沟床起动型泥石流预报研究

贵州省望谟县2011年6月6日暴发了特大山洪泥石流,其中暴雨中心所在的打易镇多处暴发泥石流。短历时强降雨激发了沟床起动类型的泥石流。本文通过对贵州望谟河流域群发泥石流的调查,得出该流域的66条沟中,22条沟无沟床起动类型泥石流暴发,25条沟暴发沟床起动类型泥石流,还有19条沟无法确定是否有沟床起动类型泥石流暴发。在前期工作基础上,提出了地质条件和降水条件因子的改进方法;并在前期工作的3大条件（地形条件、地质条件和降水条件）之间的关系基础上,由贵州望谟群发泥石流数据得出改进沟床起动类型泥石流的临界值,提出了泥石流的预报模型。本文模型在我国西南地区的泥石流验证中非常成功,为泥石流的预报提供了一个新方法。预报模型中的地形因子和地质因子还可以判断泥石流流域的暴发频率,为正确地判断泥石流流域的特征打下了基础。预报模型也可以估算泥石流的暴发规模,为定量地预测泥石流危害范围提供了依据。     

暴雨型泥石流预警模型初步研究

2010年8月13日四川都江堰市龙池地区暴发了特大规模的群发性暴雨型泥石流过程,给龙池地区的震后恢复重建带来了巨大的灾难,因此,研究该区泥石流发生机理和预警十分必要。本文在总结前人关于泥石流暴发与降雨条件研究成果基础上,发现泥石流物源含水量及地表径流流深等是导致流域内松散物源启动的主要原因。根据其前期降雨量和有效降雨强度等特征,建立了泥石流流域物源土体颗粒个别启动、局部启动和大量启动的判别式,建立了适合该区域暴雨泥石流预警模型,将可能诱发泥石流暴发的不同降雨条件划分为蓝、黄和红色3个危险等级,为该区泥石流监测预警提供了科学依据。     

暴雨型泥石流预警模型初步研究

2010年8月13日四川都江堰市龙池地区暴发了特大规模的群发性暴雨型泥石流过程,给龙池地区的震后恢复重建带来了巨大的灾难,因此,研究该区泥石流发生机理和预警十分必要。本文在总结前人关于泥石流暴发与降雨条件研究成果基础上,发现泥石流物源含水量及地表径流流深等是导致流域内松散物源启动的主要原因。根据其前期降雨量和有效降雨强度等特征,建立了泥石流流域物源土体颗粒个别启动、局部启动和大量启动的判别式,建立了适合该区域暴雨泥石流预警模型,将可能诱发泥石流暴发的不同降雨条件划分为蓝、黄和红色3个危险等级,为该区泥石流监测预警提供了科学依据。     

基于HUBEX试验资料的土壤水时空分布模拟

利用全球能量与水循环（ＧＥＷＥＸ）亚洲季风试验（ＧＡＭＥ）区淮河流域试验（ＨＵＢＥＸ）１９９８年观测数据,在构建数字流域的基础上,运用新安江模型时ＨＵＢＥＸ水强化观测区－史灌河流域的水过程进行模拟,不仅检验了流域出口断面的流量过程,而且检验了土壤水状态变量的时空变化过程。结果表明,新安江模型中表达土壤湿度指标的土壤蓄水量计算值能够反映土壤水分的时空变化过程,这从一个侧面证明了新安江模型土壤湿度     

不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的分析——特大型泥石流灾害发生的思考

通过对特大型泥石流灾害发生的思考,详细分析了蒋家沟1995—1997年43场泥石流暴发的不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的关系。分析结果表明：泥石流的产沙规模与不同权重降雨的入渗范围、深度的土体极限应力状态（C、Ф、P,）有关。根据不同权重的前期和始发日降雨量与泥石流产沙规模的关系,可以将泥石流分为：土力型（A）和迳流型（B）两大类型。土力型（A）泥石流有24场占总样本的55．81％,而其产沙量却占样本总产沙量的85％。迳流型（B）泥石流有19场占总样本的44．19％,但该类泥石流的产沙量只占样本总产沙量的15％。     

汶川震区暴雨泥石流激发雨型特征

汶川地震后暴雨诱发的泥石流不断增加,通过收集整理降雨资料,分析汶川震区不同地域泥石流暴发的激发雨强及前期有效累计降雨量变化过程,揭示震区暴雨泥石流的激发雨型特征,为暴雨泥石流的预报提供科学依据。研究结果表明,汶川震区的暴雨泥石流激发雨型可分为短期突然降雨型、中期持续降雨型和长期间断降雨型3种类型,主要表现为引发泥石流的激发雨强及前期有效累计降雨量的不同。暴雨泥石流的形成机制体现为降雨导致流域内松散土体渗透、饱和及侵蚀移动的过程。激发雨型与激发雨强及前期有效累计降雨量存在相关关系,短期突然降雨型的激发雨强最大,前期有效累计降雨量最少;中期持续降雨型的激发雨强居中,前期有效累计降雨量最多;长期间断降雨型的激发雨强最小,前期有效累计降雨量居中。对四川茂县叠溪镇新磨村突发山体高位垮塌碎屑流进行验证,初步判定是由长期间断降雨型引发岩体抗剪强度降低而引起的。对不同激发雨型特征的研究能够为汶川震区泥石流监测预警提供科学依据。     

沟床起动型泥石流的10 min降雨预报模型

针对沟床起动型泥石流的诱发因素为高强度短历时的降雨,提出10 min降雨强度是这类泥石流暴发的关键。在1 h预报模型的基础上,基于云南蒋家沟的多年泥石流观测资料,修正了1 h预报模型的降雨参数,并得到了10 min降雨预报模型。10 min降雨预报模型在中国西部的其他流域,如云南浑水沟、贵州望谟县打易区域泥石流沟、四川三滩沟、四川雅安陆王沟和干溪沟、甘肃柳湾沟、甘肃马槽沟等流域的验证中,取得了较好的结果。10 min降雨预报模型是部分建立在泥石流的形成机理上的模型,并不是完全的统计模型,因此该模型也可以用于其他地区的沟床起动类型泥石流预报。     

四川都江堰龙溪河流域泥石流成因、特征和危险性评价

在汶川地震影响下,截至2011年龙溪河流域共计有45条泥石流沟暴发泥石流,造成重大经济财产损失.在龙溪河流域泥石流灾害野外调查的基础上,对形成泥石流的地形、降水、物源成因进行了研究,认为物源和降水是激发龙溪河流域泥石流的主要原因.龙溪河流域泥石流具有群发性和小流域暴发性特征,构造带耦合特征,破坏性大和灾害链作用特征.采用MFCAM模型对龙溪河流域泥石流沟进行危险性评价,结果显示有1条沟危险性大,14条危险性中等,30条危险性小.     

四川都江堰龙溪河流域泥石流成因、特征和危险性评价

在汶川地震影响下，截至2011年龙溪河流域共计有45条泥石流沟暴发泥石流，造成重大经济财产损失.在龙溪河流域泥石流灾害野外调查的基础上，对形成泥石流的地形、降水、物源成因进行了研究，认为物源和降水是激发龙溪河流域泥石流的主要原因.龙溪河流域泥石流具有群发性和小流域暴发性特征，构造带耦合特征，破坏性大和灾害链作用特征.采用MFCAM模型对龙溪河流域泥石流沟进行危险性评价，结果显示有1条沟危险性大，14条危险性中等，30条危险性小.     

元谋县9·17特大泥石流特征及形成机理分析

2016年9月15日8时至17日8时,连续强降雨导致元谋全县境内多处发生泥石流灾害,特别是2016年9月17日9时黄瓜园镇海洛村及朱布村发生特大泥石流灾害(简称"9·17"泥石流),造成严重损失。本文通过对雷弄大箐泥石流特征及形成机理分析,对预测未来泥石流的发生起很好的参考作用,为泥石流治理和防治提供依据。分析总结"9·17"泥石流灾害形成条件和特征,从降雨、地形和物源条件等方面对泥石流成因进行了研究。结果表明:丰富的前期降雨量,极高的日降雨量和短历时高雨强是泥石流的激发因素,充足的前期降雨量可以极大削弱物源地岩土体的强度;东山地区大部分泥石流沟的山坡坡度和沟床比降属于泥石流易发范围,地形条件有利于泥石流的形成;区内泥石流物质来源丰富,物源主要集中在区域性断裂和人类活动区附近,为箐沟暴发泥石流提供了必要条件。"9·17"泥石流是有利的地形、充足的物源和高强度的降雨共同作用的结果。     

云南东川蒋家沟泥石流形成内因初探

泥石流形成的因素众多,不仅与地形地貌、降雨特征、地震、人类活动等外部因素有关,还与泥石流岩土体自身的黏土矿物成分、颗粒级配、化学成分、土体分散性、地下水环境等内部因素密切相关。在室内对蒋家沟泥石流源区土体进行黏土矿物分析、颗粒分析、化学成分定量分析、分散度和ESP值测试、地下水分析,初步探讨了蒋家沟泥石流形成的内在原因,得到：蒋家沟泥石流体的黏土矿物成分以伊利石为主,占30 %,其化学成分也与伊利石接近;ESP值、分散度平均值分别达到24.6 %、59.1 %,属于高分散性土,且土壤贫瘠;地下水矿化度高,硬度大,破坏了岩土体自身的结构和稳定性,形成大量松散物质,为泥石流的形成提供丰富的物源。     

A hierarchical thermo‐hydro‐plastic constitutive model for unsaturated soils and its numerical implementation

Unsaturated soils are highly heterogeneous 3‐phase porous media. Variations of temperature, the degree of saturation, and density have dramatic impacts on the hydro‐mechanical behavior of unsaturated soils. To model all these features, we present a thermo‐hydro‐plastic model in which the hydro‐mechanical hardening and thermal softening are incorporated in a hierarchical fashion for unsaturated soils. This novel constitutive model can capture heterogeneities in density, suction, the degree of saturation, and temperature. Specifically, this constitutive model has 2 ingredients: (1) it has a “mesoscale” mechanical state variable—porosity and 3 environmental state variables—suction, the degree of saturation, and temperature; (2) both temperature and mechanical effects on water retention properties are taken into account. The return mapping algorithm is applied to implement this model at Gauss point assuming an infinitesimal strain. At each time step, the return mapping is conducted only in principal elastic strain space, assuming no return mapping in suction and temperature. The numerical results obtained by this constitutive model are compared with the experimental results. It shows that the proposed model can simulate the thermo‐hydro‐mechanical behavior of unsaturated soils with satisfaction. We also conduct shear band analysis of an unsaturated soil specimen under plane strain condition to demonstrate the impact of temperature variation on shear banding triggered by initial material heterogeneities.     

基于土壤水模型及站点资料的土壤湿度同化方法

基于非饱和土壤水模型和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)同化算法并结合陆面过程模型VIC发展了一个土壤湿度同化方案,并进行了理想试验及同化站点资料的同化试验。理想试验结果表明：扩展卡尔曼滤波方法能完整反演土壤湿度廓线,对土壤湿度的估计有较大改善;观测深度、观测层数和观测资料引入频率对同化结果有一定影响;加大观测频率,可以进一步改善同化效果。利用气象强迫驱动陆面模型VIC算出地表入渗条件而进行的同化站点资料的试验所得土壤湿度分布与观测资料基本吻合,反映了站点土壤湿度的月、季变化,表明该方案是合理的。     

利用微波侦测地下水位与河川变化

论文探讨藉由电磁波照射地表,从反射讯号中去判断地下水水位与土石流移动观测之可行性,期能提供一新的土石流预警方法.电磁波在土壤中的行为受土壤的介电系数所控制.我们首先以地下水模式仿真出地层中的含水量分布状况,同时搜集过去关于土壤介电系数的实验资料和模型,将其运用于层状介质法来仿真电磁波照射在不同含水量剖面下之反射波,以建立含水量分布与反射讯号间的对比模块.最后则是以砂箱实验,量测含水量剖面后,藉由天线与网络分析仪来发射电磁波与记录反射波.由理论计算与实验测量结果之比较可知所选择的土壤介电系数模型可以仿真简单潮湿土壤的电磁行为;而由实验量测可知电磁波至少可以打进50cm的微湿砂子.若以雷达扫瞄河道,可对土石流或洪水前锋的速度作准确之估计.     

基于模糊层次分析法的泥石流危险度评价

泥石流危险度评价的准确性不仅是影响未来灾害学整体综合评价的要素之一,也是社会经济发展的要求之一。本文对甘肃省莲麓水电站评估区内8条泥石流沟,采用模糊层次分析法建立了泥石流危险度评价模型,从分析形成泥石流的物质、地形地貌、气候、土地使用情况和地质构造等方面,选取12个评价因子,定量的进行泥石流危险度评价。评价结果与实际吻合,表明模糊层次分析法用于泥石流沟危险度评价是科学可行的。     

离心模型试验模拟塑料排水板处理软土地基的方法和应用

采用大型土工离心机对某工程近海软土地基上堤坝施工期及运行期进行了模拟。试验中采用停机加载法模拟分级施工加载过程, 原型中采用塑料排水板固结法处理软土地基, 模型中则根据固结过程相似的原理, 换算成等效圆截面排水体, 在模型制作中采用等效透水滤芯进行模拟。根据激光位移传感器和孔隙水压力传感器数据可以得出相应原型软土地基的沉降特性和孔隙水压力变化情况。根据试验得到的沉降曲线, 采用"经验双曲线法"推算出了地基最终沉降, 然后得出按沉降推算的分层地基平均固结度随时间的变化。对比试验模拟得到的软土地基固结度和理论计算结果, 二者基本接近, 表明塑料排水板模拟方法用于离心模型试验是可行的。      

基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地区活动层土壤水热特征模拟

利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料, 结合SHAW模型在3种不同地表反照率选取方案下进行模拟试验, 对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究.通过观测值与3种模拟值的对比分析, 结果表明: SHAW模型能够较为好地模拟多年冻土区地表能量通量、 活动层土壤温度特征, 而对土壤含水量模拟不太理想, 但对其变化趋势模拟较好; 在模拟试验中, 模型输入参数地表反照率取1-12月各月平均地表反照率后, 模型对地表能量通量、 活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高; 而用一种地表反照率参数化方案的计算结果对模型输入参数进行修正后, 模型对活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高, 对地表能量通量的模拟效果提高不明显.总体上, SHAW模型对高原多年冻土区土壤冻融过程的模拟具有优势, 是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较为理想的陆面模型.     

Influence of gas generation in electro‐osmosis consolidation

This paper presents a numerical model for the elasto‐plastic electro‐osmosis consolidation of unsaturated clays experiencing large strains, by considering electro‐osmosis and hydro‐mechanical flows in a deformable multiphase porous medium. The coupled governing equations involving the pore water flow, pore gas flow, electric flow and mechanical deformation in unsaturated clays are derived within the framework of averaging theory and solved numerically using finite elements. The displacements of the solid phase, the pressure of the water phase, the pressure of the gas phase and the electric potential are taken as the primary unknowns in the proposed model. The nonlinear variation of transport parameters during electro‐osmosis consolidation are incorporated into the model using empirical expressions that strongly depend on the degree of water saturation, whereas the Barcelona Basic Model is employed to simulate the elasto‐plastic mechanical behaviour of unsaturated clays. The accuracy of the proposed model is evaluated by validating it against two well‐known numerical examples, involving electro‐osmosis and unsaturated soil behaviour respectively. Two further examples are then investigated to study the capability of the computational algorithm in modelling multiphase flow in electro‐osmosis consolidation. Finally, the effects of gas generation at the anode, the deformation characteristics, the degree of saturation and the time dependent evolution of the excess pore pressure are discussed. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

四川大光包-黄洞子沟特大泥石流基本特征、成因及危险性评价

2013年7月8~10日四川省由于普降暴雨,发生多起泥石流、滑坡等地质灾害。在野外调查的基础上,对大光包-黄洞子沟特大泥石流形成原因进行分析,对未来发展趋势做出预测和危险性评价。调查结果表明:1大光包-黄洞子沟泥石流属于典型的沟谷型泥石流,可分为形成区-流通区-堆积区。2本次泥石流形成原因为体积高达1×108 m3以上的松散的大光包滑坡堆积体提供物源;极端的降雨气候直接启动松散堆积物形成泥石流;地形条件有利于泥石流侵蚀、搬运和堆积,为典型的滑坡-碎屑流-泥石流型,且仍处于活跃期,并在今后会有加强的趋势。3经过对大光包-黄洞子沟泥石流进行危险度评价可知:该泥石流危险度为0.482,属于中度危险泥石流。