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《吉林大学》 2016年
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泥石流降雨启动机制及早期预警模型的研究

黄晓虎  
【摘要】:北京地区泥石流为典型的北方低频泥石流,危害性易被忽视,一旦爆发,容易造成巨大损失,“7.21”特大暴雨引起的南窖沟泥石流就是如此。因此,对北京地区泥石流进行系统的研究具有现实意义。论文依托北京市科委课题“北京山洪泥石流预测预警关键技术研究”项目。以门头沟区达摩沟为研究对象,开展达摩沟小流域地质调查、泥石流发育特征研究工作,并对达摩沟小流域物源的物质组成、结构特征、力学性质进行了分析。并在此基础上,开展了物理模拟试验,研究了试验过程中物源堆积体的侵蚀破坏特征,进而分析达摩沟小流域泥石流的启动机制和影响因素,并获取不同降雨类型的临界激发雨量。以试验获取的临界激发雨量为基础,结合历史泥石流发生资料,建立了达摩沟泥石流灾害早期预警模型。获得了以下研究成果:(1)在现场地质调查和Mapgis处理分析的基础上获得了达摩沟小流域主沟形成区、流通区和支沟特征。共统计不稳定物源69处,总量为9763.6×104m3;较不稳定物源40处,总量47399.8×104m3。调查发现堆积区的土体粒径颗粒大于20mm的约占49.93%,定义为角砾(岩土工程勘察规范)或者含块石混合土(地矿部DT-92规程)。主体物源煤矸石的颗粒大于20mm的约占53.13%,定义为碎石(岩土工程勘察规范)或者含块石混合土(地矿部DT-92规程)。根据堆积区和主体物源的粒度分析得出达摩沟泥石流形成的环境能量较高、偏度极正、峰度很尖窄,为浊流相沉积,滚动—悬浮搬运为主。(2)对达摩沟泥石流发育特征进行了科学的评估。得出达摩沟小流域泥石流是一种暴雨触发、物源为弃渣和崩滑坡积物的沟谷型泥石流,活动能力和致灾能力较强。主沟的泥石流处于衰退期——停歇期,轻度易发。泥石流危险度为中度危险。达摩小流域沟口处村庄、支沟与主沟交汇的地方危险性高。达摩沟小流域泥石流的易损度为VD=0.71。达摩沟小流域内村庄所在处为中高风险区,主沟右岸道路为中风险区,风险度R=0.24,风险度中等。(3)通过设计模型与原型的相似关系、物源处理方法、后方汇水、降雨强度和组合类型、人工降雨系统分别建立了1:30比例尺的室外物理模拟试验平台和1:60比例尺的室内物理模拟试验平台。模型尺寸分别为1.03m×3.72m、0.52m×1.86m。通过3组不同降雨工况的室外物理模拟试验和5组不同降雨工况的室内物理模拟试验,获取了物源堆积体的侵蚀破坏特征、体积含水率、孔隙水压力、侵蚀冲出量变化规律。(4)对试验过程中物源堆积体的侵蚀破坏特征进行了分析,达摩沟物源堆积体的侵蚀破坏过程依次为:降雨浸润、面蚀、细沟侵蚀、坡脚掏蚀、切沟侵蚀。其中细沟侵蚀、坡脚掏蚀、切沟侵蚀阶段物源开始补充给径流。其中切沟侵蚀发生的时间点是泥石流的启动点。(5)对比不同降雨工况的试验发现,物源堆积体的初始含水率越高,泥石流启动的速度越快,侵蚀冲出量越大,爆发规模越大。综合分析达摩沟物源堆积体的启动机制,发现水土物理作用(前期降雨)、后方汇水侵蚀破坏作用、降雨雨强、降雨历时是泥石流启动的主要因素。(6)通过室外试验得到土体饱和+百年一遇降雨工况的临界激发雨量为47.28mm、直接百年一遇降雨工况的临界激发雨量为55.20mm、十年一遇降雨转百年一遇降雨工况的临界激发雨量为94.14mm。通过室内试验得到土体饱和+百年一遇降雨工况的临界激发雨量为33.42mm、前期降雨+超百年一遇降雨工况的临界激发雨量为54.04mm、直接百年一遇降雨工况的临界激发雨量为66.84mm、十年一遇降雨转百年一遇降雨工况的临界激发雨量为75.48mm、直接五十年一遇降雨工况的临界激发雨量为78.08mm。(7)以试验获取的临界激发雨量为主要数据源,结合历史泥石流发生资料,依据“一次降雨过程”判定降雨类型,分别建立了暴雨型分级预警模型和前期降雨型分级预警模型。以上研究,全面分析了达摩沟小流域泥石流的发育特征,并通过物理模拟试验探讨了达摩沟小流域泥石流的启动机制,并获取了不同降雨类型的临界激发雨量,最终建立达摩沟小流域泥石流的早期预警模型,丰富了北京地区泥石流研究工作,为北方低频泥石流的启动机制和预警工作提供了示范。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P642.23

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