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.     

冰碛土体起动泥石流的特征研究

与广泛分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土广泛分布在青藏高原地区,属粗大颗粒多、粘粒含量少、摩擦阻力大、粘滞阻力小的宽级配砾石土体。在冰川融雪与降雨的共同作用下冰碛土体可失稳并起动泥石流,形成灾害。针对冰碛土体起动泥石流机理研究薄弱的现状,本文选取波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟一冰碛土堆积坡面,通过模拟降水与冰雪融水起动冰川泥石流实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征,分析其起动成因及力学特性,探讨冰碛土体起动泥石流的机理。研究发现冰碛土体失稳起动泥石流是粘滞阻力降低、孔隙水压力升高、拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果,起动过程受粘土颗粒含量和径流类型的影响。当粘粒含量较高时(>3%),土体通过铲蚀与面蚀形成泥石流;粘粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面土体主要经掏蚀与坍塌起动泥石流;粘粒含量过低时(<0.32%),土体难以起动泥石流。在降水作用下土体孔隙水压力迅速增加,易造成土体破坏,起动泥石流;而在冰雪融水的作用下,土体孔隙水压力波动幅度不大时,土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流。     

暴雨条件下麻柳沟坡面泥石流形成过程试验研究

在对麻柳沟区域地形地质以及气候条件调查研究的基础上,设计并完成暴雨条件下麻柳沟区域坡面泥石流模型试验。通过物理模型试验,模拟区域坡面在降雨条件下的变形和破坏特征。通过对试验现象以及数据进行观测分析,研究暴雨条件下坡面侵蚀、溜滑以及由此引发的土体转化为泥石流的全过程。模型试验表明:麻柳沟区域坡面泥石流类型为降雨型、阵型、滑坡型泥石流;强降雨条件下,泥石流形成与表面冲刷及饱和土体浅层滑动有密切关系;泥石流形成大概可分为以下几个阶段:土体浸润→蠕变→局部溜滑→局部产流冲蚀→大规模滑动→泥石流体形成。     

急陡沟道泥石流起动特征模型试验研究——以汶川县福堂沟为例

急陡沟道泥石流是汶川震区发现的一类特殊泥石流,调查发现其具有物源量大、侵蚀强烈,冲出规模大等特点,是震区地质灾害治理的难点。本文以汶川县典型急陡沟道泥石流福堂沟为原型,分析了其发育条件和特征,并通过模型试验等手段,还原并分析了急陡沟道泥石流起动及形成的过程,以及相应的土体内部参数变化特征。试验显示在20°、25°、30°的坡度和480mL/s、410mL/s、360mL/s的径流量的试验条件下,泥石流分别以不同的方式起动(沟床侵蚀型、滑坡流态化起动型、消防管起动型),同时结合实验过程中土体内部孔隙水压力及体积含水率变化特征的研究,详细还原了相应的泥石流起动全过程。试验数据的分析结果显示,在不同的起动方式下,土体内部的数据变化表现出不同的特征:其中,不同试验条件下的泥石流起动孔隙水压力呈现出规律性差异,即水槽坡度、径流量越大,泥石流所需的起动力越小;此外,坡度越大,土体所需的饱水时间越长,而在相同坡度下,流速越大,预饱水时间越短;研究还发现,泥石流的爆发时间与沟床坡度呈反比,并且径流量越大,泥石流持续时间也越长。基于实验结果,通过相似理论计算得到的泥石流起动流速,与实际情况一致,表明本的研究结论可为汶川震区急陡沟道泥石流的研究提供参考。     

汶川强震区泥石流起动模型试验分析

强震使大量松散堆积物堆积于高山峡谷内,由于持续降雨的作用,导致泥石流在汶川灾区频繁发生。降雨强度和物源与泥石流的起动有着密切联系,分析雨强和物源与泥石流起动的相关关系,可得不同雨强下,不同物源区泥石流起动的特征。通过对典型泥石流沟（映秀镇烧火坪侧沟,牛莲花心沟）进行野外样品采集,将两条泥石流沟进行对比室内试验。控制起动坡度,降雨强度与颗粒级配得出不同坡度下泥石流起动的表面流形成流量,起动流量。同时,与非强震区（西昌市琅环乡）的泥石流简单对比,得到强震区泥石流起动的临界条件及雨强,为泥石流的预测和治理提供相应的理论依据。通过大量的试验结果,泥石流起动首先会形成表面流,然后形成冲沟,随着物源区雨强的增加,最终形成大面积松散堆积物失稳,整体起动。泥石流起动与汇水区面积成一定关系。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

泥石流启动过程PFC数值模拟

泥石流松散碎屑物质具有散粒体的基本特征,在暴雨激发下容易形成泥石流,整个过程具有散粒体大变形的特征。颗粒流理论是基于离散单元法模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用,在模拟颗粒相互作用和大变形问题研究方面具有显著的优越性。为分析泥石流松散碎屑物质启动形成泥石流的过程及其与土体含水率的关系,采用二维颗粒流程序（PFC2D）分析降雨作用下松散碎屑物质启动形成泥石流的过程,揭示崩滑堆积体在降雨作用下含水率超过临界值后质点运动速度和位移增加,松散碎屑物质启动并加速而导致滑坡泥石流连锁式破坏的过程和机制。     

汶川震区北川9.24暴雨泥石流特征研究

2008年9月24日汶川震区的北川县暴雨导致区域性泥石流发生,这次9.24暴雨泥石流灾害导致了42人死亡,对公路和其他基础设施造成严重损毁。本研究采用地面调查和遥感解译方法分析地震与暴雨共同作用下的泥石流特征,获取的气象数据用于分析泥石流起动的临界雨量条件。本文探讨了研究区泥石流起动和输移过程,并根据野外调查,分析了泥石流形成的降雨、岩石和断层作用,特别是强降雨过程与物源区对泥石流发生的作用。根据应急调查发现北川县境内暴雨诱发的泥石流72处,其分布受岩石类型、发震断层和河流等因素控制。根据对研究区震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强的初步分析,汶川地震后,该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8%～22.1%,小时雨强降低25.4 %～31.6%。震区泥石流起动方式主要有二种,一是由于暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移,进入沟道后转为泥石流过程;二是消防水管效应使沟道水流快速集中,并强烈冲刷沟床中松散固体物质,导致沟床物质起动并形成泥石流过程。调查和分析发现沟内堆积的滑坡坝对泥石流的阻塞明显,溃决后可导致瞬时洪峰流量特别大。研究结果表明了汶川震区已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

汶川县太平驿沟泥石流的形成机制及危险性分析

2010年8月14日强降雨过程导致汶川震区太平驿沟泥石流沟暴发泥石流,造成较大经济损失,且近几年雨季多次爆发规模不等的泥石流。由于该灾害点位于汶川地震震中附近地区,是地震与降雨共同作用下的结果,研究其形成与成灾过程对于进一步认识震区泥石流发育特征具有重要的意义。根据现场调查,分析了太平驿沟泥石流流域特征,特别是地震条件下的泥石流物源特征,在此基础上讨论了泥石流起动过程和堆积过程。该实例表明了汶川震区泥石流已进入一个新的活跃期。因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警等研究,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害。     

强降雨作用下强风化泥岩降雨入渗特性试验研究

土体降雨入渗特性是实施坡面泥石流和土体滑坡发育过程研究的重要因素。研制了人工降雨土柱入渗试验装置,实施了10、20、30、40、50、60 mm/h共6种降雨强度下强风化泥岩的入渗试验,最长降雨历时105 min。试验结果表明：可将土体入渗过程可分为无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段,其中土体的入渗率在无压入渗阶段和饱和入渗阶段均随降雨历时增长近似为常数,在有压入渗阶段则快速降低;通过定义降雨作用下土体入渗锋,包括初始入渗锋和终止入渗锋,分析了入渗锋所处位置随降雨强度的变化关系,初始入渗锋和终止入渗锋之间的幅值随降雨强度的增大而变宽;提出了可表征重庆地区侏罗系强风化泥岩入渗过程的土体降雨入渗公式。研究成果对于构建重庆地区降雨诱发型滑坡及坡面泥石流的预测预报模型有积极意义。     

泥石流源地坡面土体活动随机性规律实验

坡面土体的崩塌活动是泥石流形成的初始过程。为了研究降雨条件下该过程中蕴含的随机性,选择典型泥石流源地坡面进行人工降雨实验,观测坡面径流和坡面土体活动特征。结果表明：坡面径流的产生与坡面土体的供给是2个相对独立的过程;坡面产流过程在时间上具有连续性,空间上具有均匀性,规模上具有稳定性;即使是在恒定的降雨强度条件下,泥石流的源地土体活动也表现为一个离散的土体崩塌序列,具有时间上的间歇性、空间上的聚集性、规模上的随机性,且在时间上服从泊松分布,在规模上服从规模-频率的幂率关系;坡面的水土过程是不完全同步的,泥石流的形成依赖于坡面土体补给的时间、空间和规模分布,这也决定了泥石流阵流的多变和流量的涨落。建立基于土体活动特征的随机性补给模型,结合分布式水文模型,是建立科学的泥石流预报模型的有效方法。     

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。     

Rainfall-triggering response patterns of post-seismic debris flows in the Wenchuan earthquake area

Several giant debris flows occurred in southwestern China after the Wenchuan earthquake, causing serious casualties and economic losses. Debris flows were frequently triggered after the earthquake. A relatively accurate prediction of these post-seismic debris flows can help to reduce the consequent damages. Existing debris flow prediction is almost based on the study of the relationship between post-earthquake debris flows and rainfall. The relationship between the occurrence of post-seismic debris flows and characteristic rainfall patterns was studied in this paper. Fourteen rainfall events related to debris flows that occurred in four watersheds in the Wenchuan earthquake area were collected. By analyzing the rainfall data, characteristics of rainfall events that triggered debris flows after the earthquake were obtained. Both the critical maximum rainfall intensity and average rainfall intensity increased with the time. To describe the critical conditions for debris flow initiation, intensity–duration curves were constructed, which shows how the threshold for triggering debris flows increased each year. The time that the critical rainfall intensities of debris flow occurrences return to the value prior to the earthquake could not be estimated due to the absent rainfall data before the earthquake. Rainfall-triggering response patterns could be distinguished for rainfall-induced debris flows. The critical rainfall patterns related to debris flows could be divided on the basis of antecedent rainfall duration and intensity into three categories: (1) a rapid triggering response pattern, (2) an intermediate triggering response pattern, and (3) a slow triggering response pattern. The triggering response patterns are closely related to the initiation mechanisms of post-earthquake debris flows. The main difference in initiation mechanisms and difference in triggering patterns by rainfall is regulated by the infiltration process and determined by a number of parameters, such as hydro-mechanical soil characteristics, the thickness of the soil, and the slope gradient. In case of a rapid triggering response rainfall pattern, the hydraulic conductivity and initial moisture content are the main impact factors. Runoff erosion and rapid loading of solid material is the dominant process. In case of a rainfall pattern with a slow triggering response, the thickness and strength of the soil, high hydraulic conductivity, and rainfall intensity are the impact factors. Probably slope failure is the most dominant process initiating debris flows. In case of an intermediate triggering response pattern, both debris flow initiation mechanisms (runoff erosion and slope failure) can play a role.     

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。     

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。     

黏土颗粒含量对蒋家沟泥石流启动影响分析

黏土颗粒在泥石流中的含量并不大,但却显著地影响着泥石流的启动。在室内通过筛分配成9种不同黏粒含量级配的土体,在自行设计的模型槽内以1.64 g/cm3（松散干密度）,1.79、1.94 g/cm3（天然干密度）3种干密度堆成边坡模型,在雨强为85 mm/h下进行人工降雨试验,初步探讨了黏土颗粒含量对泥石流启动的影响,得到：黏粒含量在5%～18%时可以形成泥石流,其中黏粒含量10%时所需时间最短,低于5%或大于18%难以形成泥石流,黏粒含量具有临界性;填筑干密度越大,泥石流启动越困难,表现在启动时间长、深度浅、规模小、且填筑干密度不改变黏粒含量临界性;降雨条件下土体入渗率越高,泥石流越容易启动产流。通过试验的研究,可以深入揭示泥石流形成的内在机制,黏粒含量临界性为泥石流预测、预报提供了新思路。     

水力类泥石流起动机理与预报研究进展与方向

水力类泥石流是泥石流的一大类型,一旦暴发可造成巨大的人员伤亡和财产损失,因而其起动机理和预报是泥石流学科的前沿课题。尽管国内外研究在该领域取得了显著进展,但是由于该类泥石流起动机理的复杂性,已有的预报模型和其实用性仍然有相当的差距。概述了水力类泥石流起动与预报的国内外研究进展,提出未来该研究方向的主要研究内容。未来研究内容应该包括从环境地质学、地貌学和水文学角度认识水力类泥石流的起动成因和过程及相应的临界条件;研究以水文学为主线的水力类泥石流的起动机理和模型,并提出水力类泥石流的起动水文参数临界条件;建立以临界流量法和分布式水文模型为理论依据的水力类泥石流的预报途径和方法。该研究对加强水力类泥石流起动机理及预测预报的创新性研究和促进学科发展具有重要的科学价值和实践意义。     

Wildfire impacts on the processes that generate debris flows in burned watersheds

Every year, and in many countries worldwide, wildfires cause significant damage and economic losses due to both the direct effects of the fires and the subsequent accelerated runoff, erosion, and debris flow. Wildfires can have profound effects on the hydrologic response of watersheds by changing the infiltration characteristics and erodibility of the soil, which leads to decreased rainfall infiltration, significantly increased overland flow and runoff in channels, and movement of soil. Debris-flow activity is among the most destructive consequences of these changes, often causing extensive damage to human infrastructure. Data from the Mediterranean area and Western United States of America help identify the primary processes that result in debris flows in recently burned areas. Two primary processes for the initiation of fire-related debris flows have been so far identified: (1) runoff-dominated erosion by surface overland flow; and (2) infiltration-triggered failure and mobilization of a discrete landslide mass. The first process is frequently documented immediately post-fire and leads to the generation of debris flows through progressive bulking of storm runoff with sediment eroded from the hillslopes and channels. As sediment is incorporated into water, runoff can convert to debris flow. The conversion to debris flow may be observed at a position within a drainage network that appears to be controlled by threshold values of upslope contributing area and its gradient. At these locations, sufficient eroded material has been incorporated, relative to the volume of contributing surface runoff, to generate debris flows. Debris flows have also been generated from burned basins in response to increased runoff by water cascading over a steep, bedrock cliff, and incorporating material from readily erodible colluvium or channel bed. Post-fire debris flows have also been generated by infiltration-triggered landslide failures which then mobilize into debris flows. However, only 12% of documented cases exhibited this process. When they do occur, the landslide failures range in thickness from a few tens of centimeters to more than 6 m, and generally involve the soil and colluvium-mantled hillslopes. Surficial landslide failures in burned areas most frequently occur in response to prolonged periods of storm rainfall, or prolonged rainfall in combination with rapid snowmelt or rain-on-snow events.     

缺资料地区泥石流预警雨量阈值研究

合理的雨量阈值指标是保障泥石流预警报准确性的关键,对于研究泥石流形成机制、分析预测未来活动特点以及指导防治工程设计等方面均具有重要意义。由于国内山区大多数泥石流沟均无降雨和灾害资料,目前国内外通行的实证法和频率计算法不能满足其泥石流预警报的需要。通过分析泥石流预警区的降雨条件、水文特征及下垫面条件,提出了基于水力类泥石流起动机制来计算泥石流预警雨量阈值的方法。主要根据流域地形及松散固体物质等特征,计算该流域泥石流起动的临界水深,并结合流域产汇流机制、特征降雨量随海拔变化规律、暴雨雨型特征,进而计算该流域泥石流预警雨量阈值。研究成果在四川省凉山州宁南县城后山史家沟流域进行了应用和验证,结果表明该方法具有合理性和可行性。该方法解决了缺资料地区泥石流预警报的难题,为山区泥石流预警报提供了一种新的思路。