贵州省喀斯特地区典型泥石流沟床起动机理研究

论文摘要

泥石流是发生在山区的一种常见自然灾害现象，是由暴雨雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流，是介于水流和滑坡之间的土、水固液两相混合流体。根据形成的动力条件，泥石流可以分为土力类泥石流和水力类泥石流两种。贵州喀斯特地貌发育，地质构造强烈，沟谷型泥石流发育，造成较大的人员伤亡和财产损失。因此，开展贵州喀斯特地区典型泥石流沟道起动机理的研究时十分必要的，为建立该区泥石流的预报模型提供理论依据和方法支持。通过对贵州省威宁彝族回族苗族自治县猴场镇9条泥石流沟进行野外实际调查及基础资料收集，研究该区泥石流的沟床起动机理，并结合室内实验建立该区泥石流沟床起动的临界判别式，得到以下结论：（1）研究区位于乌江上游三岔河源流的二塘河流域，区内石灰岩分布广泛，溶蚀地貌发育，具有典型的喀斯特地貌特征。受喀斯特地貌的影响，泥石流沟内地表较为干旱，无常年流水，雨水多经由溶洞暗河潜入地下，沟道纵坡较为平缓，同时沟床堆积的松散物质可以分为两层，上层为松散的大颗粒物质，下层则为松散的稳定性差的较细颗粒物质，且均具有较高的渗透性。这些因素都影响着研究区泥石流的起动。（2）通过现场调查和对研究区泥石流起动的力学分析得知，喀斯特地区泥石流的沟床起动主要受沟床坡度、沟床堆积物质的颗粒组成以及降雨强度的影响，其中降雨起着主导作用。由降雨产生的地表径流是泥石流沟床起动的激发因素，根据地表径流形成过程的三个阶段，将泥石流的起动过程也分为三个阶段，即低强度降雨条件下的饱水阶段、中等强度降雨条件下的渗流形成阶段和高强度降雨条件下的地表径流的形成以及泥石流的起动阶段。（3）根据Mohr-Coulomb破坏准则，采用静力学平衡的方法，对泥石流沟床起动的临界状态进行分析，并据此建立研究区泥石流起动的临界水深判别模式。由判别模式可知，泥石流沟床起动的临界水深hw与沟床坡度θ和沟床堆积物的粗化层厚度Z有关，且在粗化层厚度Z一定的条件下，泥石流起动形成时所需的临界水深hw会随着沟床坡度θ的增加而减小，而在沟床坡度θ一定的条件下，起动泥石流所需的临界水深hw则会随着粗化层厚度Z的增加而增加。（4）通过实验分析可知,实验所得数据和理论推导的数据在分析粗化层厚度z和沟床坡度θ对泥石流沟床起动的影响趋势上是相符的,证明了理论起动临界判别式的合理性和可行性,但两者在数值上的差异却是表明理论推导的不完善和局限性。而引起这一差异的原因主要是在理论推导中忽略了粗化层颗粒间的粘聚力和地下渗流的作用,而颗粒间的粘聚力和地下渗流却会对泥石流的沟床起动造成一定的影响。此外,铺床物质的密实度是造成这一差异的另一个原因。因此,应根据实验结果对泥石流沟床起动的理论临界判别式进行修正,得到如下公式：（5）通过修正后的判别式与实验的对比分析可知,修正后的泥石流沟床起动适用于形成区沟床坡度θ≤21°的情况,可以应用于研究区泥石流的起动判别和预测中。（6）根据修正后的研究区泥石流沟床起动判别式,对研究区野外调查的7条泥石流沟进行计算,获得研究区泥石流整体起动的临界水深和粗化层厚度的比值hw/Z为0.22～0.35,以及个别起动的临界水深和粗化层厚度的比值h0/Z为0.08～0.13,因此根据这一临界范围,建立研究区泥石流起动的三级预警预报模型,即当0.08<h/Z≤0.16时,为蓝色警报；当0.16<h/Z<0.22时,为橙色警报；而h/Z≥0.22时,为红色警报,如下所示。根据这一模型预测预报该泥石流沟的即时状态,并发布相关的危险警报,以便及时地做好防灾避灾工作。{0.08<h/Z≤0.16蓝色警报{0.16<h/Z<0.22橙色警报|h/Z≥0.22红色警报

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 泥石流沟床起动的过程机制研究
• 1.2.2 泥石流沟床起动机理与模型研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 第2章 研究区地质环境背景
• 2.1 地理交通与经济概况
• 2.2 气象水文特征
• 2.2.1 气象特征
• 2.2.2 水文特征
• 2.3 地貌特征
• 2.4 地层岩性
• 2.5 区域地质构造
• 2.6 人类工程活动
• 第3章 研究区典型泥石流沟基本特征
• 3.1 穿洞村沟泥石流的基本概况
• 3.1.1 流域地貌特征
• 3.1.2 沟谷特征
• 3.1.3 物源特征
• 3.1.4 水源特征
• 3.2 穿洞村沟泥石流的基本特征
• 3.2.1 穿洞村沟喀斯特地貌的发育特征
• 3.2.2 穿洞村沟泥石流沟床堆积特征
• 3.2.3 穿洞村沟泥石流的活动特征
• 第4章 研究区典型泥石流沟床起动的理论分析
• 4.1 泥石流沟床起动的过程机制分析
• 4.1.1 泥石流沟床起动的力学条件分析
• 4.1.2 泥石流沟床起动的水文条件分析
• 4.1.3 泥石流沟床起动的过程分析
• 4.2 泥石流沟床起动的临界判别模型
• 第5章 基于泥石流沟床起动临界模型的实验研究
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验参数选择
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验现象
• 5.5 实验结果与理论值的对比分析
• 5.6 研究区泥石流沟床起动临界判别式的修正
• 5.7 基于修正临界判别式的泥石流沟床起动预警模型
• 第6章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果