泥石流拦砂坝坝前沉积与坝基扬压力实验研究

泥石流在坝前堆积固结的过程发生泥石流浆体中固体颗粒沉降和孔隙水压力消散,它直接影响了坝基扬压力大小和变化,对坝体稳定性造成影响。本文通过自制实验模型装置模拟不同密度泥石流作用在坝前的沉积渗透过程,观测不同密度泥石流坝前沉积特征和浆体细颗粒沉降速率,并通过水压传感器测得坝前沉积底部孔隙水压力和坝基扬压力随沉积时间的变化过程,最后结合不同密度泥石流沉积特征分析了泥石流沉积过程对扬压力衰减过程的影响。研究结果表明:稀性泥石流沉积过程中具有明显的颗粒分选性,且浆体细颗粒沉降速率与泥石流密度表现出线性负相关性;泥石流沉积底部孔隙水压力随沉积时间呈指数衰减趋势,拟合指数函数系数与上部浆体细颗粒沉降速率满足线性正相关性;沉积过程中坝基扬压力与坝前沉积底部孔隙水压力具有相同的对数衰减趋势,两者呈线性正相关性。本研究着眼于拦砂坝扬压力产生机制,研究了泥石流坝前颗粒沉积和水力扩散过程对坝基扬压力变化过程的影响,为拦砂坝扬压力计算提供了新的视角,具有一定的工程和理论意义。     

细颗粒迁移在泥石流形成过程中的作用

针对松散物质异常丰富孕灾环境条件下泥石流的形成过程和泥沙来源,设计了人工降雨条件下泥石流形成试验,主要获得以下结果:1.震后孕灾环境条件下泥石流的形成首先需要细颗粒的起动,然后夹杂大颗粒运动,径流量快速增加,并伴随着沟道堵塞-溃决现象,形成阵性泥石流;此后随着细颗粒的迁移,沟道粗化现象严重,泥石流现象逐渐消失。2.坡面首先对降雨开始响应,发生崩塌形成堰塞体,对沟道侵蚀产生较大影响,并伴随着坝体松散物质溃决向下游迁移。3.泥石流的泥沙主要来源于沟道中下游,其次是沟道中上游和源头坡面,三处的泥沙来源占到70%以上。4.土体对降雨的响应明显,孔隙水压力和含水量在不同时间段和不同部位变化曲线具有明显差异,并出现一定的波动特征,其不仅受到降雨的影响,同时对土体细颗粒含量和土体结构也有明显响应。5.细颗粒在泥石流的形成过程中扮演者非常重要的角色,其位移和汇集均对流域地形的演化和泥石流的形成产生影响。在泥石流形成预报时,应考虑土体细颗粒含量,不同的细颗粒含量其泥石流起动时临界含水量和孔隙水压力差异较大。     

宽级配弱固结土体内细颗粒迁移规律研究评述

宽级配弱固结土体中细颗粒的迁移是导致滑坡和泥石流的一个重要原因。本文总结了宽级配弱固结土和细颗粒分界粒径的基本概念,以及细颗粒迁移特性,并总结了现有细颗粒迁移在各学科研究的实验方法、数值模拟方法以及研究成果。现有研究表明在宏观尺度上,宽级配土体内细颗粒在水动力条件下的迁移,会导致土体孔隙堵塞,是土体渗透性的降低、发生滑坡泥石流的重要原因;同时亦影响水利科学中土石坝运行,甚至造成管涌破坏。在细观尺度上,相关成果仍旧不完善,亟待在今后进行深入研究。未来建议重点发展微观数值模拟技术,高精度的试验监测手段,并考虑孔隙结构和颗粒级配变化、细观-微观-宏观多尺度转换以及气、固、流多相流耦合条件下的细颗粒迁移规律。     

《泥石流体的流变特性与运移特征》出版

<正>由王裕宜、詹钱登、严璧玉等编著的《泥石流体的流变特性与运移特征》,是一本研究泥石流体的流变特性和运移特征的专门著作,于2014年初由湖南科学技术出版社出版,83万字。全书共18章,大致上可分为5部分。第一部分1-4章叙述了泥石流固体颗粒、浆体的物理化学性质和结构组成特点,是全书的基础部分;第二部分5-7章:叙述了泥石流形成的构造应力状况,泥石流发育区的工程地质选线,泥石流启动应力过冲     

成都粘土泥浆流变模型探讨

泥浆是泥石流动力学的重要研究对象.细小的黏性颗粒是黏性泥石流泥浆的基本组成部分,传统流变模型可以描述粘性泥石流中颗粒物质相互作用,然而各灾害点物质组成的差异性使得泥浆流变模型的应用各有不同,且当前研究缺少对不同模型应用的详细讨论.本研究利用MCR301流变仪,开展不同含水量成都粘土泥浆流变实验,分析成都粘土泥浆剪切应力...     

稀性坡面泥石流粗颗粒在不同水力作用下的起动

"5.12"汶川地震产生了大量崩滑堆积体,这些棱角状粗颗粒体在水流激发下易起动形成坡面泥石流。在对汶川地震区坡面泥石流地质模型调研基础上,建立以立方体为稀性坡面泥石流粗颗粒的基本模型,结合坡面泥石流的宽级配特性,提出立方体模型的滑移、翻转(包括绕边翻转、绕支点翻转及嵌固绕边翻转)等起动方式。并以水力学、泥沙动力学为理论基础,推导得出粗颗粒在滑移、翻转起动方式下的起动平均流速公式。参照陈伯奇的实验数据,计算粒径为5~10 mm颗粒在不同坡度条件下的起动流速,并对比显示两者具有较好的吻合性,表明立方体作为稀性坡面泥石流粗颗粒的起动模型是合理的。计算结果也表明,在同一坡度条件下,粗颗粒滑移起动所需的水流激发流速最低,绕边起动次之,颗粒嵌固起动所需的激发流速最大,如坡度为30°条件下,滑移起动的水流激发流速为0.349 m/s,绕边起动为0.430 m/s,嵌固起动为0.473 m/s。据此推断,当水流达到一定流速(如30°坡度下、流速为0.349 m/s)时,粗颗粒的最初起动以滑移为主;随着流速增大,逐渐出现翻转起动;当水流流速急剧增大时,大部分嵌固粗颗粒会以翻转的方式瞬间起动,从而形成稀性坡面泥石流。成果对稀性坡面泥石流起动条件研究具有一定的理论意义,对泥石流灾害预警具有一定的指导作用。     

泥石流静力学特征值的测试方法

泥石流静力学是研究泥石流静止状态下的某些特征和一些规律。准确测定泥石流及其浆体的特征值,对揭示泥石流的形成和运动机理将起着十分重要的作用。 在野外(如西昌黑沙河,云南浑水沟,蒋家沟)开展观测试验以来,我们引进了石油钻井泥浆,土力学,土壤学和水化学等学科的某些试验方法,结合前人的工作经验,初步总结出泥石流及其浆体的组成,流变,结构和化学特性等参数的测试方法。以供与同行商讨。     

颗粒组成与泥石流运动的涨落

泥石流物源、流体和堆积物的颗粒分布满足P(D)=CD~(-μ)exp(-D/Dc),其中参数C,μ和D_c由传统的粒径分布特征决定。μ随细颗粒(特别是粘粒)含量的增大而增大,D_c刻画粒径的范围,且随粗粒含量而增大。蒋家沟泥石流的观测表明,同一场泥石流包含着数十到数百个不同性质、流态和规模的阵流。阵流的涨落和多样性是与流体的颗粒组成密切相关的。一定的颗粒组成对应着一定的饱和颗粒浓度,决定一定的饱和流体状态。阵流的涨落,是在没有达到饱和状态时的随机运动的状态。阵流涨落随D_c增大而趋于平缓;当流体达到饱和态时,阵流达到最大的流深、流速和流量,且与颗分参数(μ,D_c)具有幂函数关系。运用本文的方法,可根据颗分参数来预估泥石流的性质和规模。     

长江上游侵蚀、滑坡和泥石流典型区土体特性及微形态学研究

长江上游地区的侵蚀、滑坡和泥石流发生普遍而严重。选择典型区对侵蚀、滑坡和泥石流土体的微形态及与之紧密相关的土性进行比较研究,有重要意义。在贡嘎山东坡、川中丘陵盐亭、三峡库区云阳、云南东川蒋家沟分别采集代表性侵蚀、滑坡和泥石流土体剖面进行了研究。主要取得下述研究结果：(1)不同侵蚀强度的研究区土体特性有所不同,但共同特征是发育浅、颗粒粗、易分散等,有利于侵蚀形成；也相应形成一些侵蚀土体的微形态特征,如粗骨颗粒聚积状微形态、细土物质微区淋蚀现象、埋藏土层微形态特征等。(2)在滑坡土体,发现一些有利于滑坡形成的土体特性和微形态特征,如骨骼颗粒细化和蚀圆化、吸水性强的指纹状微结构等。在滑塌面上形成特殊的土体微形态,如拉张微裂隙、强光性定向粘粒集合体、玻璃质形成物、铁锰分离物等。(3)泥石流土体土性特殊,并形成了一些特殊的土体微形态特征,如湖泥状基质、骨骼颗粒泥质包裹体、错断微裂隙等。结果表明：在不同的环境条件下,三类土体的土性和土体微形态也有异同。对侵蚀、滑坡和泥石流的形成机制、活动性等都有一定的诊断意义。     

泥石流体的沉积稳定浓度与颗粒级配之关系

沉积稳定浓度主要反映了泥石流固体物质的级配特点,它涉及到泥石流体的固体颗粒的大小和排列状况。利用这种浓度可确定泥石流体的粘滞系数、宾汉剪切力以及与泥石流颗粒级配有关的其他参数。分析了泥石流体的沉积稳定浓度与颗粒级配的理论关系,并用实验方法建立了它们的关系式。     

黏性泥石流冲起爬高计算

泥石流冲起爬高是泥石流防治工程设计中的一个重要参数。黏性泥石流是一种特殊的固、液两相流体,固、液两相间的相互作用很弱,流体整体性表现为粘塑性流体。在运动过程中,由于黏粒含量高,液相浆体表现出非常大的宏观黏性,而浆体的屈服应力和固相颗粒间的摩擦作用使得泥石流体表现出了很强的塑性特性。本文以黏性泥石流作为研究对象,考虑泥石流龙头的运动平衡方程,建立了一个简单的黏性泥石流运动爬高的物理模型。结合运动平衡方程的解和障碍物的几何特性,推导了黏性泥石流的冲起爬高的计算公式。参数敏感性分析表明,泥石流的冲起爬高随着障碍物迎面坡度和泥石流流速的增加而增加,随着障碍物坡面的摩擦系数和泥石流密度的增加为减小,而泥石流的泥深、液相浆体的屈服应力及动力粘性对泥石流的爬高影响较小。进一步的分析表明,黏性泥石流冲起爬高的计算公H_p=aV~2/2g主中的动能修正系数a与泥石流的密度及障碍物的迎面坡度和摩擦系数有关,可表示为a=sinθ/[sinθ+C_s(ρ_s-ρ_f)/ρ cosθ tanφ]。利用水槽实验和云南蒋家沟野外采集的泥石流动力学参数和爬高数据,验证了本文提出的黏性泥石流冲起爬高的计算公式的可靠性。     

砾石土分形特征及其与泥石流启动关系试验

对116条泥石流沟取样,所取土样共182个,通过室内颗分试验得到其颗粒组成特征,以此为基础引入分形理论计算各土样的分维值,并分析分维值与级配特征之间的关系。分析发现:泥石流源区砾石土以一重分形特征为主,分维值介于2.250~2.798之间,分维值大的砾石土颗粒组成较为均匀,分维值减小,砾石土中的细颗粒含量逐渐降低。基于砾石土分维值分布区间,在野外配置土样开展泥石流启动试验,综合分析试验现象、孔隙水压力及含水量变化情况得到以下结论:形成泥石流的砾石土具有临界特征,分维值小于2.4的砾石土不易形成泥石流;分维值介于2.4~2.6时,以土力类泥石流为主,泥石流重度较高且规模较大;分维值介于2.6~2.7时,以水力类泥石流为主,泥石流的重度较低,以稀性泥石流为主,并伴有明显的阵性特征。分维值及降雨条件相同时,土体变形(未启动形成泥石流)或破坏启动形成泥石流的时间与密度呈正相关关系。     

崩滑土体坡面运动过程研究现状与展望

崩滑土体坡面运动包括刚性块体整体滑动、崩滑泥流、崩滑破碎3种形态;根据粗颗粒间介质差异,崩滑破碎运动可分为无粘碎屑崩滑运动、粘性碎屑崩滑运动;根据运动过程不同形态,将崩滑破碎运动分为崩滑破碎、粗颗粒与泥浆混合运动、泥石流3个阶段。概述崩滑土体坡面运动过程调查实验研究现状;分析块体滑动摩擦理论、流体理论、散粒体理论在崩滑土体坡面运动过程应用情况,指出块体滑动摩擦理论、流体理论在描述崩滑破碎运动过程的不足;分析崩滑破碎后,间隙介质对粗颗粒运动的影响,指出目前散粒体理论描述崩滑土体坡面运动过程的不足,提出通过设定颗粒间的细观力学参数来再现崩滑土体复杂破碎运动过程的思路和重点研究的内容,为下一步研究提供依据。     

科尔沁沙地固定沙丘土壤水体积分数变化

利用2006-2009年5-9月科尔沁沙地固定沙丘0~150 cm土壤水体积分数监测数据及降水资料,采用偏度、峰度检验法检验了固定沙丘不同月及不同土层土壤水体积分数的正态性,并得到了其正态分布相关参数的估计值及其置信区间;同时,对不同土层、不同月及不同年间的土壤水体积分数变化和差异进行了分析。结果表明:(1)固定沙丘同一月的土壤水体积分数以显著性水平α=0.1通过正态分布的假设检验;固定沙丘土壤水体积分数的平均值范围1.82%~4.95%,主要集中在2%~4%;(2)受降水影响,固定沙丘7月土壤水体积分数较高,且与其他月的差异显著;7月土壤水体积分数均值和方差的点估计及置信水平为0.95的置信区间、统计特征均与其他月的有较大差异;(3)固定沙丘0~10 cm土壤水体积分数较低,且与其他土层有显著差异;而10~30 cm土壤水体积分数较高;(4)2008年土壤水体积分数较低,而2009年土壤水体积分数较高;除2007年与2008年土壤水体积分数没有显著差异外,其余年份间的土壤水体积分数均有显著差异。     

科尔沁沙地固定沙丘土壤水体积分数变化北大核心CSCD

利用2006—2009年5—9月科尔沁沙地固定沙丘0~150cm土壤水体积分数监测数据及降水资料,采用偏度、峰度检验法检验了固定沙丘不同月及不同土层土壤水体积分数的正态性,并得到了其正态分布相关参数的估计值及其置信区间;同时,对不同土层、不同月及不同年间的土壤水体积分数变化和差异进行了分析。结果表明：（1）固定沙丘同一月的土壤水体积分数以显著性水平α=0.1通过正态分布的假设检验;固定沙丘土壤水体积分数的平均值范围1.82%~4.95%,主要集中在2%~4%;（2）受降水影响,固定沙丘7月土壤水体积分数较高,且与其他月的差异显著;7月土壤水体积分数均值和方差的点估计及置信水平为0.95的置信区间、统计特征均与其他月的有较大差异;（3）固定沙丘0~10cm土壤水体积分数较低,且与其他土层有显著差异;而10~30cm土壤水体积分数较高;（4）2008年土壤水体积分数较低,而2009年土壤水体积分数较高;除2007年与2008年土壤水体积分数没有显著差异外,其余年份间的土壤水体积分数均有显著差异。     

云南蒋家沟古泥石流特征

蒋家沟流域在小江大断裂东侧的隆起地段,这一区域构造活动强烈。自第四纪以来,受到内、外动力地质作用的共同影响,蒋家沟在河流沉积及泥石流堆积作用下形成了阶梯状台地。实地考察蒋家沟各支沟残留台地的沉积构造、新鲜坡面的古泥石流活动记录,根据泥石流堆积物的沉积特征,初步划分泥石流类型。再结合现有的泥石流容重计算方法和各泥石流台地泥石流堆积物的颗粒分析实验结果,可计算出蒋家沟不同泥石流活跃期泥石流的天然容重,还原了蒋家沟第四纪以来不同时期泥石流活动特征。最后讨论了泥石流在不同时期发生变化的原因。     

基于分形维数权重的泥石流危险度评价

泥石流危险度评价是一个复杂的不确定系统问题,为了准确评价泥石流所处的危险度状态,进而为泥石流的防治提供科学依据,提出了基于分形维数权重的泥石流危险度评价方法.该方法首先选取影响泥石流危险度评价的10个主要因素,根据分类标准,采用在每级标准中随机内插的方法,得到40个标准样本,用于构建泥石流危险度评价的分形一插值模型;其次根据最大似然分类原则确定每个泥石流指标的评价分维数;然后利用加权求和法计算样本的综合评价值,并根据样本综合评价值与经验等级之间的关系建立分形插值评价模型;最后,通过实例分析表明:该方法的评价结果是准确和可靠的,与采用其他分类方法所得结论一致.此外,该模型可以得出每个样本的具体得分值,即使对属于同一级的样本也可以排出它们的优劣顺序,因而具有较高的分类精度,为泥石流危险度评价提供了一种较好的新方法.     

基于粗糙集的范例推理在泥石流危险性评价中的应用

将粗糙集理论和范例推理相结合,建立了基于粗糙集-范例推理的泥石流危险性评价模型.运用粗糙集理论对范例库中的范例进行属性约简和特征向量权值计算,用相似度量理论来实现最相似范例检索,得到泥石流的危险性评价结果.选取了一次泥石流(可能)最大冲出量,泥石流发生频率、流域面积、主沟长度、流域相对高差、流域切割密度、24 h最大降雨量、松散固体物质储量共8个因素作为泥石流危险性的影响因子;选取云南东川和西藏八宿等共14条泥石流沟资料进行建模分析.实例研究表明,基于粗糙集一范例推理的泥石流危险性评价结果与实际状态相吻合,该方法具有简便、高效、直观、实用的特点.     

土壤粒度组成分析方法对比

土壤粒度组成测定有多种方法,每种方法的原理不同,测得的结果存在显著差异。阐明不同方法测得粒组成存在差异的原因,选择恰当的方法或者建立不同测定方法之间的换算关系,对准确地确定土壤粒度组成具有重要意义。采用5种方法对5种土壤样品进行粒度测定,结果表明：吸管法测得平均粒径最小,且细颗粒含量较高;扫描电镜法测得平均粒径最大,且粗颗粒含量较高;除CaCO₃含量最高的土壤样品外,其他4种土壤样品用不同测定方法测得的粒度分布范围大致相同。吸管法与激光衍射法测得颗粒含量之间存在显著相关关系,扫描电镜法与筛析-激光衍射法的粗颗粒之间也存在显著相关关系。筛析-激光衍射法的测定结果适用于土壤风蚀研究,扫描电镜法适用于测定粒度分布范围较窄的土壤样品,激光衍射法适用于测定团聚体较少的土壤样品。     

基于流深和弯道超高的泥石流淤积范围划分

针对缺乏大比例尺地形图和历史灾害资料记录的地区,提出一种沟谷型泥石流淤积范围划分新方法。方法假定峰值流量时泥石流形成最大淤积范围,泥石流纵向淤积远端为堆积扇前缘。泥石流沟口过流断面最大平均流深(h0)被假定为堆积扇上其他过流断面的特定流深,h_0由峰值流量和沟口断面参数估算得到。利用堆积扇地形图,在相邻两条等高线间获得由h0确定的泥石流特征过流断面的位置和宽度,并对弯道处的特征过流断面宽度进行弯道超高修正。根据堆积扇上特征过流断面的分布确定泥石流淤积范围。3条泥石流案例用于方法验证,结果表明方法划定的淤积范围与实际淤积范围较一致,堆积扇上房屋的阻挡和局部相对平坦的地形是误差产生的主要原因。该方法具有操作简单、快速、客观、可重复的特点。