栾川县柿树沟沟道泥石流堆积体复活形成机理与预测研究

【摘要】泥石流是沿自然坡面或压力坡流动的松散土体与水、气的混合体,是一种包含大量泥沙块体和巨砾的固液气三相流体。泥石流是山区特有的一种突发性自然灾害现象,在我国分布广泛、类型众多、暴发频繁、危害严重。由于泥石流灾害具有突发性特点,易造成人员伤亡,而准确的泥石流预测预报可以减少甚至避免人员伤亡,是泥石流减灾的重要手段之一,因此,泥石流预测预报一直是泥石流研究的重点之一。目前泥石流研究中,缺乏针对沟道泥石流堆积体作为物源重新起动形成泥石流的相关研究。在强降雨条件下,沟道泥石流堆积体的再次起动(本文称之为沟道泥石流堆积体复活)可以复发泥石流,并且所形成泥石流的规模和致灾能力高于以往。因此,沟道泥石流堆积体复活是一个具有研究意义的课题。栾川县位于豫西伏牛山山区,东与嵩县毗邻,西与卢氏接壤,南与西峡抵足,北与洛宁摩肩,是我国著名的旅游景点区域之一。同时也因山多地少、降雨集中,再加上近来人类生活、生产活动对环境的破坏,致使泥石流灾害发育。另外,农业和旅游经济是栾川县重要经济支柱,而农业和旅游业对泥石流灾害都非常敏感,尤其是栾川县山多地少,居民大多居住在沟谷内,极易受到泥石流或山洪的威胁。在2010年7月24日,栾川县突降特大暴雨,全县境内有14个乡镇共发生了29次泥石流灾害,死亡68人、失踪21人,直接经济损失约19.8个亿。这些已严重威胁到了当地居民生命财产安全,另外经河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院、河南省地质调查院及栾川县地矿局等单位调查,栾川县境内有不少古泥石流或老泥石流堆积体,这些都说明栾川县属于泥石流易发区域。由于过去对泥石流灾害了解不够,未能认识到沟道内泥石流堆积体在强降雨作用下作为物源复发泥石流的可能性,在以往泥石流暴发之后,未采取有效措施清理沟道泥石流堆积体,或修筑拦挡工程,在7.24泥石流事件中沟道泥石流堆积体作为多条泥石流沟的主要物源启动了泥石流活动,导致了巨大的损失。其中,以柿树沟最为典型,根据野外调查显示,柿树沟内存在大量泥石流堆积物,尤其以沟谷中下游平缓地带居多。2010年7月24日,该沟暴发泥石流。当时泥石流将下游耕地全部冲毁,席卷而下沟道淤积近300m。目前,国内外研究并未过多的涉及沟道泥石流堆积体对泥石流暴发的影响作用及相关预测研究,因此,有必要深入分析沟道泥石流堆积体的复活机理及其对泥石流物源的贡献作用,才能对此类型泥石流做出准确预测,从而有助于政府救灾决策、减少当地居民的生命财产损失,另外还可以为其他区域同类泥石流灾害预测防治提供参考。鉴于此,针对栾川县柿树沟沟道泥石流堆积体复活问题,采用资料收集与整理、室内外试验研究和理论分析相结合的研究方法,在总结前人研究成果的基础上对泥石流预测预报国内外研究现状进行归纳总结,对野外调查资料和研究区相关资料进行总结,分析了柿树沟泥石流形成条件和7.24泥石流暴发特征,在此基础上具体分析了柿树沟沟道泥石流堆积体复活的形成机理。从水力学和岩土力学理论建立了沟道泥石流堆积体复活的水力类起动模式,在此基础上建立柿树沟沟道泥石流堆积体复活的预测模型。本文的主要研究工作和成果如下：1.对栾川县的泥石流地质环境特征、形成条件和暴发历史情况进行了调查分析。栾川县处于中低山—中山过渡区,地形条件复杂,地形切割强烈；县境内地质构造发育,岩土体主要为片岩和花岗岩等易风化的地层,同时采矿、筑路等人类活动强烈,导致县境内物源条件丰富；栾川县降雨条件丰富,降雨量大而集中,年平均降雨量达到870.6mm。这些因素导致研究区地质环境质量较差,易暴发泥石流。县境内大范围的泥石流活动频率较低,约10年发生一次。并且由于前期降雨特征,降雨强度、降雨总量、地貌、植被、固体物质补给源的不同,县境内泥石流常不具群发特点,但却有区域群发特点。以2010年7.24泥石流造成的危害最大。栾川县历史上多次发生泥石流,多条泥石流沟道内残存大量泥石流堆积物。在强降雨作用下沟道泥石流堆积体可以作为新泥石流物源复发泥石流活动,所形成的泥石流破坏力巨大,应加强对沟道泥石流堆积体复发泥石流的可能性进行评估。2.从柿树沟泥石流形成条件、7.24泥石流特征和泥石流特征参数计算三个方面阐述了柿树沟泥石流的发育特征。柿树沟所在区域降雨丰富,流域面积和平均纵坡坡降属于泥石流易发范围内,沟内物源丰富,对泥石流形成条件非常有利。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。在充足的前期降雨情况下,沟道泥石流堆积体快速饱和,抗剪强度明显降低,为强降雨条件下泥石流的启动提供了条件。极端强降雨和丰富的前期降雨是导致柿树沟7.24泥石流暴发的关键。其形成具有水流掀动揭底沟道堆积物的特征,为沟床起动型泥石流。由于柿树沟人为改造较为严重,在沟道内开垦种植,修建房屋,占用了沟道原有天然径流空间,在洪水时期极大的削弱了沟道过水能力,导致泥石流暴发时损失增大。对柿树沟泥石流特征参数进行分析,得出7.24柿树沟泥石流流体容重为1.775g/cm3,泥石流流速为4.07-5.94m/s,泥石流流量约为240209m3。3.基于降雨划分的角度将沟道泥石流堆积体的复活过程分为降雨入渗时的堆积体饱和过程以及地表径流对堆积体的冲刷起动过程。柿树沟沟道泥石流堆积体复活形成机理为：在充足的前期降雨情况下,泥石流堆积体快速饱和,抗剪强度明显降低,泥石流暴发当天持续高强度降雨导致的动能巨大的径流对泥石流堆积体产生强大的冲刷拖拽力使其复活形成泥石流。以水力学理论分析指出径流对泥石流堆积体的冲刷拖拽力来源于流体在沟道内流动时与堆积体摩擦产生的阻力,并通过分析指出在7.24降雨条件下产生的径流可以使沟道内的泥石流堆积体逐渐起动。借鉴泥沙颗粒运动的受力模式描述泥石流与固体颗粒之间的相互作用,建立了大粒径颗粒在泥石流条件下的受力情况和起动的临界流速条件,分析指出柿树沟泥石流平均流速达到1.74m/s的情况下,即可携带直径2m的大块石,说明7.24柿树沟泥石流携带大颗粒物质的能力极强。4.分析泥石流堆积体复活的影响因素,即泥石流堆积体的位置、泥石流堆积体的物理力学特性、强度弱化条件(前期降雨)、水动力条件(地形地貌条件和短历时降雨)。从泥石流堆积体评价、地形条件评价和降雨条件评价三个方面分析了如何评价泥石流堆积体复活的可能性,并提出了定性评价分级表。指出泥石流堆积体易复活的条件是：泥石流堆积体分布广泛、数量众多,形成时间较晚,强度较低；泥石流堆积体位于沟谷中下游宽缓地带,无良好径流通道,沟床宽度和比降适中；泥石流堆积体上游沟谷集水面积小,但是沟床比降较大,或者泥石流堆积体上游沟谷集水面积大,沟床比降较小；前期降雨充足,当期雨量、雨强等达到或超过了50-100年一遇暴雨水平。柿树沟泥石流堆积体分布广泛、泥石流堆积体位于沟谷中下游,无良好径流通道,沟床宽度和比降适中,泥石流堆积体上游沟谷集水面积适中,且沟床比降较大,在7.24当天,前期降雨充足,当期雨量、雨强等达到或超过了100年一遇暴雨水平,导致柿树沟沟道泥石流堆积体复活。5.总结目前的泥石流预测模型并将其分为三大类：基于统计数据的泥石流预测模型、基于启动机理的泥石流预测模型、基于系统综合评价的泥石流预测模型。通过对比分析指出基于统计数据的预测模型的关键在于统计数据的数量和质量,其适用性局限于某一条沟或者某一地区,但是柿树沟缺乏相关监测数据,难以建立基于统计数据的预测模型；对于基于启动机理的预测模型,其预测效果的关键在于力学模型是否符合实际情况,力学参数是否具有代表性和准确性,这些制约了该模型的使用效果,本文在建立沟道泥石流堆积体复活力学模型的基础上,选择了基于启动机理的预测模型作为沟道泥石流堆积体复活的预测模型；基于系统综合评价的预测模型综合考虑了各因素对泥石流暴发的影响,并对各因素进行了量化处理,更具有普遍适用性,但是,该模型未体现各因素之间的非线性关系,对于沟道泥石流堆积体复活而言,其评价因子的选择和量化都没有一定的统计基础,因此难以建立基于系统综合评价的预测模型。6.结合泥石流堆积体复活的力学模型,以水力学理论建立了基于临界条件的泥石流堆积体复活预测模型。从径流的形成、泥石流堆积体复活和泥石流堆积体表面流速衰减三个方面分析提出了泥石流堆积体复活以及完全复活的临界流速、流深和流量条件,在具有统计资料和经验公式的情况下,可以根据临界流量条件确定临界降雨强度条件。分析结果显示,柿树沟7.24泥石流当天的流速条件达到泥石流堆积体复活的临界条件,但是未达到泥石流堆积体完全复活的条件,这与实际结果一致。径流在泥石流堆积体所处宽缓地带开始扩散,径流流速降低,无法起动沟道两边的泥石流堆积体,而主流线上径流流速高,在原有狭窄流水通道的基础上不断下切泥石流堆积体形成径流通道,将泥石流堆积体携带至沟口。由于形成了良好的径流通道,剩余泥石流堆积体再次复活的可能性减小。本文的主要创新点有以下：1.提出了沟道泥石流堆积体复活的相关概念,较为系统的研究了柿树沟泥石流堆积体的复活形成机理,以水力学和岩土力学理论建立的沟道泥石流堆积体的水力类起动模式,指出径流对沟道泥石流堆积体冲刷拖拽力是其起动复活的关键。流体的冲刷拖拽力以水力学理论表达,其来源于流体在沟道内流动时与沟床摩擦产生的阻力,其与流体密度、流体流速、流深和泥石流堆积体表面的粗糙度有关。借鉴泥沙颗粒运动的受力模式描述泥石流与固体颗粒之间的相互作用,建立了大粒径颗粒在泥石流条件下的受力情况和起动的临界泥石流流速条件。2.总结目前的泥石流预测模型分为三大类：基于统计数据的泥石流预测模型、基于启动机理的泥石流预测模型、基于系统综合评价的泥石流预测模型。对比分析了三类模型各自的优劣之处,选择基于启动机理的预测模型作为柿树沟沟道泥石流堆积体复活的基本预测模型。结合沟道泥石流堆积体复活的力学模型和流速计算的曼宁公式,从径流的形成、泥石流堆积体复活和泥石流堆积体表面流速衰减三个方面分析建立了泥石流堆积体复活及完全复活的临界流速、流深和流量条件。综上所述,论文揭示了柿树沟沟道泥石流堆积体复活的形成机理,建立沟道泥石流堆积体复活的力学模型,在此基础上对沟道泥石流堆积体复活进行预测分析,为此类泥石流的防灾减灾提供科学决策依据。
【作者】邵莲芬；
【导师】余宏明；
【作者基本信息】中国地质大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】泥石流；沟道泥石流堆积体；复活；预测；

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