川藏公路南线泥石流坝溃决洪水过程试验研究

川藏公路南线(西藏境内)由于区域地质地貌和气候环境条件的特殊性,近几十年来曾多次发生泥石流堵溃事件,坝体溃决所产生的洪水给下游造成了灾难性破坏.根据13组室内泥石流坝溃决模型试验对洪水流量过程进行研究发现,对流量影响最大的是堵塞坝的溃决形式,即重力再启动形式的溃决洪峰流量最大,水力再启动次之,冲刷型溃决最小;溃坝洪水洪峰流量与上游来水量流量成正比关系.溃决过程中的洪峰位置出现在库区水下泄30%～50%的时候;不论哪种形式溃决,洪峰在时间轴上的位置主要集中在整个洪水历时的1/3处.该研究可以为泥石流坝溃决洪水预测和下游综合避险减灾提供参考.     

冰滑坡涌浪下冰碛坝溃决机理试验研究

[目的] 对冰滑坡涌浪导致的冰碛坝溃决过程与溃决机理进行试验研究,为冰川区重大工程建设和冰湖冰碛坝溃决灾害防治提供科技支撑。[方法] 开展不同滑块体积、滑动角度、滑动距离、坝体物质组成和坝体几何形态的水槽模型试验。基于试验现象、试验数据与理论推导,对涌浪过程、坝体物质起动和坝体溃决临界条件进行分析。[结果] ①冰滑坡涌浪随时间和距离不断衰减,其随时间衰减显著。②将涌浪作用下的溃决过程分为坡面侵蚀、陡坎侵蚀、侧向侵蚀和衰退4个阶段,其中侧向侵蚀阶段的溃决流量最大,流速最快,侵蚀能力最强。③从颗粒起动机理的角度给出了颗粒起动流速,与沙莫夫公式进行对比分析,对比结果较为吻合。④基于能量守恒原理得到了冰湖溃决事件发生的临界条件,通过西藏自治区林芝市波密县米堆沟光谢错冰湖溃决事件进行验证,验证结果良好。[结论] 冰湖库容越大、坝前水深越深、涌浪高度越高,坝体越易发生溃决;冰碛坝堆积物中细颗粒含量越高,坝体颗粒间黏附力越强,坝体越稳定;冰碛坝坝宽及下游坡脚越大,坝体越稳定,溃决所需时间越长。     

堰塞坝滑坡几率与坝型参数的关系

堰塞坝因在堆积过程中,不能达到水工建筑物的质量要求,多因积水或洪水漫顶而失事,造成下游泥沙洪水灾害。2005年日本学者森俊勇等人应用圆弧滑动原理对堰塞坝坍塌过程中滑坡发生几率进行了研讨,通过计算黏着力、内摩擦角、坝体下游面坡度、坝高、坝顶宽等参数,得出坝体的安全率。当坝体材料内摩擦角和黏着力较小时,坝顶宽为1 m,下游面坡度为30,°坝高30 m以上的堰塞坝,在上游溢水位达到坝高1/4之前可能发生滑动破坏;坝高15 m的堰塞坝,在上游溢水位达到坝高3/4之前可能发生滑动破坏。但在研究实际形成的堰塞坝时,应从堰塞坝的坝顶宽、坝体积、满水时溢水位流速以及与坝体材料的土质系数相关的资料入手,进行推测,推断滑动破坏发生的可能性。在可能发生滑动破坏的区域,有必要研究溢流侵蚀的机理以及组合式滑动破坏。     

黔中白云岩坡耕地土壤界限含水量与机械组成量化关系研究

[目的]对黔中白云岩坡耕地土壤界限含水量与机械组成量化关系进行研究,为该区坡耕地土壤侵蚀过程机理研究提供科学依据。[方法]通过对野外采集土样、室内试验及SPSS软件分析。[结果]白云岩区坡耕地土壤塑限与土壤黏粒含量、粉粒含量和细砂粒含量都表现出正相关性,而与粗砂粒的含量表现出负相关性;白云岩区坡耕地土壤液限与土壤黏粒含量、粉粒含量和细砂粒含量的增加而随之增加,而随粗砂粒的含量增加而减少;白云岩区坡耕地土壤液性指数与土壤黏粒的含量具有显著正相关性,而与粗砂粒的含量具有显著负相关性;白云岩区坡耕地土壤机械组成与土壤的塑性指数无显著相关性。[结论]土壤机械组成与界限含水量关系密切,黔中白云岩区坡耕地土壤界限含水量值可以通过土壤机械组成得出。     

泥石流堵塞主河试验特征与模式

[目的]分析泥石流入汇主河后对主河的影响以及泥石流堵塞主河的模式机理。[方法]通过泥石流堵河试验,同时对历史泥石流堵河案例进行调查研究和典型性深入剖析。[结果]根据泥石流运动过程与淤积形态得出泥石流堵河的3种模式分别为顶冲堰塞堵断模式、渗混堵塞溃决模式、束窄渐进式堵塞模式。对泥石流堵塞主河3种模式的运动与成灾机理进行了初步探索。[结论]顶冲堰塞堵断模式表现为龙头顶冲对岸、物源塞满主槽、脆弱区渗漏到主体垮塌的特征;渗混堵塞溃决模式表现为短时塞满主槽,水流渗混堵塞,流量加大的特征;束窄渐进式堵塞模式表现为主槽断面束窄、局部流量瞬时加大、渐进式局部堵塞的特征。当前的历史堵河事件以束窄渐进式堵塞为主,与试验统计结果吻合较好。     

天然坝溃坝模拟试验

因滑坡等形成泥石流堵塞河道,称之为天然坝。天然坝溃坝会造成下游区域危险性灾害。从防灾学的观点出发,预测天然坝形成地点,事先设置防范设施或采取应急处置措施,利国利民。2007年日本学者小田晃等通过模拟天然坝的过流试验,得出如下结论:坝顶较宽的天然坝,溃坝时的洪峰流量较小,最大值发生时间迟;坝坡缓的天然坝,洪峰流量较小,最大值发生时间迟。基于上述结果,在防灾减灾对策上,尽量减缓下游边坡比降,尽最大努力选择合理颗粒级配,增加施坝相对密度,在坝背水坡作反滤处理或堆积碎石,有条件的地区,可在坝下游坡面洒胶合剂,抑制坡面的侵蚀等。     

四川省汶川县下庄沟“8·20”泥石流成因分析及堵江范围预测

[目的] 探究四川省汶川县下庄沟2019年"8·20"泥石流成因、形成过程及堵江特征，为该区域泥石流灾害防治预警提供科学参考。[方法] 结合野外调查与遥感影像对泥石流物源供给条件及泥石流形成、侵蚀搬运与堵江过程进行了分析，并采用FLO-2D模型开展不同降雨强度下的泥石流堵江范围分析。[结果] 震后泥石流流域部分崩滑体物源持续补给沟道物源，致使沟道物源不断累积，短历时强降雨形成径流不断侵蚀沟道物源，形成沟道启动型泥石流。下庄沟"8·20"泥石流大量碎屑物质搬运出沟口后形成顺河长度达280 m，横河最大宽度110 m的堰塞体，堵江模式为堰塞坝全堵。堵江范围分析结果显示：5年一遇降雨频率下物源滞留在沟道中，无堵江现象；20年一遇降雨频率下，泥石流基本堵断杂谷脑河，极易形成堵江现象；在50年一遇降雨频率下，泥石流完全堵断杂谷脑河，形成堰塞湖。[结论] 下庄沟与杂谷脑河垂直交汇，且沟口建有水电站的引水坝，极易形成堰塞坝堵江现象。在汛期降雨强度较大时仍可能会暴发泥石流造成堵江，今后的泥石流防治还需加强防洪预警等减灾措施。     

5·12地震后灾区泥石流危险度增加系数评价

5.12地震不仅直接引发了大量的崩塌、滑坡,而且降低流域内岩土体的强度,使其更易于受到侵蚀,从而为泥石流的形成提供丰富的固体物质。灾区震后泥石流活动频繁,并造成了较大的损失。泥石流沟的危险度评价是进行灾后重建的必要条件。选择震后固体物质增加量、地震烈度和堰塞坝规模这3个重要参数,提出了基于泥石流设计流量的震后泥石流危险度增加系数的评价方法。该方法通过计算地震后新增加的固体物质方量与通过配方法计算出的一次泥石流冲出物总量的比值,该比值与地震烈度影响系数的乘积及堰塞体蓄水量以流域50年一遇的流量排泄所需要时间3项之和来表达地震后泥石流危险度增加量。经灾区9条典型泥石流沟谷的计算验证,该方法做为一种新的方法,可快速、准确地评价5.12地震后灾区泥石流危险度的增加情况。     

工程堆积体坡面侵蚀泥沙分选特性与运移机制研究

为揭示工程堆积体陡坡坡面在径流驱动下侵蚀泥沙颗粒分选特征及搬运机制,设计了3种上方来水流量(10,20,30 L/min)下的野外模拟径流冲刷试验,对杨凌弃土工程堆积体陡坡坡面(32°)侵蚀泥沙的颗粒分布特征进行分析。结果表明:侵蚀泥沙(分散前)中黏粒、细粉粒较原始土壤明显增加,易产生侵蚀;径流对团粒破碎作用影响侵蚀泥沙黏粒含量,当径流功率＜1.71 N/(m·s)时,黏粒含量与径流功率呈负相关,＞3.89 N/(m·s)时则呈正相关;侵蚀泥沙中细粉粒、粗粉粒主要以单粒的形式搬运,而黏粒以及砂粒多以团粒的形式搬运;侵蚀泥沙中黏粒表现为富集,砂粒表现为贫化;泥沙颗粒粒径决定其主要搬运形式,＜0.11 mm的泥沙颗粒以悬移/跃移搬运为主,＞0.11 mm的泥沙颗粒以滚动搬运为主;滚动搬运的贡献率随径流搬运能力的增强呈先增大后减小。研究结果将有助于揭示工程堆积体坡面水蚀过程机理,为提高工程堆积体陡坡坡面水蚀模型预测精度提供科学依据。     

降雨条件下云南红土理化特性对坡面侵蚀的影响研究

针对不同初始状态的云南红土,在一定雨强、坡度、坡长条件下,研究红土理化特性对坡面侵蚀的影响。采用人工模拟降雨方法进行试验研究,运用Excel分析试验数据。结果表明:(1)红土颗粒组成中黏粒含量对降雨作用下的红土坡面侵蚀影响显著,当黏粒含量增加8.1%时,其侵蚀模数则减小25.8g/(m~2·h);(2)红土初始含水率偏离最优含水率越远,红土侵蚀模数越大。当红土初始含水率从接近最优含水率的24.6%增加到36.5%时,侵蚀模数从110.4g/(m~2·h)增加到121.3g/(m~2·h);(3)在初始干密度为1.0,1.1,1.2,1.3,1.4g/cm~3条件下,红土侵蚀模数呈先增大后减小的二次曲线变化趋势(R~2=0.927)。初始干密度在1.1~1.2g/cm~3之间,红土侵蚀模数存在极大值[126g/(m~2·h)];(4)降雨作用使坡面红土铁铝氧化物含量减少,接近坡脚处Fe_2O_3含量从初始状态的8.591%减小到8.143%,Al_2O_3含量从初始状态的22.242%减小到20.967%;而坡内红土铁铝氧化物含量则随深度增加,坡体中段坡内的Fe_2O_3含量增加0.407%,Al_2O_3含量增加0.861%。降雨作用改变了红土理化特性,而红土理化特性的变化会对红土坡面侵蚀产生显著影响。     

安化县澄坪村“7·16”泥石流形成机理及其动力学特征

[目的]对湖南省益阳市安化县澄坪村"7·16"泥石流灾害成因机理及力学特征进行分析,为类似灾害的防灾减灾研究提供科学参考。[方法]通过灾后野外调查开展相关分析。[结果]湖南省安化县马路镇澄坪村梨树坪让家沟流域在地形地貌,地层岩性以及气象水文方面具备良好的孕灾条件;由于2014年7月16日的持续性强降雨作用,沟道上游一侧形成了一个约5.20×10~4 m~3的滑坡堰塞湖,随后堰塞湖迅速溃决并形成了强大的溃决型泥石流,冲溃了下游的两道拦砂坝,并形成了高达190.65m~3/s的峰值流量。[结论]安化县澄坪村"7·16"泥石流灾害是一次典型的滑坡灾害转换成泥石流的灾害链,而下游两道堵塞坝的堵溃过程进一步放大了泥石流的峰值流量及规模,具有典型的堵溃放大效应。     

径流作用下泥石流固体物质冲刷速率试验研究

[目的] 探讨泥石流固体物质的冲刷深度随时间的变化规律，以及对应的冲刷速率与不同影响因素之间存在的关系，为泥石流规模预测及防治工程设计提供参考依据。[方法] 根据激光测距仪的历时测距原理，借助试验方法分析泥石流固体物质冲刷深度随时间的变化规律以及对应的冲刷速率与不同影响因素之间的关系，包括来流流量、水力半径、沟床纵坡以及细粒物质含量等。[结果] 冲刷速率与水力半径间呈指数关系，与来流流量间呈正相关关系，与能坡梯度间呈指数关系；若固体物质为均匀冲刷，冲刷速率与剩余切应力成线性正相关关系；对于初始含水率相对较低的固体物质，冲刷速率随着细粒物质含量的增大呈微小增大趋势。[结论] 在薄层径流条件下，能坡梯度对冲刷速率的影响高于水力半径。     

淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策

黄土高原大规模的淤地坝建设在减少黄河泥沙以及改善区域生态环境方面发挥了巨大作用.但是,在淤地坝“淤满”的极端条件下,关于其水沙效应变化及防治对策的研究还较少涉及.经分析,淤地坝“淤满”后:1)坝控范围内坡度降低,径流长度减少,沟道比降降低,而横断面由原来的“V”型沟道,演变为“U”型沟道;2)以关地沟4号坝为例,使用RUSLE计算,修建淤地坝前,坝控范围内平均每年土壤侵蚀模数为4 472 t/(km2 ·a),淤满后,土壤侵蚀模数下降至4 019 t/(km2·a),降幅约10％,“原地”减蚀作用显著,从修建至淤满阶段,拦沙作用巨大;3)淤地坝淤满后,坝地流速显著降低,从修建淤地坝前的0.83 m/s降至0.27 m/s,但坝体外坡的流速显著增加,特别是坡底,最大流速可达3.76 m/s;4)淤地坝淤满后,淤地坝“异地”减蚀作用会降低.基于上述变化,针对淤地坝淤满后的极端条件,本文提出如下防治对策:1)以小流域为单元,以溢洪道为主体,完善沟道排洪设施布设,提高支沟内以及支沟与主沟的连通度,提升排洪能力;2)遵循“因地制宜”原则,科学合理植树种草、修建梯田,加强坡面治理,减少坡面来水来沙,消耗和分散坡面来水侵蚀能量,降低坝地淤满后被损毁的风险;3)采取“截水沟和排水沟相结合,工程措施和植物措施相结合”的方法,做好坝体陡坡防治,提高坝体外边坡植被覆盖度.研究结果以期为黄土高原淤地坝建设提供理论支撑.     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀。输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义。通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度5°、10°、15°)下细沟水流的输沙能力,进一步采用多变量非线性方程分析流量、坡度、近地表水流饱和深度及其交互作用对细沟水流输沙能力的影响。结果表明,输沙能力随近地表水流饱和深度的增加而增大,且增大的速率逐渐减小,最终输沙能力趋于稳定。细沟水流输沙能力与流量、坡度及近地表水流饱和深度呈正相关关系,与坡度相比流量对输沙能力的影响作用更大。试验结果为明确地表径流与近地表水流耦合作用的土壤侵蚀机制提供了一定的理论基础与科学依据。     

川西高原的岩土体的冻融破坏类型及其灾害效应

[目的]探明川西高原冻融过程对岩土体的破坏类型、成因机制及其产生的灾害效应。[方法]通过对川西高原道孚县全县境内的地质灾害详细调查,对冻融破坏类型进行了室内统计分析,并在此基础上总结了冻融过程所产生的灾害效应。[结果]提出了冻融过程产生"剥皮效应"、滑坡的"浅表层效应"及泥石流物源的"碎化效应";发现川西高原上的泥石流流体携带块石含量较少且粒径多小于1m,其成灾模式多以於埋破坏为主;县境内约70%的滑体厚度小于20 m滑坡,多以浅层小规模为主,危害相对较小。[结论]道孚县境内发育的泥石流具有相对较弱的冲击力,防治时应以疏导工程为主;道孚县境内发育的滑坡具有规模相对小的特点,且易在冰雪融水或降雨作用下产生滑动,地表排水对其稳定性的维持极为重要。     

人工坝溃决洪水峰顶流量计算公式应用于滑坡堵江坝的可行性探讨

滑坡堵江事件在山区广泛发育,堵江形成的天然坝的稳定性一般不高,在暴雨、地震等诱发因素的作用下可能发生溃决,溃坝洪水对下游河道及沿江两岸的各种设施及居民生命造成巨大威胁,因此溃坝洪水计算意义重大,而峰顶流量和洪水演进过程中洪峰高度的变化直接决定了溃坝洪水的灾害程度。利用谢任之教授提出的人工坝溃决洪水计算方法,根据滑坡天然坝体溃决的实际情况,合理地分析溃口形态,调整了溃口宽度的取值方法,并将其应用于滑坡堵江天然坝瞬时溃决洪水峰顶流量计算中,经历史溃坝实例验证计算结果可靠,为天然坝溃决洪水峰顶流量计算提供了新的思路和方法,也为溃坝洪水灾害评价提供了重要依据。     

黄土高原小流域淤地坝监测

[目的]为了探索小流域淤地坝监测的内容、指标、方法,分析淤地坝建设效益,更好地为淤地坝规划、建设、运行管理服务。[方法]2005—2010年,在黄土高原不同水土流失类型区选择了12条典型小流域坝系,布设监测点,采用遥感、水沙观测、调查等方法,连续开展淤地坝工程建设动态、拦沙蓄水、坝地利用及增产效益、坝系工程安全等监测。分析了淤地坝建设与坝系配置、坡面治理、拦沙蓄水、坝地利用等之间的关系。[结果]小流域淤地坝坝系在拦截泥沙、蓄洪滞洪、减蚀固沟、增地增收、促进农村生产条件和生态环境改善等方面发挥了显著的生态、社会和经济效益。[结论]建议在淤地坝建设中以小流域为单元,以骨干坝为主体,骨干坝、中型坝、小型淤地坝相结合,形成稳定的淤地坝坝系。     

东北黑土区横垄坡耕地的产流产沙过程

[目的] 在漫川漫岗黑土区开展横垄坡耕地冲刷试验研究,为黑土地保护工作提供理论依据。[方法] 采用野外现场放水冲刷试验,研究了10,30,50和70 m横垄坡耕地径流小区,在不同上方来水量下的产流、产沙过程。[结果] 3种冲刷流量（0.34,0.67和1.00 L/min）条件下的径流系数和含沙量均随坡长的增加持续波动,但不同冲刷流量达到稳定的大小和时间不同;累积产流量和累积产沙量均随冲刷流量的增强而增大,但相同冲刷流量下受坡长变化影响二者最大值出现的坡长却不同;冲刷流量为0.34 L/min时,10,30,50和70 m这4种坡长的径流系数和含沙量相关性均显著;累积产沙量随累积流量的增加而增加,坡长越短,且线性关系越强。0.34 L/min冲刷流量侵蚀量大小顺序依次为：30 m>10 m>70 m>50 m;冲刷流量为0.67和1.00 L/min侵蚀量大小顺序为：30 m>50 m>70 m>10 m。1.00 L/min冲刷流量情形下30 m坡长侵蚀量是10 m坡长的4.2倍。[结论] 坡面侵蚀量随冲刷流量增大而增大,30 m坡长是横垄坡耕地侵蚀的临界坡长,细沟发育是横垄坡耕地坡面土壤侵蚀的主要来源。