基于旋转水槽试验的水下泥石流底部水压研究

水下泥石流的低阻力运动特性研究是研究水下泥石流运动机理的重要内容,水下泥石流底部的水压对泥石流运动阻力有重要影响。为此,采用旋转水槽实验室模拟水下泥石流的低阻运动,实测水下泥石流视摩擦角;采用新开发的测量系统,实测水下泥石流底部的水压,评估水下泥石流底部的静水压和附加水压。试验结果和理论分析表明,在水下泥石流底部的附加水压与水下泥石流的低阻力运动密切相关:水下泥石流密集流的最大厚度为12 mm的条件下,附加水压最大值达69 Pa。研究成果为揭示水下泥石流低阻力运动机理提供实验依据,新开发的测量系统为低阻力运动泥石流的水压测量开辟新途径。     

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。     

沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响

泥石流作为非牛顿体,屈服应力大,运动过程通常不稳定。前人建立了许多模型来研究沟床揭底和堰塞体溃决对泥石流不稳定动力过程的影响,沟岸侧蚀对泥石流不稳定动力过程的影响研究较少。通过侧蚀为主的模型和完全底蚀的模型两种水槽实验的对比,针对泥石流的动力过程展开研究。实验发现两种工况条件下泥石流正应力和孔隙水压力随着龙头高度沿程波动性的增长而相应地波动性增大,但侧蚀作用使得这种波动特征更加明显。通过力学分析,证明侧蚀作用导致泥石流龙头的阻力更大,但是龙身颗粒和龙头颗粒的速度差更大,使得龙头附加坡降更大,因此,侧蚀作用使得泥石流龙头的平均速度更快。泥石流龙头浓度和容重的不断增大,使得阻力不断增大,阻力和动力的动态平衡关系是泥石流不稳定运动的原因之一。     

粘性泥石流的平均运动速度研究

粘性泥石流是泥石流类型中最常见也是危害最大的类型,泥石流的运动速度是泥石流的动力学参数中最重要的参数,因此准确而简洁地计算粘性泥石流的运动速度就显得非常重要。不同的泥石流地区的泥石流阻力有很大的不同:有的地区阻力较大,属于高阻力地区,泥石流运动速度较低;有的地区阻力较小,属于低阻力地区,泥石流运动速度较高。目前的粘性泥石流平均速度公式还不能兼顾计算所有地区的不同阻力类型的泥石流速度。泥石流的不均匀系数在不同的泥石流地区有很大的不同：不均匀系数小的地区阻力大,而不均匀系数大的地区阻力小,因此可以用不均匀系数划分泥石流沟的阻力特征,从而得到能兼顾所有不同地区的泥石流阻力规律。由一系列野外观测资料得到的由泥石流不均匀系数、泥石流运动底部纵比降和水力半径计算的粘性泥石流运动平均速度经验公式,能适应各种类型的泥石流沟,与其它系列的观测资料对比有很好的一致性,与粘性泥流的观测资料对比也很接近。由流体流动的福劳德数可以确定流动的缓急程度。一般的粘性泥石流都是急流,少数是缓流,极少数是运动速度非常缓慢的容重过大的粘性泥石流。粘性泥石流运动平均速度经验公式用于一般急流的粘性泥石流的速度计算结果很好,但不适用于容重过大的缓慢流动,对于缓流粘性泥石流速度计算偏大。在对泥石流的评估和治理中,平均速度公式可以用于泥石流堆积扇上游渠道中的粘性泥石流速度计算,对泥石流堆积扇上的粘性泥石流速度计算偏大,不适用于缓慢流动粘性泥石流,但在对泥石流的危害评估和治理中可以忽略缓慢流动的发生。     

陕西泾阳“3·8”蒋刘黄土滑坡成因及运动特征分析

2016年3月8日上午泾阳南塬蒋刘村附近发生一起黄土滑坡-泥流。调查发现:滑坡区地下水位已经到达了坡脚,多处出现冒水点,地表垂直溶蚀裂缝发育,同时后缘深部多处可见贯通的裂隙,为水流入渗提供了优势通道。测试了滑源区土体体积含水量,发现滑坡区古土壤的隔水效应很强,导致古土壤层形成滞水层,黄土层开始积水,形成高含水量带,从而形成易滑层,导致“3·8”蒋刘黄土滑坡失稳。利用LS_RAPID软件对滑坡的运动过程进行了分析,结果显示:整体运动过程分为4个阶段:0~4.0 s为滑坡的启动阶段,坡体迅速坍塌,最大速度达到了10.3 m·s-1;4.0~4.9 s为坡体与地面的接触碰撞阶段,滑体开始减速,在4.9 s的时候减到了7.3 m·s-1;4.9~6.7 s为二次加速阶段,滑坡体在平坦的阶地上形成了泥流,加速前行,最大速度达到了18.4 m·s-1;6.7~29.5 s为减速停止阶段,滑坡动能逐渐散尽,运动停止。滑坡最终滑动距离达到275 m,滑动时间29.5 s,滑动距离与堆积范围和野外调查基本一致。     

汶川地震触发文家沟高速远程滑坡-碎屑流成因机理分析

文家沟高速远程滑坡-碎屑流位于映秀—北川断裂带与灌县—安县断裂带夹持的文家沟向斜断块中,地震断裂的强烈活动引起的振动效应是形成滑坡的先决条件。滑坡源区顶端与文家沟沟口高差约1360m,突兀山体下临深切峡谷的地形使地震动荷载在山脊部位的放大效应显著,并直接导致坡体破坏;滑坡源区的地震动加速度3分量峰值分别为aEW=2.4g,aNS=2.3g,aUP=1.2g。D2gn观雾山组石灰岩斜坡具有强度渐进式分层结构,坡体表层以下约50m内的结构相对松散的残坡积层～新鲜岩体上部无法抵抗地震纵横波的周期性拉压与剪切耦合作用,被切割成为初始滑体;滑体在第八级台地边缘高位剪出后,在文家沟上游地区最高滑移速度约介于93m.s-1～122m.s-1之间。滑体上部的干碎屑流在两处路径转折端瞬间压缩沟谷内的圈闭气体,形成明显的"气垫效应",滑体下部泥石流底层液化和颗粒有效动摩擦系数随剪切速度增大而减小的效应都是导致碎屑流体高速远程滑移的关键;同时,碎屑物流通过程中还伴有明显的岸坡铲刮与翻越效应、以及树木摧削效应。汶川地震后截至2009年9月,降雨诱发碎屑堆积物形成多次泥石流,反映了地震地质灾害的链生性和长期性。     

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。     

直线型斜坡滚石运动速度特征研究

斜坡滚石运动速度特征与坡表覆盖层特征、滚石形状、坡面角度、滚石质量等主要因素有关,选择不同坡表覆盖层,对不同形状、质量的滚石,采用低角度直线坡段设计正交试验（L27（34））,研究斜坡滚石滚动状态下速度特征。分析得到滚石斜坡运动影响因子排序:坡表特性X1、坡角X3、滚石形状X2、滚石质量X4。回归分析得出斜坡滚石运动估算速度公式:vc=-7.85X10.50+0.47X23.22+2.97X30.24,与试验实测值进行对比,得出相对误差为8.2%,相关系数为r=0.92。利用回归方程分析单因素的影响趋势,结果表明:坡表特征与速度有明显线性负相关关系、滚石形状与速度呈上凹型曲线、坡角与速度呈下凹型曲线的数学关系。通过现场试验,实测得到斜坡滚石速度计算简化修正公式v=v0+(L/2.45) vc,对比验证与实测结果吻合较好,证明了本文计算公式对于总体平直、角度局部变化的直线型斜坡的适用性和有效性。所得成果可估算斜坡滚石的速度与冲击能量,对滚石防治措施的选择有参考价值。     

云南贡山818特大泥石流灾害调查分析与启示

本文是在野外调查的基础上,结合遥感解译数据,通过对地质环境背景分析,详细阐述了东月各河泥石流灾害的成因与特征:远距离、大坡降、窄峡谷的地形条件以及平直的沟道,为本次泥石流的发生提供了强有力的地势条件; 流域上游大量的松散堆积物为本次泥石流的暴发提供了充足的物源; 泥石流历时2273s,流速4.62ms-1,流量1008m3s-1,在沟口形成长度约300m、最大宽度约400m的堆积扇,冲出方量约60.5104m3,一次冲出固体物质总量41.95104m3,泥石流流体具结构性,直进性强,运动中无垂直交换,浆体浓稠,浮托力大,具有明显的辅床减阻作用和阵性运动特征,泥石流容重2.04gcm-3,属于特大型黏性泥石流; 泥石流在距沟口2.5km的弯道处超高现象比较明显,其高度为4.1m,泥石流整体冲击力为64.01kN,单块块石最大撞击力为491.27tf; 东月各河泥石流具有高落差、大坡降、窄峡谷、大体量、高速度、远距离的特点,其隐蔽性、突发性和破坏性极强,属于典型的高位泥石流。对该泥石流的形成机理和运动特征分析,可为整个怒江流域,乃至西南高山峡谷区高位泥石流灾害的早期识别、监测预警与风险评价等提供科学依据。     

泥石流防治对策与新方法

基于云南地质灾害防治历程和云南高原泥石流防治面临的问题,提出了资源与环境理念的泥石流防治对策与新方法。泥石流防治的基本对策是实施泥石流全流域地质灾害链的系统防治;其目标既要减灾防灾,同时保护土壤资源,兼顾实现砂石料与土壤资源的开发利用,还要避免形成堰塞湖及河湖淤积等新的环境问题;泥石流防治一是通过水土保持工程技术改善流域生态环境,减缓泥石流蓄势速度(可流动松散物质的积蓄速度),二是科学分离和处理泥石流固体物质,变“拦挡、疏排”为“拦淤、清淤”,将泥石流泥沙作为资源开发利用,将“固床、护岸,拦挡、疏排”改进为“保土、稳坡,固床、护岸,拦淤、清淤”。     

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。     

淋雨对桂林鲕粒灰岩溶蚀机理的实验研究

灰岩在自然环境下易发生溶蚀,其中水是引起灰岩发生溶蚀的重要因素。在淋雨试验箱内利用纯净水冲刷鲕粒灰岩表面,研究动力水对鲕粒灰岩溶蚀的机理。实验共进行1200 h,每隔120 h（即为1个循环）后,测试试块的表面微观形貌、质量和波速等参数,并基于起伏度变化计算溶蚀速率。微观形貌的测试结果表明,淋雨可以导致试块表面的方解石基质溶解与鲕粒脱落。其中,第1~4次循环间,试块表面方解石基质缓慢溶解,溶蚀速率为0~0.05 μm ·h-1;第5次循环时,试块发生鲕粒脱落,溶蚀速率增大到0.08~0.47 μm ·h-1;第6~10次循环间,方解石基质缓慢溶解,溶蚀速率为0~0.06 μm ·h-1。同时,弹性波速在整个淋雨循环过程中没有变化,表明灰岩试块的内部没有发生劣化。     

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%。     

新疆维吾尔自治区乌恰县康苏红层崩塌运动学特征研究

以新疆维吾尔自治区乌恰县康苏红层崩塌为例, 基于DAN-W运动学模型进行了红层崩塌碎屑流空间预测评价, 同时根据无人机航拍图和野外地质现场调查, 结合崩塌研究区的工程地质要素, 分析该崩塌的形成特征和失稳模式。结果表明:该崩塌为拉裂式崩塌, 主要受危岩体岩性组合和坡体结构面组合控制, 其孕灾模式为差异风化阶段→岩体结构变形破坏阶段→悬挑危岩阶段→崩塌失稳落下阶段, 具有典型的碎屑流运动特征。同时利用动力学模型软件DAN-W对该崩塌碎屑流的运动过程进行计算, 得到崩塌碎屑流的运动时长约为50 s, 堆积体平均厚度达到2 m, 最大速度为11.5 m·s-1, 冲击最远距离达到315 m, 与实际情况相符。表明DAN-W模型可以用来分析红层崩塌碎屑流的动力学灾害效应, 为红层地区类似的潜在崩塌碎屑流灾害的形成特征和运动效应分析提供借鉴。     

降雨对浅层水流阻力的影响

通过实验室人工降雨水槽试验,研究了降雨影响下浅层水流的阻力规律。根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析,讨论了降雨对浅层水流特性的影响,提出了"伪层流"的概念,建立了不同流区的Darcy-Weisbach阻力系数∫的估算式。研究成果可用于坡面流计算及土壤侵蚀模拟等方面。     

舟曲“8．8”三眼峪特大泥石流特征值分析

在对甘肃省舟曲县“8．8”特大泥石流调查的基础上,分析计算了三眼峪泥石流的静力学和动力学特征值。三眼峪泥石流重度介于2．O～2．15t／m^3之间,属于黏性泥石流;支沟大眼峪和小眼峪坡降大,谷底窄,泥石流流速比主沟流速大,最大流速达9．2m／s,流通区积蓄能量巨大;主沟最大流量位于大眼峪沟与小眼峪沟交汇处（峪门口）,流量达1830m^3／s,一次最大冲出量为152×10^4m^3,泥石流规模为特大型;三眼峪沟泥石流冲压力最大为小眼峪沟沟口断面处,冲击力为245kPa;实测泥石流堆积扇中石块最大粒径为11．2m,计算三眼峪沟泥石流中石块最大运动速度达15．06m／s。特征值分析结果可为舟曲泥石流灾后重建过程中工程设计提供重要依据。     

泥石流的二维数学模型

泥石流是在重力作用下,由砂粒石块和水等组成的固液混合物,是一种发生于山区的复杂的地质灾害现象。泥石流主要是由暴雨诱发引起的,它沿着复杂的三维地形高速流动,具有流体流动的特性。为了模拟泥石流的运动规律,预测降雨诱发的泥石流的到达距离和泛滥范围,减少和避免泥石流引起的灾害,把泥石和雨水组成的固液混合物假定为遵循均匀、连续、不可压缩的、非定常的牛顿流体运动规律。基于质量守恒方程和Naiver-stokes方程,采用深度积分方法,推导出了一个模拟泥石流运动的二维数学模型。所有方程式可用有限差分法来求解。结合GIS,该模型可用于预测泥石流的流动距离和泛滥范围,以及泛滥范围内的危险房屋和路段,也可以用于泥石流灾害的风险性分析。     

天然淡水冰断裂韧度的试验研究

为满足按照断裂力学方法进行静冰压力分析的需要,对淡水冰的断裂韧度进行了系统的试验研究.三点弯曲试件采用天然原型冰制作,试验温度为-2℃和-8℃,应变率为6.25×10-5s-1、6.25×10-6s-1和6.25×10-7s-1,在已公开发表的文献中这是很少涉及的试验参数条件.结果显示:S1型柱状晶粒冰的断裂韧度随着应变率的降低和温度的升高而增加,KIC=86.2～226.0kPa·m1/2,比通常在较低温度和较高速率条件下的测量值有显著的提高.     

基于数值模拟的耳阳河流域泥石流灾害危险性评价

洮河流域中游位于甘肃省南部,属泥石流高发区。耳阳河是洮河流域中游的一条重要支流,泥石流灾害尤其严重。为研究甘肃省南部小流域泥石流灾害的危险性,以耳阳河流域为研究对象,选取流域内居民相对集中的6条泥石流沟,用FLO-2D模型模拟了2012年5月10日实际降雨条件下的泥石流运动特征和堆积特征,得到了泥石流流量随时间的变化曲线、泥石流流体深度和流速在沟谷不同地段的空间分布,对“5·10”泥石流灾害过程进行了重现。模拟结果表明:泥石流爆发15～30 min后达到洪峰,约3 h后流量逐步回落;泥石流流动速度在流通区快,到沟口迅速下降,固体物质淤积阻塞河道。通过野外现场调查和遥感解译,发现模拟得到的泥石流发生过程、堆积区分布、泥石流影响区与现场调查和访问得到的实际情况基本相符。进而,采用相同的方法和参数,对2.0%和0.2%降水频率下泥石流的堆积范围、深度和流速进行了模拟分析,分别制作了上述工况下的泥石流危险性分区图,圈定了潜在威胁较大的人口聚集区,为耳阳河流域泥石流灾害的预防和治理提供了依据,也为类似泥石流提供了一种危险性分析的技术方法。     

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.