人工阶梯-深潭破坏案例与稳定性分析

通过2006—2010年4个修建人工阶梯-深潭系统的治理山区河流案例,总结其治理效果和最终破坏原因.以单个阶梯为分析对象,给出其受力表达式,建立单个阶梯-深潭的简化稳定性模型,进而分析来流量和冲刷角变化对其稳定性的影响.单个阶梯的稳定性取决于关键石块粒径、河道坡降、流量和冲刷角.洪水期的洪峰流量和阶梯下游冲刷是阶梯破坏的主要原因,上游来流量增加和冲刷角越大,阶梯越易发生破坏.人工阶梯-深潭系统在洪水期的稳定性是其发挥长期治理效果的关键.     

阶梯-深潭系统的水力特性

阶梯-深潭系统是山区河流中常见的河床形态,具有稳定河床和消能减灾的作用,其水力特性较为复杂。在温峡水库下游温峡河修建典型的阶梯-深潭系统开展野外实验以研究阶梯-深潭系统的水力特性。利用先进的高频声学多普勒流速仪测量阶梯-深潭系统阶梯上游、阶梯上、深潭中和沿深泓线的水力特性。实验在10 L/s、50 L/s、100 L/s、150 L/s、290 L/s 和 420 L/s 6种流量工况下进行。实验结果表明:阶梯-深潭系统流场尤其是深潭流场具有很强的三维性,阶梯上与深潭中水力特性相差很大。阶梯上沿流向的时均流速远大于横向和垂向的时均流速,三向紊动强度处在一个量级且较小。深潭中的时均流速比阶梯上小,但紊动强度远大于阶梯,紊动强度随流量变大增大。实验工况下,阶梯上的相对紊动强度在0.1左右,深潭中则最大超过8.0。随着水流从阶梯上跌入深潭,机械能大量转化为紊动能消耗。实验流量范围内,雷诺应力随流量小幅增大,深潭中的雷诺应力约为阶梯上的50倍。阶梯-深潭系统消能率在实验工况下为64%~91%。     

汶川地震后四川省绵竹市清平乡文家沟泥石流灾害调查研究

在2008年5月12日汶川地震后的地震灾区暴发了许多泥石流灾害,其中以四川省绵竹市清平乡文家沟泥石流最为显著。文家沟原来不是泥石流沟,在汶川地震时由于滑坡形成的巨大的滑坡-碎屑流堆积体改变了文家沟的泥石流形成条件,在此后的3个雨季内,文家沟先后暴发了5次大规模和特大规模的泥石流灾害,其中以8 13文家沟泥石流规模和危害最大。8 13文家沟泥石流暴发时的总降雨量为227mm,泥石流持续时间约2.5h,泥石流总量约310104m3; 泥石流造成7人死亡, 5人失踪, 39人受伤, 479户农房被掩埋,直接经济损失4.3亿元。5次大规模和特大规模的泥石流以及洪水仅带走了16%的可以很容易形成泥石流的滑坡-碎屑流堆积物,文家沟如再遭遇较大降雨还会暴发泥石流。即使在今后的雨季中暴发几次规模如8 13泥石流一样大的特大规模泥石流,文家沟在较大降雨下仍然可能暴发泥石流灾害,因此对文家沟泥石流的防治工作将是一个长期的工作。     

碰撞作用下单个阶梯-深潭稳定性模型

阶梯-深潭系统是山区河流广泛分布的控制性河床结构,泥沙输移过程中大颗粒碰撞阶梯关键石块,使其发生位移,强烈影响阶梯-深潭的稳定性。以单个阶梯-深潭的关键石块为研究对象,重点考虑碰撞对阶梯-深潭的影响,量化来沙中大颗粒碰撞作用并改进稳定性理论模型,利用新模型分析阶梯-深潭的临界条件和破坏机制。来沙颗粒对关键石块的碰撞作用受自身粒径、运动速度和阶梯下游冲刷程度影响且皆为正相关关系。颗粒撞击减小阶梯失稳临界流量,且参与碰撞的石块粒径越大,减小作用越明显。当η> 0.55时（η=D₁/D,D₁为碰撞石块粒径,D为关键石块粒径）,临界流量下降幅度达到50%以上,表明来沙中卵石漂石对阶梯-深潭稳定性发挥主要影响。山区河流发生低频率洪水或滑坡泥石流,向下游河道输运大粒径石块并与阶梯碰撞,显著增大转动合力矩并降低失稳临界流量,使得单个阶梯-深潭更易达到临界条件发生破坏。     

推移质输沙对阶梯-深潭系统消能的影响

阶梯-深潭系统是山区河流上一种河床结构形态,具有稳定河床和消能减灾的作用。推移质运动会影响水流结构并改变河床形态,从而影响阶梯-深潭系统的消能效率。在野外构建阶梯-深潭系统,通过人工加沙试验,研究不同来水来沙对阶梯-深潭系统流场及消能的影响。研究表明,推移质运动使阶梯上紊动略增强,深潭中紊动大为减弱,从而使阶梯-深潭系统消能率降低。推移质运动的增强改变水流能量分配,其消能附加作用使阶梯-深潭结构消能降低和深潭淤埋。     

西南山区河流阶梯-深潭系统的生态学作用

山区河流发育的阶梯—深潭系统具有显著的生态学作用。阶梯—深潭系统增大水流阻力和河床抗冲刷力,稳定了河床和岸坡。大卵石堆积成阶梯,细颗粒泥沙在深潭河段的缓流滞流区沉积下来形成淤泥层,形成适宜多种生物的栖息地。选择小江支流——深沟、蒋家沟和小白泥沟,以及四川九寨沟和金沙江进行野外实验、取样分析。结果发现阶梯—深潭系统较发育的深沟和九寨沟底栖动物密度高达552个/m2,生物量高达5.96 g/m2。而邻近的小白泥沟和蒋家沟底栖动物密度仅0.75个/m2,生物量不到0.006 g/m2。考虑河流不同部位底质、水深、流速等特性,提出了生物栖息地多样性及其计算方法,研究发现大型无脊椎动物的生物多样性随栖息地多样性增加而增加。利用阶梯—深潭系统治理山区河流,既能保持河道稳定,又能维持较高的生物多样性,保持健康的河流生态系统。     

阶梯-深潭结构对沟道稳定性的作用机制

阶梯-深潭结构是山区河流中典型的高效消能结构,以消耗水能、增加阻力的方式提升沟道稳定性。通过水槽试验模拟沟道冲刷,探究阶梯-深潭结构稳定沟道的机制及效果,为山区河流消能减灾和稳定河床提供科学和技术参考。结果表明：阶梯-深潭结构能有效消耗水流能量、抑制泥沙输移和提升水流阻力,从而有效控制河床下切和边坡破坏;在阶梯-深潭结构的作用下,沟道的Darcy-Weisbach系数约增加为无结构条件下的4倍,时均输沙率降低20%～66%,但随着流量的增大,阶梯-深潭稳定沟道的效果降低;阶梯高度与长度比(0.1)相同时,结构提升沟道稳定性的效果接近。阶梯-深潭结构自身的稳定是其稳定沟道的关键条件,实际应用过程中需防止结构发生逐级破坏。     

汶川震区文家沟泥石流成灾机理与特征

文家沟位于绵竹市清平乡,属于5·12汶川Ms8.0级地震极重灾区.地震发生后的3个汛期内,文家沟曾先后发生5次典型泥石流灾害,其中以2010年8月13日泥石流灾害最为严重,规模与灾情巨大,社会影响深远.在对文家沟泥石流跟踪调查的基础上,探讨了泥石流的成灾机理和特征.研究表明:(1)文家沟泥石流是地震和强降雨共同作用的结...     

城市泥石流沟的治理启示——以深沟为例

为研究典型工程措施在泥石流沟治理中的作用及影响,结合野外调查及历史资料,对云南东川城区的深沟泥石流治理进行总结：深沟在一系列坝系群建设和多年植树造林的治理下,发育了一定规模的阶梯一深潭系统,使沟道阻力明显增强（经测河床结构强度5p达0．3以上）,消减了泥石流能量,并保护河床不被侵蚀下切,岸坡稳定;而另一方面林草生长能提...     

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。     

汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值

搜集了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨数据,采用詹氏法和修正法两种雨场分割法对其进行处理,研究了降雨参数（降雨强度、累积雨量和降雨历时）与泥石流发生之间的关系,建立了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值模型。结果表明:采用詹氏法和修正法这两种雨场分割方法所获得的降雨参数之间存在差异。两者的累积雨量差异不大,但后者的平均雨强要小于前者,其原因在于修正法改善了詹氏法估计降雨时间过短的缺点,延长了降雨历时。通过分析平均雨强~历时、累积雨量~历时、标准化平均雨强~历时和标准化累积雨量~历时之间的关系,采用单线法建立了汶川震区暴雨泥石流发生的降雨阈值。研究成果在四川省绵竹市清平乡的泥石流灾害事件中进行了应用与验证,结果表明该方法具有合理性和可行性。     

强震条件下谢家店滑坡碎屑流发生机制试验研究

谢家店滑坡是5.12汶川大地震触发的较为典型的高速远程滑坡之一。通过滑坡岩体碎屑动荷载力学试验以及微结构特征分析,初步探讨了强震条件下滑坡碎屑流发生的动力学机制。结果表明:红色正长花岗岩的空隙和裂隙的发育程度均高于黑褐色砂岩;随着应变速率的增加,两种岩石的抗剪强度都有相应增加的趋势,且黑褐色砂岩的强度高于红色正长花岗岩;在加载速率持续增长的情况下,两种试样抗剪断强度拟合直线斜率相同,故强度增长速率相等;汶川地震使两种岩石均达到了其抗剪强度,所以岩体的剪切破坏是导致该滑坡发生的主要原因之一。     

汶川震区暴雨泥石流激发雨量特征

利用搜集的汶川震区典型泥石流暴发前后的降雨过程资料,分析了泥石流的激发雨量过程,获得了汶川震区的泥石流激发雨量特征,以期为泥石流的预测预报提供依据。结果表明,汶川地震区的泥石流激发雨型可分为快速激发型、中速激发型和慢速激发型3类,其差异主要体现在降雨的持续时间和强度方面。不同激发雨型下的泥石流形成过程的差别主要体现在松散土体饱和过程。雨型的差异(降雨的持续时间和强度)使得土体饱和产生超渗产流的时间出现差异,进而使得泥石流暴发的时间存在差异。激发雨强跟激发雨型存在一定的关系,激发雨强最大者为中速激发雨型,其次是慢速激发雨型,最小者为快速激发雨型。与地震之前相比,地震后的泥石流暴发时的累积雨量和临界雨量都有所降低。     

汶川震区狭陡型泥石流典型特征与防治

汶川MS 8.0强震发生6年来,震区暴发了数量众多、类型多样的泥石流灾害,其中一类可总结为"狭陡型泥石流",其特征指标及防治对策与震前常规泥石流存在显著差异,给灾后重建和灾害防治技术提出了新的命题。在对(极)重灾区泥石流活跃的五大片区(汶川、都江堰、绵竹、北川、安县)进行大量现场调查和资料分析的基础上,提出了强震区狭陡型泥石流的概念并给出定义,提炼了其在形成、活动及危害等方面的典型特征;通过工程实践,分析了其独特的治理难点及相应的防治对策,介绍了几项极具适应性和有效性的防治新技术,可为强震扰动区泥石流治理研究和工程设计提供一类新的思路和借鉴。     

汶川地震极震区泥石流物源动储量统计方法讨论

本文总结了汶川地震灾区泥石流物源的主要类型,即:滑坡堵沟型物源、崩塌覆盖型物源、碎屑坡积型物源。根据三类物源参与泥石流活动的特点,建立了泥石流动储量的启动地质模式,沟谷下切侵蚀堵溃式和沟谷侧缘侵蚀滑坍式。在此基础上,选择地震灾区44处泥石流为样本,采用数学统计方法获得了总物源量与动储量的相关性,基本呈线性关系。总物源量为50×104m3以内时,动储量可达到15%;总物源量为100×104m3以内时,动储量可达到30%;总物源量为200×104m3以内时,动储量可达到37%;总物源量超过300×104m3时,动储量可超过40%。根据动储量的启动地质模式,本文还提供了计算单体动储量的图解法。     

汶川震区北川县泥石流流域崩滑体时空演变特征

2008年5月12日的汶川大地震引发了大规模同震山体滑坡,随后的强降雨又引发新的山体滑坡,滑坡形成的松散固体物质成为后续泥石流灾害的主要物质来源。为探究强震区泥石流流域崩滑体时空演变特征,文章以北川县魏家沟等8条泥石流流域为例,选取8期遥感影像（2008年震后、“9.24”泥石流发生后、2010年、2011年、2013年、2014年、2015年、2016年）,分别解译崩滑体,统计其空间分布特征。此外,利用归一化植被指数（NDVI）计算研究区内植被覆盖度（VFC）及植被覆盖度恢复率（VCRR）。结果表明：研究区内崩滑体发育面积在强降雨作用后达到峰值,随后呈稳定恢复状态,面积逐年减小。崩滑体在高程900~1 100 m范围、坡度30°~45°范围、坡向90°~135°范围、距沟道150 m范围内发育面积最大。流域内植被覆盖度在2008年“9.24”泥石流灾害后最低,随后呈稳定恢复。自震后到2010年的时期内,植被覆盖度恢复率中等以下区域较多,植被恢复程度较低。2011年之后,流域内大多区域处于植被覆盖度恢复率中等以上等级,植被恢复程度较高。到2016年,研究区植被覆盖度已恢复至较高水平。研究表明：除地层岩性、微地貌等因素影响外,植被对泥石流活动性具有一定的抑制作用。     

A two‐phase SPH model for debris flow propagation

This paper presents a model which can be used for fast landslides where coupling between solid and pore fluid plays a fundamental role. The proposed model is able to describe debris flows where the difference of velocities between solid grains and fluid is important. The approach is based on the mathematical model proposed by Zienkiewicz and Shiomi, which is similar to those of Pitman and Le and Pudasaini. The novelty of the present work is the numerical technique used, the smoothed particle hydrodynamics (SPH). We propose to use a double set of nodes for soil and water phases, the interaction between them being described by a suitable drag law. The paper presents both mathematical and numerical models, describing the main assumptions and their limitations. Then, the model is applied to (1) a simple case where shocks and expansion waves appear, (2) a dam break problem on a horizontal plane with a frictional soil phase, and (3) a debris flow which happened in Hong Kong. The main conclusions that can be drawn from the applications are:

1. Debris flows having 2 phases with important relative mobility present a rich structure of shocks and rarefaction waves, which has to be properly modeled. Otherwise, the model will have numerical damping or dispersion.
2. Dambreak exercises provide interesting information in simple and controlled situations. We can see how both phases move relative to each other.
3. Real debris flows can be simulated with the proposed model, obtaining reasonable results.

     

四川省北川县赵家沟地震次生泥石流形成条件分析

赵家沟位于北川县擂鼓镇坪上村西北侧,属汶川地震极重灾区,在地震发生前为一般性清水沟或洪水沟。由于地震的影响,流域内发育了多处滑坡和崩塌,斜坡上和沟道中堆积了大量松散固体物质。在2008年9月24日暴雨的作用下,赵家沟流域发生了百年不遇的泥石流灾害,成为地震次生泥石流沟。通过现场实地调查和室内分析,对地震次生泥石流灾害形成的地质地貌条件、物源条件和水源条件进行了分析。表明地震次生泥石流灾害的发生频率和规模有可能加大,其危险性由于松散固体物质的增大而上升,这是地震次生泥石流灾害显著的特征。     

藏东南部泥石流堵河试验研究

通过模型试验对泥石流入汇主河后堵塞坝形成过程以及堵塞坝体溃决后主河河床形态特征进行了研究。实验历时3个月,共13组试验。在支主沟交汇角为90°的情况下,通过改变支沟泥石流容重、支主沟的流量比和动量比,建立了泥石流堵河的判别公式,当r>1 001.16时容易发生堵河现象,并对培龙沟两次泥石流堵河事件进行了判定;定义了主河的束窄率S与主河流速变异系数Fv,并发现了主河的束窄率与支主沟动量比之间存在线性关系;主河稳定后的平均宽度与流速变异系数之间存在幂的关系。该实验能够较好地模拟泥石流堵塞坝形成的过程,结果比较合理,并为泥石流灾害的防治提供了相应的理论基础。     

低频泥石流特征及防治 --以四川汶川县茶园沟为例

低频泥石流指30a以上发生1次的泥石流。尽管发生频率很低，但由于自身的特征及人们认识上的原因，其造l戒的人员伤亡和财产损失却居各类泥石流之首。对低频泥石流的研究在预防和减轻泥石流灾害方面有着重要意义。文章以2003年8月9日发生在四川汶川县茶园沟的泥石流为蒯，采用形态调查法和称重法等方法确定了流量、流速及重度。分析了其物质来源及形成的自然和人为原因，探讨了低频泥石流的特征。针对低频泥石流的低频性、破坏性和隐蔽性特点，同时考虑到低频泥石流沟的防治受保护对象的重要程度及资金投入等因素的限制，提出了进行泥石流危险性分区、搞好小流域水土深持、普及泥石流防灾减灾知识及加强监测和预警预报等措施，这对减轻低频泥石流区的灾害有一定的借鉴意义。