考虑坝后淤积的泥石流冲击拦挡坝动力响应研究

"5·12"汶川强烈地震导致山体破碎,激发大量崩滑体堆积于坡面、沟道中,为震后泥石流的形成提供了巨量松散固体物源,使得泥石流起动临界雨量大幅降低,爆发频率急剧增加,成为震后主要的次生灾害类型.在多期泥石流作用下,拦挡工程会部分或全部淤满,从而逐渐失去减灾能力.然而,关于坝后淤积体对泥石流拦挡坝减灾效果影响仍缺乏定量研究...     

汶川地震区特大泥石流工程防治新技术探索

汶川地震在龙门山地区激发了大量的崩塌、滑坡,为泥石流的形成提供了丰富的松散固体物源,震后4年里泥石流非常活跃,暴发了数次特大规模泥石流.初步分析了2个典型泥石流防治工程失败的原因,发现对防治工程本身而言,主要因素在于目前大量采用的浆砌石结构抗冲击破坏能力弱.为了抵御特大泥石流的冲击破坏,初步提出了钢筋混凝土框架+浆砌石坝体式泥石流拦砂坝、预制钢筋混凝土箱体组装式拦砂坝的新型泥石流拦挡结构,以及复式断面泥石流排导槽、预制钢筋混凝土箱体组装式排导槽的新型泥石流排导结构,这些新结构可望在不大幅度增加工程投资的情况下,提高泥石流防治工程抗冲击破坏能力,缩短工程建设周期,保护流域生态环境,充分利用沟内现存材料.这些方法及其组合可望对特大泥石流进行有效的调控.     

崩滑碎屑体堵江成坝研究综述与展望

堰塞坝是由崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。我国是堰塞坝的高发区,在作者统计的全世界范围内堰塞坝案例中,发生在我国的高达758例,占比59%。近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害(台风、暴雨、融雪等)诱发了大量的堰塞坝,严重威胁所在流域的生命财产安全。崩滑碎屑体堵江形成的堰塞坝通常结构松散、稳定性差、溃决程度大、溃决速度快,容易形成巨型洪灾,对下游生命财产造成更大危害。首先简要总结了一般堰塞坝堵江研究,阐明了崩滑型堰塞坝成坝特点。然后分析崩滑碎屑体运动及破碎机理和碎屑体堵江成坝机理研究,明确了颗粒破碎和水流条件对坝体形态特征、物质组成和稳定性的作用。崩滑碎屑体堵江通常有3种成坝模式：滑入型、爬高型和折返型,不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数(几何形态、坝体结构和物质组成)密切相关,而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。考虑上述两种因素,结合物源性质、边坡地形、河谷及水流条件,本文提出了成坝影响因素与堰塞坝的空间形态、结构特征及稳定性的内在关系的研究思路,以便建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。本研究的开展可为堰塞坝形成前坝体特征的事先预测以及堰塞坝形成后坝体稳定性的快速评估等方面的研究与实践提供重要理论依据。     

降雨型泥石流对沟床侵蚀的水力学机理

为解决降雨型泥石流对沟床的侵蚀和重塑机理,以水文学为基础,在科学表征泥石流流深的前提下,借助水力学理论,分析了沟床在泥石流流动剪切和渗流水压耦合作用下的侵蚀机理,研究了泥石流流动剪应力、沟床基质孔压、泥石流静压及沟床自重作用的计算方法,给出了沟床侵蚀临界深度表达;借助算例阐明了流域降雨特征、沟道几何参数以及泥石流性质对泥石流流态及侵蚀力的影响规律,展示了沟道侵蚀曲线和侵蚀量的计算方法.结果表明：(1)泥石流侵蚀能力随沟床基质埋深的增加而下降,并在临界深度处消失;(2)不同降雨条件、沟谷特征和泥石流性质下的临界侵蚀深度因流深流速的差异而不同,越利于流深流速增大的流域沟道条件则越利于侵蚀的进行.     

汶川地震区震后泥石流活动特征与防治对策

2008年5月12日的汶川Ms8.0地震对地表产生强烈扰动,使得泥石流形成条件发生剧烈变化,影响到震后泥石流的活动特征和减灾对策.作者在调查数据的基础上,从固体松散物质条件、微地貌条件和水文条件的变化3个方面,分析了汶川地震区震后泥石流形成条件的变化,认为:汶川地震灾区崩塌、滑坡等产生的松散固体物质达28×108 m3,为该区泥石流长期活动提供了丰富的物质基础;流域微地貌突变特别是严重的沟道堵塞,有利于泥石流规模的增大;强烈地表扰动和毁灭性、大面积毁坏植被,改变了地表水入渗、产流和汇流条件,利于侵蚀和洪峰形成.这些流域状态的巨变,构成了有利于泥石流形成的条件组合.从而,导敛震后泥石流活动强度急剧增大,使得泥石流成为对地震区影响最为严重的灾害.震后泥石流活动的主要特点有:泥石流沟谷数量增加,大量震前被判定为非泥石流沟的流域暴发了泥石流;激发泥右流的临界雨量明显降低泥石流暴发表现出明显的高频性与群发性;泥石流的容重约提高10%～30%,原来定性为稀性或过渡性的泥石流沟转化为过渡性或粘性泥石流沟;泥石流流量普遍增大,大致可增加约50%～100%,现有规范中泥石流流量计算方法的结果偏小,需要修正.震后泥石流演变趋势为:活动强度由急剧增强的突变转为逐步减弱,期间活跃期与平静期交替出现,第1个泥石流活跃期可能会持续约15年左右;泥石流形成将由降雨控制型逐步转为松散土体控制型;一些松散土体丰富且尚未发生泥石流的面积大于5 km2流域,将是未来暴发大规模泥石流的风险源.针对震后泥石流的活动特征、演化趋势和震区泥石流防治中存在的问题,提出:判识潜在泥石流灾害,增强减灾措施的针对性;进行泥石流灾害风险分析,加强风险管理;改进泥石流规模计算方法,适应震区超常规模泥石流防治需求;重新确定泥石流预警报的临界雨量指标,加强监测预警系统建设等灾害防治对策.     

Hardfill坝渗流场数值分析

根据渗流计算理论并利用有限元计算方法,着重研究Hardfill坝在不同透水性坝基下的渗流场规律,并将其与设置各种不同防渗排水措施后的Hardfill坝渗流场规律进行比较,以便确定合理的防渗排水体系.通过变化坝基的渗透系数模拟各种不同透水性坝基.将计算结果整理成流网图和特征点渗透坡降图,为整体把握Hardfill坝的渗流特性和Hardfill坝的进一步研究工作打下基础.     

Optimized design model for sediment-trapped dam by GIS techniques

The sediment-trapped dam (STD) is one of the major engineering measuresin preventing debris flow, while the design of such an STD has been proven as the mostcomplicated systematic engineering. Supported by geographical information system (GIS)method and techniques, this paper presents an optimized STD design model which isbuilt through calculating STD height and reservoir capacity, designing cross section,analyzing load capacity and structural stability. Guided by a principle of taking both the stability of STD as the constraint condition and the optimized design as a nonlinearprogramming, this model makes it possible for a precise calculation of the STD volumeand its reservoir capacity, aiming at getting the minimum ratio between project investmentand reservoir capacity. This model preliminarily achieves the optimized designing ofimportant parameters of STD involving in STD volume (project investment), dam stabilityand reservoir capacity (sediments trapped by STD), and also provides a new solutionattempting for the optimized design of project in preventing debris flow.     

Influences and drivers of woody debris movement in urban watercourses

It is recognised that the blockage of culverts by woody debris can result in an increased risk of infrastructure damage and flooding. To date, debris transport analysis has focused on regional fluvial systems and large woody debris, both in flume and field experiments. Given the social and economic risk associated with urban flooding, and as urban drainage design shifts away from subsurface piped network reliance, there is an increasing need to understand debris movement in urban watercourses. The prediction of urban watercourse small woody debris (SWD) movement, both quantity and risk, has undergone only limited analysis predominantly due to lack of field data. This paper describes the development of a methodology to enable the collection of accurate and meaningful SWD residency and transportation data from watercourses. The presented research examines the limitations and effective function of PIT tag technology to collect SWD transport data in the field appropriate for risk and prediction analysis. Passive integrated transponder (PIT) technology provides a method to collect debris transport data within the urban environment. In this study, the tags are installed within small woody debris and released at known locations into a small urban natural watercourse enabling monitoring of movement and travel time. SWD velocity and detention are collated with solute time of travel, watercourse and point flow characteristics to identify the relationships between these key variables. The work presented tests three hypotheses: firstly, that the potential for unobstructed or un-detained SWD movement increases with flow velocity and water level. Secondly, that SWD travel distance, and the resistance forces along this travel path, influence SWD transport potential. Thirdly, the relationship between SWD and channel dimensions is examined with the aim of advancing representative debris transport prediction modelling.     

新疆克孜河泥石流天然坝体溃决模拟分析

分别采用瞬时溃决模型和逐步溃决模型对新疆克孜河泥石流天然坝的溃决洪峰流量及其向下游的演进情况进行了模拟分析,结果表明：瞬时渍决模型的计算结果与实测溃坝洪峰流量偏差较大,而逐步溃决模型的计算结果则接近实测值;采用逐步溃决模型计算时,计算时段的取值及溃口流量系数的取值对计算结果有一定的影响．     

西藏拉洛水利枢纽坝址选择中的地质问题

西藏拉洛水利枢纽坝址规划在峡谷河段,坝址选择中同时遇到了滑坡、崩塌、泥石流及深厚覆盖层等地质问题.局部而论,峡谷中不乏地质条件较好的坝址,但总体分析,滑坡、崩塌等地质缺陷的影响不容忽视.经全面、准确地分析上述地质问题,为坝址选择提供了可靠的地质依据,避开了影响工程的重大地质缺陷,在峡谷河段的坝址选择中具有典型性和代表性.     

四川石棉2012年“7·14”唐家沟泥石流特征

2012年7月14日,四川石棉田湾河流域唐家沟暴发泥石流,造成2人死亡、5人失踪及巨大经济损失。泥石流由沟道中上游局地强暴雨激发,形成机制为沟床起动型,持续过程约1 h,泥石流总量约85×104 m3,为低频率特大规模泥石流。唐家沟的相对高度为3 139 m,沟道陡急而多急弯、卡口,导致泥石流在运动中反复堵塞溃决,堵塞系数为2.5-3.0-在沟道中下游,泥石流获得了原有沟床堆积物的补给,使固体物质补给区范围扩大,规模增大,危害能力增强-流体含有2%-4.4%的黏粒,黏度较大,重度达20.6 kN·m-3,搬运力极强,搬运至沟口的最大石块体积约235 m3,质量约645 t-流体的直进性强,弯道超高高度高于11 m。泥石流堵塞田湾河并形成溃决灾害,构成了泥石流堰塞湖山洪组成的山地灾害链,危害由沟道延伸至主河两岸的较大范围。当地森林植被茂密,但泥石流十分发育,表明生态环境良好的山区仍需加强对泥石流灾害的防范。     

子坝布置优化对尾矿坝稳定性影响分析

尾矿库是矿山重要设施,其安全影响周围人员和财产安全.堆积坝子坝布置是影响尾矿坝稳定性的因素之一.利用FLAC软件采用强度折减法分析了子坝高度和子坝坡比对尾矿坝安全系数影响.结果表明,子坝坡比不变条件下,尾矿坝安全系数随堆积坝子坝高度升高而降低.在子坝高度不变条件下,尾矿坝安全系数随子坝坡比增加而增大.分析成果对尾矿坝设计及现场管理具有一定的应用价值.     

强输沙对陡坡河道水位激增影响的试验研究

山洪泥石流会挟带大量泥沙,一旦进入山区性河流,往往会造成河段下游水位的骤然升高,从而给人们的生命财产带来巨大的损失。本文采用单因素叠加试验方法,通过陡坡水槽试验,对强输沙条件下的水位变化规律进行了初步探索。试验结果表明,陡坡河道上的高强度泥沙输移,一方面增加了水流流量,另一方面增加了水流阻力,两者均可导致水位的显著增加。随着泥沙加入,试验水槽内水深将显著增加,并随着输沙过程的结束而回落。总体上,中等粒径的泥沙引起的水位增幅最高。随着水深（流量）的增加,水深变率（增幅）存在先增大后减小的规律。综合本文及前人研究成果,研究发现,河道比降越陡,水位增幅越大,最大水深增长率与河道比降间呈指数关系。     

新型立体传质塔板CTST的研究与开发进展

立体传质塔板CTST是一系列大通量高效喷射型塔板,该塔板是一种空间结构塔板,具有通量大、效率高、压降低、抗堵性能强、消泡性能好等优点．本文综述了立体传质塔板CTST的研究进展,包括流体力学性能研究、板上液相流动性能研究、传质性能研究、计算机模拟技术等．介绍了CTST技术在工业生产中的应用和取得的成果．     

高山峡谷区山洪沟口泥沙堆积特征数值试验

山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象，其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀，并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深，难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程，无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征，易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征，以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象，采用耦合的计算流体力学（CFD）与离散单元法（DEM）数学模型，模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程，重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明：泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势，过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大，泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关，可以使用具有三个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。本研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。     

基于光纤传感技术的泥石流冲击力测量系统与反演方法

目前水槽实验一般采用压电式压力传感器测量泥石流冲击力,这种传统测量模式的电信号易受电线阻抗效应的影响,且没有考虑测量装置受冲击变形对测量结果所产生的影响。针对以上问题,基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感技术,设计了悬臂梁式泥石流冲击力测量系统; 基于泥石流的宾汉体模型和受冲击体的本构关系,构建了包含中心波长最大偏移量、结构材料弹性模量和流深的泥石流最大冲击力反演公式。依据测量系统的力-光耦合效应设计水槽实验,开展了7组不同密度(1.8、1.9、2.0 g·cm^-3)的冲击实验工况。结果表明:①数据之间呈现较好的规律性,光纤布拉格光栅中心波长最大偏移量随着密度的增加而增大,同一密度下光纤布拉格光栅中心波长变化过程与泥石流冲击过程相吻合,从而验证了冲击力反演模型和测量系统之间具有良好的适应性; ②冲击力峰值为30.75～74.06 kPa,冲击力系数为0.92～1.95,与泥石流冲击特性相吻合,进而验证了本测量系统在克服传统压电式压力传感器自身缺陷的同时,亦能实现冲击力的稳定可靠测量。     

两相泥石流的非恒定特性研究

按照运动机理和泥沙粒径组成的不同,泥石流可分为一相泥石流和两相泥石流。两相泥石流是水和泥沙混合液体与石块构成的固体之间有明显的相对运动的泥石流。两相泥石流在山区沟谷中分布更为广泛,本文针对两相泥石流的非恒定运动过程展开实验研究。实验发现两相泥石流的运动过程具有明显的间歇特征,龙头的运动和停滞呈现间歇式分布。泥石流在停滞过程中,水流或泥沙悬浮液携带石块在前部堆积使得龙头高度和坡度逐渐增大,当坡度达到临界值时,泥石流向下游运移,龙头高度和坡度进而减小,当龙头坡度减小到一定值时,泥石流进入下一个停滞阶段,等待上游泥沙的补给和能量的聚集。两相泥石流龙头后部水流断面平均速度>颗粒断面平均速度>龙头速度,水流速度是颗粒速度的2～3倍,水流通过颗粒不断的将能量传递给龙头用来克服龙头相对较大的阻力。本文通过两相泥石流的实验,研究了间歇流动的形成发展过程,通过分析建立了相应的的力学模型。     

基于模糊最优识别理论的水电工程泥石流危险性评价模型

为评价水电工程泥石流的危险性,结合水电工程泥石流灾害的特点,在参考国内外文献的基础上,确定了基于多因素的水电工程泥石流危险性评价指标体系,并以此为基础,搜集、调研资料,建立了典型泥石流范例库。借助模糊最优识别理论,建立了水电工程泥石流危险性初步评价的模糊最优识别模型。利用该模型对某水电工程泥石流的危险性进行了分析评价,评价结果与实际情况相符,验证了该模型的有效性。     

Calculation of the debris flow concentration based on clay content

The debris flow clay content has very tremendous influence on itsconcentration (γ_c). It is reported that the concentration can be calculated by applying the relative polynomial based on the clay content. Here one polynomial model and onelogarithm model to calculate the concentration based on the clay content for both theordinary debris flow and viscous debris flow are obtained. The result derives from thestatistics and analysis of the relationship between the debris flow concentrations and clay content in 45 debris flow sites located in the southwest of China. The models can beapplied for the concentration calculation to those debris flows that are impossible toobserve. The models are available to calculate the debris flow concentration, theprinciples of which are in the clay content affecting on the debris flow formation,movement and suspending particle diameter. The mechanism of the relationship of theclay content and concentration is clear and reliable. The debris flow is usually ofmicro-viscous when the clay content is low (<3%), by analyzing the developing tendencyon the basics of the relationship between the clay content and debris flow concentration.Indeed, the less the clay content, the less the concentration for most debris flows. Thedebris flow tends to become the water rock flow or the hyperconcentrated flow with theclay content decrease. Through statistics it is apt to transform the soil into the viscousdebris flow when the clay content of ranges is in 3%-18%. Its concentration increaseswith the increasing of the clay content when the clay content is between 5% and 10%. Butthe value decreases with the increasing of the clay content when the clay content isbetween 10% and 18%. It is apt to transform the soil into the mudflow, when the claycontent exceeds 18%. The concentration of the mudflow usually decreases with theincrease of the clay content, and this developing tendency reverses to that of themicro-viscous debris flow. There is maximum mean concentration for the debris flowwhen the clay content ranges are between 7% and 11 %. Especially, for the viscousdebris flow, the logarithm formula here is suitable to the concentration calculation with theclay content between 3% and 18%. The maximum concentration calculated by thisformula reaches 2.32 t/m~3, which matches that tested in practice.     

基于小波分析的泥石流冲击力信号处理

对于防治工程的设计,泥石流冲击力是一个很重要的参数,其冲击力的大小要准确地进行估计是很困难的,并且由于泥石流的破坏性很强,很难在野外进行冲击力的测量.为了减小模型尺度带来的影响,利用大型水槽进行泥石流冲击力实验,并对得到的冲击力信号进行小波降噪处理.通过比较降噪后重构的信号及降噪后的信号发现,降噪后的泥石流冲击力信号可作为液相浆体的冲击力过程线.对采集到的泥石流冲击力数据分析后发现,泥石流液相浆体的冲击力计算公式p=Kρfv2中的系数K接近于0.5.