汶川地震后北川干溪沟山地灾害及长期发展趋势初步分析

汶川地震在干溪沟内激发了大量的崩塌、滑坡。根据航空影像数据解译,干溪沟内发育成片的崩塌滑坡91块,总面积10.42 km2,占全流域的28.95%,而暂时没有泥石流活动痕迹。干溪沟内山地灾害在坡度、坡向、高程、断裂距离、地层岩性等方面存在如下规律:1)发生崩塌滑坡的坡度主要分布在30°～50°,随着坡度的增加,发生崩塌滑坡的概率越大;2)崩塌滑坡的坡向主要分布为向南方向;3)崩塌滑坡主要分布在1000～1600 m高程内,其中,1000～1 400 m尤其集中;4)绝大部分崩塌滑坡都分布距离北川断裂2 000 m或距离其他主要断裂1 000 m的范围内;5)T1f+t地层是"5.12"汶川地震的易发山地灾害地层。通过初步分析,预测干溪沟泥石流长期发展趋势为:1)总体呈活动强度下降趋势,可供形成山地灾害的松散固体物质来源总量呈下降趋势,泥石流总量下降;2)活跃期-平静期交替、活跃期逐渐缩短、平静期逐渐延长;3)泥石流活动类型表现震后一段时间内为输移控制型、然后为输移控制型向松散固体物质控制型过渡,最后发展成为松散固体物质控制型;4)汶川地震后第一个活跃期为10～15 a。干溪沟的山地灾害现状及其长期发展趋势分析为下一步制定减灾方案奠定了基础。

“4·20”芦山地震后的四川地质灾害形势预测与防治对策

"4·20"芦山地震诱发了大量次生地质灾害。针对此次地震引发的次生地质灾害,通过分析地形地貌、地质条件、地震活动和极端干湿气候对泥石流发育的影响,建立地质灾害易发性评价指标,利用GIS空间分析技术对四川震后地质灾害易发性进行了快速定量评价。结果显示,2013年四川省地质灾害高、中、低易发区面积分别为9.97×104 km2、6.67×104 km2、1.41×104 km2。其中高易发区主要集中于芦山地震影响区、汶川地震影响区、川东南和川南干旱区。在此基础上提出了防控建议。

新疆叶城“7.6”特大灾害性泥石流应急科学调查

2016年7月6日凌晨新疆喀什地区叶城县柯克亚乡玉赛斯(六村)发生滑坡堰塞坝溃决泥石流灾害,造成36人死亡、6人失踪、7户民房被完全毁坏,其余数十间房屋和大量基础设施不同程度受损。现场调查研究表明:(1)此次灾害性泥石流形成过程为:降雨→土质滑坡→滑坡堰塞坝→堰塞湖→堰塞坝溃决→泥石流;(2)9#土质滑坡堰塞坝在持续强降雨作用下发生溃决,溃口洪峰流量达977.8 m^3/s,形成堰塞坝溃决型泥石流,致使1#土质滑坡堰塞坝发生串联溃决,其溃决洪峰流量为459.2 m^3/s;(3)泥石流断面流速为4.51-6.51 m/s,断面流量为443.2-524.7 m^3/s,泥石流堆积扇最大长度283.9 m,最大宽度234.3 m。

泰宁县芦庵坑沟特大灾害性泥石流应急科学调查

2016年5月8日福建泰宁县开善乡金溪左岸的芦庵坑沟发生了特大规模的灾害性泥石流,导致36人死亡失踪。现场调查表明,本次灾害为稀遇低频、粘性、特大规模、灾害型沟道泥石流。泥石流容重达2.0 g/cm^3。沟口扇顶上游120 m的流通区断面泥石流流速达到12.2m/s,泥石流流量830 m^3/s,泥石流运动时间2 min,一次固体物质总量为1.9万m^3,泥石流的颗粒冲击力达900 t。泥石流成因系沟床与坡面崩滑堆积物在高频率的雷声与强暴雨联合作用下引发。

中国山地范围界定的初步意见

中国山地的范围一直缺乏可操作的、准确的量化方法,从而导致对山地及其内部资源、环境、人口和发展问题认识的不全面。同时,准确界定山地范围是实施数字山地战略的一项基础性工作。在前人研究的基础上,采用两种方案确定中国山地范围。方案一:将满足以下两种情况的国土界定为山地,1)海拔≥3000m;2)海拔≥300～3000m,同时相对高差>200m或坡度>25°。根据此标准计算,中国山地面积为4000265km2,占中国陆地面积的41.67%。方案二:根据UNEP-WCMC的标准,将满足下述情况的国土定义为山地,1)海拔≥2500m;2)海拔≥1500～2500m,坡度≥2°;3)海拔≥1000～1500m,坡度≥5°或相对高差≥300m;4)海拔≥300～1000m,相对高差≥300m。根据此标准计算,中国山地面积为4426130km2,占中国陆地面积的46.11%。按两种方法计算所得的分省山地面积中,前5名都是西藏、青海、新疆、四川和云南。将两种方案计算的山地面积按高程划分为六级:①300～1000m(含300m),②1000～1500m(含1000m),③1500～2500m(含1500m),④2500～3500m(含2500m),⑤3500～4500m(含3500m),⑥≥4500m。根据两种方案的定义,海拔3500m以上的山地面积相等;除了方案一在300～1000m间山地较方案二多324508km2外,其余几个级别山地的面积均为方案二大于方案一的山地面积,其中2500～3500m间多133432km2,1500～2500m间多336186km2,1000～1500m间多282273km2。

气候变化的灾害效应与科学挑战

自然灾害是地球系统各圈层相互作用最剧烈的一种表现形式,对人类社会有着深远的影响.气候变化导致的温度升高和降雨增多对灾害发生的水源、物源、能量等条件都有所影响,致使自然灾害出现新特点和新趋势,灾害风险急剧增加;自然灾害间的相互作用变强,促使复合灾害和级联灾害风险均有明显上升.本文归纳总结了自然灾害在强度、频率、持续时间、触发时间与位置、规模或影响范围等方面的变化规律,阐述其对气候变化的响应机制,提出气候变化灾害风险的五大科学挑战,包括:气候变化驱动的圈层相互作用和内外动力耦合致灾机制、跨时空尺度灾害发育规律、极端事件信息感知与数据驱动的风险判识、灾害动力学与风险演化规律、灾害风险管理与韧性社会构建.积极主动地应对这些挑战有助于深化对地球系统的科学理解,适应全球变化,减小灾害风险.

基于泥石流形成运动过程的泥石流灾害监测预警系统

"5·12"汶川地震灾区的泥石流灾害具有规模超大、群发性等特点。针对这些特点,监测预警将是及时有效而经济合理的防灾手段之一。在分析国内外泥石流预警研究进展的基础上,针对目前地震次生泥石流监测预警实践中的一系列问题,提出了一种基于泥石流形成运动过程的泥石流监测预警体系。该体系从泥石流形成机理研究出发,监测泥石流形成运动各阶段的特征参数,并根据各参数预警阈值建立相应的临灾预警等级,形成了全流域的泥石流综合监测预警体系,适用于汶川地震灾区这种高频率、大规模泥石流的防灾减灾工作。

普格县荞窝镇8.8泥石流灾害应急调查研究

2017年8月8日凌晨4点至4点30分,普格县荞窝镇耿底村4组和5组发生泥石流灾害,导致25人死亡,71间房屋损毁,造成1.6亿元经济损失。采用现场调查、室内分析实验、参数模拟计算等方法对灾害的特征和成因进行了分析。研究结果显示8.8普格泥石流属于低频率中等规模的稀性泥石流。泥石流是由于流域内广泛发育的"凹槽土体"在旱后叠加暴雨的影响下激发的,其成灾过程是一系列致灾因素叠加的结果。首先,灾害与乡村道路堵塞行洪道关系密切;此外区域灾害伏旱后由局地强降雨引发,流域自然条件复杂;隐蔽性强低频率的老泥石流沟排查识别困难;流域上游无雨量观测站点,难以准确预警;洪流夜间发生,逃生难度大等因素的存在进一步促使灾害发生。

不同横断面泄流槽的地震堰塞湖溃决实验研究

堰塞湖的溃决问题是研究堰塞湖的核心内容之一,也是堰塞湖进行排险和处置的重要依据。本文以唐家山堰塞湖为原型,设计室内1:250的近似模型实验,完成了堰塞湖自然溃决实验、梯形槽堰塞湖溃决实验、三角形槽堰塞湖溃决实验和复式槽堰塞湖溃决实验,通过对溃决过程中堰塞坝内部土体体积含水量变化特征、泄流槽侵蚀特征和溃决流量过程的分析,获得以下认识:(1)溃决初期以下切侵蚀为主、后期以侧蚀为主;溯源侵蚀方面,自然溃决表现最强烈,人工辅助溃决实验中溯源侵蚀由强到弱依次为:复式槽、三角形槽、梯形槽;(2)人工辅助溃决在一定程度上削减了洪峰流量,与自然溃决相比减小了7.7%～20.1%,表明开挖人工泄流槽降低坝前水位的措施对于降低堰塞湖溃决风险是可行的;(3)以溃决流量增长率高或到达溃决洪峰时间短为判定溃决初期排泄效率高的标准,对比3组人工槽溃决实验,排泄效率由高到低依次为:三角型横断面、复式横断面、梯形横断面。针对唐家山堰塞湖处置,可在梯形槽基础上开挖三角形槽变为复式槽来进一步提升溃决初期排泄效率。

龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀对有机碳迁移的影响

坡耕地土壤再分布对土壤有机碳(SOC,soil organic carbon)迁移的作用机制研究已成为土壤侵蚀学研究的热点,然而目前极少有研究关注地震后生态脆弱的龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀机理及其导致的土壤有机碳再分布规律。该研究选择龙门山地震带内(都江堰市)一块陡坡耕地和一个梯田系列,采用137Cs法和野外调查,对比分析强震导致田埂垮塌和未受损情况下坡耕地土壤侵蚀空间变化特征和有机碳运移变化机理。结果表明,该区黄棕壤有效137Cs背景值为1 473 Bq/m2;坡度较小的坡式梯田内部上坡表现为侵蚀,下坡表现为沉积,同时,上部梯田的侵蚀速率高于下部梯田,但整个梯田系列净侵蚀量非常小,这表明梯田之间由于缺乏田埂的保护,水力也起着侵蚀、搬运上坡梯田土壤的作用,但是整个坡式梯田系列可以起到较好的保土作用,同时,坡式梯田内部主要以耕作侵蚀为主,是造成梯田上部坡位土壤流失严重的主要原因;陡坡耕地的地形为复合坡,由于田埂垮塌导致其土壤侵蚀速率显著高于坡式梯田系列,在整个坡面上,除了坡顶土壤侵蚀速率高之外,下坡坡度变大(曲率较大)的部位土壤侵蚀速率也非常高,同时,土壤沉积也发生在2个坡位(中下坡坡度较缓的部位和坡脚部位);在梯田系列和陡坡耕地上,SOC与土壤137Cs的空间变化规律较为一致。研究结果表明,在龙门山地震带,质量较好的石埂梯田仍然发挥着较好的土壤保持效果,同时,耕作侵蚀是该区坡耕地上一种重要的土壤侵蚀形式,在制定相应的土壤保持措施时,必须充分考虑耕作侵蚀的作用,才能有效地控制土壤侵蚀,此外,该研究结果还表明采用137Cs核素示踪技术可以比较科学地解释该区域的土壤侵蚀速率和SOC的空间变异规律。

四川省会理县“8·30”地震地质灾害分布特征及防治对策

四川省会理县的地貌条件、地质条件和水文气象条件为地质灾害发育提供了良好基础,县域内地质灾害频繁。2008年8月30日("8.30")地震不仅加剧了原有的地质灾害,而且还引发了多处新的地质灾害点。通过发放地质灾害普查表、典型区域的遥感调查和重点区域的专家详查等调查方法,获得地震诱发的新增地质灾害隐患点55处,其中崩塌8处、滑坡25处、泥石流2处和不稳定斜坡20处,新增灾害点主要集中在县域南部高山峡谷区,特别是沿金沙江一带。根据震后地质灾害的调查结果,以2km×2km为单元格对县域内地质灾害易发程度进行分区,主要分为三级地质灾害易发区:高易发区、中易发区、低易发区,分别占全县总面积的42.4%,37.1%,20.5%。最后,提出了建立群测群防网络及监测预警系统实施全面防灾、突发性地质灾害实施紧急防治、重要地质灾害隐患点实施综合防治、加强地质环境管理和实施预防减灾等防治对策。

堰塞湖溃决人工结构体滞洪效果实验研究

汶川地震后唐家山、小岗剑等堰塞湖的应急处置中都采用了开挖泄流槽这一措施,但出现了溃决流量超过了下游城镇防洪标准的危险情景。为控制堰塞湖排泄洪水超过下游区域的防护能力,排泄后期在泄流槽中加入人工结构体可能是一种有效的措施。通过室内模型实验,在泄流槽排泄后期抛投不同型式的人工结构体进行流量调控,包括四面体实体结构、四面体实体结构串、四面体实心框架结构和四面体实心框架结构串4种型式。通过抛投人工结构体与未抛投人工结构体的对比实验,发现：1.前者比后者溃决洪峰流量减小了26.6%~61.7%,说明人工结构体在控制溃决洪峰流量方面有显著效果;2.通过流量综合分析,提出人工结构式优选次序为：四面体实心框架结构串、四面体实体结构串、四面体实心框架结构、四面体实体结构;3.从残留体高度上看,未抛投人工结构体的坝体残留高度为原始坝高的1/3,堰塞体后部基本上是冲刷到底,而抛投了人工结构体的坝体残留高度为原始坝高的1/2,说明人工结构体控制堰塞坝下切侵蚀方面有较显著的效果。且从制作工序、制作时间和制作成本三方面,探讨了四面体实体和四面体实心框架结构的适用性,在施工条件许可的情况下,使用四面体实心框架结构更为理想。

黏粒含量对泥石流源区砾石土体强度影响的实验研究

泥石流源区砾石土的黏粒颗粒含量对砾石土孔隙水压力和强度的影响是泥石流形成机理中的重要问题之一。采用室内静三轴实验研究云南东川蒋家沟支沟大凹子沟源区的砾石土体强度、孔隙水压力、湿陷性与黏粒颗粒含量的关系,发现黏粒的质量分数在3.75%～7.50%范围内的砾石土试样湿陷性较大;黏粒的质量分数为5%左右的砾石土湿陷性最大;黏粒的质量分数在3.75%～7.50%范围内砾石土试样在不固结不排水剪切过程中孔压上升较高;黏粒质量分数在12.5%的砾石土试样在固结排水剪切过程中孔压上升较高;黏粒的质量分数为5%的砾石土强度最低,在相同条件下最容易被破坏。结合实验结果与泥石流启动机理分析,认为中等黏粒含量(质量分数为3.75%～7.50%)的砾石土在相同降雨和坡度条件下,最易启动形成泥石流。

“8·8”地震对九寨沟景区泥石流灾害防治的影响

“8·8”地震在九寨沟景区内诱发了大量崩塌滑坡,为景区内泥石流的活动提供了丰富的松散固体物源。经历2017年和2018年两个雨季后,九寨沟风景区内有22条沟暴发50余次山洪泥石流。由于泥石流对景区植被的破坏,也表现出漂木型泥石流特点。地震后,九寨沟风景区内泥石流防治面临严峻的考验,通过对景区典型泥石流防治工程现状的分析,指出目前防治工程存在着震前工程结构物使用年限长、受地震作用局部受损、设计标准低等问题,提出了九寨沟风景区泥石流灾害生态化防治的几点原则和建议。

压缩荷载下饱和硬岩软化特性与机制研究

环境中的水与岩石的相互作用易导致岩石物理力学性能劣化,即岩石水软化现象。目前,饱和硬岩的水软化特性研究尚不完善,明确各种水岩作用机制的存在条件和作用程度仍是一项挑战性的任务。以不同矿物成分和微结构的典型硬岩(宝兴大理岩、锦屏大理岩、灰岩)为研究对象,进行干燥、饱和状态下3种硬岩的单轴压缩试验和声发射试验,分析硬岩压缩强度、弹性模量、破裂形态等力学特性和声发射波形信号主频统计特征,并探讨了水岩作用机制之孔隙水压力的存在条件和作用程度。结果表明:硬岩饱和后,单轴抗压强度和弹性模量均减小,张拉裂纹和张拉破坏面增多。硬岩破坏的声发射信号表现为明显的、与岩石类型和含水状态无关的双主频特征。硬岩饱和后,声发射高主频带波形信号明显减少,低主频带波形信号显著增加。孔隙水压力是3种饱和硬岩性能劣化的主导因素,其作用强弱与声发射低主频信号多少存在对应关系,且取决于岩石的矿物成分和孔隙结构。

拦砂坝失效条件下泥石流潜在危险性分析

受极端降雨的影响,泥石流灾害呈现多发、频发、致灾严重的特点。而采用拦砂坝等措施来防治泥石流是保护山区城镇的有效手段之一。随着时间的推移,部分拦砂坝已达到设计使用年限,存在因破坏失效而潜在危险性增大的问题。为了探明拦砂坝失效条件下的不同频率泥石流潜在危险性,以四川省金川县沙耳沟为研究区域,利用FLO-2D数值模拟软件模拟了无工程措施、拦砂坝正常运行和拦砂坝失效3种工况下的泥石流运动和堆积特征,并对泥石流危险性进行了区划。结果表明:工程失效与自然条件相比,最大堆积深度相差较小,平均堆积深度增加了2.57%~5.77%;最大流速和平均流速分别增加了0.1%~35.98%、1.95%~6.55%;冲出距离变远,冲出方量增加了3.14%~6.65%。相比无工程措施和拦砂坝正常运行条件,拦砂坝失效工况下高危险区面积分别增加了0.93%~3.39%、8.91%~17.93%;堆积范围分别增加了0.39%~0.83%、11.50%~22.50%。若拦砂坝失效,将产生巨大的泥石流潜在危险性,在极端天气下应加强对老化拦砂坝的监测预警。研究成果可为该地区地质灾害防治提供参考。

滚石冲击荷载下棚洞钢筋混凝土板动力响应研究

我国西部地区地势复杂,高山峡谷众多,特殊的地质地貌发育了大量滚石山地灾害,严重威胁山区人民的安全。一般认为,采用棚洞结构进行滚石灾害防治是最为有效的工程措施,然而,滚石对棚洞的冲击是一个复杂的动力过程,尤其表现在滚石与棚洞顶板的瞬态接触过程中。而目前国内外对此缺乏合理的计算方法,严重制约滚石棚洞结构的工程应用。为此,结合Olsson为求解正交各向异性复合板冲击问题所提出的动力控制方程,针对目前接触准则给出的接触定律与实际往往不符所带来的缺陷,通过引入数值压痕试验手段,提出了一种滚石冲击钢筋混凝土(RC)板动力响应问题的理论方法。结合算例,将该方法与Herzt理论解、动力有限元解进行了比较,结果表明:Herzt弹性理论解未考虑结构塑性变形影响,导致滚石冲击力偏大;而该方法得到的理论解与动力有限元计算结果较为接近。该方法不仅可用于滚石冲击荷载下棚洞RC板动力响应分析,同时为压痕试验在土木工程中的应用提供了一种有效的数值分析方法。

泥石流数值模拟方法研究进展

泥石流作为一种多相混合介质,所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展,基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法,从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况,介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点,展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。结果表明:传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史,相对比较成熟,但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时,存在网格容易畸变等问题;基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护,易于确定自由表面位置和多相间的界面,但存在边界条件处理困难等问题;混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。

不同粒径级砂土渗透特性试验研究

渗透性是砂土的重要工程性质之一,影响砂土渗透性的因素有很多,比如土体密实程度、土颗粒自身特性、流体性质等,其中孔隙率与颗粒粒径是两个重要影响因素。而以往基于混合粒径的天然砂土的研究很难分别对这两个因素进行独立的研究。基于此,首先开展了单一粒径级砂土的常水头渗透试验,分别研究了同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律。试验结果显示,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,其中均值粒径的影响较大,其变化能导致渗透系数量级上的差异。在此基础上,开展了多粒径混合砂土的渗透试验,讨论了曲率系数、不均匀系数等级配参数对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式,以便工程实践参考使用。

泥石流浆体与大颗粒冲击力特征的试验研究

开展了密度为1 400-2 200 kg/m3的泥石流浆体、浆体与大颗粒混合流体的冲击力试验,获取了流速为2.8-4.9 m/s条件下31组冲击力试验数据。采用小波分析方法有效地去除了冲击力数据中的噪声信号,依据离散傅里叶变换（FFT）为基础的频谱分析结果,将低频泥石流浆体冲击和高频大颗粒冲击的临界频率值界定为2 Hz,实现了浆体和大颗粒冲击信号的分离。目前水动力学公式中待定系数α缺乏统一的确定方法,以不同地区157组泥石流观测和试验数据为基础,建立了待定系数？与流体Fr数的幂函数关系,形成可表征不同流态,且弱化尺度效应的浆体动压力计算公式。与泥石流浆体平滑信号相比,大颗粒冲击压力具有一定随机性。泥石流大颗粒冲击次数与频率随大颗粒的质量比增加而增大,其质量比从0.05增至0.21时,冲击总次数从1 305次增至2 838次,冲击频率从82次/s增至195次/s,且龙头段大颗粒的冲击频率高于后续泥石流体。测得大颗粒的压力约为60 k Pa,是相同密度和流速下浆体动压力的3倍。随着大颗粒比例的增加,上部1#和2#传感器测得大颗粒冲击频率增加量明显高于下部3#-6#。说明随着流体中大颗粒比例上升,颗粒物质多集中于泥石流上部或表层运动,也佐证了泥石流运动中大颗粒多集中在龙头顶部的认识。对大颗粒和浆体冲击规律的分析可为固液两相流运动机制研究和防治工程设计以及承灾体易损性定量评估提供合理参数。