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《成都理工大学》 2016年
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震区溃决型泥石流冲出量特征及预测方法研究

方群生  
【摘要】:汶川8.0级地震后,震区的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害异常强烈,致使泥石流沟流域内堆积大量松散物体物质,极易形成天然堵塞坝,加上震后的数场大暴雨的激发作用下启动形成了震区新型泥石流—溃决型泥石流,致使震区泥石流危险性范围进一步扩大,由于溃决型泥石流发生溃决突发性及一次性携带的松散固体物质量较大,因此其冲出方量也是巨大的。本文通过对研究区内地形地质数据、降水资料、图像资料和泥石流野外调查数据的总结与整理,分析了研究区内典型溃决型泥石流成因和堵溃特征。参考前人对泥石流冲出量的研究,选取了泥石流流域面积、流域相对高差、沟道纵向长度、总物源量、沟道堰塞体、主沟平均纵比降、总动储量、沟道堆积体等8个流域内主要的特征参数对汶川震区一般型和溃决型泥石流的冲出量进行回归分析研究,得到的结论如下:(1)通过分析震区3个典型溃决型泥石流冲出量特征,得到降雨径流和沟道上游水流侵蚀冲刷作用是震区溃决型泥石流沟道内的堵塞体溃决的主要原因,沟道内堵溃点的特征具有很大的相似性,堵溃点的形成都经历过堵塞阶段、沟道径流汇聚潜流阶段、溃决破坏阶段、后续泥石流阶段4个过程。具有的基本特征:泥石流容重受堵塞体溃决存在明显的增加过程,泥石流流量在流通区内沿程存在暴涨暴落现象,堵塞体的拦截作用导致溃决型泥石流冲击力增大,进而造成较强破坏力等。(2)通过选取汶川震区48条泥石流沟流域内(包括溃决型泥石流和一般型泥石流流域)的崩滑体、沟道物源、坡面物源的体积、面积、动储量作为样本数据进行了分析,结果显示崩滑体、沟道物源、坡面物源的静储量与动储量之间分别具有明显的二次项、幂函数、三次项的相关关系,从而建立泥石流总物源量与动储量的计算模型。并运用牛圈沟进行实例验证,结果显示泥石流物源预测模型估算值与野外实测值之间的相对误差在-8.73%~19.30%,且估算值比野外实测值出现了偏大或偏小的情况。通过分析流域内不同物源类型转化为冲出量的转化率,结果显示牛圈沟内沟道堰塞体溃决后发生泥石流的冲出量大部分来自沟道的堆积体(其中沟道堰塞体转化率达18.71%),其对泥石流冲出规模的贡献率是最高的,其次是崩滑体物源,贡献率最低的是坡面物源。(3)通过选取汶川震区34条一般型泥石流冲出量和流域面积、流域相对高差、总物源量、沟道纵向长度进行相关性分析,结果显示这4个影响因子与泥石流冲出量具有高度的相关性,因此采用Matlab软件对流域面积、流域相对高差、总物源量、沟道纵向长度4个影响因子与泥石流冲出量进行多因子回归分析,建立一般型泥石流冲出量多因子统计预测模型,检验结果显示,该模型得到的相对误差在允许范围内,证明该模型对研究区或与研究区流域环境地质背景相似的地区的一般型泥石流冲出量的预测有效。(4)通过分析溃决型泥石流的成因,即分析其形成条件及堵溃特征,根据不同的失稳破坏机制,天然堵塞体的失稳可分为三种基本模式:漫顶破坏、管涌破坏及滑面破坏。而震区溃决型泥石流沟道内堵塞体的失稳以漫顶破坏模式为主,其溃决模式以溢流侵蚀溃决型为主;由于堵塞体溃决的突发性、高强度以及一次冲出松散固体物质方量巨大,因此更容易形成破坏力较强、危害性较大、堵江性较高的灾害。(5)选取汶川震区9条溃决型泥石流沟冲出量和沟道堰塞体、流域面积、流域相对高差、总物源量、沟道纵向长度进行相关性分析,结果显示这5个影响因子与溃决型泥石流冲出量具有一定的相关性,因此采用Matlab软件对沟道堰塞体、流域面积、流域相对高差、总物源量、沟道纵向长度5个影响因子与溃决型泥石流冲出量进行多因子回归分析,建立溃决型泥石流冲出量多因子统计预测模型,检验结果显示,该模型得到的相对误差在允许范围内,证明该模型对研究区或与研究区流域环境地质背景相似的地区的溃决型泥石流冲出量的预测有效。(6)对比分析一般型泥石流和溃决型泥石流冲出量模型,以桃关沟为例,结果显示表明所建立的两个冲出量模型的误差较小,且溃决型泥石流冲出量模型计算出来的冲出量要比一般型泥石流冲出量的大一些,这是由样本数据量和溃决型泥石流本身的溃决放大效应所共同作用的结果,在相同的流域内溃决后发生泥石流冲出量要比非溃决后发生大得多。(7)利用FLO-2D对华溪沟在溃决与非溃决条件下的冲出量做数值模拟,结果显示在非溃决时冲出量为24.48×104m3,在溃决时冲出量为43.41×104m3,比模型预测值多12.61×104m3,比非溃决条件下的冲出量增大了1.77倍,冲出范围增大了1.16倍,溃决条件下冲出量、堆积范围面积、平均堆积深度比非溃决条件下超出1倍。溃决时冲出量比实际调查值少5.58×104m3,相对误差为-11.39%,数值模拟的结果表明模型的误差是在允许的范围内,模拟结果有88.61%的准确度,表明模拟效果很好。因此在进行灾害防治设计和危险性评价时应特别注意溃决型泥石流。总之,数学模型可快速预测出泥石流沟的冲出量,数值模拟则可直观的得到泥石流沟冲出量、冲出固体物质的堆积形态和冲出范围,而且相应的地形资料相对要更加精准。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P642.23

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