北方土石山区低粘度泥石流起动机理研究

In recent years, the low viscous debris flow events in rocky mountain areas of northern China frequently occurred as a result of a combined affection from human activities and extreme rainstorms, resulting in considerable economic losses. The initiation criteria of such debris flows were built solely upon More-coulomb theory and Sediment incipient motion theory, which cannot fully explain the initiation mechanics of the low viscous debris flows. This study aims to identify the main physical interactions affecting the initiation pattern of such debris flows by field investigations, field-experiments and physical modelling tests. The relationships between the main physical interactions and the initiation features of sediments are used to analyze the initiation pattern by analyzing the frictional force, collisional force, pore water pressure and other physical interactions. Then, based on the shearing force and strength in More-coulomb theory, and conditions of the sliding, rolling and jerking motion in sediments incipient motion theory, the initiation criteria of low viscous debris flow are analyzed and verified. This research can improve our knowledge about the physical interactions and initiation pattern of low viscous debris flow, which can be helpful for the accurate prediction and mitigation of debris flows in rocky mountain of northern China.

近年来，因极端降雨事件和人类工程活动的叠加影响，我国北方土石山区的低粘度泥石流灾害频繁暴发，造成巨大经济损失。目前针对低粘度泥石流起动判别条件的研究多是分别基于摩尔库伦准则、泥沙起动理论而建立。然而，单独利用这些理论无法完整、全面地阐释低粘度泥石流起动机理。本项目拟通过对野外勘察和起动实验的数据和现象，分析摩擦力、碰撞力、孔隙水压力等固、液间相互作用力的变化，解释影响低粘度泥石流起动的主要物理力学机制；分析不同沟床比降下沉积物的起动特征，揭示不同物理力学机制下的起动模式；基于提出的低粘度泥石流起动模式，结合“摩尔-库伦”准则中剪应力、抗剪强度大小关系和“泥沙起动理论”中泥沙滑动起动、滚动起动及跃移起动条件，分析低粘度泥石流起动过程，建立不同起动模式下的判别条件，并进行验证。该研究有望完善对低粘度泥石起动的主要物理力学机制和模式的认识，为低粘度泥石流的准确预测预报和工程防治提供理论依据。

项目以北方土石山区的低粘度泥石流为对象，开展了如下研究工作，并取得相应成果：.1、利用ArcGis10.2和统计学方法，对北京山区崩塌、滑坡和泥石流灾害空间分布进行了分析。分析了崩塌、滑坡以及泥石流与距断层带距离、岩性、坡度和坡向、多年平均降水量之间的关系，在此基础上，最终给出北京山区崩塌、滑坡、泥石流敏感性分区图。.2、通过三维地形扫描、雨量分析以及现场调查手段，对典型低粘度泥石流形成机理和动力学过程开展了研究。建立了泥石流起动的10分钟雨量阈值模型；发现单位沟长侵蚀量、平均侵蚀深度并不随沟床比降呈正相关，控制沟道侵蚀的主要因子是沿程物质量。.3、揭示了区域中极端降雨事件诱发的泥石流起动机制为滑坡和径流侵蚀作用两种。侵蚀作用为泥石流提供了充足的物质补充，单位沟道长度的侵蚀量和泥石流体积放大系数分别与流域面积和沟道长度正相关关系；由于低粘度泥石流的沿程侵蚀作用，泥石流体积是初始滑坡体积的1.03-4.05倍；由于泥石流体内部颗粒缺少细颗粒，导致流动性较低。.4、基于树木地貌学方法，在已知灾害年的基础上，重建了典型泥石流流域—密云区龙潭沟流域的泥石流（山洪）历史事件，通过野外调查、走访询问和查阅资料验证了重建事件的准确性，补充了资料不曾记载的部分山区泥石流（山洪）事件。.5、利用萨维奇数、拜格诺和摩擦数三个无量纲参数，分析不同类型泥石流运动过程中颗粒接触摩擦力、粘性剪切应力、颗粒碰撞离散应力对泥石流运动的影响；基于水石流和粘性（稀性）泥石流的相对平均流速和相对流深的分析表明，随着水石流相对流深值加大，颗粒间的主导应力逐渐从颗粒碰撞转为摩擦应力；而粘性泥石流的主导应力是摩擦应力为主，稀性泥石流的主导应力是粘性剪切应力为主，粘性剪切应力的作用不可忽略。