溃决型泥石流起动模型与放大效应研究

摘要

汶川地震直接触发了大量滑坡、崩塌，为震后泥石流活动提供了丰富的固体物质。地震时，在沟道流域内形成的滑坡、崩塌直接堆积于沟道，对沟道形成了部分堵塞或完全堵塞。大部分堆积于沟道的松散物质在短时间内随着地表径流被带走，少部分堆积体在沟道内形成堰塞体。在雨季到来时，洪水对堰塞体的冲刷加剧，当堰塞体溃决时，形成溃决型泥石流，造成灾难性后果。溃决型泥石流形成灾害时间短、成灾规模大、破坏能力强。汶川地震前，我国溃决型泥石流主要发生在西藏地区，以冰湖溃决为主，其积累时间长、暴发频率低、成灾规模大;汶川地震以后，经历强烈的地震作用，震区多次暴发溃决型泥石流，该类泥石流有别于冰湖溃决型泥石流，其暴发前后常伴随长时间降雨，暴发时间主要集中在雨季，同时震区暴发频率较高。
　　一场溃决型泥石流伴随着侵蚀、运动、淤积、堵塞、溃决，整个过程十分复杂。地震后经历多次溃决型泥石流事件后，如2010年8月13日汶川县映秀镇红椿沟特大泥石流、2013年7月11日汶川县七盘沟特大泥石流等。为了进一步了解该类泥石流，同时为该类泥石流提供更加有效的风险评估、预报预警和工程治理提供建议。本文主要对溃决型泥石流的成因条件、溃决过程、侵蚀运动过程及堆积过程进行了如下分析和讨论:
　　震区溃决型泥石流堰塞体的形成来自于强烈的地表活动，陡峻的流域地形，沟壑纵横，山高沟窄，将固体物质堆积于沟道形成堰塞体。堰塞体的形成方式为:滑坡、崩塌和泥石流，导致组成堰塞体的固体物质自身结构松散，空隙率高，整体强度低。这一特点使得震区堰塞体在破坏形式上也有别于其他类型堰塞体。天然堰塞体的溃决方式主要为滑动溃决、逆流渐进溃决、漫流侵蚀溃决。对于震区溃决型泥石流堰塞体的溃决方式主要以漫流侵蚀溃决为主。这是由堰塞体自身结构特性和属性决定，堰塞体自身稳定性较差，发生整体破坏的可能性较小，容易发生局部破坏。
　　选取了震区2013年“7.10”成灾规模较大的泥石流事件进行了对比分析，分析溃决型泥石流与一般暴雨型泥石流基本特征，分别从流域面积、沟长、纵坡降、流量、容重等方面进行了讨论。溃决型泥石流较一般泥石流对沟道的侵蚀能力更强、成灾规模更大，破坏力更强，影响范围更广。其中堵溃点对泥石流的形成、侵蚀、运动存在放大、加剧的作用，堵溃点在泥石流整个过程中扮演了十分重要的角色。
　　分析堰塞体可能发生的破坏模式，计算堰塞体溃决流量过程线对于溃决型泥石流至关重要。流量过程线影响到溃决型泥石流的起动时刻，侵蚀能力，达到下游时刻，成灾规模大小，对于泥石流过程的分析十分重要，对于泥石流的预警预报、工程治理也有一定价值。溃决型泥石流的峰值流量将早于正常峰值流量到来，且溃决峰值流量比正常峰值流量大。文中通过模型计算，结合坝体库容、坝体几何形态、坝体岩土特征，设定入流曲线，定量计算溃决流量过程线，较为直观的分析坝体溃决的整个过程。
　　对于溃决型泥石流，文章中提供了一种新的分析思路，采用数值模型结合理论分析的方法，对泥石流的侵蚀过程进行了探讨。溃决型泥石流的侵蚀能力、侵蚀范围强于一股沟道侵蚀型泥石流，溃决流量放大后对流速、流深的影响较大，而沟道内流体的侵蚀能力与搬运距离与流体流速、流深、容重等因素有关。最后确定泥石流侵蚀区域，选择泥石流侵蚀较弱的区域模拟泥石流的运动和堆积过程，这样得到的泥石流模拟结果更为接近真实值。
　　选取了震区2013年“7.10”暴发的较为典型的七盘沟进行分析，首先对堵溃点进行了介绍和分析，分别计算沟道内堵溃规模较大的灾害点，对堰塞体溃决流量过程线进行了计算，对溃决过程进行了分析;利用数值模拟软件结合流量过程线，对沟道侵蚀情况进行了分析，最后确定老鹰岩堰塞体下游作为泥石流运动和堆积模拟区域，得到的泥石流堆积范围与实际范围较为接近，为此类泥石流的分析提供了较为实用的方法。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 流域内堵塞坝研究现状

1．2．2 溃决流量研究现状

1．2．3 泥石流起动研究现状

1．3 本文研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 沟道内堵塞体特征分析

2．1 沟道内形成堵塞体影响因素

2．2 堰塞体成因类型

2．3 沟道内堵溃点失稳类型

第3章 溃决型泥石流放大效应

3．1 溃决型泥石流事件

3．2 沟道侵蚀型泥石流事件

3．3 溃决型泥石流特征分析

3．3．1 特征参数对比分析

3．3．2 影响因素分析

第4章 溃决型泥石流起动条件初步判别方法

4．1 堵溃点溃决流量分析

4．2 泥石流侵蚀模型

4．2．1 侵蚀计算模型

4．2．2 侵蚀数值模型

4．3 模型数据计算

4．3．1 溃决-侵蚀数值模型

4．3．2 模型实验验证

第5章 七盘沟溃决型泥石流特征分析

5．1 七盘沟流域概况

5．2 堵溃点分析

5．3 模型计算

5．3．1 溃决流量过程线计算

5．3．2 泥石流过程模拟

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果