前期降雨对强震区泥石流启动模式的影响研究

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“5·12”汶川特大地震时,清平乡等地震强震区大量山体开裂、岩石松动破碎,强烈的地震力诱发了大量的地质灾害,形成了数以千计的滑坡、崩塌,这些松散堆积体密集分布于清平乡等强震区沟谷之中,为震后次生地质灾害的发生提供了丰富的物源。2010年8月13日,清平乡开始持续强降雨,导致清平乡场镇附近的11条泥石流沟道同时爆发泥石流灾害,造成重大财产损失。本文通过对“5.12”地震强震区清平乡泥石流沟的地形地貌、物源、降雨及汇水情况三个方面的特征进行调查与分析,查明以文家沟为代表的大型泥石流的沟道形态,物源组成及规模等特征。通过安装于清平乡各沟的雨量监测计,获取并分析了强震区清平乡的降雨雨强、降雨时间、降雨空间分布特征。重点分析了文家沟降雨雨强,降雨时间、降雨空间分布特征,以及文家沟主沟及各支沟流域汇水特征。通过对文家沟物源区不同位置取样分析,得出了文家沟物源松散堆积体的平均颗粒级配,粘粒含量,密实程度,初始含水率等具体参数。在对上述野外调查资料进行整理分析的基础之上,为了进一步了解强震导致的松散堆积体在降雨过程中雨水入渗以及雨水蒸发共同作用所导致的土体初始含水率及基质吸力的变化对于松散堆积体形成泥石流的启动模式的影响,本文进行了三种类型的室内试验:土水特征曲线压力板及乐扣盒试验、大型土柱降雨试验、泥石流启动模式水槽试验。1)通过土水特征曲线压力板仪及乐扣盒试验,获得了不同级配,不同粘粒含量下的松散堆积体的土水特征曲线,其结果表明,强震区松散堆积体的基质吸力是随着含水率的不断提高而逐步减小的。当含水率介于5%-15%之间时,随着含水率的降低,其对应基质吸力的增加速率较低,当含水率介于0%-5%之间时,随着含水率的降低,其对应基质吸力增加速率非常高。在其他条件不变的情况下,松散堆积体粘粒含量越大,同等条件下的基质吸力就越大,且当含水率小于8%时较为明显,随着含水率的下降,不同粘粒含量下的基质吸力的大小相差越明显。松散堆积体吸湿曲线要滞后于脱湿曲线,也就是说,同等含水率情况下,吸湿曲线的基质吸力值要略低于脱湿曲线的基质吸力值。2)通过大型土柱降雨渗透试验,获得了恒定前期降雨强度下,松散堆积体内部不同深度土体的初始含水率与基质吸力随着降雨时间的变化情况。结果表明:松散堆积体在降雨阶段的入渗线并非一条水平线,而是呈一定角度的不均匀入渗,降雨入渗后形成的入渗线的倾斜方向是随着入渗深度的增加而改变的。松散堆积体在降雨阶段入渗线倾斜方向具有一定的随机性。拟合了前期有效降雨量关于雨强及降雨时间关系的概念方程。得出入渗时松散堆积体含水率的变化规律为:降雨自上而下开始入渗,松散堆积体顶端迅速饱和,雨水进一步下渗,松散堆积体中部开始饱和,当雨水入渗至底面时,整个松散堆积体的含水率分布基本保持不变。在分析监测所得的基质吸力及含水率数据的基础上,拟合了初始含水率随降雨时间及松散堆积体深度的非线性方程。在降雨结束后,对蒸发过程同样进行了研究与分析。所得蒸发阶段松散堆积体含水率的变化规律为:松散堆积体中水分的蒸发程度是随着深度的增加而减小的,且最初的12小时,蒸发最为剧烈,最后拟合出前期降雨导致的含水率与蒸发时间、土柱深度的关系公式。3)通过泥石流启动模式水槽试验,得出了松散堆积体在不同初始含水率情况下的三种启动模式:当含水率小于5%时,松散堆积体斜坡表现为整体失稳破坏模式,水流全部入渗坡体,在达到一定饱和度后斜坡整体失稳。当含水率大于12%时,松散堆积体斜坡表现为阻溃效应破坏模式,大部分水流未渗入坡体而是在坡体表面形成径流,进而下蚀形成冲沟,整个过程反复出现阻溃效应。当含水率介于6%-11%之间时,先形成表面侵蚀,再整体失稳,最后进入阻溃效应破坏模式。最后,在上述研究的基础上,给出了基于不同基础参数(前期降雨监测数据,现场监测含水率数据,现场监测基质吸力数据)的三种不同的强震区泥石流启动模式的判定方法。
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