泥石流堵塞大河判據(jù)及沿河線減災(zāi)對(duì)策.pdf

1、隨著全球氣候變化異常和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷增強(qiáng)，極端天氣和地質(zhì)事件增多，尤其是汶川地震后的4年里泥石流活動(dòng)非常活躍，暴發(fā)了數(shù)次特大規(guī)模泥石流，汛期的實(shí)踐表明，泥石流是震后最為活躍的災(zāi)種，泥石流堵河成為一種頻繁的災(zāi)害事件。本文面對(duì)極端激發(fā)條件和汶川地震震后成災(zāi)環(huán)境急劇演變狀態(tài)下，我國(guó)特大泥石流災(zāi)害頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)，面向國(guó)家山區(qū)建設(shè)中急需解決的泥石流防災(zāi)減災(zāi)問(wèn)題，以岷江映秀至汶川段多處泥石流溝堵江，以及舟曲、清平特大泥石流災(zāi)害為背景，采用現(xiàn)

2、場(chǎng)調(diào)查、理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，研究泥石流堵塞大河的特點(diǎn)及機(jī)理，建立泥石流堵塞大河各種模式的判據(jù)等，為城鎮(zhèn)和重大基礎(chǔ)設(shè)施防御泥石流堵河引發(fā)的大范圍災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。主要進(jìn)行了以下工作并取得了研究成果:
　　(1)基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和查閱文獻(xiàn)收集的資料，歸納出泥石流堵塞大河存在著潛壩壅堵、堰塞壩局部堵塞和堰塞壩全堵三種堵河模式，并提煉出了三種堵河模式的特點(diǎn)及成災(zāi)模式。潛壩壅堵主要發(fā)生于運(yùn)動(dòng)速度較高的稀性泥石流或者容重

3、較小的粘性泥石流，其特點(diǎn)是泥石流始終在水下運(yùn)動(dòng)，泥石流停積體淤高河床，改變河道縱斷面，以上游壅水形式造成淹沒(méi)災(zāi)害。以堰塞壩形式造成大河堵塞主要發(fā)生于粘性（或高濃度）泥石流。一般情況的局部堵塞，主要是堰塞壩束窄水流、改變河道，影響大河行洪能力;但當(dāng)堵塞系數(shù)大于0.8以后，由于泥石流嚴(yán)重推移大河水流，可能造成異岸沖刷災(zāi)害。泥石流完全堵斷大河的事件不多，但一旦發(fā)生，堰塞湖會(huì)造成上游淹沒(méi)災(zāi)害，潰壩時(shí)會(huì)造成下游超常洪水;在寬谷段甚至?xí)仁怪骱痈牡?/p>

4、，形成更大范圍的嚴(yán)重災(zāi)害。
　　(2)針對(duì)岷江流域泥石流多半是以堰塞壩形式局部堵塞主河的現(xiàn)象，運(yùn)用大型室內(nèi)水槽試驗(yàn)再現(xiàn)了交匯角為900時(shí)粘性泥石流入?yún)R主河的過(guò)程，揭示了泥石流入?yún)R主河過(guò)程的特點(diǎn)及泥石流堵塞大河的機(jī)理。重點(diǎn)研究了堰塞壩局部堵塞大河的特點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:泥石流入?yún)R主河的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是后續(xù)泥石流逐步推移龍頭運(yùn)動(dòng)的過(guò)程;泥石流總量對(duì)堵河有重要的影響，總量越大堵河越嚴(yán)重;在泥石流堵河過(guò)程中，主河流速、堰塞壩物質(zhì)流失量和上游水位壅

5、高值都隨堵塞系數(shù)呈非線性規(guī)律:主河流速隨R先增大后減小，當(dāng)R小于0.8時(shí)，堰塞壩的物質(zhì)流失量少，上游水位壅高值呈線性增加，當(dāng)R大于0.8時(shí)，堰塞壩的物質(zhì)流失嚴(yán)重，上游水位壅高值呈指數(shù)增加。
　　(3)根據(jù)泥石流堰塞壩堵河模式的特點(diǎn)，基于水沙動(dòng)力過(guò)程，以泥石流在坡度變化溝道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，考慮堰塞壩和主河水流的相互作用，給出了泥石流在主河中運(yùn)移距離的計(jì)算公式;鑒于泥石流堵塞大河過(guò)程中物質(zhì)流失嚴(yán)重的現(xiàn)象，根據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了流失

6、系數(shù);以周必凡提出的泥石流堵斷主河總量的計(jì)算公式為基礎(chǔ)，提出了按流失系數(shù)加以修正的泥石流阻塞大河物質(zhì)總量條件。從而建立了基于動(dòng)力學(xué)方程、物質(zhì)總量的泥石流堵塞大河綜合判據(jù)。
　　(4)基于堵塞系數(shù)R對(duì)于預(yù)估泥石流堵河災(zāi)害效應(yīng)的關(guān)鍵作用，以模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，導(dǎo)出了堵塞系數(shù)R的表達(dá)式，此式可用來(lái)預(yù)估泥石流堵河的程度，也可作為泥石流局部堵塞大河的另一判據(jù)，可用來(lái)指導(dǎo)泥石流防治工程的設(shè)計(jì)。
　　(5)根據(jù)潛壩壅堵模式的特點(diǎn)，基于異重

7、流理論導(dǎo)出了泥石流龍頭運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化方程，基于有坎寬頂堰模型給出了潛壩壅堵上游水位計(jì)算式;對(duì)影響泥石流龍頭運(yùn)動(dòng)的各個(gè)因素進(jìn)行了單因素分析，分析表明泥石流粘滯系數(shù)和切應(yīng)力對(duì)龍頭運(yùn)動(dòng)速度影響不明顯，繞流阻力系數(shù)對(duì)龍頭運(yùn)動(dòng)速度影響最大;給出了泥石流龍頭在主河里的運(yùn)移距離隨時(shí)間的變化曲線，在此基礎(chǔ)上給出了潛壩堵河的最小固體物質(zhì)總量計(jì)算式。
　　(6)根據(jù)泥石流堰塞壩堵河模式的成災(zāi)模式，運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析主河在不同堵塞系數(shù)時(shí)的水流流場(chǎng)，再基于信

8、息熵原理定量地分析主河流場(chǎng)有序度，得出當(dāng)堵塞系數(shù)R為0.80～0.9時(shí)，主河流場(chǎng)熵值急劇下降，表明流場(chǎng)有序度不斷增高，流向以偏向異岸為主，且此時(shí)水流速度大，水流偏轉(zhuǎn)又集中發(fā)生在近河岸處，對(duì)河岸具有很強(qiáng)的沖刷能力，R=0.80可作為主河水流偏轉(zhuǎn)沖刷異岸的臨界點(diǎn)，把堵塞系數(shù)R＞0.80作為泥石流局部堵河異岸受災(zāi)判據(jù)。通過(guò)岷江流域銀杏至映秀段泥石流堵河實(shí)例驗(yàn)證，表明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合，泥石流局部堵河異岸受災(zāi)判據(jù)可行，進(jìn)而提出了泥石流災(zāi)

9、害效應(yīng)與判據(jù)框圖?；谘呷麎尉植慷氯骱邮股嫌嗡慧崭咧聻?zāi)的現(xiàn)象，給出了水位壅高值計(jì)算式，為計(jì)算淹沒(méi)范圍提供了依據(jù)。
　　(7)針對(duì)不同堵河模式的災(zāi)害效應(yīng)，提出相應(yīng)的減災(zāi)對(duì)策。對(duì)于全堵模式首先考慮抬高淹沒(méi)區(qū)線路標(biāo)高，若受其他條件限制無(wú)法實(shí)施時(shí)，則考慮限制泥石流入?yún)R主河的流量和總量，以減輕或消除泥石流堵塞大河。對(duì)于局部堵塞模式主要考慮異岸受災(zāi)，采用導(dǎo)流工程、支擋工程等工程措施保護(hù)異岸線路工程免受沖刷。對(duì)于壅堵模式，則考慮小范圍抬高線