阶梯-深潭系统消能机理的实验研究

阶梯-深潭系统能稳定河床、控制下切以及减小山洪泥石流灾害,其原因在于能高效消耗水流能量。通过野外实验,研究了不同流量下消能率变化规律,分析了水流沿阶梯-深潭能量转化过程,探讨了阶梯-深潭中能量的消耗机理。实验工况下(单宽流量5~210 L/s)阶梯-深潭具有很高的消能率(64%~91%),按部位其消能可分为阶梯消能和深潭消能,推导得到的消能率计算公式计算值和实测数据符合较好。在不同流量下阶梯消能方式因水流形态的改变有所不同,深潭消能可分为3个区域:水跃主流区、主流区两侧的两个大尺度漩涡区和主流区与周围区域交界的区域,它们的消能方式各有不同。当流量较小时,阶梯-深潭系统消能主要由阶梯段完成。流量增加后,阶梯段消能所占比例减小,深潭消能作用增强。     

西南山区河流河床结构及消能减灾机制

青藏高原的持续抬升导致青藏高原周边河流下切。河流下切造成河床河岸失稳,崩塌滑坡及泥石流等灾害频发。通过十余年野外调查和试验研究发现,崩塌滑坡泥石流堰塞河流形成的自然坝实际上是河流下切的负反馈的结果。自然坝稳定后控制河流下切,保持河流稳定并且改善生态。这样的功能主要来自于自然坝上发育的河床消能结构。本文总结了河床结构和自然坝消能减灾的机理,归纳以阶梯-深潭为代表的河床结构消能率的量化计算方法,并提出下切河流综合管理中能量概算的理念及基本思路。本文还介绍人工阶梯-深潭系统防治泥石流灾害的成功实践,强调人工模拟自然坝消能结构应用在防灾减灾领域的可行性及有效性。最后,以消能理念为基础,提出西南下切河流开发和管理中应建立"串糖葫芦"式中型坝群库坝体系,以实现水电开发、消能减灾和改善生态的综合目标。     

怒江干流堰塞坝特征及稳定河床机制

滇西怒江是青藏高原东缘地形急变带内深切河流的典型代表,因崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害在干流形成数百个稳定堰塞坝,有效抑制了河流下切。为探究怒江堰塞坝发育及提升河床稳定性的负反馈机制,通过野外考察和卫星影像,总结了怒江干流沿程和堰塞坝地貌特征,基于地貌水力特性对堰塞坝分类,并量化评估不同类别堰塞坝的稳定性和消能率特征。研究结果表明,怒江干流的堰塞坝分布密度较高,且与单宽水流能量正相关。干流堰塞坝可分为崩塌滑坡(崩滑)堰塞坝与泥石流堰塞坝。崩滑堰塞坝可在特大洪水中保持稳定,泥石流堰塞坝则可在一般性洪水中稳定。两类堰塞坝的消能率接近自然阶梯-深潭结构。崩滑堰塞坝消能率随单宽水流能量增大而提高,而泥石流堰塞坝则因较大的河谷横向空间汛期单宽水流能量增长较慢。干流堰塞坝的稳定性和消能特点均与当地单宽水流能量特点匹配,从而持久高效地消耗水流能量,提升河床整体稳定性。     

阶梯-深潭系统消能研究综述

针对山区河流中自然形成的阶梯-深潭系统消能研究相对滞后的现状,归纳总结阶梯-深潭系统及台阶式溢洪道已有消能研究成果,从总流能量守恒方程出发,分析阶梯-深潭系统消能机理及消能率影响因素。认为台阶式溢洪道与阶梯-深潭系统的消能方式具有相似性和可比性。研究表明,在不同流量情况下,阶梯-深潭系统消能方式有显著区别,消能率存在较大差异;阶梯-深潭系统消能率的影响因素有坡降、糙率、粒径、阶梯高度和上游来流量,其中阶梯高度、坡降、糙率和粒径与消能率成正比,上游来流量与消能率成反比。认为阶梯-深潭系统消能的进一步研究需要结合大量野外调查数据,研究阶梯-深潭系统的几何特征,测量阶梯-深潭系统流场,进而得到水流能量的传递和耗散规律。     

阶梯-深潭结构旋涡辅助消能机理初探

阶梯-深潭系统的消能作用主要集中在深潭内,这是与深潭内水流的复杂流态有关的。梯上水流跌落深潭,与潭内水流发生碰撞,进而下切,引起旋滚、翻腾、紊动等一系列利于能量交换的现象。水流在深潭内经历急流向缓流转变的过程,能量随之被消刹在潭内,进而流向下游,达到消能的目的。在潭内复杂流态的分析上,旋涡的分析是具有代表性的,潭内无论出现横轴旋涡或者立轴旋涡,从它们与潭内水流翻滚摩擦以及旋涡间互相影响的角度来说,都是有利于消能的。     

泥石流消能防治工程研究

文章以跌落式和滑落式两种典型泥石流形态为主要研究对象,分析了泥石流龙头的运动特征、减阻现象、龙头的控制作用、形成条件,初步总结了和消能理论有关的泥石流形成机理、泥石流水力特征及能量传递机理。提出了建立涵盖稳定性、地质地貌、生态、景观的检测评价机制,完善并且拓展人工阶梯-深潭功能。并将阶梯-深潭系统消能功能和显著生态景观效应作为常用工程措施的重要补充加以利用,在广大的河流沟谷具有比较好的应用前景。     

陇南市北山泥石流特征及防治技术

陇南市地处甘肃东南部,是我国典型的山区城镇。城区北侧北山上分布有大小9条泥石流沟,沟道内松散物储量丰富,沟道比降大。汶川地震后,陇南市对北山各泥石流沟道进行了多次治理,多采用拦挡坝结合生物治理措施。治理取得了一定成效,但受限于当地地理环境,并未能从根本上解决泥石流对城区的威胁。水是泥石流产生的必要条件之一,而北山各泥石流沟均属于暴雨型泥石流沟。鉴于水对陇南地区泥石流的控制作用,本次采取水沙分离的治理思路,即在流域中上游段修建截排水渠系统,包括干渠、支渠、毛渠以及渠系建筑物等。截排水渠系布置在沟道泥石流的形成区,汇集坡面和沟道清水,达到水沙分离的目的,减少泥石流形成的水源条件,降低泥石流产生的可能。     

汶川地震引发的流域管理新课题

汶川地震引发了大量的山体滑坡和崩塌.巨型滑坡夷平了山谷,创造了平缓坡地.这些新生地非常不稳定,易引发泥石流.尽快稳定和开发新生地是一个新问题.滑坡造成的堰塞湖引起剧烈河床演变,对河流地貌和稳定产生长远和深刻的影响.大量的崩塌体形成大石块堆积体,表面没有土壤,如何修复植被是一个严峻的挑战.本文通过野外测量和试验,对上述问题进行了探索并取得了初步成果.成果表明,采用阶梯-深潭结构稳定滑坡体,可以控制或减轻泥石流;发生于崩塌和滑坡体上的泥石流含水量小且大石块多,不是黏性泥石流而是两相泥石流,运动速度仅为黏性泥石流的1/10;堰塞坝发育成尼克点会显著改变河流纵剖面,稳定岸坡减少滑坡崩塌灾害;在花岗岩崩塌体上引种紫萼藓能显著加快植被演替,绿化裸露的石块堆积体.     

文家沟“8.13”特大泥石流典型特征及成因分析

以文家沟特大泥石流为例,在现场详细调查、统计、试验,获得丰富资料的基础上,对该泥石流的典型特征和成因进行了分析,分析结果认为,文家沟泥石流具有一次冲出量巨大、松散物源集中、沟谷下切速度快、深度大、侧向冲刷造成岸坡垮塌、堵溃现象明显等基本特征,属典型的由地震引发的次生地质灾害.地震诱发滑坡产生的碎屑流堆积体为泥石流发生提...     

渔子溪耿达水电站鹰嘴岩沟拦挡坝结构设计

在耿达水电站鹰嘴岩沟泥石流治理工程中,沟口拦挡坝是直接关系到耿达电站安全运行的建筑物。本文从拦挡坝的坝址坝型选择、坝体结构设计和稳定计算等方面介绍了鹰嘴岩沟拦挡坝的设计过程。     

汶川地震区大型泥石流工程防治体系规划方法探索

汶川地震后4年里泥石流非常活跃,暴发了数次大规模泥石流。分析了震后泥石流形成的三类起动机理,并结合拦挡工程溃决情况,进一步分析人工干预下的大型泥石流形成机理。在此基础上,针对大型泥石流成灾的两个显著特点,即泥石流进入主河形成堰塞湖产生二次灾害与泥石流携带的巨石冲击破坏能力巨大,提出了主河输移控制型泥石流防治规划设计原理、不同开孔的拦砂坝群分级拦淤泥石流方法、谷坊群稳定形成区泥石流物源方法,以及充分利用沟床巨石形成阶梯-深潭结构等系列泥石流工程防治体系规划方法。主河输移控制型泥石流防治规划设计原理以主河输沙能力作为控制条件,将泥石流的洪峰流量优先分配给排导工程,然后分配给拦挡工程或者停淤工程,各类工程合理分担的泥石流洪峰流量。这些方法的组合可望对大型泥石流进行有效的调控。     

5·12汶川地震对磨子沟的影响及震后泥石流活动状况

磨子沟位于四川省汶川县银杏乡,属岷江上游右岸支流,5·12汶川地震对其造成了严重影响。地震引发了大量的崩塌、滑坡,其中8处大型崩塌和滑坡对沟道造成了严重堵塞,并为泥石流活动提供了良好的条件。地震后磨子沟泥石流十分活跃,仅2008年7-9月就暴发了75阵阵流,3次堵断岷江并形成堰塞湖,淹没了岷江左岸村庄;2009-2011年又多次暴发泥石流并堵塞岷江。持续的降雨监测数据表明,震后初期磨子沟发生泥石流的日雨量条件急剧降低,目前有逐步回升的趋势。通过对比磨子沟流域震前(2005年6月)、震后(2008年6月)及泥石流事件后(2010年12月)等不同时段的遥感影像,结合实地调查和震后高分辨率航空影像的解译,分析了地震对磨子沟的影响,估算出地震形成的崩塌和滑坡方量超过3 000×104m3;根据不同暴雨频率下的泥石流流量计算,得出2008年7月14日最大一场堵江泥石流的规模为2.57×105m3,其峰值流量为541 m3/s,为50年一遇的规模;已发生的泥石流仅从沟道内带走约2.5×106m3的固体松散物质,沟内剩余的巨量固体松散物质将使磨子沟的泥石流活动持续相当长的时间,并具有再次堵断岷江的风险。     

山洪灾害特性及其防治对策

本文通过山洪及泥石流灾害实例调查,分析了山洪及泥石流灾害的特性,总结了从降雨到灾害形成的5种途径:(1)集中暴雨诱发滑坡体的高速滑动,滑坡体堵塞溪流形成溃决泥石流;(2)集中暴雨诱发陡坡崩塌,崩塌土流动化形成泥石流;(3)溪流河床累积性淤积,水位抬高山洪漫溢;(4)长历时暴雨形成山洪,两岸崩塌后退;(5)人为弃渣或前期松散堆积物在暴雨过程中形成泥石流。由于山洪灾害形成过程不同,成灾范围及其严重性相差较大,必须采取与之对应的防治措施,才能达到预期的效果。     

栾川县暴雨泥石流预警模型研究倡--以“7.24”暴雨泥石流为例

以栾川县2010年7月24日暴雨泥石流为研究对象,对单沟泥石流进行预警研究。在参考前人研究成果及野外调查分析的基础上,结合栾川县降雨资料分析结果,选取前5d间接雨量、24h最大降雨量、1h最大降雨量、松散物质储量、山坡坡度、沟床比降、沟床弯曲系数、补给长度比和植被覆盖率9个指标,建立了基于地质背景条件与降雨因素相耦合的泥石流预警模型。采用三标度AHP法对相关因子进行赋权,采用功效系数法确定预警因子的单项功效系数,并加权求和确定总功效系数,根据总功效系数与泥石流预警等级的对应关系,对研究区单沟泥石流进行预警。预警结果基本符合“7.24”特大暴雨下的泥石流历史灾害发生规律,表明此预警模型是合理的,适用于对栾川地区泥石流预警。     

白龙江甘家沟泥石流过坝堆积物力学性能分析

白龙江流域是我国泥石流危害最严重的地区之一,泥石流沟分布密度和泥石流发生频率居全国首位,尽管多次治理,但仍然造成了大量的人员伤亡和财产损失。以甘家沟为研究对象,通过野外实地调查,在分析防治工程现状的基础上,通过颗分试验、流变试验和直剪试验,对比分析了坝上游和坝下游泥石流堆积物的颗粒级配变化情况、浆体流变特性与抗剪强度等性能指标。结果显示:实体拦砂坝存在调节泥石流颗粒粒径作用,但调节效果不显著;拦砂坝的拦挡作用会改变泥石流的力学性能;粒径调节作用较显著的坝体,其坝下游堆积物浆体的剪切应力小于坝上游堆积物浆体的剪切应力,坝下游堆积物抗剪强度略大于坝上游堆积物抗剪强度;泥石流颗粒级配的差异是影响其流变特性与抗剪强度的重要原因。该研究结果对今后泥石流工程坝型选择与参数设计具有一定的参考意义。     

两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征

两相泥石流通常会出现高陡的龙头,其集中了大量的粗大卵石和砾石,呈现间歇性或波动性的运动。两相泥石流的运动除了取决于流体本身的流变特征外,液相和固相之间的能量传递也起到了重要作用,利用能量分析方法来研究两相泥石流固相、液相和龙头之间的能量转化机理是研究两相泥石流非恒定运动的有效途径。通过野外两相泥石流原型和水槽实验,研究其非恒定运动过程,结果表明,两相泥石流的龙头在泥石流起动初始阶段逐渐增长,当运动到一段距离后,趋于稳定。龙头高度和速度都有波动特征,通过能量分析建立了物理方程,分析证明两相泥石流龙头运动的平均速度正比于沟道的坡降和激发泥石流的洪水流量,反比于龙头的体积。     

四川省汶川县绵虒镇小流域泥石流危险性评价

2013年7月10日汶川县绵虒镇持续性暴雨引发岷江小流域内的泥石流群事件,使得岷江堵塞、公路摧毁和居民受灾,造成巨大经济损失和人员伤亡。经过野外实地调查、遥感影像解译及地形数据处理,首先对流域内8条重点泥石流沟运用模糊综合评判的方法进行了流域内的泥石流危险性评价,得出研究区8条泥石流的危险性结果为:瓦窑沟、新店沟、苏村沟3条泥石流沟为低危险,安家沟、草坡磨子沟、华溪沟3条泥石流沟为中危险,大溪沟、簇头沟2条泥石流沟为高危险。其次,选择危险性较高的簇头沟在与实际降雨频率相同的条件下运用FLO-2D软件进行数值模拟,重现泥石流暴发现状,得出其堆积扇危险特征,最后对模拟结果进行验证,作出危险性评价,得到危险性分区图。经统计计算得出簇头沟堆积扇中,高危险性面积占61%,中危险性面积占19%,低危险性面积占20%。该危险性评价对泥石流风险评估、预警预报、工程治理工作和危险范围分区可提供更有效的参考依据。     

九寨沟熊猫海左岸泥石流震后发育特征研究

泥石流是山区高频率发生的地质灾害,九寨沟熊猫海左岸泥石流的发生给景区造成巨大的损失。在现场调查的基础上,通过现场实验及理论公式计算了泥石流的容重、峰值流量、平均流速,并对九寨沟熊猫海左岸泥石流的形成机理进行了分析研究。通过Massflow软件对九寨沟熊猫海左岸泥石流的运动特征进行了模拟计算,结合目前沟道物源、水源、地形地貌等条件进行分析,根据分析结果判断出：该沟道再次发生更大规模泥石流的可能性极大,并提出针对该沟道泥石流的两种治理措施。