【摘要】：泥石流是黃土丘陵地區(qū)一種常見的地質(zhì)災(zāi)害,在全球變暖和極端氣候的影響下,中國黃土丘陵地區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā)。蘭州市是我國“一帶一路”經(jīng)濟開發(fā)的一個重點區(qū)域,進而開展蘭州市黃土丘陵地區(qū)的泥石流災(zāi)害研究尤為重要。此外針對黃土丘陵地區(qū)小流域泥石流形成和運動特征研究較少,這將區(qū)內(nèi)增加泥石流災(zāi)害發(fā)生的不確定性和區(qū)域安全風(fēng)險。因此選擇具有典型代表的小流域蘭州市大沙溝流域為研究對象,利用數(shù)學(xué)模型、野外采樣、室內(nèi)試驗和野外現(xiàn)場模擬試驗,量化流域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害不同等級敏感性面積和不穩(wěn)定斜坡面積;研究了流域內(nèi)不穩(wěn)定斜坡土壤物理特性和水分運動特征,揭示在降雨作用下黃土斜坡的破壞機制和斜坡失穩(wěn)演變成泥石流的形成過程;最后明晰泥石流運動特征,并修正泥石流沖擊力模型,建立適合于黃土丘陵地區(qū)的無量綱泥石流沖擊力綜合關(guān)系式。主要研究成果如下:通過大沙溝地質(zhì)災(zāi)害敏感性計算發(fā)現(xiàn),1980年到2015年,流域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害敏感性高等級面積占總面積的44%以上,地質(zhì)災(zāi)害敏感性中等級面積占總面積的34%以上,表明大沙溝流域地質(zhì)災(zāi)害敏感性屬于高~中等級,流域內(nèi)斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。野外調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明工程活動導(dǎo)致流域內(nèi)78%的斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài),且近35年來的土地利用數(shù)據(jù)顯示流域內(nèi)建設(shè)用地面積急劇增加,因此人類活動強烈干擾了流域內(nèi)的斜坡穩(wěn)定性。雙環(huán)法土壤滲透試驗結(jié)果表明:流域內(nèi)各滲透試驗點土壤穩(wěn)定入滲深度、初始入滲率和穩(wěn)定入滲率分別在27~38 cm、2.29~5.28 min/cm和0.44~1.75 min/cm之間。從流域上游到下游,土壤穩(wěn)定入滲深度逐漸增加,土壤滲透系數(shù)呈遞減趨勢,流域左岸土壤滲透系數(shù)大于右岸土壤滲透系數(shù),溝道兩側(cè)土壤滲透系數(shù)大于主溝道土壤滲透系數(shù)。不同土地利用類型土壤穩(wěn)定入滲深度順序為:林地草地耕地溝道泥石流堆積體,滲透試驗點的土壤入滲率均隨時間增加呈指數(shù)遞減趨勢。人工降雨誘發(fā)斜坡失穩(wěn)試驗發(fā)現(xiàn),在未發(fā)生降雨時斜坡不同監(jiān)測點的土壤孔隙水壓力、土壓力、體積含水率和電導(dǎo)率分別在0~0.1 kPa、0~0.1 kPa、0.09~0.14 m~3/m~3和0.07~0.39 S/m之間。在試驗初期降雨沖刷和雨水入滲引發(fā)斜坡產(chǎn)生裂隙和裂縫,土壤孔隙水壓力、土壓力、體積含水率和電導(dǎo)率分別增加到0.22~1.13 kPa、0.25~3.62 kPa、0.09~0.36 m~3/m~3和0.07~2.05 S/m之間,這時斜坡土體剪切強度逐漸降低,土壤濕重增加,斜坡發(fā)生局部破壞。試驗中期隨降雨時間持續(xù)增加,斜坡土體剪切強度進一步降低,土壤孔隙比變小,當(dāng)土壤孔隙水壓力、土壓力、體積含水率和電導(dǎo)率峰值分別達到3.11 kPa、8.85 kPa、0.57 m~3/m~3和4.96 S/m時,斜坡土體發(fā)生大面積破壞,然后他們會發(fā)生突然變小的現(xiàn)象。斜坡破壞過程中受到重力和雨水侵蝕作用,土體發(fā)生碰撞、崩解、造泥作用,最后斜坡失穩(wěn)形成泥石流。試驗?zāi)┢谛逼峦馏w抗剪強度逐漸恢復(fù),土體密實性增加,土壤孔隙水壓力、土壓力、體積含水率、電導(dǎo)率再次出現(xiàn)增加趨勢,斜坡土體暫時趨勢穩(wěn)定。利用水槽物理模型對40組不同泥石流容重和不同泥石流混合物重量組合條件下的泥石流運動過程進行模擬,結(jié)果表明泥石流動力粘滯系數(shù)、屈服應(yīng)力和傅汝德數(shù)的分布范圍分別為0.0011~0.0041 Pa s、0.25~30.68 Pa和2.03~29.23。泥石流運動速度、泥深峰值、孔隙水壓力峰值和沖擊力峰值分別在1.23~3.62 m/s、2.7~13.4 cm、0.15~4.5 kPa和1.23~28.41 kPa之間。根據(jù)試驗結(jié)果分別建立泥深、流速、孔隙水壓力和沖擊力的峰值與泥石流容重和混合物重量的綜合關(guān)系式。通過水槽模擬試驗結(jié)果擬合得到黃土區(qū)泥石流沖擊力動力和靜力模型經(jīng)驗參數(shù)分別為5.17和9.99,與土石區(qū)泥石流沖擊力模型經(jīng)驗參數(shù)存在顯著差異。新的動力沖擊力模型適用于速度較大和傅汝德數(shù)較高的泥石流沖擊力計算,新的靜力模型適用于速度相對較小和傅汝德數(shù)較低的泥石流沖擊力計算。通過多種模型對比發(fā)現(xiàn)新的模型能夠更好的計算黃土區(qū)泥石流沖擊力。最后在新模型基礎(chǔ)上建立區(qū)內(nèi)泥石流無量綱沖擊力峰值與傅汝德數(shù)和雷諾德數(shù)的綜合關(guān)系式。研究成果為黃土地區(qū)滑坡泥石流數(shù)值模擬提供相關(guān)參數(shù);為泥石流災(zāi)害工程防治提供科學(xué)依據(jù);同時加深了學(xué)者對黃土地區(qū)滑坡泥石流災(zāi)害機理的理解;此外,還為區(qū)域土地利用規(guī)劃和開發(fā)提供參考。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P642.23
【圖文】：

蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 黃土丘陵地區(qū)小流域泥石流形成與運動特征模擬研究（3）利用水槽試驗?zāi)M泥石流運動過程，擬合并修正泥石流沖擊力模型參數(shù)，建立黃土地區(qū)泥石流無量綱沖擊力和無量綱泥深的綜合關(guān)系式，彌補了我國黃土丘陵地區(qū)此項研究的空缺。1.3.5 技術(shù)路線研究技術(shù)線路圖見圖 1-1。

研究區(qū)土壤

圖 2-4 研究區(qū)植被圖2.2 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造蘭州市位于武威~蘭州構(gòu)造帶的復(fù)合部位。由于不同構(gòu)造系統(tǒng)之間相互作用，進而造成研究區(qū)構(gòu)造形跡比較復(fù)雜。研究區(qū)新構(gòu)造運動比較典型的是活動斷層，這是中更新世以來地殼發(fā)生水平剪切和垂直升降運動的重要表現(xiàn)形式（圖 2-5）。水平剪切作用造成平移斷層的形成，正斷層和逆斷層是由于垂直升降作用形成的。研究區(qū)活動斷層較為發(fā)育，包括早期斷裂活化的活斷層和中更新世以來發(fā)育的新斷層。大沙溝流域主要受到馬灘斷層、金城關(guān)斷層和大清溝斷層的影響（圖 2-5）。2.2.2 地層巖蘭州市區(qū)出露地層主要有元古界震旦系（Z）、古生界前寒武系（An

本文編號：2875738