秦巴山区滑坡转化泥石流特征及运动过程数值模拟

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秦巴山区地壳活跃、地质构造复杂、岩土体结构类型多变、节理裂隙发育,降雨丰沛,人类工程活动活跃,是全国泥石流灾害的高发地带。近年来因自然条件的变化,区内的地质灾害频频发生,且多表现出突发、暴发、灾种转化及链生成灾的特点,滑坡、泥石流灾害常常相伴而生,由滑坡转化而成的泥石流兼有滑坡和泥石流的一些特征,往往在短时间内把巨量泥沙、石块冲刷裹挟到沟口,给当地人民正常的生产、生活造成巨大的影响。滑坡转化为泥石流特征是当前泥石流学科的前沿性基础问题,国内外学者多针对滑坡过程或者泥石流过程单方面来研究,对于滑坡转化泥石流全过程研究较少。因此掌握滑坡转化泥石流运动特征对秦巴山区地质灾害防治具有重要意义。本文以秦巴山区滑坡转化泥石流为研究对象,通过相关资料查阅,野外地质环境调查,总结分析滑坡转化泥石流的区域分布规律;在此基础上,通过对滑坡转化泥石流过程起动机理进行定性分析及典型案例研究,得到不同类型滑坡转化泥石流的运动特征;最后基于寨子湾沟泥石流的工程地质条件,采用MatDEM软件对滑坡转化泥石流过程进行数值模拟。论文取得的主要成果如下:(1)提出滑坡转化泥石流的两种类型:溃决起动型滑坡转化泥石流和饱和失稳起动型滑坡转化泥石流。前者是刚刚发生的滑坡堆积到沟道,形成滑坡坝,在强降雨等水动力条件及坝体自身性质影响下短时间内发生溃决而起动形成滑坡转化泥石流;后者是在长时间降雨条件下,斜坡体C和φ值迅速降低,孔隙水压力上升,斜坡体接近饱和或直接达到饱和状态,τL逐渐减小至小于剪切应力τ,坡体开始沿结构面下滑导致滑坡直接形成泥石流的过程。(2)通过对两个典型滑坡转化泥石流的案例的滑坡概况、流域特征、动力特征、滑坡转化泥石流形成条件及运动过程分析可知,清水沟泥石流经历了滑坡—运动—堆积成坝—溃决—泥石流形成的过程,属于典型的溃决起动型滑坡转化泥石流;而寨子湾沟滑坡转化泥石流则无滑坡坝的形成,滑坡发生后直接转化为泥石流,为典型的饱和失稳起动型滑坡转化泥石流。(3)采用MatDEM软件对寨子湾沟滑坡转化泥石流过程进行数值模拟,分析其运动距离图、速度矢量图,再现了寨子湾沟滑坡转化泥石流的运动过程;基于灾害发生过程中活动单元间接触力链破坏的先后顺序总结出滑坡转化泥石流过程的破坏模式:上游斜坡坡脚剪切破坏—上游斜坡溯源拉裂破坏—滑坡转化泥石流—整体性沟道聚流冲刷—沟口淤积停止;滑坡转化泥石流过程中能量转化表现为系统中减少的重力势能最终转化为热能,且热能中摩擦热所占比例最高。(4)基于MatDEM数值模拟得到的最远运动距离与实际调查结果较为接近,得到的整体平均速度与理论估算值基本吻合,证明了MatDEM软件数值模拟结果的可靠性和方法的有效性。本论文研究方法和结果可以为秦巴山区滑坡转化泥石流的发展演化及泥石流范围预测提供理论依据。
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