泥石流堵塞大河判據(jù)及沿河線減災對策.pdf

1、隨著全球氣候變化異常和人類社會經(jīng)濟活動的不斷增強，極端天氣和地質事件增多，尤其是汶川地震后的4年里泥石流活動非?；钴S，暴發(fā)了數(shù)次特大規(guī)模泥石流，汛期的實踐表明，泥石流是震后最為活躍的災種，泥石流堵河成為一種頻繁的災害事件。本文面對極端激發(fā)條件和汶川地震震后成災環(huán)境急劇演變狀態(tài)下，我國特大泥石流災害頻發(fā)的嚴峻形勢，面向國家山區(qū)建設中急需解決的泥石流防災減災問題，以岷江映秀至汶川段多處泥石流溝堵江，以及舟曲、清平特大泥石流災害為背景，采用現(xiàn)

2、場調查、理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬相結合的技術手段，研究泥石流堵塞大河的特點及機理，建立泥石流堵塞大河各種模式的判據(jù)等，為城鎮(zhèn)和重大基礎設施防御泥石流堵河引發(fā)的大范圍災害提供科學依據(jù)。主要進行了以下工作并取得了研究成果:
　　(1)基于現(xiàn)場調查和查閱文獻收集的資料，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及成災模式。潛壩壅堵主要發(fā)生于運動速度較高的稀性泥石流或者容重

3、較小的粘性泥石流，其特點是泥石流始終在水下運動，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災害。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;但當堵塞系數(shù)大于0.8以后，由于泥石流嚴重推移大河水流，可能造成異岸沖刷災害。泥石流完全堵斷大河的事件不多，但一旦發(fā)生，堰塞湖會造成上游淹沒災害，潰壩時會造成下游超常洪水;在寬谷段甚至會迫使主河改道

4、，形成更大范圍的嚴重災害。
　　(2)針對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，運用大型室內水槽試驗再現(xiàn)了交匯角為900時粘性泥石流入?yún)R主河的過程，揭示了泥石流入?yún)R主河過程的特點及泥石流堵塞大河的機理。重點研究了堰塞壩局部堵塞大河的特點，試驗結果表明:泥石流入?yún)R主河的運動過程是后續(xù)泥石流逐步推移龍頭運動的過程;泥石流總量對堵河有重要的影響，總量越大堵河越嚴重;在泥石流堵河過程中，主河流速、堰塞壩物質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R小于0.8時，堰塞壩的物質流失量少，上游水位壅高值呈線性增加，當R大于0.8時，堰塞壩的物質流失嚴重，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，基于水沙動力過程，以泥石流在坡度變化溝道內的運動方程為基礎，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移距離的計算公式;鑒于泥石流堵塞大河過程中物質流失嚴重的現(xiàn)象，根據(jù)水槽實驗數(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算公式為基礎，提出了按流失系數(shù)加以修正的泥石流阻塞大河物質總量條件。從而建立了基于動力學方程、物質總量的泥石流堵塞大河綜合判據(jù)。
　　(4)基于堵塞系數(shù)R對于預估泥石流堵河災害效應的關鍵作用，以模型試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，導出了堵塞系數(shù)R的表達式，此式可用來預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)，可用來指導泥石流防治工程的設計。
　　(5)根據(jù)潛壩壅堵模式的特點，基于異重

7、流理論導出了泥石流龍頭運動簡化方程，基于有坎寬頂堰模型給出了潛壩壅堵上游水位計算式;對影響泥石流龍頭運動的各個因素進行了單因素分析，分析表明泥石流粘滯系數(shù)和切應力對龍頭運動速度影響不明顯，繞流阻力系數(shù)對龍頭運動速度影響最大;給出了泥石流龍頭在主河里的運移距離隨時間的變化曲線，在此基礎上給出了潛壩堵河的最小固體物質總量計算式。
　　(6)根據(jù)泥石流堰塞壩堵河模式的成災模式，運用數(shù)值模擬方法分析主河在不同堵塞系數(shù)時的水流流場，再基于信

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

9、害效應與判據(jù)框圖?；谘呷麎尉植慷氯骱邮股嫌嗡慧崭咧聻牡默F(xiàn)象，給出了水位壅高值計算式，為計算淹沒范圍提供了依據(jù)。
　　(7)針對不同堵河模式的災害效應，提出相應的減災對策。對于全堵模式首先考慮抬高淹沒區(qū)線路標高，若受其他條件限制無法實施時，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。對于局部堵塞模式主要考慮異岸受災，采用導流工程、支擋工程等工程措施保護異岸線路工程免受沖刷。對于壅堵模式，則考慮小范圍抬高線