基于点云数据处理的黏性泥石流堆积特征试验研究

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泥石流作为山区频发的地质灾害,对其活动区域内人员生命财产安全、建构筑物及交通设施的安全运营造成极大威胁。冲击与淤埋是泥石流灾害最为显著的方式,目前对于泥石流冲击的研究已取得长足进展,而对于淤埋破坏仅见零星研究。
  两相物质组成直接影响泥石流沉积物流变特征、停积过程及堆积体的形态特征,本文即基于两相流理论分析两相物质组成对泥石流堆积特征的影响。论文遴选黏滞系数、体积浓度、颗粒粒径三个因素作为泥石流两相物质指标,遴选冲出距离、堆积面积、堆积厚度、堆积宽度为泥石流堆积特征参数,通过泥石流堆积特征室内模型试验进行4种黏滞系数、4种体积浓度、4种颗粒粒径组合下64组试验。采用三维激光扫描仪、消费级无人机航拍获取堆积区点云数据及拍影像数据。针对点云数据通过Cyclone软件及基于Visual Studio2017集成开发环境采用C++语言编程提取冲出距离、堆积面积、堆积厚度、堆积宽度等特征参数,据此分析两相物质指标对泥石流堆积地貌特征参数的影响规律。结果表明:
  (1)两相物质组成影响泥石流堆积体形态特征。泥石流堆积区平面形态呈棒状、舌状、椭圆状、不规则形状等几何形态,当黏滞系数、体积浓度增大时,堆积体几何形态具有从“细长”特征转为“短宽”的变化趋势;堆积体随浆体的黏滞系数增加而呈现固液混合趋势,随颗粒粒径增大呈现固液分离趋势。
  (2)泥石流冲出距离(0~6.45m)受黏滞系数及体积浓度影响,随黏滞系数与体积浓度增加迅速减小。当黏滞系数η=0.3Pa·s、体积浓度Cv=0.3、粒径d=20mm组合条件时(T114工况)呈最大冲出距离6.45m;泥石流堆积面积(0~11.529m2)随黏滞系数增加、体积浓度增大、颗粒粒径减小而逐渐减小。当黏滞系数η=0.3Pa·s、体积浓度Cv=0.3、粒径d=20mm组合条件时(T114工况)呈最大堆积面积11.529m2;泥石流堆积厚度(0~0.159m)受体积浓度影响,随体积浓度增加而迅速增大,当黏滞系数η=0.7Pa·s、体积浓度Cv=0.6、粒径d=10mm组合条件(T343工况)达到最大值0.159m。颗粒粒径对堆积厚度影响较为复杂,与体积浓度交互作用于泥石流堆积体进而控制堆积厚度变化。泥石流平均堆积宽度(0~2.9m)随体积浓度增加而降低,随颗粒粒径增加而增大;泥石流最大堆积宽度(0~3.382m)随黏滞系数降低、颗粒粒径增大而逐渐增大。当黏滞系数η=0.3Pa·s、体积浓度Cv=0.6、粒径d=20mm组合条件时(T144工况)最大堆积宽度达到极值3.382m。
  (3)建立考虑交互作用的三因素固定效应线性模型,通过方差分析可得,泥石流体积浓度对堆积特征参数影响最强,而黏滞系数与颗粒粒径对于不同堆积特征参数显著程度不同。
  (4)通过绘制各堆积特征因子效应图并依据田口因子分类标准对各地貌特征参数的不同影响因子进行了重要、稳健、调节、次要因子类别划分。
  (5)通过非线性回归分析,建立了考虑黏滞系数、体积浓度、颗粒粒径的泥石流冲出距离、最大堆积宽度、泥石流堆积面积预测公式,各拟合公式R2依次为0.95272、0.73024、0.92379。
  泥石流堆积物的冲出距离、堆积面积、堆积厚度、堆积宽度等特征参数直接影响泥石流致灾范围,对于泥石流灾害风险评价、灾害预测预报、防治工程设计施工、土地规划及利用等方面具有重要意义。研究结果可为泥石流堆积地貌研究、泥石流致灾范围预测等研究提供理论支撑。
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