黄土堆填场地转化为泥石流物质过程--以兰州市碱水沟为例

黄土地区人工堆填场地是近几年兰州市拓展城市用地空间的一个新举措,在场地边缘形成较多堆填边坡,成为参与泥石流的潜在物质。以兰州市碱水沟“4•19”泥石流灾害为例,结合粒径分析试验、扫描电镜图像及野外入渗试验,探讨其特征及运行模式,并提出相应的治理建议。结果表明:1)黄土地区人工堆填体颗粒粒径<1.000 mm的物质约占11.4%~55.2%,有利于泥石流启动;2)以2个相距170 m的泥位调查断面做比较,下游断面流量增加2.5倍,说明入渗引起的黄土湿陷能促进泥石流物质的转化率;3)入渗试验表明:黄土堆填场地渗透性强,低水头条件下8 min左右达到稳定入渗状态,高水头条件下12 min左右达到稳定入渗状态,能在较短的时间内使土壤软化,影响人工堆填场边坡稳定,提高泥石流物质转化速度;4)黄土地区人工堆积体场地诱发的泥石流流动模式复杂、多变,兼具波状流和间歇流的特点。在此基础上,笔者提出过程管理和重点防护相结合的防治模式。

基于过程降雨的红层丘陵低山区滑坡灾害气象预警阈值研究

[目的]研究不同历时降雨强度与区域滑坡灾害的关系,并对滑坡灾害的气象预警阈值进行研究,为地方管理部门地质灾害预警提供科学依据。[方法]收集了2013—2021年研究区348个雨量站的逐小时降雨数据和231处近10 a已发生灾情、险情滑坡事件的时间及位置,基于平均降雨强度(I)—降雨历时(D)模型,分地貌单元,提出了不同降雨历时的临界降雨预警阈值和分级预警阈值。[结果]研究区丘陵地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为29.774,18.579,14.416,11.186,8.679和6.734 mm;低山地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为28.849,15.542,10.520,7.121,4.820和3.263 mm。[结论]在24 h前期降雨条件下,低山区对降雨的敏感性明显比丘陵区高,具体表现为低山区1,3,6,12和24 h的临界预警阈值明显比丘陵区更低,但随着降雨历时进一步延长,低山区和丘陵区域临界预警阈值趋于相近。

泥石流危险范围Laharz修正模型及其应用

泥石流危险区研究涉及触发条件、物源与地形等多种因素,需要开发快速、有效的方法进行危险范围分析。本文基于Laharz基本原理,以泥石流样本为数据基础拟合得到修正模型,并以重庆市巫溪县杨家湾沟为例,采用修正的Laharz ArcGIS工具包,在不同降雨重现期条件下对泥石流堆积范围进行模拟计算。结果表明:1)采用修正参数使Laharz模型统计量参数的和方差(SSE)和均方根误差(RMSE)减小,确定系数(R^(2))增大,拟合优度得到明显提高;2)基于数字高程模型,结合现场调查推算的物源体积,在ArcGIS平台采用Laharz工具包可快速模拟不同降雨重现期(10、20、50、100 a)条件下的泥石流堆积范围,并且模拟泥石流堆积宽度与现场调查堆积范围接近,大部分重合;3)采用Laharz修正模型与传统的FLO-2D软件模拟进行对比,其中最远冲出距离、最大堆积宽度和堆积面积在两种方法下模拟结果的差值比率分别在10.00%、15.00%和20.00%量级,采用两种方法模拟结果与实地勘查结果也相近,表明Laharz修正模型具可靠性。

泥石流停淤工程应用现状与思考

泥石流综合防治体系主要由稳固、拦挡、排导和停淤工程组成,其中停淤工程发挥重要的减灾作用。在查阅国内外泥石流停淤工程相关资料的基础上,对已建的停淤工程开展野外调查,总结停淤工程在设计和运行过程中存在的问题。具体表现在:1)停淤场内缺乏泥石流分流、导流及均衡停淤措施,导致停淤空间未合理利用;2)停淤工程设计仍以经验设计为主,尤其是停淤量以经验估算为主,计算结果与实际停淤量偏差大;3)停淤场内缺乏快速停淤和减速耗能措施,导致结构受损;4)传统停淤挡墙设计未考虑泥石流冲击力;5)停淤场占地面积与人类使用土地之间的矛盾等。基于以上问题,作者提出泥石流停淤工程均衡停淤的理念,并对以后泥石流停淤工程的设计和研究提出停淤空间优化配置、停淤挡墙结构型式和设计参数优化等方面的思考。

北京延庆泥石流隐患分布规律及演化趋势研究

泥石流是一种具有强烈破坏性的山区突发性地质灾害现象,是北京山区较严重、危害性较大的地质灾害类型之一。北京延庆泥石流灾害的研究主要针对局部或单流域泥石流沟,区域性的泥石流隐患特征、分布规律以及演化特征等研究工作极少。以北京延庆泥石流隐患为研究对象,旨在为延庆山区泥石流灾害预警预报和防灾减灾提供理论依据。通过收集延庆泥石流隐患相关文献资料,实际调查泥石流隐患发育特征,系统分析延庆泥石流灾害的孕灾背景情况,梳理自然地理、地质背景及人类活动之间的内在联系,查明泥石流隐患的沟域和物源特征,研究泥石流隐患所在流域的地貌形态、地形坡度、降雨条件及地层岩性的分布特征,探究泥石流、水石流和发育期、衰退期泥石流隐患的物源分布规律,查清泥石流隐患的物源转化过程,掌握延庆主要处于发育期和衰退期的泥石流隐患演化趋势。研究结果表明:延庆泥石流隐患属于暴雨型-沟谷型-支沟群发型泥石流,泥石流规模大小与流域地形地貌、松散堆积物累积、动态变化以及暴雨情况相关,研究成果可为泥石流调查研究、预测预报和监测预警提供科学依据和技术参考。

新型阻尼耗能式泥石流格栅坝的工作机制及理论计算方法

为解决泥石流冲击作用下传统格栅坝容易损坏问题,提出新型阻尼耗能式泥石流格栅坝,阐述了其结构组成及工作原理。利用力法、变形协调方程与温克尔弹性地基梁理论,建立了新结构耗能与复位阶段各构件的力学计算模型,给出了立柱埋深的计算方法。运用有限元软件分析新结构的力学特性,并将理论计算与模拟值进行了对比。结果表明:(1)新型阻尼耗能式泥石流格栅坝基于柔性消能理念,通过迎流面格栅与阻尼耗能撑杆协同变形来消耗泥石流冲击能量,与传统泥石流格栅坝相比,大大提高了抗冲击性能;(2)新型阻尼耗能式泥石流格栅坝受力分耗能与复位两阶段,耗能阶段变形协调使最边跨横梁在滑移支座端内力急剧突变,设计时应着重考虑;复位阶段顶层竖杆与横梁内力大于其他层,应重点验算;(3)理论计算与有限元模拟的各构件内力变化趋势基本吻合,验证了本文计算方法的可靠性,结果可为新型阻尼耗能式泥石流格栅坝的推广应用提供理论依据。

含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋动力响应研究

基于光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合的数值方法,分别从结构破坏形态、冲击力时程、关键点位移和速度、系统能量等方面,研究含大石块泥石流冲击作用下框架结构房屋的动力响应和破坏机理。计算结果表明:SPH-FEM耦合方法能够较好地模拟泥石流冲击爬高、绕流扩散、淤积稳定过程。考虑了三种泥石流强度等级,在低、中强度冲击情况下,框架房屋填充墙受到破坏,房屋结构整体保持稳定;在高强度冲击情况下,可以观察到框架房屋的逐步倒塌过程,框架柱损坏模式体现了剪切破坏或塑性铰链失效机制。对于房屋结构而言,泥石流的冲击破坏能力主要来自龙头的冲击力,龙身冲击力相对于龙头降幅约34.2%,大石块的集中作用是结构柱体局部破坏的主要原因。系统能量主要通过泥石流动能转化为结构内能(17.8%)和摩擦耗能(82.8%)。

甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示

北京时间2023年12月18日23点59分30秒,甘肃省临夏州积石山县发生Ms 6.2级浅源地震,地震在青海省民和县中川乡诱发了一处同震特大型规模泥流灾害,造成了特大型灾难事件的发生。笔者采用现场调查、无人机摄影测量、现场取样及室内测试等研究方法对此次泥流灾害发育特征及成因进行分析。结果表明:①该泥流具有典型沟谷型泥石流平面特征,形成区、流通区和堆积区分界明显,泥流主要物源为山前洪积粉质黏土。②地震、降雪消融、农田冬灌、低温冻结,为泥流提供了初始动力并抬升了局部地下水位,是该泥流灾害的主要诱因;地形坡度、地层岩性,为泥流提供了后续运动势能和振动液化条件,是该泥流灾害的内因。③泥流运移过程中存在侧向和底部铲刮效应,尤其在3处流向改变区侧向铲刮、局部堆积显著,最终快速流入沟口金田村和草滩村。分析结果可为官亭盆地乃至黄河上游沉积盆地地震次生灾害风险评价工作提供思路与理论依据。

泥石流中球形巨石运动规律模型试验研究

该研究通过室外水槽模型试验,模拟了不同直径巨石与不同密度泥石流完全固液耦合作用下的运动状态,分析了泥石流沟内巨石在泥石流中的运动模式、运动的影响因素及其在泥石流中的受力情况,并探讨了泥石流密度与巨石粒径对其运动速度的影响。研究结果表明:巨石在运动过程中可能出现滚动、跳跃与滑动等运动模式,巨石出现的运动模式同泥石流的密度以及巨石粒径有关;巨石的直径越大,运动速度越小,它在泥石流中的运动模式越简单,越倾向于发生滚动运动,在泥石流流体中的跟随性越好,速度比n越容易趋近于1;巨石粒径对巨石运动速度的影响大于泥石流密度对它的影响。

考虑冻融侵蚀型物源的不同流域单元泥石流易发性评价——以藏东贡觉地区为例

在全球气候变暖背景下,高原山区潜在泥石流暴发的概率将增大,定量评估泥石流易发性是区域减灾防灾的先行手段。基于现场调查和研究结果,首次计算了藏东贡觉地区的冻融侵蚀强度(DR)。选取物源条件和地形条件,采用加权信息量法评价了藏东贡觉地区泥石流的易发性,以四组流量阈值划分的不同流域单元作为评价单元对比分析了易发性评价结果。结果显示,四组易发性评价结果差异明显,随着流域单元划分数量的降低(流量阈值增大),研究区中风险区面积逐渐增大,高~极高风险区面积先增大后降低。受试者特征曲线(ROC)验证结果表明,使用G2组(流量阈值5000)划分得到的流域单元模型评估效果更好,AUC值为0.895,高易发区、极高易发区面积占全区约34.1%。八个评价因子中,冻融侵蚀强度(DR)、地形特征指数(TCI)和平面曲率(Pl_cv)是泥石流易发程度贡献率较大的三个因子。考虑冻融侵蚀型物源和地形水文因子建立的泥石流易发性评价模型,为冻融侵蚀现象明显的藏东地区泥石流易发性评价提供了新的方法和思路,对指导地方防灾减灾具有重要实践意义。

四川木里县项脚沟“7•5”特大型泥石流特征及发展趋势分析

2021年7月5日,凉山州木里县项脚沟暴发特大型泥石流灾害。文章通过野外调查和特征参数计算,研究了本次泥石流的形成条件、暴发过程和暴发特征。根据实地考察判断,泥石流主要在森林火灾、短时强降雨和沟道地形条件等因素共同作用下暴发,为暴雨径流冲刷引发的火后泥石流。暴雨形成的洪水冲刷坡面、侵蚀沟道,导致沟道两岸坍塌滑坡,堵溃效应明显,泥石流规模扩大。项脚沟过火面积达74.61%,高烈度火烧区面积达57.98%,泥石流临界降雨强度为77.84 mm/h,累计降雨达141.60 mm。根据泥石流特征参数计算结果,此次泥石流密度范围为1.83~1.93 g/cm^(3),属黏性泥石流,主沟下游出口流速为7.22 m/s,峰值流量759.08 m^(3)/s。结合雨洪法和形态调查法结果分析,此次泥石流重现周期为百年一遇。结合泥石流发育趋势,文章认为流域仍有可能暴发大型泥石流,提出了上游固坡、中游调控、下游排导的防治建议。

高海拔地区宽级配泥石流冲击拦砂坝试验研究

在高海拔地区,由于山高谷深,坡表物质受物理风化严重,物源级配宽度范围大,泥石流的发育频率高,冲击力大,导致拦砂坝损毁严重。为研究高海拔地区宽级配泥石流对拦砂坝的冲击规律,以西藏地区发育的泥石流为原型,建立宽级配泥石流冲击拦砂坝的物理试验模型,选取泥石流容重、水槽坡度与泥石流固相最大粒径为变量,进行27组水槽试验,研究冲击力特征。结果表明:(1)宽级配泥石流在冲击拦砂坝过程中经历“冲击爬高、旋滚回流、堆积回淤”3个接触演化阶段,泥石流容重越小,爬高越大,冲淤过程的阶段性表现越明显;(2)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流容重的增大而减小,在相同坡度和级配的条件下,容重越大,水流携带固体物源运动越困难,泥石流流速降低,泥石流的冲击力减小;(3)拦砂坝的坝前冲击力随沟槽坡度增大而增大,沟槽坡度越大,宽级配泥石流的流速和流深越大,泥石流冲击力就越大,并且泥石流固相粒径越大,坡度对冲击力的影响效果越明显;(4)拦砂坝的坝前冲击力随宽级配泥石流固相最大粒径增大而增大,且变化趋势较泥石流容重及沟槽坡度条件改变时更加显著,最大粒径与泥石流流速、流深没有明显规律关系。研究成果将为宽级配泥石流防治和研究提供一定的数据参考。

叠覆堆积过程中泥石流偏移的实验研究

泥石流堆积扇经过多期叠覆堆积,其在空间和时间分布上有随机性,存在主流偏移和堆积摆动等各向异性现象,给合理规划与利用泥石流滩地带来困难。本文在野外调查四川平武县碓窝梁子沟堆积扇的基础上,开展室内水槽模型实验,结合3D扫描技术和基底压力传感器,探讨泥石流在叠覆堆积过程中的阶段性流态变化以及主流偏移的成因和发展。实验发现:(1)泥石流密度差异导致不同的偏移形式,高密度泥石流易出现层面整体偏移;低密度泥石流易形成插入式的叠覆堆积。(2)泥石流多期堆叠过程中偏移行为并不一定是沿地势更低处,而是取决于后期来流的性态。(3)泥石流偏移角度和距离依赖于流体密度、流速和堆积体几何特征,可以建立以上述参数为变量的堆积偏移角度与偏移距离的计算公式。本研究成果可以为了解泥石流堆积扇的形成机制、致灾范围和演化趋势提供依据。

藏东高原浅丘红层区泥石流发育特征及活动性研究

藏东贡觉县高原浅丘红层区降雨条件有限,泥石流发生、发展主要受控于物源条件及沟道条件,属“物源控制型”泥石流。通过地质调查及统计分析的方法,详细分析了泥石流形成条件、形成机制及活动特征,得出了以下结论:流域面积<1.0 km2、沟道纵比降100‰~300‰的沟道容易发生泥石流;受构造、冻融风化及含石膏岩的影响,泥石流物源相对丰富,物源类型以坡面侵蚀为主,具有“点多面广”的分布特征,补给形式表现为“零存整取”的特征;受控于物源补给形式,泥石流形成主要包括:坡面冲刷起动→沟床汇聚堆积→揭底侵蚀3个阶段;受物质来源的影响,区内泥石流流体性质以粘性-过渡型为主,泥石流具有多期次、中低频率、单次泥石流规模较小的活动特征。

沟谷型泥石流特征参数的等代面积递归精细求解

为解决“沟谷型”泥石流在不规则断面处特征参数的精细求解问题,笔者以曼宁公式为基础,建立“等代”面积递归逼近的数学模型,实现了最深泥位、流体速度、威胁范围的求解计算,其结果比较符合实际。利用该模型在豫西某泥石流受威胁对象段任取10个断面进行研究分析:①计算出10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇等降水概率工况下最深泥位、流速、行洪断面大小,研究其随雨强大小的演变规律。②定量分析了各断面泄洪能力强弱。③结合泥石流强度判定标准对所选区域进行危险度分区,划分了极高危险区、高危险区、中危险区、低危险区。该模型不仅可以为预测泥石流各项指标提供基本参数,而且可为灾害防治提供科学依据。研究成果对泥石流的精细化防治方面具有重要支撑作用。

基于RSIV-RF模型的凉山州泥石流易发性评价

针对随机森林(RF)模型进行泥石流易发性评价过程中存在连续型因子依靠主观意识分级、随机选取的非泥石流样本准确度较低等问题,以位于四川西南部的凉山彝族自治州为研究区,提出基于统计学先验模型抽样的随机森林对研究区进行泥石流易发性评价分区。利用累计灾害频率等曲线的相对变化对连续型因子进行分级处理;采用粗糙集理论(RS)和信息量法(IV)计算加权信息量值,划定极低和低易发性区并从中选择负样本数据。通过袋外误差(OOB)变化曲线确定RF模型的最佳树棵数n_estimators和分裂特征数max_features,随后构建加权信息量-随机森林(RSIV-RF)模型预测凉山州泥石流易发性。进一步地,与从全区随机选择非泥石流样本的RF模型开展对比研究。结果表明,训练集和测试集下RSIV-RF模型的准确度分别为0.89,0.83,且对应的ROC曲线的AUC值分别为0.920,0.895,均高于单独的RF模型;RSIV-RF绘制的泥石流易发性评价图与历史灾害分布较为一致,较高和高易发性等级区域占研究区面积比为18.625%,包含了78.57%的泥石流点。性能评估和易发性统计结果均表明基于RSIV-RF能够解决单独模型存在的非泥石样本采样不准确的问题,其泥石流易发性预测精度更高,在凉山州地区泥石流易发性评价研究中具有较好的适应性。

基于RAMMS数值模拟的短时强降雨型泥石流危险性评价

浙江省由短时强降雨诱发的泥石流灾害频发,严重威胁当地居民的生命财产安全,因此对此类泥石流进行危险性评价对浙江省“灾害智治”工作具有十分重要的理论与实际应用价值。为研究浙江短时强降雨诱发小型泥石流的危险性,选取武山坑泥石流为对象,通过现场调查、三维倾斜摄影与数值模拟等手段,查明了武山坑泥石流的地质环境与发育特征,揭示了由短时强降雨诱发的泥石流灾害链生过程特征,选用RAMMS软件对不同降雨频率下泥石流运动特征进行了模拟,获取了泥石流深度、流速、堆积范围等特征参数,并基于特征参数进行了泥石流危险性评价。研究结果表明:陡坡处松散岩土体在短时强降雨作用下发生浅层滑坡,随后在坡面与沟道地形控制下向沟口运移,运动过程中通过侵蚀作用扩大泥石流规模,最终在宽缓堆积区沉积。随着研究区降雨强度增大至50 a一遇及100 a一遇,泥石流冲出规模扩大,但受限于堆积区宽缓的地形条件,未能于沟口形成有效冲出;但堆积扇上游居民区泥石流深度、流速等强度指标显著增大,堆积区内高强度区域面积大小由7276 m^(2)增大至12660 m^(2)。结合泥石流活跃性分析结果,采取形成区雨量监测、主沟谷流通区构建刚性、柔性或狭缝拦挡坝以及堆积区设置导流渠相结合的治理措施,可有效保障居民生命财产安全。研究成果可为武山坑及浙江省此类泥石流危险性评价、防治工程设计提供参考。

基于DA-TCN-BiGRU的坡面泥石流预测研究

为解决当前坡面泥石流预测中存在的多因素数建模问题,并提高预测的精确度,提出一种融合双注意力机制、时间卷积神经网络和双向门控循环单元(DA-TCN-BiGRU)的坡面泥石流风险预测方法。通过模拟平台进行坡面泥石流模拟实验,采集多类传感器数据得到风险度大小,并以此表征所处的风险阶段。实验结果表明,所提模型短期预测的均方根误差、平均百分比误差和平均绝对百分比误差分别为0.013 59、0.010 407和1.182 64,中期预测的均方根误差、平均百分比误差和平均绝对百分比误差分别为0.019 01、0.015 17和1.729 46,优于其他比较模型。

火后泥石流启动降雨阈值分析——以四川乡城县仁额拥沟泥石流为例

2014年6月1日,中国西南中横断山区仁额拥沟遭受了一次森林大火,火后的短时低雨强降雨在3#支沟内激发了3次泥石流;2015年8月的一次强降雨在仁额拥沟的1#、2#和3#支沟及其他附近的多个更小的流域内均激发了泥石流。为了解火后泥石流的降雨响应特征,文章采用距离修正的方式处理降雨数据,对4次泥石流进行降雨过程分析,查明了流域特征对泥石流启动的作用及其对各支沟泥石流不同降雨阈值的影响。研究发现:(1)泥石流降雨阈值在火后非常低且有随时间推移而增大的趋势;(2)仁额拥沟火后泥石流具有高频率特征,其原因除了在火后天然植被的破坏后降雨对坡面径流和侵蚀效应的放大,流域本身的性质也有极大的贡献;(3)各支沟内泥石流降雨阈值差异的主要原因在于流域面积的差异,泥石流侵蚀受制于径流量大小。

岷江上游汶川地震前后泥石流易发性评价

科学准确地绘制泥石流易发性区划图以及确定主控因子及其贡献率,是区域泥石流预警预报和风险管理的重要基础。文章以岷江上游为研究区,以小流域为评价单元,分别采用了5种机器学习模型构建了泥石流易发性评价模型,对汶川大地震前、后岷江上游泥石流易发性和评价因子贡献率进行了定量分析。结果表明:(1)集成机器学习模型的预测精度及受试者工作特征曲线下面积值均高于浅层机器学习模型,其中随机森林模型在地震前、后泥石流易发性评价中表现最优;(2)震前、震后泥石流发生率均随易发性等级的提高逐渐增大,且等级越高增量越大,各等级震后泥石流发生率均高于震前;(3)地震前、后侵蚀传递系数的贡献率均显著高于其他因子,与汶川大地震地震烈度空间分布特征叠加,加大了震后干流和支流泥石流由下游向上游发育程度逐渐降低的空间分布规律。