内多条沟道暴发泥石流,其中1#、2#、3#沟毗邻居民房屋和耕地,影响较为严重。通过野外调查、遥感解译和室外试验,以响水沟1#、2#、3#沟为研究对象,分析了不同林火烈度下,渗透特征、坡面侵蚀和沟道侵蚀的差异,从而揭示响水沟火后泥石流的成灾机理。结果表明,林火是泥石流暴发的重要诱因,火后泥石流的降雨阈值会明显降低。林火干扰导致坡面土壤的渗透系数表现出不同程度的降低,林火烈度越严重的区域,渗透系数越小,降雨更大比例地转化为坡面径流参与到坡面侵蚀。随降雨次数的增多,轻度、中度、重度火烧区域的坡面土壤侵蚀深度均增加;中度、重度林火烈度的侵蚀深度差异不大,且明显高于轻度区域,说明当林火烈度达到中度时,坡面土壤便会受到较大程度的侵蚀。地形条件相似的沟道,林火烈度越严重,泥石流侵蚀能力越强,最终体现于沟道两岸崩滑体数量越多,沟道宽度和深度越大。     

浅层滑坡型火后泥石流起动机理研究进展与案例分析

火后泥石流由起动条件的不同可以分为表面径流型火后泥石流和浅层滑坡型火后泥石流。由于表面径流型火后泥石流多发生于火灾后的前两年,水土流失严重,灾害效应明显,因此,大多数研究集中在表面径流型火后泥石流。然而,对于火灾较长时间后发生的浅层滑坡型火后泥石流,现有研究相对较少,这制约了人们对于浅层滑坡型火后泥石流起动条件和起动机理的认知。与表面径流型火后泥石流相比,浅层滑坡型火后泥石流的形成主要是由于根-土强度的退化导致。因此,定量测定火灾后根和土强度的衰减,是了解浅层滑坡型火后泥石流机理的必要条件。本文以四川省凉山州木里县的火后浅层滑坡为研究对象,针对未火烧、火烧后3年及火烧后9年的马尾松进行根系数量统计、根系极限抗拉力测试、根土复合体抗剪强度测试及对不同火烧后时间的坡体进行稳定性分析。结果表明,火后根系数量、极限抗拉力随火后时间而递减。由于火灾造成植被死亡根系腐烂,土中产生大孔隙,使得根土复合体抗剪强度下降,进而造成降雨条件下的浅层滑坡的起动。研究成果解释了火灾后数年内浅层滑坡-泥石流的起动机理,为滑坡型火后泥石流防灾减灾提供了数据支撑。     

Rainfall-triggering response patterns of post-seismic debris flows in the Wenchuan earthquake area

Several giant debris flows occurred in southwestern China after the Wenchuan earthquake, causing serious casualties and economic losses. Debris flows were frequently triggered after the earthquake. A relatively accurate prediction of these post-seismic debris flows can help to reduce the consequent damages. Existing debris flow prediction is almost based on the study of the relationship between post-earthquake debris flows and rainfall. The relationship between the occurrence of post-seismic debris flows and characteristic rainfall patterns was studied in this paper. Fourteen rainfall events related to debris flows that occurred in four watersheds in the Wenchuan earthquake area were collected. By analyzing the rainfall data, characteristics of rainfall events that triggered debris flows after the earthquake were obtained. Both the critical maximum rainfall intensity and average rainfall intensity increased with the time. To describe the critical conditions for debris flow initiation, intensity–duration curves were constructed, which shows how the threshold for triggering debris flows increased each year. The time that the critical rainfall intensities of debris flow occurrences return to the value prior to the earthquake could not be estimated due to the absent rainfall data before the earthquake. Rainfall-triggering response patterns could be distinguished for rainfall-induced debris flows. The critical rainfall patterns related to debris flows could be divided on the basis of antecedent rainfall duration and intensity into three categories: (1) a rapid triggering response pattern, (2) an intermediate triggering response pattern, and (3) a slow triggering response pattern. The triggering response patterns are closely related to the initiation mechanisms of post-earthquake debris flows. The main difference in initiation mechanisms and difference in triggering patterns by rainfall is regulated by the infiltration process and determined by a number of parameters, such as hydro-mechanical soil characteristics, the thickness of the soil, and the slope gradient. In case of a rapid triggering response rainfall pattern, the hydraulic conductivity and initial moisture content are the main impact factors. Runoff erosion and rapid loading of solid material is the dominant process. In case of a rainfall pattern with a slow triggering response, the thickness and strength of the soil, high hydraulic conductivity, and rainfall intensity are the impact factors. Probably slope failure is the most dominant process initiating debris flows. In case of an intermediate triggering response pattern, both debris flow initiation mechanisms (runoff erosion and slope failure) can play a role.     

冰碛土体起动泥石流的特征研究

与广泛分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土广泛分布在青藏高原地区,属粗大颗粒多、粘粒含量少、摩擦阻力大、粘滞阻力小的宽级配砾石土体。在冰川融雪与降雨的共同作用下冰碛土体可失稳并起动泥石流,形成灾害。针对冰碛土体起动泥石流机理研究薄弱的现状,本文选取波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟一冰碛土堆积坡面,通过模拟降水与冰雪融水起动冰川泥石流实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征,分析其起动成因及力学特性,探讨冰碛土体起动泥石流的机理。研究发现冰碛土体失稳起动泥石流是粘滞阻力降低、孔隙水压力升高、拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果,起动过程受粘土颗粒含量和径流类型的影响。当粘粒含量较高时(>3%),土体通过铲蚀与面蚀形成泥石流;粘粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面土体主要经掏蚀与坍塌起动泥石流;粘粒含量过低时(<0.32%),土体难以起动泥石流。在降水作用下土体孔隙水压力迅速增加,易造成土体破坏,起动泥石流;而在冰雪融水的作用下,土体孔隙水压力波动幅度不大时,土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流。     

震后深切拉槽型泥石流成因模式、暴发特点与防治:以四川九寨沟牙扎沟为例

以四川九寨沟地区牙扎沟泥石流为研究对象,通过数次野外调查及历史资料的统计,详细研究该泥石流的暴发特点、临界雨量及暴发成因,在成因模式分析的基础上提出相应的防治方案。研究结果表明:泥石流具有隐蔽性、突发性、破坏性和输沙能力较强的暴发特点;汶川地震后泥石流暴发的临界雨量仅为2008年“5·12”汶川地震前的一半,2014年至今流域未发生泥石流,临界雨量有逐渐恢复的趋势;短历时强降雨、深切拉槽式物源补给和高陡的地貌条件是泥石流暴发的根本原因;泥石流的成因模式为“降雨渗流、岩土饱水、山洪冲击、沟道深切拉槽、溯源侵蚀、冲刷淘蚀、岸坡侧蚀坍塌、悬移滚动”。这种震后 “拉槽”式泥石流治理应在提高设防标准和优化治理结构形式的同时,以控制集中区物源启动为主、拦挡为辅的防治思路为指导。研究结果可为该地区类似泥石流的防治及预警提供借鉴。