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溃决洪水灾害链的风险评估——以“6.17”丹巴泥石流为例

日期:2021年10月10日 编辑:ad201107111759308692 作者:w88手机登录下载 点击次数:54
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本文是一篇工程硕士w88,本文以“6.17 丹巴泥石流”事件中形成的梅龙堰塞湖为研究对象,运用 DB-IWHR溃坝洪水分析程序计算溃口处流量过程,得到溃口流量曲线,以此作为边界条件,进行一维洪水演进计算,得到下游特征断面的洪水特征值,利用 Massflow 模拟软件进行二维洪水演进计算,得到洪水淹没范围,最后根据演进得到的淹没范围对下游区域进行溃坝洪水风险评估。


第一章 绪论


1.1 研究背景及意义

我国是一个山区分布较广的国家,国土面积的 2/3 以上为山地,地势复杂,地质构造频繁,降水、地震活动等自然因素常常诱发地质灾害。地质灾害的发生往往不是单一存在的,灾害之间相互影响,相互转换,滑坡在一定的条件下可演变为泥石流,同时滑坡和泥石流受地形水文等因素的影响可以再次产生更大的洪水,当流淌着的河流被河道两岸的滑坡,或由两岸沟谷冲出的泥石流堵断,形成堵塞坝,随着上游河道的来水不断蓄积则会形成堰塞湖[1]。

在地震、暴雨、火山等诱发因素下引起的山体崩塌、滑坡、泥石流等堵塞河道,形成堰塞坝,河流上游水流在坝体上游聚集,向四周漫溢,水量蓄积到一定程度时形成的湖泊称为堰塞湖[2][4]。堰塞湖灾害在全世界范围内频繁发生,在全世界范围内 1298 个堰塞坝统计案例中,发生在我国的达 758 个,是堰塞坝高发地区,所占到的比例达 58.4%。我国西南部地区,包括青藏高原,云贵高原以及四川盆地,因区内域地质构造复杂,构造活动频繁,水文条件活跃,高山峡谷众多,成为大型崩塌滑坡堵江形成堰塞湖的高发地区[5]。

赌江堰塞坝溃决事件发生的频率相对于其诱发灾害的发生频率要低,如滑坡,泥石流等,但堰塞湖溃决产生的危害往往比一般滑坡、泥石流产生的更为严重。据统计发现,堰塞坝的寿命从 6 min 到 2×104a,其中 8%的堰塞坝寿命小于 1 h,34%的堰塞坝寿命小于 1 d,51%的堰塞坝寿命小于 1 周,71%的堰塞坝寿命小于1 个月,87%的堰塞坝在形成 1a 内溃决[6]。当堰塞坝所蓄积的水体在短时间内泄空,形成的溃坝洪水洪峰流量可达到寻常雨洪的数倍甚至数十倍,且洪峰流量变化剧烈,溃坝洪水的立波向前推进的速度较快,波高变化范围在数米至数十米之间,所经之处,河槽内水位瞬间急增,通常会表现出惊人的破坏力[4]。

1984 年和 1985 年西藏林芝县培龙沟连续暴发特大泥石流阻断帕隆藏布江事件,形成了回水长度约 6 km、最宽处约 220m、最深处约 14.3 m 的堰塞湖,溃坝洪水淹没上游 7  km 处的川藏公路和 80 多辆车,又冲毁下游 2km 处的川藏公路和 5 座桥梁,造成上亿元经济损失[7]。

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1.2 研究现状

堰塞湖的溃决过程与土石坝基本类似,包括溃口的冲蚀过程、溃口扩展过程,实际中堰塞湖溃决过程往往是突发的,主要工作是进行紧急抢险救灾,对实际溃决过程的记录较少,许多数据都是通过后期数据反推得到的。同时,堰塞湖与土石坝主要不同在于坝体结构材料的差异,堰塞体材料较土石坝材料级配更散、结构较为疏松、具有较大的块石,因此,堰塞湖的溃决理论可参考土石坝溃决的研究进展。

1.2.1 溃坝理论与数值模拟

溃坝理论分析求解复杂,难度较大,从数学物理的角度可总结为解控制水流运动的圣维南方程组[12]。1871 年 Saint—Venant 提出的明渠非恒定流控制方程组,即圣维南方程组,为此类溃坝问题的研究铺垫了理论基础[13]。

a.试验研究

溃坝的模型试验最早可追溯到 19 世纪中期的法国,1892 年,Ritter 采用特征线法求解圣维南方程组,推导出坝体下游河床无摩擦时坝体瞬间全溃的理论解[14]。此后各国自学者开始针对理论解进行水槽实验,以验证理论解的可靠性。20 世纪中期,美国学者利用现场制作的 1:2 试验模型,进行一系列室内模型试验,用以研究土石坝溃决流量过程情况[15]。1976 年,美国 Teton 土石坝失事以后,国内外开始大量的试验研究,对溃坝机理进行深入研究[16]。自 20 世纪 90 年代起,针对土石坝溃坝机理和溃口发展规律的模型试验逐渐展开;1988 年,欧盟启动了 CADAM 项目,2002 年,启动了 IMPACT 项目[17]。其中后者分别开展了3 个系列共 22 组室内小比例尺模型试验,分析不同坝体的形状、材料、性能及溃决模型等因素对溃口洪水结果的影响;另外还进行了 5 次大尺度现场模型试验,试验得到坝体在发生漫顶溃决时,起始期发展较为缓慢,伴随着冲刷侵蚀的进行,当侵蚀到达坝顶上游时,侵蚀加剧,溃决过程加速,且溃口是先向下发展,之后才发生侧向扩展[18]。

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第二章 丹巴泥石流-洪水事件概述


2.1 研究区概况

丹巴县位于我国四川省境内,甘孜藏族自治州东部,东接小金县,南交康定县,西邻道孚县,北连金川县,辖区内共一镇十四乡。丹巴县所属之地属岷山邛崃高山区,是高山峡谷地貌的代表,其整体地势西北高,东南低,海拔在 1700 米到 5521 米之间,地势情况复杂多变。发生泥石流的梅龙沟位于丹巴县东北部的半扇门乡半扇门镇,距离丹巴县城约 21 公里,距小金县城约 40km,距康定市约 210km,距成都市约 300km,研究区内有省道 S303 可通往丹巴县与小金县[10]。

图 2-1  研究区域地理位置图

图 2-1  研究区域地理位置图

2.1.1 地形地貌

丹巴县位于大雪山东麓邓峡山西坡,属青藏高原东麓向四川盆地过度地带,境内地势变化多端,地形复杂,山峰林立,峡谷深切,河川纵横,相对高差较为悬殊。其地势呈现自西北南东倾斜的特点,山背海拔多在 4000m 以上,著名的山脉有横断山系大雪山北段的党岭山及位于大小金川之间的墨尔多山等。地形地貌与高山峡谷为主,若按海拔高程、切割深度和地貌成因类型划分,可将全区分为高山,中高山、极高山,以高山为主,约占 60%以上。若按地貌类型分区则可划分为剥蚀冰蚀极高山区和侵蚀剥蚀高山高原区、侵蚀剥蚀高山峡谷区、侵蚀剥蚀中高山峡谷区四种类型,梅龙沟所在位置的地貌属于侵蚀剥蚀高山峡谷区。

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2.2 丹巴泥石流事件概述

丹巴泥石流发生相邻几天内,四川省境内曾多次发布强降雨预警。自 6 月 15 日开始逐渐开始降雨,统计显示,截止  17 日 17 时,四川省全部地区内有 66 个县(市、区)的降雨超过 50 毫米,有 22 个县(市、区)的降雨量超过 100 毫米。

6 月 16 日上午 9 时至 22 时期间,丹巴县防办(县自然资源、水利、应急等部门联合值班)陆续收到州地灾防治指挥部、县气象部门发布的气象预报预警信息。晚上11 时 40 分开始,巴旺乡等乡镇陆续出现短时强降雨,强降雨天气一直持续到 17 日凌晨 3 时左右,3 小时降雨量最大出现在巴旺乡齐支村,达 61.7mm,小时降雨最大出现在东谷镇阴山村,为 35.6mm,梅龙沟所在地区 3 小时降雨超过 50mm。

受极端降雨天气的影响,于 6 月 17 日凌晨 3 时 20 分,半扇门镇梅龙沟发生泥石流灾害,泥石流携带的混合流体冲入小金川河,壅堵河道,形成堰塞湖。堰塞湖自然溃坝泄流,致使阿娘寨古滑坡体前缘局部复活,诱发烂水湾阿娘寨山体滑坡群,造成G350 烂水湾段道路中断。

丹巴县“6.17”泥石流灾害事件,形成了泥石流-堰塞湖-滑坡灾害链,上游的陆续降雨,导致物源区内的松散地质体在降雨的综合作用下失稳,伴随降雨形成的混浊流水,冲刷沿途坡面,夹带着两侧崩落滑体及沿途的建筑植被等物质,沿沟内逐渐扩张,逐步形成高容重黏性泥石流。泥石流沟总体呈 NW-SE 向展布,沟长约 10  km,宽约 5 km,物源区为大邑村大邑沟,流通区为大邑村-墨龙村,堆积区在梅龙沟与小金川河交界处[10]。

夹杂着大量泥砂、植物的混合体的泥石流以较大的流速冲出沟口,阻断小金川河,随着上游来水的汇集,水位持续上涨,形成梅龙沟堰塞湖,湖面整体呈葫芦状。高速冲出沟口的混合流体,同时也冲击了小金川河东岸,强烈冲刷阿娘寨滑坡前缘坡脚,山体临空面迅速增加、坡脚失稳,造成阿娘寨古滑坡体前缘局部复活,形成多次滑坡。随着水位的不断抬升,淹没了堰塞体上游约 600m 处的梅龙电站及建筑设施。而后堰塞体逐渐被冲开,堰塞湖溃坝自然泄流,下泄湖水不断冲刷河道左岸,致使点状滑坡相互作用,形成烂水湾滑坡群。

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第三章 溃口流量计算 ......................................... 20

3.1 基本原理 .......................... 20

3.1.1 溃坝水力学计算基础 ............................... 20

3.1.2 冲刷模型 ............................... 21

第四章 一维洪水演进计算 .................................. 36

4.1 基本原理 .............................. 36

4.1.1 基本方程 ............................ 36

4.1.2 数值离散 ............................. 36

第五章 基于 Massflow 的洪水演进计算 .............................. 45

5.1 基本物理方程 ............................... 4

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