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泥石流是发生在山区或者其它沟谷深壑,地形陡峭的地区,由暴雨、暴雪、人类工程活动或其它自然灾害引发的滑坡、崩塌,携带有大量石块以及泥沙的特殊洪流。5·12汶川地震后,受地震影响,在强震区范围内发生了大量的崩塌、滑坡、泥石流。一方面,崩塌、滑坡为泥石流直接提供了丰富的物源,另一方面,地震荷载的往复作用造成了大量的坡体失稳、岩体破坏,泥石流沟的活动趋势保持强烈。因此,开展强震区典型山区沟谷型泥石流沟道起动机制的研究是十分必要的,可为此类山区沟谷型泥石流的预报以及风险性评估提供方法及理论依据。本文主要通过对四川省阿坝藏族羌族自治州茂县东兴乡竹包沟泥石流进行基础资料的收集和野外勘察,研究该条泥石流沟床起动机理,其中着重研究水流浓度对泥石流沟道起动机制的影响。为获取竹包沟泥石流沟道物质起动条件的影响因子,采用室内物理模拟实验的手段,对泥石流的水流浓度、沟床坡度、起动水深、单宽流量和表面流速等参数建立相关关系式,以此获得竹包沟泥石流的临界起动条件。 本研究主要内容包括:⑴通过对研究区的调查发现,竹包沟流域范围内具有泥石流形成的有利条件。从竹包沟的地形地貌上看,竹包沟沟道狭窄,流域范围内地形陡峭,相对高差大,沟谷纵坡上游较陡,中游和下游较缓,这样的地形有利于泥石流物源的汇集和成灾;从竹包沟的物源上看,沟内及两岸赋存的物源丰富且总量大,总方量为733.93×104m3,其中可动物源方量为168.95×104m3。从竹包沟的水源条件上看,沟域内发育众多支沟,汇水范围广、面积大,沟域内泉点不发育,沟水主要接受大气降雨补给,流量大,沟谷水动力条件较强烈,易形成泥石流。⑵对泥石流沟道的物理模拟起动共进行12组实验,分别从水流浓度、沟道坡度、泥石流的临界起动水深,表面流速和单宽流量上进行分析,得出了泥石流起动临界水深、单宽流量与沟道坡度和水流浓度成线性负相关,而表面流速与沟道坡度成线性正相关。⑶通过对泥石流的起动过程分析得出,泥石流起动的方式随着水流浓度变化而有所不同。当配置的水流浓度为0和1%时,当流量达到泥石流起动所需值时,沟床物质的起动主要以水流对沟槽堆积的下部分土颗粒进行揭底冲刷,从而带动上部分粗化层颗粒翻滚,起动模式为沟底侵蚀起动;当配置的水流浓度为5%时,当流量达到泥石流起动所需值时,由于水流浓度的增加,水流渗透力的降低和剪切力的增强,使得上部粗化层直接沿上粗化层和下部土颗粒的接触面发生滚动现象,当上部分粗化层揭底后,水流开始对下部分土颗粒进行侵蚀冲刷,起动模式的粗化层揭底模式。⑷通过现场调查得到的数据,以竹包沟1#支沟为例,采用形态调查法和雨洪法计算得出实地起动的单宽流量,将实验计算得到的起动流量与竹包沟泥石流现场计算得到的起动流量进行对照分析表明,竹包沟泥石流起动流量浓度介于1%和3%,再利用实验数据进行差分法,求出在坡度为17°(与1#支沟相同坡度)时的起动流量、临界水深与水流浓度的相关关系式,将实地计算起动流量带入相关式,从而得到竹包沟1#支沟起动时刻浓度为1.64%,起动水深为0.33m。