栾川县位于豫西腹地深山区,境内山岭纵横,层峦叠嶂,地势险峻,不稳定斜坡发育,地形地貌条件复杂;岩石地层复杂多样,节理发育,风化破碎强烈,松散坡积层厚度大。县境内矿业开采历史悠久,部分地区人为改造严重,导致流域环境恶化。加之栾川县降水条件良好,成为了河南省地质灾害多发县市之一。因此,对栾川县泥石流灾害进行研究,将有助于栾川县政府的减灾救灾决策,有助于减轻当地居民的生命财产损失和自然环境的破坏。为此,本文以栾川县泥石流作为研究对象,结合野外调查、室内试验、理论分析和颗粒流数值模拟,系统研究了栾川县泥石流的形成机理,并进行泥石流危险度评价。论文主要研究内容及成果如下:1.简要介绍了研究区的自然地理条件、地质背景条件和历史泥石流暴发情况。由于人类生活、生产活动和自然风化作用对地质环境的破坏,加之降雨条件良好,栾川县境内泥石流灾害发育,历史上曾多次暴发山洪、泥石流灾害。县境内大范围泥石流活动频率较低,平均约10年1次。由于降雨条件、地貌、植被和物源等的不同,境内泥石流常不具群发特点,但具有区域群发特点。2.分析了研究区泥石流的形成条件、基本类型和发育特征。结果显示:(1)研究区泥石流物源类型丰富,主要包括岩性风化与崩塌、水土流失及冲洪积层的再搬运、沟道泥石流堆积物、沟道内人工耕地、残坡积物质失稳和采矿废渣等。(2)研究区降雨量丰富,年际变化较大,汛期内以7、8月降雨量居多,县境内降雨量存在明显的区域差异,南川大于北川,日降雨量具有双峰特征,在夜间和午后降雨量较多。泥石流多发生在连续暴雨过程中的短历时高雨强阶段。(3)研究区泥石流堆积物呈现出堆积扇、堆积锥等形态,部分沟谷泥石流暴发规模较大,灾害等级较高,需要重点监测和治理。泥石流主要分布于栾川—石庙—陶湾一带,是低山—中山过渡区、平均雨量高值区、断裂活动区和人类活动区的交错地带。(4)研究区泥石流类型多样。按按土体供给分类,可分为坡面侵蚀型泥石流、崩滑型泥石流、矿渣型泥石流和复合型泥石流。县境内部分沟道人为改造严重,主要包括矿渣随意堆放、陡坡耕作、挤占河道等,导致流域环境恶化的现象,人为加重了泥石流的危害程度。(5)根据研究区典型泥石流的发育情况,建议采取以下防治措施:检查已存在的耕地拦挡墙和矿渣拦挡坝,并提出相应的设计、施工指导方案;规范种植活动,出台土地利用规划,合理利用有限的土地资源,最大程度降低对环境的破坏;加强对研究区潜在崩滑型泥石流的调查,做好房屋建设规划;恢复和保护流域植被,合理规划资源开发;对发育规模及灾害等级较大的沟谷,及时清理沟道内松散堆积物,或修筑拦挡和排导工程,预防下次泥石流发生。3.分析了研究区典型泥石流的形成机理。所得结论为:(1)坡面侵蚀型泥石流(柿树沟)形成机理:前期降雨使得沟道松散物质强度弱化,在短时强降雨作用下,径流对沟道堆积物产生冲刷拖拽侵蚀力,堆积体表层松散物质随径流一层一层搬移,最后出现“揭底”现象,形成泥石流。在泥石流流经中下游沟道内的老泥石流堆积体时,冲切这些物质进一步补给泥石流。(2)崩滑型泥石流(陶湾村八组)形成机理:在短历时强降雨作用下,谷坡土体强度减小,自重压力增大,沿薄弱面发生崩滑。崩滑物进入沟道与雨水掺混后加速运动,冲击沿途残坡积物,并将其带动向下滑行,形成冲击力巨大的泥石流。(3)矿渣型泥石流(玉帝庙沟)形成机理:在短时强降雨作用下,矿渣力学强度降低。同时,上游来水量明显增多,水位迅速抬高,洪水压力增大。在洪水冲击力和水压力的作用下,拦挡墙体强度超过极限后发生溃决。矿渣与洪流互相掺混,形成泥石流。(4)复合型泥石流(瓦石岩沟)形成机理:瓦石岩沟右支沟一级支沟中存在众多陡沟、悬沟,在强降雨条件下陡沟、悬沟的水体汇入主沟,与主沟水体产生剧烈的能量交换,造成沟道堆积砾石液化并逐渐与主沟水流掺混形成泥石流。另外,坡面泥石流发生后快速堆积在沟道内,阻塞沟道,沟道阻塞处上游水位增加,一旦上游水位压力达到一定程度,冲垮阻塞物快速向下游冲击,侵蚀侧蚀沟道两侧堆积物,亦可形成复合泥石流。4.开展了坡面侵蚀型泥石流(柿树沟)和矿渣型泥石流(玉帝庙沟)启动机理的颗粒流数值模拟,主要内容和结论为:(1)源地土的直剪数值试验存在尺寸效应和加载速率效应。提出了通过增加模拟剪切盒的高度来消除尺寸效应,同时保证计算效率的办法,确定了直剪数值试验的剪切速率,并以此实现了源地土细观参数的标定。(2)实现了柿树沟沟道堆积体以及老泥石流堆积体的分层搬移及揭底作用的数值模拟。模拟结果显示:在冲刷拖拽力的作用下,堆积体表层饱和颗粒出现整体运移,并刮铲堆积体底部及前缘颗粒,直至出现揭底现象。(3)实现了陶湾村八组谷坡残坡积物的崩滑起动模拟。模拟结果显示:在降雨作用下,随着残坡积物强度的降低,残坡积物逐渐失稳并以1~2m/s左右的速率冲入沟道中,这为残坡积物在沟道中的运动提供了一定的动能。(4)实现了洪水冲击力作用下玉帝庙沟矿渣堆积体的溃决起动模拟。模拟结果显示:在上游洪水的冲击作用下,拦挡坝首先出现倾倒破坏,随后逐渐分离破碎随矿渣进入洪流中形成泥石流。5.对主客观权重的可组合性进行了研究,建立了基于群决策方法的泥石流危险度评价模型,并用于研究区泥石流危险度评价。主要内容和结论为:(1)主观权重反映了评价因子的重要度,客观权重通常反映评价因子对评价对象的区分度。对于单沟泥石流危险度,只需要关注评价因子的重要度,不必刻意关注其区分度,也不必将重要度和区分度进行组合。(2)主观赋权法的可靠性受专家的主观偏好和经验水平的影响,建议采用群决策方法确定因子权重,该方法不仅可以提高主观赋权的可靠性,同时组合权重的意义明确,能够比较准确的反映各因子的重要性程度。(3)考虑评价因子的科学性、代表性、全面性和易获取性,结合研究区的具体情况,选择了以下9个泥石流危险度评价的次要因子:松散固体物质储量、泥砂补给段长度比、植被覆盖率、流域面积、主沟长度、流域最大相对高差、主沟床弯曲系数、24h最大降雨量、年平均降雨量。(4)研究区中-大型规模泥石流危险度评价结果显示,各泥石流沟处于轻度~中度危险的范畴,对于危险度较高的沟谷,建议及时清理沟道内物源,修筑或加固拦挡工程,以预防泥石流的再次发生。