动床条件下粘性泥石流沟道淤积实验研究

泥石流淤积是危害建筑物的主要方式之一.为了探讨动床条件下泥石流沟道淤积规律,开展了不同泥石流重度、不同沟床物质重度、不同沟道坡度以及不同泥石流总量共4组单次淤积实验和1组不同沟道坡度下的泥石流连续淤积实验.实验结果表明,单次淤积时,泥石流淤积厚度随着沟道坡度的增加而减小,随着泥石流重度的增大而增大,随泥石流总量的增大而增大,受沟床物质重度变化的影响较小;连续淤积时,随着沟道坡度的增加,第2次淤积相对于第1次淤积结果依次表现为完全淤积、冲淤交替以及完全冲刷,且冲刷始于沟道前缘,逐渐向后缘发展.在分析泥石流淤积厚度的影响因素基础上,通过回归分析建立了动床条件下粘性泥石流沟道淤积厚度的经验预测公式:H=0.005x+ (1.63E-11)e(rc)-0.003ln(sinθ) +0.22V-0.02.     

灰色理论在舟曲南屿沟泥石流灾害危险性评价中的应用研究

为分析不同因素对泥石流灾害危险性的影响程度,基于对舟曲南屿沟泥石流灾害影响因素调查结果总结和分析,利用灰色理论分析了泥石流灾害危险性与影响因素间关联程度,并建立了其预判模型。结果表明：沟岸坡度、沟道堵塞程度及冲淤变幅,沟道平均纵坡降和长度,沟道内植被覆盖率、流域面积及人口密度,松散固体物源量和灾害点密度等因素的影响程度较接近;相同区域内不同沟道泥石流灾害危险性程度受沟岸坡度、沟道堵塞程度、冲淤变幅、沟道平均纵坡降及长度等因素影响显著;基于自然和人为因素建立了泥石流灾害易发程度预估模型,其能够为区域内泥流灾害防治工作部署提供依据。     

泥石流沟道汇流对堆积危险范围影响的数值模拟研究

利用离散元法和图形处理器（GPU）并行计算手段建立泥石流运动堆积模型,以自然界沟道泥石流汇流后运动堆积特征及危险范围作为模拟参照,利用所构建的泥石流流通槽完成沟道泥石流不同交汇角汇流模拟试验和堆积危险范围预测,实现了泥石流沟道汇流的可视化模拟和数值模拟。试验结果表明,可视化模拟能够模拟出自然界中泥石流自流通区运动汇流后产生堆积的运动特征;数值模拟实现了锐角条件下仅考虑单因素即沟道交汇角对泥石流堆积危险范围影响的模拟试验。此外,利用GPU并行计算的优势可用于模拟大规模泥石流汇流现象,模型的可扩展性为泥石流汇流堆积危险范围分析向更为复杂的地理环境模拟奠定基础。     

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。     

泥石流运动流型与流态特征

泥石流的运动流型与流态是研究泥石流运动力学的重要内容。以云南东川蒋家沟泥石流运动观测为例,对阵流型、连续型、复合型三种流型及相应的流量过程特征进行了分析;借鉴水力学的流态理论,对天然沟遭中泥石流的流动状态(即层动流、波动流现象)进行了探讨分析,指出在一阵流动过程中也会出现几种不同流态特征。     

泥石流的颗粒流模型

颗粒流的应力由三部分:弥散应力、摩擦应力和碰撞应力组成。对快速颗粒流来说,颗粒碰撞应力占优势,其他应力可略去不计。颗粒流模型非常适合描述颗粒间流体相互作用较小的无粘泥石流或水石流,作为应用例子的是:从颗粒流模型导出的速度分布与无粘泥石流的大量试验测量结果相一致。除颗粒流模型外,在泥石流研究中应用较多的还有宾汉体模型、膨胀体模型和粘塑体模型。它们都能作为特例,包括在两相流模型之中。     

超声波仪在泥石流泥位测试中的应用

超声技术已在国民经济各个领域得到广泛应用,而1985年研究的超声波泥位计,应用于泥石流深度观测取得了良好效果。众所周知,测量泥石流流动中流体的深度,即泥深,对研究泥石流的运动、沉积规律,以及力学性质都具有极为重要的意议。     

粘性泥石流阻力和运动方程验证分析

现有的粘性泥石流阻力方程可以大致归纳为三类：一类是将泥石流视为固液两相流,通过理论分析建立的泥石流阻力运动方程;二类是认为粘性泥石流符合宾汉姆流体阻力方程;三类是依据泥石流体具有基本符合库伦公式的剪切强度,将泥石流视为固体颗粒散体重力流,在理论分析基础上建立的阻力和运动方程。用粘性泥石流动力学实验数据对三类阻力运动方程进行了验证,结果表明第三类阻力和运动方程与实际接近。     

汶川县古溪沟“7·10”泥石流形成特征及防治工程的影响

通过对2013-07-10汶川古溪沟泥石流灾害的现场调查,从物源、地形和水源条件入手,分析了灾害成因与形成演化过程。堰塞体失稳补给、坡面泥石流入汇和沟道侵蚀是这场泥石流的三种物源形式,充沛的前期降雨和短历时强降雨是本次泥石流的诱发因素,陡峻的支沟地形促进了泥石流的加速,沿途松散物质补给,导致泥石流流量不断放大,峰值流量最大可达1 063 m3/s。主支沟泥石流呈明显的阵流特征,原因在于各支沟泥石流起动条件不同,沟道中地形条件的差异和防治工程的分布,以及各支沟汇流长度存在区别。泥石流总规模约为100×104m3,防治工程拦挡了60%的泥石流体,并拦截了泥石流中的大石块,降低了出口峰值流量和流速,同时避免了各条支沟泥石流同时到达而流量激增。沟口泥石流峰值流量约为722 m3/s,约40×104m3泥石流冲出沟口,下游泥石流破坏形式以淤埋破坏为主。本研究可为此类面积较大、修建有防治工程的流域泥石流形成和减灾提供参考。     

从空间Poisson过程看蒋家沟泥石流

云南东川蒋家沟泥石流频率高,变化多.每场泥石流包含几十到几百个阵流,各阵流具有不同的密度、流体性质和运动形态,流量涨落达3个数量级.这些特征意味着泥石流具有很强的随机性.根据蒋家沟的演化分区和野外观测,可以发现泥石流形成于特殊的源地分支.土体活动(包括滑坡、崩塌和局部的土体流动等)随机发生在那些分支流域,如果认为各源地的土体活动是独立的,而且活动强度正比于源地的面积,那么泥石流的形成和汇流就是一个空间Poisson过程.其结果是阵流流量服从指数分布,这很好地符合蒋家沟的泥石泥观测数据.从蒋家沟泥石流的随机性可见,泥石流依赖于流域的特定源区及其分布,而不是笼统地取决于全流域的地貌或几何因子.     

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。     

栾川“7·24”暴雨泥石流启动模式分类

2010年7月河南省栾川县连续降雨达半月之久,24日又突降大暴雨,导致县境内暴发区域性泥石流(简称“7·24”暴雨泥石流),全县14个乡镇普遍受灾,死亡68人、失踪21人,直接经济损失约19.8亿元.为给当地政府提供合理的泥石流防治建议,对栾川县“7·24”暴雨泥石流中31个灾害点进行了野外调查并进行了工程地质分析.调查发现,此次栾川县暴雨泥石流类型丰富,泥流、泥石流及水石流均有发育;地貌上看,泥石流多属于坡面型,水石流基本上为沟谷型.同时,因栾川县采矿业发达,矿渣型泥石流发育十分典型,且大多为尾矿坝溃决所致.鉴于栾川“7·24”暴雨泥石流范围大、类型多的特点,若按规范分类则很难提供针对性的泥石流防治建议,而若按启动模式分类则能在防治建议中对症下药.因此结合前人研究成果和此次调查分析结论,按启动模式将栾川县泥石流划分为7种类型,分别为:沟道拖拽-溃决型、沟道冲切-崩滑型、冲击液化型、坡面崩滑型、坡面冲刷-沟道启动型、尾矿溃决型及其复合型.同时,对7种类型中典型泥石流点的启动模式进行了详细分析.     

蒋家沟泥石流流态

蒋家沟是一条规模巨大、暴发频繁、类型齐全、流态典型的暴雨型泥石流沟,为开展泥石流流态和流变的研究提供了良好的条件。本文试图从讨论泥石流的流变特性着手,研究各类泥石流的流态性质,分析影响泥石流流态的诸因素,阐明泥石流流态的时空变化,为建立泥石流所特有的流动模式提供论据。因笔者水平限制,文中谬误之处,谨请指正。     

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。     

基于无人机测量的泥石流固体颗粒图像识别与泥石流预警

强震导致崩塌与滑坡碎屑物在泥石流流域内广泛堆积,挤压侵占天然沟道,完全改变了沟床物源级配构成,泥石流激发降雨临界值急剧降低。震后泥石流物源粒径和沟道宽度的变化直接改变了震后泥石流启动过程及机制。泥石流预警模型并未考虑震后泥石流物源组成的动态变化作为主控因素,需要进一步改进。本文现场调查了泸定9·5地震后泥石流沟的形成区及流通堆积区松散堆积物组成,采用无人机航测采集岩土粒径,结合PCAS软件进行泥石流粒径识别,分别通过系统误差、高度误差及坡度误差三个方面进行误差分析,探讨无人机航测泥石流形成区沟道粒径方法的准确性;对泸定大渡河流域得妥乡内的洛进沟和两岔河沟进行粒径测量,结合泥石流1 h预报模型和改进的精细化泥石流1 h预报模型,得到这两条沟震前震后的综合降雨临界值,发现强震后泥石流流域颗粒粒径明显减小,两条泥石流沟的激发临界降雨量都大幅降低;通过误差分析,得到无人机近地观测结合软件测量研究区域内泥石流沟道形成区物源粒径的方法与人工现场测量之间的误差较小,可以用于泥石流物源粒径识别,且由于强震后泥石流的激发降雨临界值是一个动态变化过程,采用无人机可以高效识别泥石流沟道物源的变化。     

泥石流沟谷坊坝群治理效应——以地震极重灾区北川县化石板沟为例

谷坊坝是泥石流治理的重要工程措施之一。化石板沟泥石流治理工程共设13座谷坊坝,组成梯级谷坊坝群;坝体主要分布在泥石流形成区和流通区,混凝土结构,轴向两端嵌入沟道两侧基岩0.5～1 m。通过对比化石板沟谷坊工程修建前后沟床纵坡比降、沟道两侧斜坡稳定性及泥石流侵蚀速率等方面的差异,证明谷坊工程能够有效拦蓄松散固体物质、稳固沟床和岸坡、降低沟道纵坡比降、降低泥石流流速和耗散流体能量、抬高沟道上游泥石流侵蚀基准面。研究发现,化石板沟谷坊坝群共拦截固体物质2.76×104 m3,仅占流域物源总量574.9×104 m3的0.5%,占近期可供给泥石流活动的物源量85×104 m3的3.3%;稳固沟床松散物质4.37×104 m3,仅占流域物源总量的0.76%,占近期可供给泥石流活动的物源量的5.2%;稳固沟道两侧坡体松散物质134.07×104 m3,占流域物源总量的23.3%,泥石流物源减少;回淤的沟道比降为原比降的60%～75%,相同频率下泥石流流速、峰值流量降低,沟道侵蚀速率下降,泥石流输沙量减少35%～57%;上游泥石流支沟侵蚀基准面抬升0.3～0.5 m。泥石流呈现从粘性到稀性,再到含沙水流的趋势发展。     

泥石流扇形地危险性评价研究

本文应用数学统计方法探讨了泥石流扇形地危险性评价方法，根据专家综合调查，确定了泥石流堆积厚度，最大石块粒径，扇面沟道位置，扇面纵比降和扇面糙率五个主导因子参与泥石流危险度评价。应用德菲尔分析方法计算了和因子的权重，由此建立了泥石流扇形地危险度分区的简易模型。     

Connected Degree Evaluation on Watershed Topography Factors of Man-made Debris Flow Gully in Semiarid Area

在神府—东胜矿区人为泥石流沟道广泛野外调查的基础上,选取了43条典型泥石流样沟,在1∶10 000地形图及卫片上进行了形态要素量测,应用流域地貌分析原理,对43条样沟各形态要素进行了剖析及关联度评价,并进行了泥石流沟道发育阶段的信息维分析,所得结论为半干旱地区的人为泥石流沟道地势比沿程变化奇特,以形成区比降最大,区别于自然泥石流沟道;沟道分区面积比以汇水区面积最大,明显区别于湿润地区;流域形状以扇形为主,沟道给养面积较大,崎岖系数不甚太大是半干旱地区人为泥石流沟道的独特之处,泥石流沟道发育以幼、青年期为主,最后得出了以沟道比降为主因子的各形态要素的主次排序。     

半干旱地区泥石流沟道地形要素关联度评价——以神府-东胜矿区人为泥石流沟为例

在神府-东胜矿区人为泥石流沟道广泛野外调查的基础上,选取了43条典型泥石流样沟,在1:10000地形图及卫片上进行了形态要素量测,应用流域地貌分析原理,对43条样沟各形态要素进行了剖析及关联度评价,并进行了泥石流沟道发育阶段的信息维分析,所得结论为:半干旱地区的人为泥石流沟道地势比沿程变化奇特,以形成区比降最大,区别于自然泥石流沟道;沟道分区面积比以汇水区面积最大,明显区别于湿润地区;流域形状以扇形为主,沟道给养面积较大,崎岖系数不甚太大是半干旱地区人为泥石流沟道的独特之处,泥石流沟道发育以幼、青年期为主,最后得出了以沟道比降为主因子的各形态要素的主次排序。     

藏东南泥石流沉积区植物群落结构和物种多样性特征

藏东南是我国泥石流灾害分布最集中,危害严重的区域之一,泥石流堆积扇广布。泥石流沉积区植被恢复是生物治理泥石流和生态恢复措施的重要内容,也是高寒区生态恢复关注的焦点。对林芝县扎西岗、鲁朗定位站和芽依3个不同年代形成的泥石流沉积区植物群落结构和物种进行了多样性调查,结果表明:植物群落结构与泥石流发生的年限、所处的海拔和发生的强度有密切关系。泥石流沉积区植物群落主要为云南沙棘+云南锦鸡儿+蕨麻萎陵菜群落、糙皮桦+高丛珍珠梅+西南草莓群落和糙皮桦+云南锦鸡儿+西南草莓群落组成,包含糙皮桦、云南锦鸡儿等29种植物。泥石流沉积区形成时间越长,群落物种多样性水平有下降趋势,群落优势度C值有一定程度的提高。泥石流沉积区植物群落层次多样性表现为一般草本层多样性水平较高,乔灌层较低。乔灌草均匀度指数Jsw值略大于草本层。泥石流暴发时间过长或过短,Jsw值较小。优势度C值与丰富度指数Ma值呈负相关性,与泥石流沉积区形成时间呈正相关系。