基于斜坡破坏的泥石流易发性评价方法

作     者：孙庆敏 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：葛永刚

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 

主      题：根-土复合体 稳定性指数 信息量模型 易发性评价 泥石流 

摘      要：泥石流是由大量粘性土和粒径不等的砂粒、石块组成的饱和流体,具有发生突然、波及范围广、速度快、破坏力强等特点,泥石流灾害增加了当地人员伤亡和经济损失。本研究以汶川县泥石流为研究对象,确定不同根-土复合体的空间分布,通过野外原位制样并开展室内直接剪切实验,获取不同根-土复合体物理力学参数,采用SINMAP模型计算区域斜坡稳定性,识别泥石流坡面潜在物源,结合地形地貌、地质构造等指标,采用信息量模型进行泥石流易发性评价,为泥石流防治提供可靠的科学依据。取得的主要成果和结论如下: （1）划分不同根-土复合体的类型。1)将不同植被类型区典型优势物种的根系构型划分为垂直根型、水平根型、混合根型、须根系四类;2)获取不同地层岩性区共500组颗粒累积曲线,将土体类型划分为砂土、碎石土两类;3)将根系构型与土体类型叠加分析得垂直根型-砂土、垂直根型-碎石土、混合根型-碎石土、水平根型-砂土、水平根型-碎石土、须根系-砂土、须根系-碎石土七类根-土复合体。 （2）野外原位制取根-土复合体环刀试样并开展室内直接剪切实验,分析不同根-土复合体抗剪强度。1)不同根-土复合体剪切破坏依然符合摩尔-库伦强度理论,且抗剪强度均大于无根裸土,主要通过提高土体表观粘聚力来增强其抗剪强度;2)不同植物根系均能在一定程度上提高土体抗剪强度及抗变形能力。 （3）SINMAP模型计算斜坡稳定性指数SI,将SI≤1的区域定义为潜在失稳区,分析斜坡发生潜在失稳状况。1)计算斜坡总面积为3738.45km2,SI≤1为69.63%;2)在水平根型-碎石土、垂直根型-碎石土、混合根型-碎石土、须根系-碎石土中SI≤1分别为64.65%、81.07%、72.49%、75.14%,表明土体类型相同,不同根系构型对斜坡稳定性的影响存在差异;3)不同稳定性指数分级区的贡献面积随坡度增大呈现出先增大后减小的趋势,且不同根-土复合体在SI≤1时贡献面积达到峰值的坡度临界值存在差异;4)随着稳定性指数增大,稳定区域的坡度集中分布在30°以内,且分布范围值逐渐减小,表明斜坡稳定区域多分布于地势较为平坦的地区;5)斜坡破坏的坡度、高程阈值分析表明垂直根型-碎石土坡度阈值最大（29.2°～41.7°）,混合根型-碎石土最小（30.1°～38.9°）;须根系-碎石土海拔阈值最大（3215～4558m）,垂直根型-砂土最小（1860～2516m）。 （4）基于斜坡破坏,以流域单元为尺度,采用信息量模型进行泥石流易发性评价。1)选取物源强度S、物源规模V、面积-高程积分HI、Melton比率RM、流域形状指数Shp、断裂密度FD、河流陡峭指数Ksn、流域不对称系数AF、年平均降雨量Pre、植被覆盖度FVC等构建评价指标体系;2)熵权法检验指标重要性,无物源指标时,FD的权重值最大（0.2927）,其次为RM（0.11）、Shp（0.1076）、Pre（0.1071）,表明汶川县泥石流的发育主要受断裂带、陡峭地势和降雨的影响;有物源指标时,V的权重值最大（0.4279）,其次为FD（0.141）、S（0.0905）,表明物源指标对泥石流发生起到控制作用;3)通过信息量模型评价两种指标体系下的泥石流易发性,相对而言,有物源指标的较低、中等、较高易发区的流域单元均有减少,仅有高易发区增加了4.88%,且较高、高易发区增加了3.56%,但泥石流沟相对增加了4.92%;4)较高、高易发区主要沿岷江干流及二河、杂谷脑河等支流分布,高易发区聚集分布在映秀镇、银杏乡及威州镇。 （5）通过ROC检验有、无物源指标的泥石流易发性模型,AUC值分别为0.824、0.784,均高于0.7,准确性较好;有物源指标模型的评价精度提高了4%,有效地提高了泥石流易发性评价准确性。