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泥石流在广西发生的数学模型构建探析

日期:2020-12-04 14:35 作者:绮为论文网 论文字数:3170 点击次数:0
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研究泥石流的发生机理,对其发生的危险性进行评价不仅具有重大的理论意义,也是满足当前迫切的现实需要。本文以泥石流为研究对象,构建了泥石流数学模型,并对其发生的危险性

第一章 绪论


1.1 选题的背景和意义
我国泥石流灾害也十分严重,集中分布于三大地貌阶梯的两个边缘地带。据不完全统计,我国泥石流广泛分布于四川、云南等 31 个省、市、自治区,活动区域面积有 430 万2km ,约有 950 个县市受到威胁,泥石流每年造成 15-20 亿人民币的经济损失[2]。典型的暴雨泥石流成灾案例有:1981 年 7 月 9 日,发生在四川省凉山州甘洛利子依达沟的特大暴雨泥石流, 造成 300 余人丧生,铁路桥被冲毁,列车被颠覆;1984 年 5 月 27 日,云南省东川市铜矿区暴发的泥石流直接冲进矿山居民区,造成 121 人死亡,经济损失达 1300 万人民币;1998 年 8 月 13 日,四川省遂宁市暴发因一次暴雨而诱发的 183 处滑坡泥石流,造成 6 人死亡,3 人受伤,825 个村庄严重受灾;2002年 8 月 14 日,云南省玉溪市新平县发生滑坡泥石流灾害,151 人罹难,经济损失达 1500 万余元;2004 年 7 月 20 日,云南省德宏州盈江县暴发洪涝泥石流,12 人丧生,48 人失踪,道路、房屋、农田被毁,经济损失达 1.57 亿人民币;2005年 5 月 31 日,湖南娄底、邵阳发生由特大暴雨引发的山洪、滑坡泥石流灾害,造成 96 人死亡,47 个村庄约 55000 余人受灾;2006 年 6 月 25 日,湖南省隆回县发生暴雨引发的泥石流灾害,16 人死亡,11 人失踪, 2000 万余元的经济损失;2008 年汶川地震后,有 7 台车、近 200 人被泥石流吞埋在抢通至汶川的公路过程中[3];


1.2 国内外研究现状
1.2.1 泥石流形成机理的研究现状
泥石流灾害普遍分布于全球,如欧洲,美洲、南美洲、俄罗斯、日本和中国等地区,因此,对泥石流的研究得到了世界各国的广泛重视。利于集水、集物的地形条件、丰富的松散土石体即地质条件、短时间内提供充足的水源和刺激因素的降水条件,这三个条件是山区暴雨泥石流形成的基本条件。各国从泥石流形成条件出发,对泥石流的形成机理进行了不同程度的研究。费莱施曼[4]指出泥石流的起动机理是水体冲刷固体颗粒,使其与下垫面脱离,而后遭受水体片蚀作用形成泥石流;前苏联学者鲍亚尔斯基[5]等提出泥石流是在先形成的固体物质含量高的山地洪流和后形成的阵流的共同作用下开始起动的;前苏联泥石流委员会主席维洛格拉多夫[6]指出河床自保护层被强大的水流所破坏,泥石流是在水的侵蚀和搬运作用下形成的;日本泥石流学者高桥保[7][8](Takahashi)认为在泥石流起动过程中,水流冲刷沟床堆积物是关键因子,在降雨所产生的表面流和地下水的共同作用下产生泥石流;美国联邦调查局通过对大峡谷科罗拉多沟的 740 条泥石流沟调查研究,指出泥石流的起动过程机制可以称作“消防水管效应”(firehose)[9][10][11],即强降暴雨使位于陡峭石质流域上游的沟道产生如同“消防水管”的径流,水流快速集中,使堆积有丰富松散固体物质的沟道受到强烈的冲刷和侵蚀,沟道松散固体物质起动形成泥石流;我国学者崔鹏[12]指出暴雨产生地表径流,当径流深达到一定数值时,作用在松散固体颗粒间的剪切力或者水流对固体颗粒产生的拖曳力将大于抵抗力,此时松散堆积体中的固体颗粒将随水流起动形成泥石流。


第二章 暴雨泥石流形成机理的研究..........................10
2.1 暴雨泥石流形成的基本条件 ......................................10
2.2 暴雨泥石流形成的影响因素 .................................................13
2.3 暴雨泥石流形成机理 ............................................................14
第三章 暴雨泥石流数学模型的建立......................................................22
3.1 数值离散方法.......................................................................22
3.2 水力学基本控制方程 .................................................................25
3.3 有限体积离散................................................................26
3.4 边界条件确定.....................................................................30
3.5 广西地区暴雨泥石流数学模型.......................................31
第四章 暴雨泥石流危险性评价................................................................46
4.1 权重计算 ................................................................46
4.2 降水因子 ........................................................................51
4.3 地形因子 .................................................................56
4.4 地质因子 ...................................................................57


第五章 结论和建议


5.1 结论
近几年来,泥石流灾害对人们的生命财产安全造成了极大的伤害,严重阻碍了社会和经济是发展,特别是2008年8月8日甘肃舟曲发生的泥石流灾害,使舟曲瞬时变成废墟。因此研究泥石流的发生机理,对其发生的危险性进行评价不仅具有重大的理论意义,也是满足当前迫切的现实需要。本文以泥石流为研究对象,构建了泥石流数学模型,并对其发生的危险性进行评价。下面对本文所做的工作做一个全面的总结。
(1)查阅了大量与泥石流相关的国内外文献资料,掌握国内外学者对泥石流研究的最新发展动态,并对其在泥石流机理研究和预测预报方面进行综述介绍,同时介绍本文研究的主要内容。
(2)对暴雨泥石流的形成机理进行研究。分别介绍了泥石流形成的基本条件和影响因素,根据降雨强度和入渗率的大小对比将泥石流的形成分三个阶段介绍,即:1)当入渗率大于降雨强度时,降雨全部渗入土体,斜坡表面无积水;2),当入渗率等于或略大于降雨强度时,地表会产生积水并形成薄层径流冲刷斜坡表面的松散土石体,3)当入渗率小于降雨强度时,斜坡表面径流汇流强烈冲蚀地表松散固体物质,同时产生的地下渗流使斜坡土石体中基质吸力减小,发生剪切、剪胀破坏,在水动力条件下形成暴雨泥石流。
(3)介绍了暴雨泥石流数学模型建立的数值离散方法即:有限差分法,有限元法,特征线法和有线体积法;介绍了水力学的基本控制方程并采用有限体积法对其进行离散处理;对暴雨泥石流数学模型的区域边界条件、降水边界条件、下垫面条件等进行介绍。以广西省5个县市为研究区域建立了泥石流数学模型,以及建立过程中的网格剖分情况、模型地形处理情况和河网处理情况。

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