粘性泥石流入汇区河床堆积动力学研究的问题与展望

粘性泥石流入汇主河极大地改变了入汇区的河床堆积地貌,其动力学实质是非牛顿流体与牛顿流体的交互作用,合理描述粘性泥石流入汇区河床堆积动力过程对于划定粘性泥石流风险区范围和认知流域地貌演化具有重大意义。粘性泥石流入汇区河床堆积体时空演化过程有别于粘性泥石流在地表的纯堆积过程,通过回顾国内外学者在泥石流入汇区堆积动力学方面的研究成果,可以发现在粘性泥石流入汇区内堆积现象复杂,存在"阵性"输移、"元堆积"和龙头"水滑"等特殊现象。但目前的研究对泥石流和水流交互机制都进行了简化,一是将粘性泥石流视为挟沙水流,直接采用异重流方法;二是将粘性泥石流视为"半固态",只考虑水流的输沙特征,研究认为基于这样的简化不足以描述粘性泥石流入汇的物理过程和特殊现象,也低估了粘性泥石流交汇区冲击速度和堆积范围。同时,根据粘性泥石流入汇区河床堆积动力过程的研究现状,结合粘性泥石流入汇的特殊运动过程,提出未来可开展的工作：一是粘性泥石流入汇的物理过程和其交互机制的合理简化;二是普适性高的粘性泥石流-水流堆积动力学模型的建立。     

太行山区泥石流灾害降雨触发条件的研究

河北省太行山区是河北省泥石流灾害的主要发生区,该区泥石流在空间上主要分布在太行山东麓的中低山区域,其分布与暴雨等值线的中心部位基本吻合;在时间分布上主要发生在每年7月20日至8月10日之间的强暴雨时期。泥石流的暴发受到降雨因素和地质因素的双重影响,由于降雨为第一主控因子,在地质地貌条件充许的前提下,决定着泥石流是否能在暴雨中被激发。     

基于φ值粒度成分分析的泥石流动力特性

为了更准确地预测乌东德水电站库区方山果沟泥石流的动力特性,首先采用概率累积曲线法对沟口堆积颗粒进行沉积环境的定性判断,然后采用图算粒度参数法对泥石流堆积物进行分析,并对泥石流的动力特性进行初步的定性判断,最后根据堆积颗粒受力分析结合初步的动力特性的定性判断结果建立固体颗粒的力平衡方程。通过对方山果沟泥石流堆积物进行分析,得出方山果泥石流沟具有以下动力特征:方山果沟泥石流堆积物以碎石为主,分选很差;在搬运能力极强的重力斜坡作用下以推移、滚动搬运的方式为主。在此基础上计算得到方山果沟泥石流流速ub=8.67m/s。     

基于错峰型洪水的伊洛河交汇区水动力特性

采用平面二维水动力数值模拟方法,对伊洛河交汇区河段的错峰洪水特性进行了系统分析,讨论了洪水水位、流态及两支流的相互影响,结果表明:数值模拟成果与实测数据有很好的一致性。研究发现:交汇区流场呈现马鞍形水面形态,并随流量增大向下游推进;错峰洪水过程中强势支流产生的漫滩水流对弱势支流形成壅堵,交汇区水动力要素与流态均与强、弱支流流量比有明显的关联性,交汇点下游的螺旋流结构与转向受当时强势支流控制;错峰洪水使交汇区水位随时间变化呈现三段式二次曲线特征,在两洪峰期间交汇区保持高水位的时间比单峰或同峰长5~7倍;错峰洪水使交汇区洪水位与流量形成特殊的Y型曲线关系,在两个洪峰点附近,水位与汇流比的对应关系出现前、后两个拐点。     

基于ArcGIS＋DEM的三眼峪泥石流水动力条件分析

通过对甘肃省舟曲三眼峪特大泥石流灾害的现场调查,从泥石流形成的地形地貌条件和水动力条件人手,以ArcGIS为平台,运用DEM数据,分析了特大泥石流灾害的三区地形地貌特征、固体松散物特征、降雨特征以及泥石流静力学和动力学特征。结果表明：三眼峪三区为泥石流的形成和径流流通提供了极为有利地形条件;固体松散物质补给量潜力巨大,会导致堰塞坝的放大效应;诱发此次特大山洪泥石流是一场局地性、短时强度大的暴雨过程,泥石流容重在2．10t·m^-3左右,属于高容重黏性泥石流;泥石流屈服应力在8000Pa以上,大小眼峪（降雨汇流区）及三眼峪（泥石流堆积区）泥石流流速分别为8．97m／s、7．06m／s和6．02m／s,洪峰流量分别为1659m^3／s、1553m^3／s和1896m^3／s,冲击力分别为46676tf、40236tf和21182tf,其破坏力巨大,危害严重,使得泥石流在汇流区破坏力巨大以切蚀为主,受地形影响,三眼峪出口处,冲击力减小,泥石流发生堆积。     

坝后淤积条件下泥石流冲击拦挡坝动力响应研究

拦挡坝有效库容和泥石流冲击力是泥石流实体拦挡坝设计的重要指标,现有实体拦挡坝在泥石流反复冲击作用下淤积甚至填满,会对坝体调控能力产生重要影响.为此,基于理论分析和物理模型试验,开展坝后淤积条件下泥石流冲击实体拦挡坝动力响应研究,推导坝后淤积条件下泥石流速度衰减率、坝体拦挡率的无量纲计算公式,并建立考虑空间分布特性的坝后淤积条件下泥石流冲击力计算模型.结果表明：泥石流速度衰减率和坝体拦挡率与淤积体高度/淤积长度比值和泥石流相对容重呈正相关;泥石流冲击力静动荷载组合计算模型能较好反映坝后淤积条件下泥石流冲击力的组成和分布特征.上述研究可为泥石流实体拦挡坝工程设计提供理论及技术支持.     

不同粒径级配条件下工程弃渣泥石流启动机理研究

通过开展室内水槽试验,利用孔隙水压力传感器记录工程弃渣泥石流形成过程中的孔隙水压力变化情况,并运用高清摄像机拍摄工程弃渣的运移及骨架颗粒的破坏现象。试验发现:在相同清水流量作用下,堆积渣体破坏方式主要受渣体中粒径为2 mm的砾粒含量影响较大,当粒径大于2 mm的砾粒含量大于50%时,渣体呈现出的破坏模式主要为冲刷破坏造成的顶面下切,孔隙水压力呈现出陡增的趋势,然后处于平缓;当粒径小于2 mm的砾粒含量均大于65%时（即粒径大于2 mm的砾粒含量小于50%）,渣体呈现出的破坏模式主要为渗流作用造成的底面冲蚀,孔隙水压力呈现出弧线上升的特征。     

不同来源区洪水对黄河下游流量-含沙量关系的影响

根据1950-1960年及1974-1985年实测洪峰水沙资料,分析了不同来源区洪水对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站流量 含沙量关系的影响,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以上作为中游粗沙来源区洪水,以河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河总来水量占三门峡、黑石关、小董总水量的20%或25%以下作为细沙来源区或少沙区洪水。这样,黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站平均流量 平均含沙量关系可分为以增加平均含沙量为主和以增加平均流量为主的两个区。同时,河口镇至龙门区间、马莲河和北洛河的洪水,大大增加了黄河下游平均来沙系数和平均含沙量,并导致全下游河段的必然淤积。     

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明：抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。     

基于计算流体动力学的不同流量比两股射流水垫塘的消能特性研究

为研究不同流量比的两股射流入射水垫塘后的消能特性,选用非定常不可压缩流动的N-S方程和RNG k-ε紊流模型,采用VOF(Volume of Fluid)法结合溪洛渡双曲拱坝水垫塘进行了数值模拟,分析了流量比对水垫塘底板的冲击压力、临底速度、流态特征影响,并定量研究了流场内时均动能的衰减规律。研究表明,随着上游水股射流流量的减小,上游水股对底板的冲击压力在逐渐减小,由上游水股产生的动水垫作用逐渐减弱,使得下游水股对底板的冲击压力在逐渐增大;水垫塘流场呈现为具有动水垫效应的单股射流和动水垫效应微弱的单股射流两种形态。定量计算结果表明:对于上游水股射流,时均流速梯度较大,时均动能衰减较快,且随着上游水股射流流量减小,时均动能衰减速度加快,而下游水股射流的时均流能量比值和时均消能率总体小于上游水股射流消能率。     

Numerical simulation of debris flow with application on hazard area mapping

A numerical program developed for field application is presented in this paper. We use the generalized Julien and Lan [8] rheological model to simulate debris flows. Due to the derivative discontinuous nature of the constitutive law, flow is separated into plug region and bottom region (with stress greater than yield stress). The program solves the plug flow layer solution first, and then corrects the solution with the bottom layer approximation. Numerical scheme with upwind method and central difference in space and Adam–Bashforth third-order scheme in time is used for both layers. The scheme is tested against analytical solutions and laboratory experiments with very good results. Application to a field case with more complicated geometry also achieves good agreement, with error less than 5% compared to field measurements. The final example demonstrates how this numerical program is used in a preliminary design.     

小秦岭金矿区碾头岔矿渣型泥石流特征值计算

泥石流的运动参数是泥石流研究的主要内容和防治设计的重要基础。以矿渣型泥石流为对象,通过地形测量和工程地质测绘查明,碾头岔地形陡峻,沟道顺直,为泥石流的形成提供了有利的地形条件。通过钻探、坑槽探发现可能的物源包括矿渣、坡面松散层及小型沟岸滑塌体。工程力学分析表明,采矿废渣在自重状态下的稳定性系数为1.022~1.063,处于欠稳定和基本稳定之间;在自重+暴雨状态下,稳定性系数介于0.889~0.947之间,属于不稳定状态,是研究区内的主要物源。根据降雨量数据计算出碾头岔沟最大洪峰流量大于30m~3/s。在此水动力条件下,预测了泥石流发生时流体重度值为22.80k N/m~3,泥石流流速为5.11m/s;估算了20年、50年和100年一遇洪水的泥石流流量分别为4.31m~3/s、44.6m~3/s和95.5m3~/s,计算得到泥石流整体冲击力为58.34k Pa,超高2.13m,泥石流堆积区的最大危险范围0.21km~2,为小秦岭金矿区矿渣型泥石流防治工程方案的设计提供了基础参数。     

豫西某金矿矿渣转化为泥石流物源的危险性评价

矿渣在沟谷的堆积形态、压占比例影响其在特定降雨概率下的稳定性。文中以豫西某金矿2条主沟16个渣堆为研究对象,提出在不同降雨概率雨力条件下单个渣堆稳定性计算方法。即近10年来最大观测雨强、25年一遇（P=4%）雨强、50年一遇雨强（P=2%）、100年一遇雨强（P=1%）条件下的启动流速（Uc）以及泄洪流速（Us）,令稳定系数Fs=Uc/Us,计算出渣堆的稳定系数,研究成果对于不同特定雨力工况下渣堆的危险性评价及分类防治有一定意义。     

河北省泥石流分布特征及防治对策

河北省地质环境条件复杂,灾害种类多,分布广,危害大。泥石流灾害以其数量大,爆发集中,成为危害最为严重的山区灾害之一。本文依据山区县市地质灾害调查与区划统计数据,对危害较重泥石流灾害发育特征和分布规律进行了初步分析,阐明了泥石流灾害与自然背景地质环境以及人为因素之间的关系,并据此提出了防治对策建议。     

Properties of debris flow deposits and source materials compared: implications for debris flow characterization

In the Alps, debris flow deposits generally contain <5% clay‐size particles, and the role of the surface‐charged <2 μm particles is often neglected, although these particles may have a significant impact on the rheological properties of the interstitial fluid. The objective of this study was to compare debris flow deposits and parent materials from two neighbouring catchments of the Swiss Alps, with special emphasis on the colloidal constituents. The catchments are small in area (4 km²), 2·5 km long, similar in morphology, but different in geology. The average slopes are 35–40%. The catchments were monitored for debris flow events and mapped for surface aspect and erosion activity. Debris flow deposits and parent materials were sampled, the clay and silt fractions extracted and the bulk density, <2 mm fraction bulk density, particle size distribution, chemical composition, cation exchange capacity (CEC) and mineralogy analysed. The results show that the deposits are similar to the parent screes in terms of chemical composition, but differ in terms of: (i) particle size distribution; and (ii) mineralogy, reactivity and density of the <2 mm fraction. In this fraction, compared with the parent materials the deposits show dense materials enriched in coarse monocrystalline particles, of which the smallest and more reactive particles were leached. The results suggest that deposit samples should not be considered as representative of source or flow materials, particularly with respect to their physical properties.     

基于FLOW-3D的泥石流龙头运动过程模拟研究

由于2020年10月3日四川省阿坝州理县米亚罗镇突发暴雨,二经里沟暴发了泥石流,损坏沟口的高速公路,并堵塞河道。为了探索泥石流龙头运动特征,选取二经里沟为研究对象,通过调查分析得到泥石流物源分布及规模、沟道形态等特征,采用FLOW-3D数值模拟方法对该泥石流的运动特征进行分析。依据泥石流运动过程的不同特征,将全过程划分为物源汇集、运动特征突变、持续发展、泥沙堆积4个阶段,经验证模拟精度达88.98%。结合泥石流流动速度和堆积深度计算其强度指数,将其划分为4个等级并绘制强度分布图,其中极高强度区占2.4%,高强度区占5.1%,中强度区占13.6%,低强度区占78.9%。并通过三维建模在沟道拟设拦挡坝,模拟分析其对泥石流的减灾效果,为今后防治工程的修建提供科学依据。     

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

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。     

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。     

四川康定县野牛沟灾害性泥石流汇流特征

2005年7月7日,康定县野牛沟发生泥石流,堵塞大渡河一级支流金汤河,造成了巨大的经济损失。研究发现,野牛沟泥石流为五十年一遇粘性低频泥石流,具有流速快,沿程流量剧增的特点。分析认为,由于鸡索子沟、纸厂沟巨大的洪峰流量汇入主沟,再加上流通区内2km范围内密集分布了大量的不稳定物源,这些物源短距离内大量汇入主沟,最终导致泥石流峰值流量在流通区的后半程剧增。