沟道内堰塞体溃决形成泥石流的机理及特征研究

论文摘要

5·12汶川特大地震,在灾区形成了大量堰塞湖,对于这些形成于主河道上的堰塞湖,其危害在于淹没上游的道路、村庄、城镇和农田等,堰塞湖溃决又将引发洪水,淹没冲毁下游的城镇、村庄和道路、通讯等基础设施。而对于分布于支沟内更多小规模的堰塞湖,虽不会像主河道上的堰塞湖那样造成大范围灾害,但仍会引发大规模泥石流,给其危险区内的道路、村庄和城镇等造成严重危害。这种沟道内堰塞体溃决形成的泥石流由于成灾快和规模大等特征,其造成的灾害损失比一般的暴雨泥石流要严重得多。汶川地震后,由于泥石流的成灾条件发生变化,很多小流域内存在的地震诱发堵塞坝,其溃决后形成的泥石流,其形成过程和减灾对策都不同于一般的暴雨泥石流。所以正确地预测预报和减少地震泥石流灾害已到了刻不容缓的时候。本文通过对典型的由沟道内堰塞体溃决形成泥石流沟的野外调查,以室内实验为基本研究手段,探明由沟道内堰塞体溃决形成泥石流的机理及特征,推算泥石流的形成流量,研究强震区典型泥石流的预测方法和指标,为强震区典型泥石流的正确预测预报奠定基础,为减灾防灾提供依据。本文通过野外调查研究都江堰虹口大干沟的沟道堆积物的岩性、颗粒尺寸和分布、体积等参数,调查沟道坡度、宽度等形态特征值;野外调查研究汶川县茶园沟的堰塞湖的特征和参与泥石流的方式。分析典型泥石流沟中溃决事件的影响因素,在实验室模拟洪水引起滑坡在泥石流沟道内形成的堰塞湖溃决过程。根据实验室模拟堰塞体溃决所需的溃决流量,研究强震区典型泥石流的预测方法和指标。得出以下结论:（1）由堵塞-溃决而形成的泥石流的洪峰流量较一般暴雨泥石流大,危险性更大;震后存在于泥石流沟道内的堰塞体增大了泥石流沟的危险性。（2）根据实验,堰塞体主要的溃决形式为漫顶溢流溃决,并伴随了两种重要现象:陡坎和坝坡失稳。（3）在限定堰塞体体积参数及压实度为松散的状况下,堰塞体的物质组成是未溃决堰塞体的溃决的一个重要因素,即级配特征。（4）本文中的级配特征以D50及不均匀系数Cu为特征值,进行不同颗粒级配的堰塞体物质组成进行16组实验,得到3组D50下不同不均系数与临界溃决流量的关系,即在同一D50条件下,临界溃决流量随Cu的增大有减小趋于稳定的趋势,根据实验数据,拟合了不同级配特征的临界溃决流量和D50与不均匀系数的关系: QB = mD50C u-0.285（ D5 0为中值粒径（m）, m 0. 49ms）。（5）实验中进行了3组实验来研究部分溃决后不同溃口条件下的启动流量,得出了启动流量与溃口宽度的关系,单宽流量可以作为其启动研究参数。虽然在溃口较小情况下,其启动的单宽流量稍大,原因为:单宽流量为流速与水深的乘积,溃口越小,其水力半径越小,根据曼宁公式,断面平均流速减小,则其启动土石体所需流量更大,故小溃口小单宽流量更大些。但是天然状况下,溃口尺寸都较大,因此,可以忽略溃口宽度对单宽流量的影响。（6）对于不同来流条件下溃决后流量的观察中发现,坝址处的溃决流量与堰塞体的物质组成和库区水量有关,其过程曲线有波动性,文中通过对堰塞体组成颗粒大小差异和溃坝波两方面分析了原因。（7）通过实验中的结论对汶川茶园沟3个堰塞体未溃决状况下和大干沟堰塞体临界溃决流量的计算和分析;汶川茶园沟溃决后有溃口的堰塞坝的计算和分析。结果显示,由于实验中无溃口下的溃决临界流量时在松散的、无压实条件下得出的,茶园沟中计算的临界溃决流量略小于其真实值,从而导致其部分溃决后的临界启动流量也偏小。由于室内实验的局限性,所得数据较实际虽有一定差距,但像对于茶园沟这种的计算仍然有一定参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 人工坝溃决研究
• 1.2.2 冰湖溃决型泥石流研究
• 1.2.3 滑坡、泥石流堵塞坝及尾矿坝溃决研究
• 1.2.4 溃坝引起泥石流研究
• 1.2.5 溃决洪水计算研究
• 1.3 研究内容、研究思路和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究思路与技术路线
• 第2章 典型泥石流沟分析
• 2.1 四川都江堰虹口乡大干沟地震泥石流
• 2.1.1 大干沟概况
• 2.1.2 灾害过程
• 2.1.3 灾害特征
• 2.2 四川汶川茶园沟
• 2.2.1 茶园沟概况
• 2.2.2 茶园沟地震堰塞体
• 2.3 小结
• 第3章 溃决实验设计
• 3.1 实验目的
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验因素选择
• 3.3.1 泥石流沟流域特征
• 3.3.2 堰塞体特征
• 3.4 实验观测设计
• 3.4.1 流量观测
• 3.4.2 溃决过程
• 3.5 实验组次
• 第4章 堰塞体溃决特征分析
• 4.1 溃决过程特征
• 4.2 溃决因素分析
• 4.3 堰塞体的级配与临界流量关系
• 4.4 临界溃决流量的确定
• 4.5 部分溃决后的启动流量
• 4.6 小结
• 第5章 溃决后流量过程研究
• 5.1 溃决流量形成分析
• 5.2 上游来流与溃决流量的关系
• 第6章 泥石流沟道内堰塞体溃决的实例分析
• 6.1 未溃决条件下的临界溃决流量
• 6.2 有溃口条件下的启动流量的分析
• 6.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果