山西省忻州市伯强沟泥石流运动过程数值模拟及危险性分区

摘要

泥石流是一种由土、砂、石等固体物质与水以及少量气体组成的三相混合物，在重力的驱动下沿山坡或者沟谷运动，具有爆发突然、来势凶猛和破坏力强的特点。泥石流是一种分布范围广并且活动时间长的地质灾害，每年都有不同程度规模的泥石流灾害发生，给人们的生产生活带来了严重的影响。据资料可知，忻州伯强沟曾在1956、1996、1997年发生过泥石流，毁坏房屋，淹没良田，总直接经济损失2700余万元，因此研究伯强沟泥石流的运动过程、致灾范围、危险范围、危险强度的划分对于该沟泥石流的预警和灾害防治有重要的意义。 现阶段泥石流的相关研究已经在全世界范围内受到了重视，其中一个重要方向是将数值模拟应用在泥石流危险性分区中。本文在收集资料和现场调查的基础上，用Massflow数值模型模拟了泥石流的运动过程。该数值模型是基于连续介质模型建立的，根据二维质量守恒方程和动量守恒方程的推导，采用有限差分法计算。本文根据伯强沟泥石流的发育特征选用了Voellmy摩擦模型，利用该数值模型以可视化和量化的方式展现泥石流的运动过程和堆积特征。 根据伯强沟泥石流案例，模拟了20年一遇、50年一遇和100年一遇的泥石流灾害，设置降雨量分别为43.68mm/h、47.05mm/h、59.18mm/h，泥石流容重为1.885t/m3，通过数值模拟反演得到摩擦系数为0.3，湍流系数为10m/s2。将以上条件输入到数值模型中，得到3种降雨量的泥石流运动过程，20年一遇泥石流最大泥深为2.34m，北台峰村最大泥深0.8m；50年一遇泥石流的最大泥深为2.51m，北台峰村最大泥深为1.2m；100年一遇泥石流的最大泥深为2.71m北台峰村最大泥深为1.5m。3种不同降雨情况的流速特征基本一致，泥石流体从坡体运动到到支沟再到主沟的过程中，流速从小到大再到小，从运动开始到结束这一过程中，最大流速约为20~24m/s，支沟内最大流速约为16m/s，主沟内流速最大约为11m/s，北台峰村附近泥石流流速平均6~7m/s。 最后根据在不同降雨条件的泥深和流速，依据泥石流影响强度划分标准对伯强沟进行了危险性分区。根据分区结果，北台峰村村西和村南为高危险性，村东和部分村北为中危险性。根据危险性分区结果，为该地区的泥石流地质灾害防治工作提供一定的参考。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 泥石流数值模拟研究现状

1.2.2 泥石流危险性评价研究现状

1.2.3 数值模拟在危险性评价中的应用

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 研究区泥石流概况

2.1研究区自然地理环境

2.1.1 地理位置

2.1.2 地形地貌

2.1.3 气象水文

2.1.4 植被

2.2研究区地质特征

2.2.1 地层岩性

2.2.2 构造

2.2.3 地震

2.2.5 人类工程活动

2.3 研究区泥石流灾害史

2.4 研究区泥石流发育特征

2.4.1 形成区

2.4.2 流通区

2.4.3 堆积区

2.4.4 物源特征

第三章 Massflow泥石流数值模型

3.1 泥石流的二维连续方程及动量守恒方程

3.1.1 二维连续方程

3.1.2 二维动量守恒方程

3.2 摩擦模型的建立

3.2.1 库伦摩擦模型

3.2.2 Voellmy模型

3.3 泥石流的二维控制方程

3.4 数学模型的数值解法

3.5 本章小结

第四章 数值模拟参数的选取

4.1 泥石流运动的初始条件

4.1.1 地形条件

4.1.2 物源条件

4.1.3 降雨条件

4.2 泥石流的运动条件

4.2.1 泥石流容重

4.2.2 泥石流运动参数

4.3 本章小结

第五章 研究区泥石流数值模拟计算结果

5.1 20年一遇泥石流运动过程

5.1.1 泥深随时间的变化

5.1.2 流速随时间的变化

5.2 50年一遇泥石流运动过程

5.2.1 泥深随时间的变化

5.2.2 流速随时间的变化

5.3 100年一遇泥石流运动过程

5.3.1 泥深随时间的变化

5.3.2 流速随时间的变化

5.4 本章小结

第六章 伯强沟泥石流危险性分区

6.1 危险性分区标准

6.2 伯强沟泥石流危险性分区

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 不足与展望

参考文献

致 谢