基于水土耦合的沟床起动型流体运动过程模拟研究

建立考虑沟床侵蚀、坡面汇流以及沟道上空降雨共同作用下沟道流体运动的水土耦合模型,可以为流域风险评估、防灾减灾以及潜在泥石流沟判识等提供理论依据。通过对沟道流体对沟床可移动固体物源的侵蚀过程进行分析,并将其与具有时空变异性的坡面汇流及沟道上空降雨进行合理耦合,建立了小流域沟道流体运动的水土耦合模型;采用有限差分法对流体运动水土耦合模型进行时空离散,得到了沟道流体运动数值离散模型;在此基础上,基于MATLAB语言编写了流体运动数值离散模型的求解程序;同时,以来流流量及沟槽坡度为控制变量开展了室内模型实验,观测不同工况条件下沟槽控制点处流体流深、流速以及流体容重的变化情况。通过对所得到的12组水槽实验的实验结果进行数据分析,发现在沟槽坡度保持不变的条件下,沟槽控制点处流体流深及流体流速与来流流量之间呈正相关关系,流体容重与来流流量之间呈负相关关系;同时,将沟槽控制点处流体流深、流速以及流体容重的数值求解结果与实验测量结果进行对比分析,发现流体流速及流体容重的模拟精度均高于90%,流体流深的模拟精度高于80%。表明所建立的小流域沟道流体运动的水土耦合模型基本合理,所采用的数值离散方法及所编写的模型求解程序较为可行。     

唐家山堰塞湖溃坝条件下兰成渝输油管道安全性评价与对策

兰成渝输油管道是我国惟一通向西南地区的成品油管道,供应川渝地区70%以上的成品油,是国家西部大开发的重要动脉,其安全运营十分重要。“5.12”汶川大地震在四川省绵阳市北川县城上游的唐家山形成规模巨大的堰塞湖,一旦溃坝,不仅严重威胁下游城镇、道路等基础设施和人民生命财产的安全,也威胁着输油管道的运行安全。为了确保唐家山堰塞湖泄洪排险过程中输油管道的安全,对堰塞湖可能出现的三种溃坝方案中输油管道涪江穿越断面的冲刷深度进行了计算。根据计算结果,如果发生三分之二溃坝,涪江穿越断面主槽冲刷深度为6m,边滩冲刷深度为4m;如果发生全溃坝,则分别为8m和6m。并对其安全性进行了评价,提出了相应的应急处理措施,确保了兰成渝输油管道安全渡过唐家山泄洪。     

非均质泥石流堆积过程粒度与粒序分布特征

以非均质泥石流为研究对象,通过实施云南东川蒋家沟泥石流堆积过程现场模拟实验,首先分析非均质泥石流堆积物颗粒级配组成的平面变化特点,即容重较低的稀性泥石流堆积扇两侧及前缘细颗粒较多,而容重较高的黏性泥石流堆积扇的两侧及前缘粗颗粒较多,并得出非均质泥石流堆积物中值粒径随泥石流容重减小而降低的结果;在此基础上,进一步分析泥石流堆积物垂向粒序分布特征,结果表明蒋家沟泥石流容重较小时泥石流堆积物颗粒垂向呈现正粒序分布,否则呈现反粒序分布或混杂粒序分布。本文研究成果对下一阶段建立泥石流堆积动力学模型及预测堆积成灾规模奠定了基础。     

不同坡度条件下非均质泥石流堆积过程与特征

陡峻的地形、大量松散的固体物质条件、短时强降水构成了泥石流发生的三大要素,同时也是直接影响泥石流堆积数量与规模的重要因素。通过改变泥石流流通区、堆积区不同区段的坡度对非均质泥石流堆积过程进行室内模拟实验,探究流通区、堆积区不同坡度条件下非均质泥石流的堆积厚度、面积等特征值的变化特征,即随着流通区坡度增大,泥石流堆积厚度减少,而堆积面积和体积均增大,并进一步建立了不同坡度因子与泥石流堆积数量之间的关系,为预测不同坡度地形条件下泥石流堆积规模提供科学依据。     

岷江上游汶川地震重灾区山洪灾害危险分区研究

以岷江上游汶川地震重灾区为靶区,在剖析山洪灾害特征及驱动因子的基础上,开展山洪灾害危险性分区研究。得出研究区山洪灾害具有如下特征:1受暴雨控制,主要分布在龙门山暴雨区,具带状、群发特征;2受地震发震断层的控制,在主断层范围内集中、连片分布;3呈串联或并联特征;4震后崩塌、滑坡淤堵河道,山洪灾害发生的临界雨量降低,导致山洪灾害规模扩大、频率增加,危害加剧。根据主控驱动因子即暴雨驱动因子(年最大1 h暴雨均值)和地震驱动因子(距发震断层距离),将研究区山洪灾害分为3个等级:高度危险区、中度危险区和低度危险区。研究成果可为岷江上游流域山洪灾害的监测预警、综合防治、减少山洪灾害损失等提供依据。     

泥石流坝后侵蚀坑内部边坡规律实验研究

侵蚀坑内部边坡的大小决定着侵蚀坑的形态和发展,研究侵蚀坑内部边坡的变化规律可为合理估算冲刷范围提供依据.通过室内水槽实验观测,侵蚀坑纵剖面坑内坡度总体表现为上游坡较下游坡陡,并且随着水槽原始坡度以及沟床组成物质的变化而变化.对于具有相同级配的粘性砂和无粘性砂,粘性砂的侵蚀坑坑内坡度较无粘性砂的要陡.定义侵蚀坑上下游出口与其最深点连线的倾角为侵蚀坑坑内上下游坡度,通过对实验数据进行回归分析,建立了侵蚀坑坑内坡度与泥沙的水下休止角以及沟床原始纵坡之间的定量关系.     

泥石流多发区典型土浆体流变特性比较研究

泥石流浆体流变特性及其影响因素是泥石流动力学研究的重要内容,为探讨泥石流多发区典型细粘土浆体流变特性,选取云南小江流域和甘肃白龙江流域的典型土,通过流变实验、颗粒级配实验和矿物组分分析方法,比较分析小江红土和白龙江马兰黄土的泥石流浆体流变特性及其影响因素。结果显示随着容重的增加,红、黄土泥石流浆体的剪切应力、屈服应力和刚度系数均呈现出增长的趋势,在高容重条件下增长较为明显。同容重条件下红土浆体的剪切应力、屈服应力和刚度系数均明显高于黄土浆体,其中,红、黄土浆体屈服应力与体积浓度呈指数相关。红、黄土浆体流变特性以容重的影响最为显著,此外,颗粒级配、粘粒含量和矿物组成及其含量也是造成红、黄土流变特性差异的重要原因。研究结果对揭示两个区域的泥石流成灾机理具有一定的意义。     

非均质泥石流形成过程动力学特征

非均质泥石流是产生于山坡与沟谷中的一种典型固液两相流,具有颗粒级配宽、容重大、流动阻力与流速分布的不均匀性等特征,致灾影响深远。本文通过在云南省蒋家沟泥石流观测研究站实施48组泥石流形成动力过程模拟试验,首先分析非均质泥石流起动方式,将模拟泥石流起动划分为常遇型、溃坝型及滑坡型三种类型,并进一步将泥石流形成过程划分为固体颗粒起动、固体颗粒加速混掺及固液两相流形成的三个不同阶段;基于孔隙水压力及水力因子等测定数据,分析揭示了泥石流形成的三阶段的动力学特征,表明三类泥石流形成后流速较大,均呈急流状态,而且水流强度以溃坝型泥石流为最大,常遇型泥石流次之,滑坡型泥石流最小。本项研究成果对丰富泥石流学科内容以及提高泥石流灾害预测水平具有重要意义。