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《兰州大学》 2017年
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白龙江流域泥石流拦挡工程的效应模拟研究

熊木齐  
【摘要】:甘肃白龙江流域泥石流灾害十分严重,严重制约当地社会经济发展。在全球气候变化背景下,极端降雨事件增多、地震频繁发生,泥石流灾害形势日益严峻,对泥石流防灾减灾工作的需求也更加强烈。20世纪60年代以来,尤其是2008年“5.12”地震和2010年舟曲特大泥石流灾害发生后,国家在白龙江流域投入大量资金进行泥石流灾害治理。沟谷泥石流治理工程以拦挡工程为主,但是拦挡工程失败的事件时有发生,比如“8.8”三眼峪泥石流和“8.13”文家沟泥石流,而且目前对拦挡工程的效应缺乏系统全面的研究,因此,论文基于已有研究成果,通过野外调查监测、文献查阅、资料分析、遥感解译等手段,建立物理试验模型,结合数值模型,模拟不同状态拦挡工程对泥石流的作用;并选取典型拦挡工程实例研究拦挡工程的效应,总结泥石流治理的得失,系统分析研究拦挡工程对泥石流的效应,探讨泥石流拦挡工程治理新理念。主要取得的成果和结论如下:⑴对白龙江流域泥石流灾害发育特征、成因和易发性进行了研究。危害严重的泥石流主要由暴雨触发,以短历时强降雨激发型泥石流最为典型,中小型沟谷暴雨型泥石流预警判别方程:I=112.2t-0.82(I为10 min雨强,t为有效降雨历时);舟曲-临江段白龙江干流、岷江下游和北峪河沿岸沟谷为泥石流高易发区。⑵建立了现场沟槽试验场模拟研究拦挡工程淤满和溃坝的效应。拦挡工程溃决时与原始沟道相比较,沟口处沟床侵蚀下切深度增大了367%,石块的搬运距离分别增大了41.7%、37.5%和23.1%,沟口处泥石流对传感器的应力峰值增大了15.4%,说明拦挡坝溃决增大了泥石流侵蚀搬运能力和破坏力;拦挡工程淤满未溃时,沟口处泥石流对传感器的应力峰值减小78.46%,说明拦挡坝淤满后依然能有效减小泥石流的破坏力。⑶应用Kanako模型分别模拟8组坝高和8组沟床坡度条件下,洪峰流量为50 m3/s的泥石流发生时,一次冲出固体物质量和沟床侵蚀变化,研究不同状态下拦挡工程(新修建、淤满、溃坝)对泥石流的作用,引入泥石流一次冲出固体物质量减少率k表征拦挡工程减小泥石流规模的效应。结果显示,拦挡坝的高度一定时,k与沟床坡度成三次函数关系,沟床坡度在6~14°时,k值随着坡度增大,先减小后增大,沟床坡度在14~20°时,k先增大后减小;沟床坡度一定时,k与坝高呈线性正相关关系,在坡度为6°时,k值增幅最大,坡度为14°时,增幅最小;拦挡工程淤积甚至淤满后,依然能减少拦挡工程沟床上游侵蚀;溃坝均会放大泥石流的规模。⑷选取修建有拦挡工程的三眼峪泥石流沟和天然构林坪泥石流沟进行对比研究。“8.8”舟曲泥石流发生过程中,三眼峪沟中拦挡工程溃决,增大了泥石流的破坏力,而不合理的城市建设和过度占用排导槽是造成舟曲“8.8”泥石流灾难的一个重要原因;在全球气候变化的背景下,极端降雨事件增多,对该类流域面积大、沟道纵比降大、固体物质丰富且下游有居民区的泥石流沟进行工程治理时,应以排导工程为主,结合生态工程和拦挡工程进行综合治理,并且充分考虑拦挡工程溃坝的风险。以上研究,全面分析了白龙江流域泥石流的发育特征、成因和易发性,并通过野外监测获取了中小型泥石流暴雨临界激发雨量,通过物理模型和数值模型模拟研究了拦挡工程的效应以及影响因素,结合实例探讨沟谷泥石流的治理理念,为白龙江流域泥石流的防灾减灾提供理论依据,也为全国其他地区类似泥石流的防治提供新的思路,具有重要的现实意义和价值。
【关键词】:白龙江 泥石流 拦挡工程 沟槽试验 溃坝
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P642.23
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • Abstract5-12
  • 第一章 绪论12-25
  • 1.1 选题依据及研究意义12-13
  • 1.2 国内外研究现状13-21
  • 1.2.1 泥石流物理模型模拟13-15
  • 1.2.2 泥石流数值模型模拟15-18
  • 1.2.3 泥石流拦挡工程研究18-20
  • 1.2.4 研究现状小结20-21
  • 1.3 研究内容和论文结构21-24
  • 1.3.1 主要研究内容21-22
  • 1.3.2 技术路线22-23
  • 1.3.3 论文结构23-24
  • 1.4 论文主要创新点24-25
  • 第二章 研究区地质背景及自然地理条件25-35
  • 2.1 气候条件26-27
  • 2.2 地形地貌27
  • 2.3 地质构造27-29
  • 2.4 地层岩性29-30
  • 2.5 土壤类型30-31
  • 2.6 植被特征31-32
  • 2.7 土地利用32-33
  • 2.8 水土流失33-34
  • 2.9 人类活动34-35
  • 第三章 白龙江流域泥石流发育特征、成因和易发性35-63
  • 3.1 白龙江流域泥石流发育特征36-39
  • 3.1.1 泥石流时间分布36-37
  • 3.1.2 泥石流空间分布37-38
  • 3.1.3 白龙江流域泥石流基本特征38-39
  • 3.2 白龙江流域泥石流成因分析39-47
  • 3.2.1 地形条件39-41
  • 3.2.2 松散物质来源41-42
  • 3.2.3 降雨42-47
  • 3.3 白龙江流域泥石流易发性评价47-59
  • 3.3.1 评价单元划分47-48
  • 3.3.2 评价因子属性提取48-49
  • 3.3.3 因子属性分级49
  • 3.3.4 基于信息量模型的泥石流易发性评价49-51
  • 3.3.5 基于地理加权回归的泥石流易发性评价51-52
  • 3.3.6 土壤侵蚀强度与泥石流的敏感性分析52-59
  • 3.4 白龙江流域泥石流主要治理工程措施59-61
  • 3.5 本章小结61-63
  • 第四章 泥石流拦挡工程的效应物理模型模拟63-88
  • 4.1 试验区背景介绍63-64
  • 4.2 物理模拟试验的相关理论64-65
  • 4.2.1 模拟试验条件65
  • 4.2.2 物源处理65
  • 4.3 室外泥石流拦挡工程效应模拟试验65-72
  • 4.3.1 试验平台建设65-67
  • 4.3.2 试验方案设计67-69
  • 4.3.3 试验实施过程69-70
  • 4.3.4 试验现象和结果分析70-72
  • 4.4 现场沟槽泥石流拦挡工程的效应模拟试验72-87
  • 4.4.1 试验场73-74
  • 4.4.2 试验方案设计74-76
  • 4.4.3 试验实施过程76-77
  • 4.4.4 试验现象和结果分析77-87
  • 4.5 本章小结87-88
  • 第五章 泥石流拦挡工程的效应数值模型模拟88-105
  • 5.1 Kanako模型原理88-90
  • 5.2 模型参数90-93
  • 5.3 模拟结果分析93-102
  • 5.3.1 不同坡度沟床条件下泥石流拦挡工程的效应93-98
  • 5.3.2 不同高度拦挡工程的效应98-99
  • 5.3.3 多级拦挡工程组合99-100
  • 5.3.4 拦挡工程淤满后和溃坝的效应100-102
  • 5.4 数值模拟验证102-103
  • 5.5 本章小结103-105
  • 第六章 典型泥石流沟拦挡工程的效应分析105-124
  • 6.1 三眼峪和构林坪流域概况105-109
  • 6.2 对比分析109-114
  • 6.2.1 地形地貌条件109-111
  • 6.2.2 岩性构造111-112
  • 6.2.3 植被条件112-113
  • 6.2.4 物源条件113-114
  • 6.3 拦挡工程的效应分析114-121
  • 6.3.1 拦挡工程的效应模拟研究115-118
  • 6.3.2 基于事实和假设的论证118-119
  • 6.3.3 三眼峪新修建拦挡工程作用分析119-121
  • 6.4 结果和讨论121-123
  • 6.5 本章小结123-124
  • 第七章 结论124-127
  • 7.1 主要结论124-125
  • 7.2 研究不足与展望125-127
  • 参考文献127-140
  • 在学期间的研究成果140-141
  • 图表目录141-145
  • 致谢145

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