约束条件下泥石流扇状地发展过程实验研究

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题名	约束条件下泥石流扇状地发展过程实验研究
作者	柳金峰
学位类别	博士
答辩日期	2009
授予单位	中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所
授予地点	成都
导师	欧国强
关键词	扇状地发展过程山脚约束沟道约束几何相似性堆积参数预测
其他题名	Experimental Study on the Development Process of Debris Fan under Constrained Conditions
学位专业	自然地理学
中文摘要	泥石流是山区常见的一种突发性自然灾害现象，其造成危害的方式主要包括冲毁和淤埋。泥石流扇状地是泥石流造成淤埋危害的主要场所。随着我国国民经济的高速发展，特别是西部大开发战略的实施，许多重大交通、水利水电、城镇、厂矿多数工程建在或拟建在高山峡谷地区，不少工程处于泥石流扇状地上，无疑将受到泥石流灾害的威胁。因此，开展泥石流扇状地的发展过程及预测研究，对科学合理地组织实施泥石流灾害的防灾减灾具有重要现实和理论意义。本研究通过室内模型实验，分析了泥石流扇状地的发展过程，并探讨了不同泥石流参数和坡度条件对扇状地发展过程的影响；重点分析了堆积区山脚约束条件、沟道约束条件对泥石流堆积的影响；揭示出泥石流扇状地在横断面、纵断面和平面形态上的几何相似性，以此为基础，建立了泥石流扇状地在无约束和有约束条件下的堆积参数预测模型。得到的主要结果如下： (1)以泥石流扇状地纵、横方向的平均堆积坡度为依据，将粘性泥石流扇状地的发展过程划分为三个发展阶段。第一阶段以扇状地在纵、横方向快速发展为特征。第二阶段扇状地纵向不再发展，以横向发展为主。第三阶段以扇状地纵向发展为主，横向发展缓慢。泥石流规模、容重和坡度条件对扇状地发展过程的影响主要表现为：泥石流规模越大，扇状地在纵、横方向发展速度越快。泥石流容重越小，扇状地在纵、横方向发展速度越快。稀性泥石流的发展过程没有粘性泥石流发展过程的阶段性。堆积区坡度越大，扇状地在纵向发展速度越快，横向发展速度越慢。水槽坡度越小，其回淤长度越大，相对回淤坡度越小。 (2)对于不同山脚约束条件，随着约束角度的减小，也即随着约束程度的加大，泥石流扇状地的堆积长度和厚度随之而增大，堆积宽度随之而减小，泥石流淤埋危险有向下游推进的趋势。 (3)对于不同沟道约束条件对扇状地对的影响主要表现在扇面沟道的过流能力对扇状地堆积的影响。以沟道的水力半径来反映沟道对泥石流的排泄能力，水力半径越大，沟道对泥石流的排泄能力越强，其形成的扇状地在平面形态上越长越窄。 (4)通过对大量室内实验资料的总结分析，揭示了泥石流扇状地在其横断面、纵断面和平面形态上都具有符合一元二次曲线分布的几何相似性。其几何相似性可用如下公式表示： Z/Zc=a1(X/B)2+1(横断面) Zc/Z0=a2 (Y/Lc)2+1(纵断面) B/Bmax=a3(Y/Lc)2+b3(Y/Lc)+c3(平面形态) 泥石流扇状地在横断面和纵断面上的二次项几何相似性系数(a1、a2)反映出扇状地在横向、纵向上的平均堆积坡度，其值越大，表示平均堆积坡度越小。扇状地在平面形态的几何相似性中，-b3/2a3表示了扇状地最大堆积宽度向下游偏离的程度，其值越大，向下游偏离距离越远；C3表示了沟口处堆积宽度与最大堆积宽度的比值，其值越大，表示沟口堆积宽度越接近与最大堆积宽度。 (5)以泥石流扇状地横断面、纵断面和平面形态上的几何相似性为基础，建立了无约束和有约束条件下的泥石流扇状地堆积参数预测模型。无约束条件下泥石流扇状地堆积厚度预测模型：对称山脚约束约束范围之内堆积厚度预测模型：对称山脚约束约束范围之外堆积厚度预测模型：通过对泥石流规模(V)、泥石流容重(rm)、堆积区坡度(θd)、山脚约束角度(α)条件下的泥石流扇状地的横断面、纵断面和平面形态的几何相似性研究，运用多元线性回归的方法，对预测模型中的相关参数的计算公式进行了推求。几何相似性系数： a1=-2.047+0.193lnV-2.000rm+0.002α+0.098θd a2=-3.308+0.199lnV+0.003rn+0.003α+0.048θd a3=0.690+0.008lnV-0.985rm-0.003α+0.116θd b3=-2.437+0.021lnV+1.201rm+0.006α+0.156θd c3=1.613-0.005lnV-0.2451rm-0.001α-0.044θd最大堆积长度Lc: Lc=56.970+46.166lnV-194.610rm-0.122α+9.41θd最大堆积宽度Bmax: Bmax=Lc(6.179+0.104lnV-3.058rm-0.003α+0.196θd)-1最大堆积厚度Z0: Z0=-9.930+0.547lnV+3.983rm+0.002α-0.218θd山脚约束长度Lf: Lf=Lc(0.893-0.005α)山脚约束边界堆积厚度ZB/2： ZB/2=[Lc(0.893-0.005α)-Y/cosα/2](0.004+0.001α)
英文摘要	Debris flow is a sudden occurred natural disaster phenomenon, which is familiar in mountain area. The main damages that debris flow causes are washing away and burying. Debris fan is a main area where debris flow causes burial damage. Therefore, the study on the development process and deposition prediction of debris fan has an important practical and theoretical significance in organizing and implementing debris flow disaster prevention and reduction. This research focus on the development process of debris fan under constrained conditions. The innovative results based on large number of indoor experiments are as follows: (1) Through the analysis of development process of typical viscous debris fan, based on the average deposition slope of debris fan’s cross-section and vertical-section, the development process of viscous debris fan can be divided into three stages. This research discusses the influence of debris flow scale, density, slope of accumulation area, flow slope on the development process of debris fan. (2) According to the analysis and summary of many indoor experiments, this research discusses the debris flow deposition under mountain-foot and channel constrained conditions. (3)It is concluded that the cross-section, vertical-section and plane configuration of debris fan have the geometric similarity according to parabolic distribution. The equations of the geometric similarity are established, and the physical meanings of the geometric similarity coefficients that represent the characteristics of debris flow deposition are discussed. (4) Deposition parameter prediction models of debris fan under the unconstrained condition and mountain-foot constrained condition are established. The models are verified through experimental data. It shows that the models have good effect to predict the deposition parameter of debris fan.
语种	中文
学科主题	灾害学
公开日期	2010-10-13
分类号	O22;P64
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imde.ac.cn/handle/131551/2172]
专题	成都山地灾害与环境研究所_成都山地所知识仓储（2009年以前）成都山地灾害与环境研究所_山地灾害与地表过程重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	柳金峰. 约束条件下泥石流扇状地发展过程实验研究[D]. 成都. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所. 2009.