粘性泥石流沟床大幅度冲淤机理研究

粘性泥石流是一种介于挟沙水流和滑坡之间的高容重、大粘度流体，往往会引起沟床大幅度的冲淤，造成严重危害。目前国内外对粘性泥石流作用下的沟床冲淤研究很少，冲淤机理尚未揭示，适用粘性泥石流沟床的冲淤值计算公式也没有建立，从而影响到冲淤危害的有效防治。本项目拟通过对云南小江流域和甘肃白龙江流域典型泥石流沟的深入考察，云南东川蒋家沟粘性泥石流的现场定位观测，野外人工泥石流试验和室内模拟试验，采用流变学、土力学相结合的综合分析方法，探明粘性泥石流沟床冲淤的主要特征；确定粘性泥石流沟床冲淤的关键控制因素；主要从粘附层变化着手，揭示粘性泥石流沟床冲淤的机理；初步建立某些条件下的粘性泥石流沟床极限冲刷深度和淤积厚度计算公式。从而弥补国内外对粘性泥石流沟床冲淤机理研究的不足，深化粘性泥石流研究的理论水平，并为粘性泥石流灾害的防治提供科学依据和工程设计参数。

本项目通过对云南小江流域、汶川地震灾区典型粘性泥石流沟的调查，云南东川蒋家沟和汶川地震灾区北川县魏家沟泥石流沟床冲淤的定位观测、野外人工泥石流及沟床土体抗冲性试验、室内流变测试及模拟试验、理论推导和数值计算等手段，探明了沟床冲淤的主要特征和控制因素，揭示了泥石流沟床冲淤的机理，建立了粘性泥石流冲刷深度和淤积厚度的计算公式。完成了全部的研究内容，取得了预期的研究成果。主要成果包括：1）汶川地震灾区震后宽级配弱固结土体的入渗强度是蒋家沟类似土体的1.5-6倍，导致了在降雨入渗作用下土体内部细颗粒被侵蚀搬运，并伴随着土体结构的破坏；抗冲性显示了由于其弱固结特性，土体的抗冲性系数很小，在表面径流作用下，土体易发生崩解被搬运带走，促进冲刷能力。2）室内试验结果表明，粘性泥石流冲刷深度主要受沟床坡度、泥石流容重、沟床物质容重的影响，受泥石流的运动距离和泥深影响较小。在大量实验数据的基础上，建立了粘性泥石流沟床平均冲刷深度经验计算公式。3）室内试验结果表明，粘性泥石流淤积厚度随着沟道坡度的增加而减小，随着泥石流容重的增大而增大，随泥石流总量的增大而增大，受铺床物质容重变化的影响较小。在大量实验数据的基础上，建立了动床条件下粘性泥石流淤积厚度的经验预测公式。4）在泥石流容重一定的情况下，沟道下切冲刷参数（沟道下游出口和进入沟道前泥石流的体积浓度比）随沟床坡度增大而增大，呈乘幂关系；对沟道下切冲刷参数和入流流体容重的相关性分析发现，两者之间呈二次函数关系。5）粘性泥石流沟口回淤的发展过程可概括为三个阶段，第一阶段，随冲出量的增大，沟口回淤长度随之而增大，相对回淤坡度随之而减小；第二阶段，沟口回淤长度继续增大，相对回淤坡度继续减小，但减小的幅度降低；第三阶段，沟口回淤坡度进入一个较为稳定的阶段。整个发展过程中，回淤长度与泥石流总量呈线性正相关关系，相对回淤坡度与泥石流总量呈对数负相关关系。6）通过理论推导，建立了粘性泥石流冲刷深度的计算公式，该公式在泥石流阻力中增加了沟道可冲刷固体物质的运动阻力，并将适用条件拓展到沟道堆积体中的水分不饱和情形，计算结果更为精确；通过受力分析，建立了粘性泥石流淤积厚度的计算公式，该公式能够从理论上说明泥石流淤积厚度的影响因素及规律，科学求解泥石流淤积厚度，且计算方法快速简便。