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《中国地质大学》 2015年
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沟道泥石流堆积体复活启动机制研究

王硕楠  
【摘要】:泥石流作为近年来一种常见的地质灾害,其爆发具有突发性且危害严重的特点,每年造成的经济损失和人员伤亡均很大。但由于其成因复杂,治理成本高,目前仍无有效的手段对其进行治理与控制。因此多年来,国内外学者们对泥石流展开了大量的研究,其中对泥石流的启动机理和启动临界条件进行研究是泥石流防灾减灾的重要方式之一,而泥石流启动的研究一直是泥石流研究的重点之一,其对泥石流防灾减灾工作具有重要的指导意义。由于沟道堆积体作为物源启动形成泥石流的实例相对较少,因此目前泥石流研究中,对于该类型的泥石流研究也比较少,同时对该种类型的泥石流启动研究主要是从地形地貌、降雨条件等方面出发来研究其形成机理,缺乏相应的室内试验以及物理模型试验方法的研究。因此,对沟道泥石流堆积体进行人工降雨试验来研究其启动机理具有重要意义。栾川县位于豫西伏牛山山区,同时也因山多地少,人类活动比较频繁,对地形地貌的改造活动较多,同时由于山区小气候的原因,汛期降雨比较集中频繁,这些原因都造成该区域泥石流灾害发育的特点。另外由于栾川县农业、矿业和旅游业发展比较好,其中旅游业开发比较早,管理到位,设施系统也比较完善,目前是县内重要的支柱产业。而旅游业中的景区大部分分布在沟谷内,因此极易受到泥石流灾害的影响,同时当地居民和游客的人身安全也受到泥石流灾害发生可能性的威胁。栾川县属于泥石流易发区,在历史上曾多次暴发泥石流,其中部分泥石流沟呈现间歇性大规模暴发的现象。在2010年7月24日,由于连续暴雨的影响,引发县境内29处泥石流灾害的爆发,造成人员伤亡89人,直接经济损失达到19.8亿。同时经过2012年的详细调查,发现县境内一些沟道上还留存有以往泥石流爆发所遗留下来的堆积体,这些堆积体在强降雨的作用下可能再次启动形成泥石流。根据野外调查显示,柿树沟沟道内目前还存在大量泥石流堆积物,主要分布于沟道中下游地势较平缓处。2010年7月24日,该沟由于强降雨的作用引发了泥石流,物源主要来自于以往泥石流爆发时留存至此的沟道堆积体,且该次泥石流爆发时能量较大,损毁严重。因此,对柿树沟泥石流形成条件和启动机理进行研究,有利于针对沟道堆积体启动形成泥石流的防灾减灾工作的开展,减少居民生命财产的损失,并对其预测预报工作起到一定的指导意义,同时还可以为同种类型的泥石流形成和预测防治研究提供-定的参考意义。因此,针对栾川县柿树沟沟道泥石流堆积体复活启动问题,采用地面调查、室内参数试验研究、人工降雨模型试验研究和理论分析相结合的研究方法,得到沟道泥石流堆积体其物理力学参数,同时得到其抗剪强度、应力应变、孔隙水压力、质量含水率等在不同工况下的变化规律,结合试验观测的泥石流启动结果和前人研究成果,对沟道泥石流堆积体复活启动机理进行了分析研究,探讨了不同因子条件下泥石流启动模式。最后运用颗粒流数值模拟软件SPH2D对不同雨强下柿树沟泥石流的启动模式进行了模拟,并与试验结果相对照分析,结果比较吻合,符合实际情况。以此建立起沟道泥石流堆积体复活启动机理研究的模式,并说明了柿树沟泥石流启动的临界条件。本文的主要研究工作和成果如下:1、对栾川县境内的已知泥石流展开调查,查明其地形地貌、地质环境等条件以及历史爆发情况,分析其成因和特征。栾川县地貌主要为中山和中低山,地层比较复杂,地质构造发育,降雨充沛,人类改造环境活动比较频繁。这些条件有利于泥石流的形成,因此历史上县境内多次爆发泥石流。通过对柿树沟的调查可知,该泥石流的爆发其物源主要来自于以往泥石流爆发所留存于沟道内的堆积体,在强降雨的作用下,形成的地表径流对其产生冲刷侵蚀最终启动形成泥石流。2、从柿树沟泥石流形成条件、“7.24"泥石流特征方面阐述了柿树沟泥石流的发育特征。柿树沟降雨丰富,流域面积和沟床比降属于泥石流易发范围,有利于泥石流的形成。柿树沟“7.24”泥石流的主要物源为沟道泥石流堆积体,其主要分布于沟道内的宽缓地带,是由于以往泥石流规模不及“7.24”泥石流而形成。柿树沟泥石流堆积体的复活是在前期降雨对土体强度弱化,泥石流暴发当天的持续高强度降雨导致的强烈的携砂径流对泥石流堆积体冲刷拖拽起动而形成。“7.24"泥石流具有水流揭底沟道堆积物的特征,为沟床起动型泥石流。3、采用颗分试验、X衍射试验、渗透实验,获取物源土体的基本物理力学参数。通过室内试验对柿树沟泥石流土样进行了基本物理化学特性及力学性质研究,得出物源士体的性质为粗粒土,经过颗分试验得出其不均匀系数为Cu=26.92,曲率系数为Cc=4.95,粒径分布不均匀,颗粒极配良好;渗透系数位于粗砂渗透系数范围内,渗透性好,有利于雨水快速入渗。这些特性有利于物源土体在降雨作用下迅速达到饱和,形成地表径流,为泥石流快速启动创造了良好的条件。4、采用大直剪试验和三轴剪切试验,获取不同工况下物源土体的c、φ值及其与应力应变的变化规律。通过对物源土体进行的大直剪试验和三轴可知,物源土体的粘聚力与饱和度成反比关系,随饱和度的增加而减小;抗剪强度与土体的饱和度成反比关系,随着饱和度的增加而减小;当物源土体在降雨条件下逐渐达到饱和的过程中,其持水能力降低,土体粘聚力急剧下降,抗剪强度降低,同时随着土体的饱和,出现地表径流并伴随持续降雨而使其侵蚀和挟沙能力也加强,易造成泥石流的发生。物源土体在CU剪切试验过程中干密度较小的试样多为剪缩破坏,干密度较大的试样多为剪胀破坏;c、φ均随干密度增大而增大,试样在CU试验内摩擦角远大于同条件下UU试验内摩擦角,且随着干密度的增加此差距逐渐变小。5、对不同沟床坡度、土体饱和度和雨强条件下的泥石流堆积体采用人工降雨方式,并对该过程中物源土体强度的变化和启动结果进行分析研究。通过物理模型试验,得出泥石流启动时,物源土体基本达到饱和,而下游的土体其含水量上升更快,最终含水量也更高,更易被破坏。孔隙水压力的增大对土体强度具有很大影响,在试验过程中孔隙水压力具有先增大然后保持稳定最后降低的趋势,同时其对雨强的影响最为敏感。土体在含水率逐渐增加并最终达到剪切破坏的过程中一直存在剧烈的能量交换,而在产生剪切破坏后其产生的能量交换较小。通过对试验结果的正交设计分析,可知对冲沟形成时间的影响的因子主次关系为饱和度雨强沟床坡度,对物源土体冲出方量的影响的因子主次关系为雨强饱和度沟床坡度。对柿树沟来说,雨强为30mm/h时,泥石流不会发生;当雨强为60mm/h时,泥石流堆积体部分启动;当沟床坡度为17°时,即使其土体初始饱和度只有50%,在当期累积雨量达到70mm时也会发生泥石流,当土体初始饱和度为100%时,即使其沟床坡度仅为12°时,在当期累积雨量达到20mm时也会发生泥石流;当雨强为90mm/h时,泥石流堆积体出现大范围启动,甚至出现揭底现象,其中当沟床坡度为12°,土体初始饱和度为75%时,在当期累积雨量达到40.5mm时会发生泥石流,当沟床坡度为17°,土体初始饱和度为100%时,在当期累积雨量达到30.5mm时会发生泥石流,当沟床坡度为15°,土体初始饱和度为50%时,在当期累积雨量达到85.5mm时会发生泥石流。这个启动临界条件可以为今后柿树沟沟道泥石流堆积体启动的预测预报工作起到一定的借鉴及指导作用。6、根据试验结果,分析研究沟道泥石流堆积体复活启动机理,并利用数值模拟软件SPH对研究结果进行验证。通过试验观测,判定沟道泥石流堆积体的复活启动过程为:前期降雨——当期降雨、径流形成,土体表面冲刷侵蚀,形成冲沟——土体强度继续下降,接近临界稳定状态——土体达到临界稳定状态并失稳、泥石流堆积体启动——泥石流形成。其在不同雨强情况下启动破坏形式不同。在雨强为60mm/h下堆积体达到临界稳定状态,坡脚土体产生液化,接着堆积体从坡脚开始破坏并部分启动形成泥石流;雨强为90mm/h下堆积体达到临界稳定状态,物源土体开始产生液化,当饱和土体在进一步的降雨打击振动以及地表径流冲刷的作用下失稳,堆积体从坡脚开始迅速失稳启动,接着堆积体出现大范围启动,甚至出现揭底现象。通过对柿树沟进行数值模拟的结果可以看出,沟内松散堆积体在工况1时,坡面形态仅局部产生调整,堆积体部分启动,地表径流的冲刷力只对堆积体表层有影响,但未影响整体形态;在工况2下时,坡面形态出现变化,堆积体开始产生位移,坡面变形迅速发展,堆积体整体启动。该模拟结果基本与现场调查以及物理模型试验结果相符合。本文的主要创新点有以下:1、根据对沟道泥石流堆积体为物源的泥石流进行物理力学参数试验的基础上,获取其特征参数;并结合了大直剪试验和三轴剪切试验的结果对物源土体的强度及其特性进行了详尽的分析研究;再对该类型的泥石流进行人工降雨的物理模型试验,试验工况采用spss软件进行正交设计,大大减少了试验组数,分别获取堆积体在泥石流形成过程中不同因子条件下含水率、孔隙水压力、温度等的变化规律,结合观测到的泥石流启动情况,对物源土体冲沟形成时间和冲出方量进行正交评价,得出不同因子的重要程度排序,并得出泥石流启动所需条件。2、结合参数试验和物理模型试验结果,对沟道泥石流堆积体作为物源的泥石流启动过程和成因机制进行综合分析,得出该类型泥石流的启动机制;并对柿树沟沟道堆积体分别在不同雨强条件下,形成泥石流时不同的启动破坏形式进行了分析说明。最后利用SPH软件对柿树沟泥石流沟道堆积体启动过程进行不同降雨工况下的数值模拟,结合实际调查结果和试验结果对得出的启动机制进行分析验证。综上所述,论文在对物源土体性质进行分析的基础上,结合模型试验结果,对柿树沟沟道泥石流堆积体复活启动过程和形成机理进行了分析研究,得到了柿树沟泥石流堆积体启动所需的临界条件,并得到了沟道泥石流堆积体复活启动的机理,为接下来对该类型泥石流预测预报和防灾减灾工作提供了科学的依据,并有利于对其进行预测预报的研究,也有利于防灾减灾工作的进一步开展。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P642.23

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