强震区溃决型泥石流动力过程模拟及特征研究

摘要

汶川地震触发的大量山体崩塌、滑坡，为震后泥石流的发生提供了丰富的松散物源。地震触发的大量崩滑物质堆积于沟道，极易形成天然堵塞体。这类沟道内的天然堵塞体在降雨径流和上游水流的侵蚀冲刷作用下，极易发生失稳渍决，对沟道造成突发性高强度洪水冲蚀，从而形成溃决型泥石流。这类泥石流的发生和发展过程具有鲜明特点，呈现出成灾快、规模大、破坏力强、且在河流两岸发育时还易造成堵江灾害链等特征，其导致的灾害损失比一般的暴雨型泥石流要严重得多。在汶川地震前，我国境内发生的溃决型泥石流大多分布在新疆和西藏地区，且多为冰湖溃决型泥石流;汶川地震后，震区某些泥石流沟道内形成的大型堵塞体，在暴雨作用下，极易激发形成规模巨大、危险性高的溃决型泥石流，比如震区2010年8月13日暴发的红椿沟泥石流，2011年7月3日暴发的高家沟泥石流，2013年7月11日暴发的七盘沟泥石流等。
　　地震前，由于冰湖溃决型泥石流发生的频率较低，且其触发机制复杂，导致人们对于溃决型泥石流的认识和理解并不够系统完善;地震后，震区暴发的多场溃决型泥石流，为人们更进一步地认识和理解这类泥石流提供了宝贵的天然样本。为了能够针对这类泥石流，提出更加有效的风险评估、预警预报和工程治理方法，本文对溃决型泥石流的动力过程特征进行了如下的分析和探讨:
　　首先，选取强震区三个典型的溃决型泥石流事件，通过分析其流通区内泥石流活动关键指标的变化规律认为，强震区溃决型泥石流沟道内的堵塞体失稳主要由降雨径流和上游水流侵蚀冲刷引起，该类泥石流的基本特征包括:流体容重受堵塞体溃决存在明显的增加过程，但当流通区内物源分布较均匀且堵塞体间隔存在时，容重将在小范围内波动;沟道断面的流量沿程存在暴涨暴落现象，沟道内堵塞体溃决使得流体的泥沙浓度不断增加，导致流量放大，且断面流量在该过程中将达到某一极值;由于堵塞体的拦截作用增加了沟道内物质的势能，从而增大了转化而成的流体动能，导致这类泥石流的冲击力大，进而产生强大破坏力。
　　其次，根据泥石流沟道内天然堵塞体成因机制的特征，将堵塞体的形成过程划分为初始形成和强度形成两个阶段;并根据沟道内天然堵塞体物质组成的特征，将堵塞体划分为堆石体和堆积体两类;另外，按照对溃决型泥石流形成过程所起作用的不同，将泥石流沟道内稳定性最好的堵塞体定义为主级堵塞体。通过分析沟道内天然堵塞体失稳模式的基本特征和野外调查认为，震区溃决型泥石流沟道内堵塞体的失稳形式以漫顶破坏模式为主，而冰湖溃决型泥石流沟道内的堵塞体多以管涌破坏模式失稳。通过对比典型溃决型泥石流和一般的暴雨型泥石流的动力过程特征，将强震区泥石流沟道内天然堵塞体失稳溃决形成泥石流的过程模式，归纳为三类典型的溃决链式。利用力学平衡原理分析，分别建立了沟道内堆石体和堆积体的简化失稳判别式，并进行验证。
　　再次，通过定性描述和定量计算两种途径，分别对溃决型泥石流沟道内主级堵塞体溃决口的断面流量变化特征和溃口下游的洪水演进特征做了分析。将溃决口处的断面流量变化过程概化为初始阶段、溃决阶段和消落阶段三个过程;并根据溃决型泥石流的形成和发展特征，将溃决口下游沟道的断面流量变化过程划分为S1和S2两种类型进行描述。基于沟道内主级堵塞体瞬间全溃的一维模型假设，利用圣维南方程组推导了堵塞体溃决口及其下游断面最大流深与对应流速的计算公式，通过引入泥沙修正系数和演进修正系数，建立了溃决型泥石流在堵塞体溃决口及其下游断面峰值流量的计算方法。验证结果表明，基于一维圣维南方程组建立的溃决型泥石流断面峰值流量的计算方法，对于沟道内只有一处主控的堵塞体且其为瞬间全溃的情形时，计算结果能够与实际情况较好吻合。
　　最后，利用物理模拟结果对溃决型泥石流的动力过程进行分析，提出了堵塞体失稳形成溃决型泥石流的基本模式:在上游洪水或稀性泥石流的不断冲刷作用下，沟道内堵塞体在一定条件下可能发生漫顶破坏、管涌破坏或滑面破坏，堵塞体失稳后，将导致沟道内发生高强度的沟床侵蚀和泥沙搬运作用，最终演化形成泥石流。以七盘沟泥石流为例，探讨了一种对溃决型泥石流进行数值模拟的整合方法:首先，应用计算流体力学软件Fluent对泥石流沟道内主级堵塞体的溃决过程进行模拟;其次，将溃决过程模拟中获取的溃口流量过程线输入到Flo-2D软件中，并对沟道下游泥石流的演进过程进行模拟。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 沟道内天然堵塞体研究现状

1．2．2 泥石流活动关键指标研究现状

1．2．3 泥石流动力过程模拟研究现状

1．3 本文研究思路及主要研究内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 主要研究内容

第2章 典型溃决型泥石流的活动特征

2．1 本章引论

2．2 舟曲泥石流的活动特征

2．2．1 舟曲泥石流事件概况

2．2．2 流通区活动指标变化规律

2．2．3 堵溃特征分析

2．3 红椿沟泥石流的活动特征

2．3．1 红椿沟泥石流事件概况

2．3．2 流通区活动指标变化规律

2．3．3 堵溃特征分析

2．4 七盘沟泥石流的活动特征

2．4．1 七盘沟泥石流事件概况

2．4．2 流通区活动指标变化规律

2．4．3 堵溃特征分析

2．5 本章小结

第3章 沟道内天然堵塞体失稳特征

3．1 本章引论

3．2 沟道内天然堵塞体分类及特征

3．3 沟道内天然堵塞体的失稳机理

3．3．1 天然堵塞体失稳的基本模式

3．3．2 沟道内天然堵塞体溃决链式

3．4 沟道内天然堵塞体的失稳判别

3．4．1 沟道内堆石体的失稳判别

3．4．2 沟道内堆积体的失稳判别

3．4．3 堵塞体失稳判别式的验证

3．5 本章小结

第4章 溃决型泥石流的流量特征

4．1 本章引论

4．2 溃决型泥石流的流量过程特征

4．2．1 溃口流量过程特征

4．2．2 溃口下游流量特征

4．3 溃决型泥石流的流量计算方法

4．3．1 公式推导

4．3．2 实例验证

4．4 本章小结

第5章 溃决型泥石流动力过程模拟

5．1 本章引论

5．2 溃决型泥石流的形成模式

5．3 溃决型泥石流的数值模拟

5．3．1 数值模拟方法

5．3．2 模拟与结果分析

5．4 本章小结

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