基于突变理论的乌东德水电站近坝区泥石流风险评价与防治研究
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摘要
泥石流是发生于山区的极普遍的地质灾害。泥石流灾害分布范围广、数量多，为世界性的地质灾害，受到全世界范围的广泛关注和重视。我国是一个多山的国家，也是泥石流活动频繁、受灾严重的国家之一，我国西南山区尤为严重，5.12汶川大地震之后我国西南地区泥石流发生频率更高。大型水电站库区内暴发泥石流会对坝址的安全及人民的生命财产安全造成损害。论文基于突变理论对乌东德近坝区内泥石流进行了风险评价和防治研究。
论文以SPOT5遥感图像为数据源进行了乌东德水电站近坝区泥石流的解译，并结合野外现场调查，对水电站近坝区内泥石流发育的地质背景、泥石流发育现状进行了分析。选取了10个泥石流危险度评价指标和3个泥石流危害度评价指标，采用突变级数综合评价法对乌东德水电站近坝区的5条泥石流沟进行了危险度评价和泥石流危害度评价，在此基础上进而对近坝区内5条泥石流沟进行了风险评价。以突变理论为基础，建立了泥石流突变起动模型，分析了泥石流突变起动机制。在泥石流突变起动分析的基础上，针对不同的影响因素对近坝区内泥石流提出来相应的治理措施。论文提出了一种资料较少地区泥石流临界降雨量的计算方法。通过对沟床内松散堆积体进行受力分析，采用摩尔库伦强度准则计算松散堆积体破坏起动时的临界水深，并通过泥石流沟流域内的产汇流分析计算得到泥石流发生的临界降雨量，采用此方法对乌东德水电站近坝区内5条泥石流沟进行了临界降雨量预测。
论文共分八章，第1章为绪论，介绍了选题依据和研究意义，总结了泥石流研究的国内外现状，并介绍了论文的主要内容和技术路线以及论文的创新点。第2章从气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象、植被条件六个方面介绍了乌东德水电站库区内泥石流发育的地质背景。第3章介绍了乌东德水电站近坝区内5条泥石流沟的发育现状。第4章介绍了泥石流遥感解译的方法步骤以及解译内容。第5章介绍了突变理论的基本原理。第6章选取了泥石流危险度评价指标和危害度评价指标，采用突变级数综合评价法计算了乌东德近坝区泥石流危险度和危害度，进而进行了近坝区泥石流的风险评价。第7章建立了泥石流突变起动模型，通过模型分析，得到启示，对乌东德近坝区泥石流提出了相应的治理措施，并预测了各泥石流沟的临界降雨量。第8章为结论，总结了论文的所有结论。
Debris flow is a kind of common geological disaster occurred in the mountains.Widely distributing and offen occurring, debris flow is the worldwide geologicaldisaster and attracts widespread concern and attention. China is a country with a lot ofmountains and about two-thirds of the total land area is mountain. Therefore, ourcountry is one of countries suffering from severe and frequently debris flows,especially the Southwest of our country. The Southwest locates a transition zonebetween the first step and the second step, where elevation suddenly changes, tectonicfaults developments, the geomorphological type is the combination of high mountainsand deep valleys, and the climate is the monsoon climate with distinct wet and dryseasons. These are all favourable circumstances for the formation and development ofdebris flows in the Southwest. After5.12Wenchuan Earthquake, debris flowsoccurred more and more frequently in the areas affected by the earthquake. Therefore,risk assessment and the prevention research have great academic significance andpractical value.
Debirs flows near the dam of Wudongde hydropower station were interpretedform SPOT5remote sensing images in this paper. Combining interpretation and fieldinvestigation, the geological setting and present status of the debris flows near thedam of Wudongde hydropower station were studied. Ten impact factors wereselected to evaluate the hazard degree of these debris flows, and three indices were slected to evaluate the vulnerability of these debris flows. Moreover, risk degree ofthese debris flows were assessment based on the hazard and vulnerability assessments.Based on catastrophe theory, initiation mechanism were analysed by establishing thecatastrophe model of debris flow. For different factors which influencs the iniation ofthe debris flows, different control measures were proposed. A method is proposed toforecast the rainfall threshold for debris flows in the areas where there are lessstatistical data. Through force analysis of the loose deposits on the gully bed, thecritical water depth for the initiation of debris flows is calculated according toMohr-Coulomb failure criterion. Then, the rainfall threshold is calculated throughanalysis the mechanism of runoff yield and confluence. By the method proposed inthis paper, the rainfall thresholds for the five debris flows near the dam of Wudongdehydropower station were forecasted. The conclutions obtained in this paper are asfollowing:
1. There are five debris flows near the dam of Wudongde hydropower station,Xiabaitan, Shangbaitan, Zhugongdi, Yindigou and Canyuhe. The hazard degree ofXiabaitan, Shangbaitan, Zhugongdi and Yindigou are all moderate, and the hazarddegree of Canyuhe is slight. The vulnerability of these debris flows are all moderate,and the risk degree of these debris flows are also moderate.
2. The catastrophe model of debris flow is agreed with the cusp model. Debrisflow can be expressed by the potential function of the cusp model in which saturationis state variable and gully slope and resistance are control variables. The loosendeposits can suddenly become debris flow when the control variables are in the cusparea.
3. Through analysis the catastrophe model of debris flow we draw a conclusionthat debris flows can be prevented by controlling the saturation of loosen deposits,change the gully slope and resistance. The drainage areas of Xiabaitan, Shangbaitanand Zhugongdi are small and the gully beds are straight, therefore, these three debrisflow can be prevented by reducing the resistance of the gully beds. The drainage areasof Yindigou and Canyuhe are large, therefore, these two debris flow can be preventedby increasing the resistance of the gully beds, such as building check dam, grille dam, retaining dam and building belt dike, fish mouth and sheepfold type dividing dike inthe accumulation zone.
4. The critical rainfall for debris flows near the dam of Wudongde hydropowerstation is between134.08mm and151.34mm.1h rainfall intensity which maybeinduce debris flows is between54.08mm and71.34mm.
论文以SPOT5遥感图像为数据源进行了乌东德水电站近坝区泥石流的解译，并结合野外现场调查，对水电站近坝区内泥石流发育的地质背景、泥石流发育现状进行了分析。选取了10个泥石流危险度评价指标和3个泥石流危害度评价指标，采用突变级数综合评价法对乌东德水电站近坝区的5条泥石流沟进行了危险度评价和泥石流危害度评价，在此基础上进而对近坝区内5条泥石流沟进行了风险评价。以突变理论为基础，建立了泥石流突变起动模型，分析了泥石流突变起动机制。在泥石流突变起动分析的基础上，针对不同的影响因素对近坝区内泥石流提出来相应的治理措施。论文提出了一种资料较少地区泥石流临界降雨量的计算方法。通过对沟床内松散堆积体进行受力分析，采用摩尔库伦强度准则计算松散堆积体破坏起动时的临界水深，并通过泥石流沟流域内的产汇流分析计算得到泥石流发生的临界降雨量，采用此方法对乌东德水电站近坝区内5条泥石流沟进行了临界降雨量预测。
论文共分八章，第1章为绪论，介绍了选题依据和研究意义，总结了泥石流研究的国内外现状，并介绍了论文的主要内容和技术路线以及论文的创新点。第2章从气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象、植被条件六个方面介绍了乌东德水电站库区内泥石流发育的地质背景。第3章介绍了乌东德水电站近坝区内5条泥石流沟的发育现状。第4章介绍了泥石流遥感解译的方法步骤以及解译内容。第5章介绍了突变理论的基本原理。第6章选取了泥石流危险度评价指标和危害度评价指标，采用突变级数综合评价法计算了乌东德近坝区泥石流危险度和危害度，进而进行了近坝区泥石流的风险评价。第7章建立了泥石流突变起动模型，通过模型分析，得到启示，对乌东德近坝区泥石流提出了相应的治理措施，并预测了各泥石流沟的临界降雨量。第8章为结论，总结了论文的所有结论。
Debris flow is a kind of common geological disaster occurred in the mountains.Widely distributing and offen occurring, debris flow is the worldwide geologicaldisaster and attracts widespread concern and attention. China is a country with a lot ofmountains and about two-thirds of the total land area is mountain. Therefore, ourcountry is one of countries suffering from severe and frequently debris flows,especially the Southwest of our country. The Southwest locates a transition zonebetween the first step and the second step, where elevation suddenly changes, tectonicfaults developments, the geomorphological type is the combination of high mountainsand deep valleys, and the climate is the monsoon climate with distinct wet and dryseasons. These are all favourable circumstances for the formation and development ofdebris flows in the Southwest. After5.12Wenchuan Earthquake, debris flowsoccurred more and more frequently in the areas affected by the earthquake. Therefore,risk assessment and the prevention research have great academic significance andpractical value.
Debirs flows near the dam of Wudongde hydropower station were interpretedform SPOT5remote sensing images in this paper. Combining interpretation and fieldinvestigation, the geological setting and present status of the debris flows near thedam of Wudongde hydropower station were studied. Ten impact factors wereselected to evaluate the hazard degree of these debris flows, and three indices were slected to evaluate the vulnerability of these debris flows. Moreover, risk degree ofthese debris flows were assessment based on the hazard and vulnerability assessments.Based on catastrophe theory, initiation mechanism were analysed by establishing thecatastrophe model of debris flow. For different factors which influencs the iniation ofthe debris flows, different control measures were proposed. A method is proposed toforecast the rainfall threshold for debris flows in the areas where there are lessstatistical data. Through force analysis of the loose deposits on the gully bed, thecritical water depth for the initiation of debris flows is calculated according toMohr-Coulomb failure criterion. Then, the rainfall threshold is calculated throughanalysis the mechanism of runoff yield and confluence. By the method proposed inthis paper, the rainfall thresholds for the five debris flows near the dam of Wudongdehydropower station were forecasted. The conclutions obtained in this paper are asfollowing:
1. There are five debris flows near the dam of Wudongde hydropower station,Xiabaitan, Shangbaitan, Zhugongdi, Yindigou and Canyuhe. The hazard degree ofXiabaitan, Shangbaitan, Zhugongdi and Yindigou are all moderate, and the hazarddegree of Canyuhe is slight. The vulnerability of these debris flows are all moderate,and the risk degree of these debris flows are also moderate.
2. The catastrophe model of debris flow is agreed with the cusp model. Debrisflow can be expressed by the potential function of the cusp model in which saturationis state variable and gully slope and resistance are control variables. The loosendeposits can suddenly become debris flow when the control variables are in the cusparea.
3. Through analysis the catastrophe model of debris flow we draw a conclusionthat debris flows can be prevented by controlling the saturation of loosen deposits,change the gully slope and resistance. The drainage areas of Xiabaitan, Shangbaitanand Zhugongdi are small and the gully beds are straight, therefore, these three debrisflow can be prevented by reducing the resistance of the gully beds. The drainage areasof Yindigou and Canyuhe are large, therefore, these two debris flow can be preventedby increasing the resistance of the gully beds, such as building check dam, grille dam, retaining dam and building belt dike, fish mouth and sheepfold type dividing dike inthe accumulation zone.
4. The critical rainfall for debris flows near the dam of Wudongde hydropowerstation is between134.08mm and151.34mm.1h rainfall intensity which maybeinduce debris flows is between54.08mm and71.34mm.
引文
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