泥石流堵塞主河的机理及临界条件研究

Research on the relationship of debris flow and main river, and judgment whether the barrier lake formed by debris flow are the hot and difficult spots of study of debris flow. There are 16 factors related the barrier lake formed by debris flow. It is a lot of work and very difficult to study these factors one by one for the roles in the barrier lake formed by debris flow. In this project, three dimensionless factors related the barrier lake caused by debris flow are obtained by dimensional analysis. They are: 1) The ratio of discharge (velocity) of debris flow to discharge (velocity) of main river; 2) The anti-scour stress of debris flow to main river; 3) The ratio of the volume of debris flow to the scale of main river. The mechanism and the critical conditions of the barrier lake formed by debris flow will be obtained by experimental study on these three factors. The role of junction angle of debris flow and the main river will also be experimental studied. Because of dimension harmonious in this study, the experimental results may be also good in the large scale of field. With a lot of field investigations on the barrier lake formed by debris flow, validation of the mechanism and the critical conditions obtained by dimensional analysis and experimental study will be made. Finally the critical model will be refined by the field study. These research works will provide the basis for debris flow disaster prevention and mitigation.

研究泥石流与主河的堵塞关系，判断泥石流是否能堵塞主河，是目前泥石流研究和防灾减灾的热点和难点。与泥石流堵塞河流有关的主控因素至少有16个，逐一研究这些因素的作用工作量很大且非常困难。本项目通过量纲分析研究，得到3个与泥石流堵塞主河有关的无量纲因子：泥石流与主河的流量（流速）比、泥石流对水流的抗冲刷应力、泥石流总量与主河的尺度比。通过室内实验研究这3个无量纲因子在泥石流堵塞主河中的作用，以及泥石流与主河的交汇角在泥石流堵塞主河中的作用，探索泥石流堵塞主河的机理，得到泥石流堵塞主河的临界条件以及泥石流与主河的堵塞关系的临界值。因临界条件通过量纲分析而具有量纲和谐的性质，实验研究结果不受尺度的影响，可以用于大尺度的野外研究。通过大量的泥石流与主河的堵塞关系的野外实例调查研究，验证量纲分析和室内实验研究的泥石流堵塞主河临界条件，修正临界条件模型，为泥石流的防灾减灾提供依据。

泥石流堵塞河流形成堰塞湖，堰塞体后期溃决形成特大洪水对下游造成巨大危害是泥石流灾害链的主要形式。泥石流堵塞主河的机理以及临界条件的研究是泥石流灾害链研究的基础。本项目调查了四川省汶川和茂县的岷江流域、都江堰的龙溪河流域以及四川省内的大渡河流域最近历史上的泥石流堵江事件。实验研究了粘性泥石流堵江条件：研究了泥石流的屈服应力、进入主河的泥石流体积、泥石流与主河的单宽流量比、泥石流与主河的交汇角等4个控制参数与泥石流堵江程度及其临界条件关系，建立了粘性泥石流堵塞主河程度模型及临界判据：堵塞程度判断临界值分别为 0.68、1.3和 2.0, 对应堵塞程度分别为局部堵塞（堵塞河道30%-70%）、大部堵塞（堵塞河道70%-99%）和完全堵塞（堵塞河道100%）。实验研究了稀性泥石流堵江条件：研究了泥石流的粒径、进入主河的泥石流体积、泥石流与主河的单宽流量比、泥石流与主河的交汇角等4个控制参数与泥石流堵江程度及其临界条件关系，建立了稀性泥石流堵塞主河程度模型及临界判据：堵塞程度判断临界值分别为7.5、13.7和 24.1, 对应堵塞程度分别为局部堵塞（堵塞河道30%-70%）、大部堵塞（堵塞河道70%-99%）和完全堵塞（堵塞河道100%）。根据野外调查泥石流堵塞主河程度及其参数，以及其他参考文献中泥石流堵塞主河程度及其参数，对比验证了粘性泥石流和稀性泥石流堵塞主河的堵塞程度的判断模型及判据。其中粘性泥石流验证了3种堵江程度判断结果，全部24个堵江事件中，正确判断率为87.5%，误判率为12.5%；在稀性泥石流的3种堵江程度验证中，全部9个堵江事件中，正确判断率为77.8%，误判率为22.2%。本项目研究泥石流堵塞主河的研究结果取得了较好的效果。