急陡沟道泥石流起动特征模型试验研究——以汶川县福堂沟为例

急陡沟道泥石流是汶川震区发现的一类特殊泥石流,调查发现其具有物源量大、侵蚀强烈,冲出规模大等特点,是震区地质灾害治理的难点。本文以汶川县典型急陡沟道泥石流福堂沟为原型,分析了其发育条件和特征,并通过模型试验等手段,还原并分析了急陡沟道泥石流起动及形成的过程,以及相应的土体内部参数变化特征。试验显示在20°、25°、30°的坡度和480mL/s、410mL/s、360mL/s的径流量的试验条件下,泥石流分别以不同的方式起动(沟床侵蚀型、滑坡流态化起动型、消防管起动型),同时结合实验过程中土体内部孔隙水压力及体积含水率变化特征的研究,详细还原了相应的泥石流起动全过程。试验数据的分析结果显示,在不同的起动方式下,土体内部的数据变化表现出不同的特征:其中,不同试验条件下的泥石流起动孔隙水压力呈现出规律性差异,即水槽坡度、径流量越大,泥石流所需的起动力越小;此外,坡度越大,土体所需的饱水时间越长,而在相同坡度下,流速越大,预饱水时间越短;研究还发现,泥石流的爆发时间与沟床坡度呈反比,并且径流量越大,泥石流持续时间也越长。基于实验结果,通过相似理论计算得到的泥石流起动流速,与实际情况一致,表明本的研究结论可为汶川震区急陡沟道泥石流的研究提供参考。     

九寨沟震后核心景区崩滑堆积体冲刷启动机制研究

2017年九寨沟震后核心景区广泛发育崩滑堆积体,震后3年间受降雨影响下坡面泥石流频发,严重威胁景区恢复重建。为了研究坡面径流冲刷对崩滑堆积体启动的影响,基于2017－2020年的持续跟踪调查与高分辨率遥感影像解译,利用现场冲刷试验及原位监测,分析了径流冲刷条件下堆积体的渗流响应特征、侵蚀运移过程及冲刷启动机制。结果表明：（1）冲刷过程中坡面物质以下蚀、面蚀、溯源侵蚀及侧蚀为主,湿润锋下移致使坡体内体积含水率与孔隙水压力增大,达到峰值后处于动态稳定状态,而基质吸力则先小幅度波动后不断减小。（2）崩滑堆积体具有坡度陡、土体孔隙间细粒含量多、渗透性良好且抗冲刷能力弱等特征,在强烈的水动力条件下启动演化过程为先期渗透→铲刮滑流→快速堆积→局部饱和侵蚀?稳定。（3）不同饱和状态下堆积体启动的力学分析与现场试验监测结果较为一致,并结合冲刷试验成果认为,土体含水率升高、孔隙水压力急剧增大、基质吸力快速减小与高强度径流冲刷是堆积体启动之机制所在。该研究结果对于震后泥石流活动的长期效应预测与生态治理具有重要意义。     

汶川地震区文家沟泥石流成因模式分析

文家沟2008～2010年期间8次泥石流事件是在地震滑坡堆积体上因持续强降雨渗透变形溃决和后续侵蚀产生的,不同于一般的沟谷型和坡面型泥石流。文家沟滑坡堆积体上新生的泥石流沟共冲出松散固体物质总体积约180×104m3,2010年的"8.13"泥石流事件是其中规模最大的一次,冲出的松散固体物质体积约在115×104m3。文家沟泥石流的成因模式是,强降雨过程在滑坡堆积体上先期出现"渗流管涌、暂态壅水、溃决滑塌"的造沟作用模式,后期出现"溯源侵蚀、冲刷刨蚀、侧蚀坍塌、混合奔流(搅拌机)"的扩沟作用模式。2008年的"6.21"和2010年的"7.31"泥石流事件主要起因于前者,其他事件主要起因于后者。松散堆积体因排泄持续降雨入渗的能力不足而造成地下水滞留和水位升高是导致斜坡体稳定性降低的内在原因。当地下水壅高水位面达到水平时,堆积体内渗透动水压力达到最大,堆积斜坡的稳定性最低,成为堆积体表层发生滑塌溃决的临界条件。     

人工降雨条件下冲沟型泥石流起动试验研究

下垫面以位于贡嘎山东坡的熊家沟为模型,开展了不同降雨强度条件下冲沟型泥石流起动的模拟试验,初步研究了冲沟型泥石流的形成机理和演化特征.试验研究表明:(1)在强降雨条件下,水体入渗速度、不同深度土体含水量变化与降雨强度呈反比例关系,降雨强度越大,越不利于水体入渗,而有利于坡面汇流、冲沟径流和下切侵蚀; (2)在强降雨和径流条件下,土体破坏方式、破坏程度以及泥石流形成机理表现出差异性.相对较小雨强降雨条件下,土体破坏方式以滑坡为主,泥石流形成模式表现为滑坡液化与转化起动,雨强较大降雨条件下,土体破坏方式以侵蚀垮塌为主,泥石流形成模式为洪流席卷垮塌体和沟床揭底; (3)起动试验中泥石流阵性特征明显.在强降雨条件下,雨强与泥石流的规模、黏度之间没有正相关性,雨强越大,泥石流黏度越小,试验中多出现的是高含砂洪流,而相对较小雨强作用下由土体液化转化形成的泥石流黏度较大.试验现象和结果与熊家沟泥石流起动、发生过程具有较高的一致性.     

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。     

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。     

甘肃文县关家沟泥石流物源条件与治理工程探析

关家沟泥石流沟位于文县县城北部,具有极为丰富的物源条件。通过调查从泥石流的岩土体类型及特征、地质构造、水文地质、新构造运动及地震等方面,对物源条件的地质环境背景进行了总结。其松散固体物质主要有滑坡堆积物、崩塌堆积物、滑塌—坍塌堆积物、沟道冲洪积堆积物及面状堆积物等。固体物质总储量为11 570.1×104m3,转化为泥石流组成部分的主要方式包括滑坡、崩塌、滑塌—坍塌直接堆积或堵塞沟道,被水流冲蚀、搬运;滑坡体、崩塌体表层松散物质及沟坡上的面状堆积物在降水面蚀作用下,细粒物质流入沟道,补给泥石流增加了泥石流的黏度;沟道内早期的冲洪积物被泥石流直接搬运、冲蚀,构成泥石流固体松散物质等。通过对物源条件分析,提出了治理工程措施,以期为关家沟泥石流灾害防治提供参考。     

黏性泥石流沟道侵蚀启动机制研究

黏性泥石流具有非常强的侵蚀能力,在其运动过程中不断地对沟道进行下蚀和侧蚀,并将沟道中大量的松散物质带走,增大了泥石流的危害性。根据黏性泥石流本构模型和土体抗剪强度理论,以极限分析的上限定理为工具,在假定沟床以圆弧面侵蚀的条件下,研究了黏性泥石流运动对沟道土体的侵蚀启动机制,建议了相应的计算公式和判断准则,讨论了泥石流重度、沟道坡降、土体强度等因素对沟道土体受泥石流侵蚀启动速度的影响。     

黄土丘陵区堆积体边坡对上方来水的侵蚀响应

为探明上方来水类型对工程堆积体高陡边坡下部冲刷侵蚀的定量影响,以神府高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,设计4种上方来水类型,通过野外放水冲刷试验分析了不同上方来水类型下堆积体坡面的径流侵蚀输沙过程.结果表明:①上方来水类型对堆积体坡面下部的产流影响较小,却干扰了坡面侵蚀产沙过程,造成土壤流失量增加;②径流深、单宽径流侵蚀力和水流功率均可以较好地预测堆积体边坡下部输沙模数的变化;③单宽径流侵蚀功率可以作为表征坡面尺度次径流事件中径流侵蚀力变化的指标.研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀强度评价、侵蚀模型建立及新增水土流失防治提供参考.     

神府-东胜矿区人为泥石流过程的力能传递理论模式

根据力学原理和神府-东胜矿区人为泥石流的特点,重点分析准人为泥石流起动的受力状态.准人为泥石流实地放水冲刷和人工降雨模拟实验结果表明(1)坡面准人为泥石流起动主要取决于降雨强度、降雨量和坡度;(2)沟道准人为泥石流起动的主要动力是上游来水和沟床比降;(3)在准人为泥石流过程中饱和、未饱和、干的松散固体物质共存,以此来区别于自然泥石流.在此基础上导出沟道准泥石流起动势函数,并分析探讨泥石流过程中的能量传递模式.     

川西红层地区泥石流特征研究——以德昌县群英村王家坡沟为例

2022年8月23日德昌县乐跃镇群英村王家坡沟暴发群发性泥石流灾害,导致群英村至太平村的乡道严重堵塞,乡道两侧的耕地及经济作物大面积受毁。为揭示此次群发性泥石流的发育规律,本文结合实地调查和遥感影像对王家坡泥石流的形成机制、动力学特征进行综合研究。研究结果表明：此次泥石流在短历时强降雨情况下,坡面入渗迅速形成地表径流聚集于沟道,水流沿程掏蚀、侧蚀沟道岸坡形成大量的沟道松散固体物质,泥石流规模呈放大趋势冲出沟口形成泥石流灾害。该泥石流沟松散堆积物动储量为1.21×104m3,主要分为沟道物源、崩滑物源、侵蚀物源3种物源类型,其中沟道物源占比最大;最后计算了不同暴雨频率条件下泥石流的流量以及冲击力,为王家坡泥石流灾害防治提供可靠的数据和相应的防治措施。     

震后沟道泥石流启动条件——松散堆积体雨中失稳的水力学机制分析

5.12地震导致大规模的松散崩滑物质堆积于沟道,极大的增加了震后降雨型沟道泥石流爆发的概率。然而,灾后特殊的物源条件和成灾环境改变了传统沟道泥石流的形成机制,给震后沟道泥石流的防治工作带来了巨大的困难。为此,以水文学为基础,在构建松散堆积体潜水位变化水文学模型的前提下,借助水力学理论,分析了沟道堆积体内水力随潜水位变化的规律和特征,研究作用在单元条块堆积体上静水压力和动水压力的计算方法。在合理分段沟道松散堆积体的前提下,基于无限边坡理论完成了对各段堆积体下滑力、基底抗滑力及剩余下滑力的表达构建。结合算例解析了震后降雨条件下堆积体失稳的力学机制。分析表明,震后沟道松散堆积体失稳启动并泥石流化是流域降雨作用下堆积体内潜水位不断抬升、水力环境不断劣化的结果。流域大、沟道窄、堆积深、导水系数小、沟床缓的堆积体因较高的潜水位更易在降雨中失稳,且失稳模式因条块间剩余下滑力差异而分为整体推移启动及解体牵引启动两类。     

甘肃肃南县长达坂沟泥石流成灾机理和防治措施建议

长达坂沟"7·4"泥石流危害巨大。结合沟道发育特征和泥石流堆积形态,分析了以滑坡、崩塌和坡面风化侵蚀为泥石流潜在物源的转化特征,探讨了"7·4"泥石流的径流过程和成灾机理,并对其发展趋势进行了预测。认为长达坂沟泥石流目前处于发展壮大期,沟道物源的转化具波浪形缓急过程,排导沟渠坡降比和过流断面的变化是影响阵流运动形态的关键,也是长达坂沟泥石流成灾的主要控制因素。最后,针对"7·4"泥石流发育特征和成灾模式,探讨了"柔性桩板墙高坝拦挡+顺直排导"的工程措施在长达坂沟泥石流防治中的应用可行性。     

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。     

白龙江中上游泥石流形成条件与成灾模式探讨

白龙江中上游泥石流发育极为严重,危害、威胁巨大,研究该区泥石流的成灾模式和致灾模式对泥石流灾害防治、国土空间规划、生态文明建设具有重要的科学意义和实践指导价值。文中在分析白龙江流域中上游241条泥石流形成条件的基础上,对泥石流的成灾模式、致灾模式及泥石流防治进行了分析。研究结果表明:（1）泥石流受地形地貌影响显著,高差大于1000 m占总数74.3%,主沟沟床纵比降>200‰占总数93.4%;（2）众多滑坡体物源沿着坪定-化马断裂带呈条带状分布,泥石流物源主要来源于千枚岩、变质砂岩、残坡积层、黄土等软弱地层的崩塌、滑坡体,物源分布与下伏基岩坡向关系不大;（3）该区泥石流按地貌特征分主要有沟谷型泥石流（占总数69.7%）、坡面型泥石流（占总数30.3%）,基于固体物质补给方式划分泥石流成灾模式主要有重力侵蚀补给型（占总数71%）、坡面侵蚀冲蚀补给型（占总数10%）、沟床侵蚀补给型（占总数19%）;（4）泥石流主要的致灾模式为溃决-冲毁、冲积-淤埋、爬高-堆积、侵蚀-坍塌、淤埋-掩埋、堰塞-次生灾害;（5）重力侵蚀补给型泥石流重点防治沟内重大灾害体,坡面侵蚀冲蚀补给型泥石流防治以拦挡、排导工程为主,沟道侵蚀补给型泥石流防治以清淤、排导为主。     

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。     

汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究

2008年9月24日汶川震区的北川县暴雨导致区域性泥石流发生,这次9.24暴雨泥石流灾害导致了42人死亡,对公路和其他基础设施造成严重损毁。本研究采用地面调查和遥感解译方法分析地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取的气象数据用于分析泥石流起动的临界雨量条件。本文探讨了研究区泥石流起动和输移过程,并根据野外调查,分析了泥石流形成的降雨、岩石和断层作用,特别是强降雨过程与物源区对泥石流发生的作用。根据应急调查发现北川县境内暴雨诱发的泥石流72处,其分布受岩石类型、发震断层和河流等因素控制。根据对研究区震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强的初步分析,汶川地震后,该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%,小时雨强降低25.4 %～31.6%。震区泥石流起动方式主要有二种,一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移,进入沟道后转为泥石流过程;二是消防水管效应使沟道水流快速集中,并强烈冲刷沟床中松散固体物质,导致沟床物质起动并形成泥石流过程。调查和分析发现沟内堆积的滑坡坝对泥石流的阻塞明显,溃决后可导致瞬时洪峰流量特别大。研究结果表明了汶川震区已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

滑坡碎屑堆积体形成泥石流的实验

地震或强降雨诱发滑坡,滑坡体碰撞解体形成碎屑物质堆积在沟道内,在后期降雨作用下形成泥石流,这是泥石流形成的一种方式,可称为滑坡碎屑堆积体泥石流。笔者分析了影响碎屑堆积体泥石流起动的特征参数,通过实验研究了碎屑堆积体泥石流形成的过程,分析了堆积体表面坡度、黏粒质量分数、中值粒径（d₅₀）以及不均匀系数（Cu）对泥石流形成的影响。结果表明：碎屑堆积体表面坡度对形成泥石流所需单宽流量无明显影响;黏粒质量分数在不大于5%时仅影响碎屑堆积体侵蚀,对碎屑堆积体揭底所需单宽流量无明显影响;影响碎屑堆积体形成泥石流所需单宽流量的因素主要为中值粒径和不均匀系数--随堆积体中值粒径、不均匀系数的增大而增大。通过实验数据拟合得出了中值粒径和不均匀系数与泥石流形成和揭底所需单宽流量的公式;由于公式中只考虑了影响碎屑堆积体形成泥石流的两个主要因素（d₅₀和Cu）,因此对比水文计算结果偏小,但整体趋势基本一致。在实际应用到这类泥石流沟时,可通过修正进行预测。     

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。     

自然泥石流与矿渣泥石流复合效应与防治对策

石棉县后沟是一条典型的自然泥石流和矿渣泥石流并存的泥石流沟。本文以石棉后沟为例,结合早期自然泥石流、矿产开采以来矿渣泥石流、以及2013年7 4复合型泥石流,总结了自然泥石流和矿渣泥石流的复合效应,包括泥石流物源补给的多元效应、泥石流发展演化的逆转效应、泥石流起动发生的复杂效应、泥石流动力沿程的放大效应、泥石流致灾破坏的链式效应。对照泥石流对已建防治工程的破坏,提出了自然泥石流和矿渣泥石流复合型泥石流沟防治对策,建议充分利用起动位置和物源集中补给位置的差异,加强对中上游及支沟自然泥石流起动和运动的拦挡防治,最大限度减小自然泥石流对下游矿渣防护工程的基底侵蚀和冲击破坏,从而保障综合防治工程的有效性。