《强震区特大泥石流综合防控理论与实践》介绍强震区特大泥石流综合防控技术与示范应用研究成果。震后泥石流沟物源巨大，同震崩滑体、震裂山体等易起动的松散固体物质多，沟道堵点多，主河因淤积抬升排导能力急剧下降等，导致其治理难度较震前更大，更重要的是防控措施针对性差。针对这些问题，《强震区特大泥石流综合防控理论与实践》进行系统研究，包括强震区泥石流不同成因物源起动模式及动储量评价方法、强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流致灾机理及灾害链效应、强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流动力学特征、强震区高位滑坡型泥石流运动机理及新型拦挡技术、强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流综合防控技术、强震区特大泥石流综合防治标准化技术体系等关键科学技术问题。

第1章 绪论
　　我国是世界上受地震灾害影响*为严重的国家之一，尤其是青藏高原、四川盆地、云贵高原等**级、第二级阶梯艰险山区，地震不仅在震时导致建筑物损毁，同时也引发大量同震滑坡，造成大量人员伤亡。以2008年“5 12”汶川地震为例，同震滑坡所造成的死亡和失踪人数约占总人数的30%。此外，同震滑坡堵江形成的堰塞体也是导致溃坝洪水、次生泥石流等链生灾害的主要诱因，主震后一段时间内地质灾害发灾趋势显著增强。同时，汶川地震后的北川、汶川、绵竹等震区连续6年暴发特大泥石流，表现出群沟暴发、范围广、规模大、持时长、危害重的特点，以至于震后治理工程部分失效，其主要原因包括：①对强震区沟道型及高位滑坡型泥石流成灾机理认识不清，导致震后泥石流*次治理工程设计缺乏机理分析及针对性；②对强震区泥石流动力学特征参数计算不准，严重影响治理工程设计安全检算的科学合理性，如拦砂坝库容、溢流口以及排导槽等过流断面设计偏小，导致灾后泥石流治理工程失效而再次重建；③治理方案针对性不强，关键在于没有区分宽缓、窄陡沟道型与高位滑坡型泥石流成灾特点，相应的成套防控措施缺乏合理的优化组合。
　　上述原因表明泥石流传统理论与技术不能完全满足强震区特大泥石流治理的特殊要求，因此系统开展强震区特大泥石流综合防控技术与示范应用研究，不仅可满足强震区特大泥石流防治工作要求，而且是国家防灾减灾战略需要，进而对突破强震区特大泥石流综合防控技术关键科学难题具有重大意义。
　　针对强震区沟道及高位滑坡型泥石流成灾机理认识不清、动力学特征参数计算不准、治理方案针对性不强等问题，聚焦强震区宽缓与窄陡沟道型、高位滑坡型泥石流特点，提出高位震裂物源识别技术、动储量评价模型，形成基于沟道多级多点堵溃致灾机理的泥石流动力学参数计算理论体系，研发泥石流抗冲击耐磨蚀“拦-导-排”结构、自复位耗能拦挡结构、沟口淤埋及冲失路段应急通行技术；形成强震区特大泥石流防控标准化技术体系，开展强震区特大泥石流监测预警、综合防控技术的应用示范。
　　为了揭示宽缓和窄陡沟道型泥石流成灾机理，构建有效的综合防控技术，有必要对这两类沟道基本概念、表征指标进行界定。
　　宽缓沟道型泥石流是指流域面积较大、邻脊(谷)宽广、沟床纵坡较缓、支沟较发育-发育的沟道泥石流。其形态特征主要表现为：①流域面积≥5km2；②沟床平均纵降＜250‰；③流域沟道底部宽度≥40m。
　　窄陡沟道型泥石流是指流域面积小、沟道两侧邻脊(谷)狭窄、沟床纵坡陡峻、支沟不发育的沟道泥石流。其形态特征主要表现为：①流域面积＜5km2；②沟床平均纵降＞250‰；③流域沟道底部宽度＜40m且流通区*小宽度不超过10m。
　　1.1 强震区特大泥石流基本特点及空间分布
　　强震区特大泥石流常表现出暴发规模大、持时长、链式成灾、危害重的特点。强震区受地震影响，地质环境条件发生急剧变化，地震诱发的大量崩塌、滑坡等松散堆积物，为特大泥石流形成提供了充足的物源。有研究表明，震后泥石流形成的激发雨强显著减小，易发程度提高，极易形成特大泥石流灾害，震后 3～5年或者更长时间，强震区内特大泥石流均呈现出频发、群发态势。
　　根据资料记载，汶川强震区近百年来地震活动频繁(表1-1)，特别是1933年茂县叠溪7.5级大地震和2008年汶川县8.0级特大地震。茂县大地震造成叠溪镇和附近21个村寨全部被埋，另有13个村寨房屋垮塌，四周山峰崩塌，堵塞岷江形成堰塞湖；而汶川县8.0级特大地震则是我国有历史记载以来震级*高、破坏强度*大的一次地震，震中烈度达Ⅺ度，灾情严重，地震造成大面积山体滑坡、崩塌等地质灾害，房屋损毁、道路中断。据统计，震后的2010～2013年是汶川强震区特大泥石流的高发期。
　　表1-1 汶川强震区及周边地震活动统计表
　　特大泥石流沟空间分布与地震活动的强烈程度密切相关，本书选取了2008年“5 12”汶川地震强震区、2017年“8 8”九寨沟地震强震区以及甘孜州九龙县、泸定县等地震高烈度区作为典型研究区域，并在研究区内选取了汶川卧龙—耿达片区的窑子沟、转经楼沟、幸福沟，汶川县境内岷江沿岸的锄头沟、登溪沟、红椿沟、烧房沟、牛圈沟、安夹沟、银杏坪沟、瓦窑沟、彻底关沟、桃关沟、七盘沟、板子沟，茂县的棉簇沟，北川县的魏家沟、青林沟、樱桃沟、杨家沟，绵竹市文家沟，安州区黄洞子沟，九寨沟县的磨房沟、则查洼沟、荷叶沟、卓追沟、下季节海子沟，宝兴县冷木沟，甘孜九龙县猪鼻沟等50余条典型特大泥石流沟作为样本进行调查研究。这些泥石流沟主要沿汶川地震中央断裂带(映秀-北川断裂带)、后山断裂带展布，即与地震烈度相关，烈度越高的区域特大泥石流沟分布越多，发生密度*大的烈度区为Ⅺ烈度区。地震区内泥石流在不同烈度区的发育程度及活动范围整体上随着烈度的降低而降低。特大泥石流在Ⅹ度及以上烈度区的分布占比在70%以上，详见表1-2。
　　表1-2 汶川地震强震区特大泥石流沟与不同烈度区相关性统计表
　　1.2 强震区特大泥石流成灾活动及危害性
　　强震区特大泥石流普遍表现出易发、冲出规模大、危害性强的特点。特别是“5 12”汶川地震Ⅹ度烈度区和“8 8”九寨沟地震Ⅷ度烈度区内，多数泥石流沟在地震后已经过多次工程治理，但活动性仍然很强，每年汛期仍较活跃，特别是超过设计频率的泥石流，治理工程无法达到原设计效果。“5 12”汶川地震后区域性特大泥石流灾害事件主要有2008年“9 24”北川泥石流，2009年“7 17”都江堰泥石流，2010年“8 13”汶川特大山洪泥石流、“8 14”汶川特大山洪泥石流，2013年“7 9”汶川特大泥石流，2019年“8 20”汶川特大泥石流灾害。特别是2019年“8 20”暴雨期间，汶川地震区转经楼沟、彻底关沟、锄头沟、登溪沟、窑子沟、高家沟、板子沟等多条沟域集中再次暴发大规模泥石流，大量泥石流物质冲出，造成拦砂坝淤库满库、坝体和护坦损坏或损毁，沟道淤积、河床抬高，房屋损毁等灾害(图1-1～图1-8)。
　　图1-1 转经楼沟沟道泥石流巨石堆积
　　图1-2 彻底关沟拦砂坝护坦被冲毁
　　图1-3 锄头沟1#拦砂坝库区淤满
　　图1-4 锄头沟1#拦砂坝护坦被冲刷悬空
　　图1-5 棉簇沟拦砂坝淤满后清库
　　图1-6 樱桃沟沟道淤积、河床抬高致使房屋被淤埋
　　图1-7 登溪沟拦砂坝坝肩被泥石流冲毁
　　图1-8 猪鼻沟泥石流拦砂坝淤满
　　强震区特大泥石流毁坏公路、切断通信、堵断河道形成堰塞湖、淹没村庄和震后新建安置房，给灾后重建工程造成了极大损失。特大泥石流危害严重，其致灾方式主要是冲毁、淤埋、淤抬河道及堰塞湖溃决等，详见表1-3。
　　表1-3 强震区特大泥石流致灾方式
　　1.3 强震区特大泥石流勘查和治理工程设计关键理论和技术问题
　　2008年“5 12”汶川地震造成强震区内泥石流沟物源剧增，且由于沟内物源起动机理的复杂性、高位震裂物源精准识别和调查方法的局限性、沟道崩滑堆积物源多级多点堵溃系数确定困难等技术原因，导致强震区特大泥石流沟勘查深度不足、治理方案设计针对性不强，有的特大泥石流沟震后虽经过多次工程治理，但仍然存在较大隐患。本书以上述特大泥石流沟为天然观测实验场，在汛期前后对这些泥石流沟进行本底调查，掌握泥石流发生前后的沟道特征、物源分布及数量变化、现有工程类型及防灾功效。按照宽缓和窄陡沟域形态进行分类对照研究，总结不同沟域形态泥石流的起动机理和运动模式。以已有治理工程(如拦砂坝、排导槽等)为观测样本，研究其工程防灾减灾作用，并凝练出强震区特大泥石流勘查和治理工程设计应重点研究的关键理论和工程技术问题。
　　1.3.1 特大泥石流勘查关键理论和技术问题
　　(1)精准识别和估算地震后沟道及斜坡物源。针对强震区沟道内大量的崩塌滑坡物源、沟道堆积物源，特别是高位山体震裂物源，利用非接触的先进设备和先进技术等手段，准确圈定物源的空间分布范围并计算物源量。
　　(2)基于多点堵溃的泥石流堵塞系数取值。由于震后同震滑坡多点堵塞形成堰塞湖，强震区特大泥石流常具有堵溃级联放大效应特点，同时还有支沟泥石流汇入主沟、峡谷卡口等造成的泥石流过流中的堵溃效应，因此建立相应的勘查方法，分节点合理选取相应堵塞系数取值。
　　(3)沟域汇水动力条件计算方法。高山高海拔区泥石流沟域存在一种现象：在沟源高海拔区降雪时，在沟口低海拔区是降雨，因此沟源降雪区并不是发生泥石流的水动力区；在夏季，高山区发生融雪时，高山区又具有融雪汇水形成泥石流的水动力条件。因此高山区降雨时空分布的变化，对泥石流形成的水动力存在贡献不同的问题。此外，已稳定的堰塞湖控制流域也对泥石流规模有削减的作用，因此在勘查期间应充分考虑沟域汇水动力条件。
　　(4)粗大颗粒调查评价方法。不同成因类型物源堆积物中的粗大颗粒一旦转化为泥石流固体物质，其含量、块度对拦砂坝(缝隙坝、梳齿坝、桩林坝)、排导槽(防护堤)等具有很强的破坏力(含造堵效应)。因此，要研究判断粗大颗粒的分布及转化为泥石流固体物质的可能性，以及崩塌产生的大型崩积扇构成泥石流粗大颗粒物源的可能性。在泥石流沟流通区可按照随机断面测定沟道*大块石尺寸，掌握沿途大块石分布特征。
　　(5)确定沟床堆积物*大冲刷深度。泥石流沟道堆积物在泥石流过流时，拉槽下切时常发生，下切深度有的高达几十米。根据堆积物颗粒组成及结构特征、泥石流流速和流量分析下切深度的计算方法是勘查工作中的关键技术。
　　1.3.2 特大泥石流治理工程设计关键理论和技术问题
　　(1)拦砂坝库容调节效应。大库容拦砂坝的主要目的是拦截泥石流带来的大量固体物质，而现场调查的实际情况是拦砂坝工程往往在泥石流还未发生时，大部分库容已经用于消耗停淤洪水带来的细颗粒堆积(洪水泥沙淤积物)，导致泥石流真正来临时拦砂坝的防灾库容功能丧失。合理设计拦挡库容是高效经济防治宽缓沟道型泥石流的关键，库容设计过大将造成投资大幅增加，而库容设计不足又可能造成防灾能力不够，因此合理够用的库容结合资源化清淤是解决特大型泥石流防治的关键。另外，坝体泄水孔设计技术对减轻非泥石流活动期(洪水过流)产生的泥沙淤积，以及减少泥沙淤积对防灾有效库容的损耗十分有用，也是值得研究的技术。
　　(2)拦砂坝坝下护坦冲刷。大量拦砂坝治理工程案例表明，泥石流、洪水过坝跌水造成坝下护坦的基础冲刷十分严重，导致坝基悬空、倾覆、溃坝等，这是拦砂坝结构破坏的主要原因。因此，合理计算坝下冲刷深度、含砂流体冲击力，优化坝下防冲结构等是设计的关键。
　　(3)桩林坝正面撞击。桩林坝主要用于对泥石流粗大颗粒，尤其是大漂石的拦截，以及对泥石流龙头规模进行削减，防止堵溃放大。桩林坝一般采用桁架式结构，钢筋混凝土建造，如七盘沟桩林坝。当泥石流挟带大块径漂石撞击桩林坝时，桁架式桩林坝结构易被撞击而破坏失效，因此在大块径漂石的撞击下，对桩体及连系梁等新结构进行缓冲消能设计，这也是泥石流防治设计的关键技术之一。
　　(4)桩林坝绕桩冲刷。桩林坝受洪水冲刷，桩基被掏蚀暴露，如北川县杨家沟桩林坝桩体间土石受到洪水冲刷掏蚀，造成桩体暴露，桩体嵌入深度或嵌入地基强度不足而产生倾覆，因此计算有效桩林嵌土条件下的洪水冲刷深度也是设计的关键。

目录
第1章 绪论1
1.1 强震区特大泥石流基本特点及空间分布2
1.2 强震区特大泥石流成灾活动及危害性3
1.3 强震区特大泥石流勘查和治理工程设计关键理论和技术问题5
1.3.1 特大泥石流勘查关键理论和技术问题5
1.3.2 特大泥石流治理工程设计关键理论和技术问题6
第2章 强震区泥石流不同成因物源起动模式及动储量评价方法8
2.1 不同成因类型松散物源起动模式及动储量评价9
2.1.1 崩滑物源9
2.1.2 沟道物源22
2.1.3 坡面物源40
2.2 基于多源遥感方法的强震区高位震裂物源综合识别技术43
2.2.1 基于光学遥感局部阈值二值化的同震山体震裂物源初步识别44
2.2.2 光学遥感影像多特征融合解译高位震裂物源筛查51
2.2.3 基于Dyna-head Yolo v3 神经网络的震裂山体物源检测方法56
2.2.4 基于FPN-rUnet神经网络的震裂山体物源几何边界及面积解译59
2.3 强震区高位震裂物源起动机理及动储量评价方法69
2.3.1 震裂山体在高静水压力下的失稳模式研究69
2.3.2 震裂山体物源动储量评价模型80
2.4 强震区不同成因松散物源储量评价新技术87
2.4.1 基于多期无人机航测的泥石流物源三维精确量化技术87
2.4.2 泥石流堆积体半航空瞬变电磁探测技术108
2.5 小结113
第3章 强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流致灾机理及灾害链效应115
3.1 强震区宽缓和窄陡沟道型泥石流孕灾模式及起动机理115
3.1.1 宽缓与窄陡沟道型泥石流孕灾模式115
3.1.2 宽缓沟道型泥石流起动机理121
3.1.3 窄陡沟道型泥石流起动机理127
3.2 强震区宽缓沟道型泥石流致灾机理及灾害链效应136
3.2.1 宽缓沟道型泥石流特征136
3.2.2 宽缓沟道型泥石流成灾机理143
3.2.3 泥石流堵溃放大效应模拟149
3.3 强震区窄陡沟道型泥石流致灾机理及灾害链效应153
3.3.1 窄陡沟道型泥石流特征153
3.3.2 窄陡沟道型泥石流灾害链致灾机理165
3.4 强震区沟道型泥石流多级多点堵溃级联效应研究175
3.4.1 典型级联溃决型泥石流特征分析175
3.4.2 堰塞体失稳判别式构建178
3.4.3 堵塞系数计算方法研究183
3.5 小结204
第4章 强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流动力学特征205
4.1 宽缓与窄陡沟道型泥石流流速特征205
4.1.1 泥石流内部流速模型实验205
4.1.2 泥石流内部流速计算模型214
4.2 泥石流大块石冲击力模型实验216
4.2.1 冲击力计算模型推导216
4.2.2 冲击力模型实验217
4.2.3 泥石流大块石冲击力计算模型220
4.3 强震区沟道型泥石流堆积体承载能力时空变化特性221
4.3.1 泥石流堆积体固结特性室内模拟实验221
4.3.2 泥石流堆积体固结沉降实验结果分析230
4.3.3 泥石流沉积物淤埋固结机理235
4.4 强震区沟道型泥石流磨蚀性能研究249
4.4.1 泥石流磨蚀实验装置研制250
4.4.2 泥石流磨蚀实验结果分析252
4.4.3 泥石流磨蚀机理262
4.5 小结264
第5章 强震区高位滑坡型泥石流运动机理及新型拦挡技术265
5.1 高位滑坡型泥石流运动学特征及本构模型对比分析266
5.1.1 滑坡运动“加载效应”特征分析270
5.1.2 颗粒流理论模型276
5.1.3 多模型对比分析结果278
5.2 高位滑坡型泥石流犁切动力侵蚀计算模型280
5.2.1 动力侵蚀犁切阻力计算模型280
5.2.2 动力侵蚀犁切模型计算实例285
5.3 高位滑坡型泥石流小口径组合桩群主动固坡固源技术288
5.3.1 茂县梯子槽高位滑坡基本特点288
5.3.2 加固方案比选290
5.3.3 小口径组合桩群拱圈力学特性三维数值模拟293
5.3.4 小口径组合桩群施工方法及注浆加固效果295
5.4 高位滑坡型泥石流堆积物桩板排导槽控源固坡技术297
5.4.1 汶川县烧房沟泥石流基本特点298
5.4.2 高位滑坡型泥石流桩板排导槽控源固坡技术301
5.5 高位滑坡型泥石流抗冲击桩-梁拦挡组合及自复位结构304
5.5.1 高位滑坡型含巨石泥石流抗冲拦挡结构大型物理模拟实验平台305
5.5.2 高位滑坡型泥石流抗冲击桩-梁组合结构物理模型实验306
5.5.3 桩-梁组合结构防治效果数值模拟对比及主要设计参数分析315
5.5.4 桩-梁组合结构损伤特性数值模拟结果对比分析318
5.5.5 两种自复位装置结构损伤数值模拟结果对比分析324
5.6 小结327
第6章 强震区宽缓与窄陡沟道型泥石流综合防控理念及技术329
6.1 宽缓与窄陡沟道型泥石流综合防控理念329
6.1.1 宽缓沟道型泥石流防控理念329
6.1.2 窄陡沟道型泥石流防控理念331
6.1.3 宽缓与窄陡沟道型泥石流防控理念提炼332
6.2 宽缓沟道型泥石流综合防控成套技术332
6.2.1 拦-导-排综合防治技术332
6.2.2 基于泥石流抛程的排导槽设计方法333
6.2.3 泥石流排导槽结构计算方法334
6.2.4 槽底简化计算方法——反力直线法337
6.3 窄陡沟道型泥石流综合防控成套技术338
6.3.1 泥石流柔性拦截系统多场多介质耦合计算方法338
6.3.2 泥石流坝前护坦防冲与掏蚀控制新技术362
6.3.3 固源式速排技术363
6.4 泥石流防治工程结构辅助技术364
6.4.1 泥石流排导结构抗磨蚀耐久性设计方法364
6.4.2 泥石流排导槽抗磨蚀结构366
6.4.3 减缓泥石流沟底下蚀辅助技术367
6.5 泥石流淤埋路段及冲失断道应急通行技术370
6.5.1 泥石流淤埋路段道路交通应急通行技术370
6.5.2 泥石流冲失部位道路交通应急通行技术380
6.6 小结390
第7章 强震区特大泥石流综合防治标准化技术体系391
7.1 泥石流勘查关键技术问题及研究391
7.1.1 不同成因松散物源的精准识别391
7.1.2 泥石流堵塞系数分项取值392
7.1.3 沟域汇水动力条件调查393
7.1.4 沟域粗大颗粒调查396
7.1.5 沟床堆积物*大冲刷深度确定397
7.2 泥石流防治工程设计关键技术问题及研究398
7.2.1 拦砂坝设计400
7.2.2 排导槽设计408
7.2.3 停淤场工程系统集成设计410
7.2.4 泥石流新近堆积区应急通行设施设计410
7.2.5 泥石流绿色治理设计411
7.3 强震区典型泥石流治理工程效果评价411
7.3.1 典型泥石流治理工程效果411
7.3.2 泥石流治理工程经验与教训423
7.4 强震区特大泥石流综合防控技术示范应用431
7.4.1 应用示范区选址及意义431
7.4.2 应用示范工程建设内容433
7.4.3 研究成果在强震区应用推广449
7.5 强震区特大泥石流综合防治标准化技术体系构建450
7.5.1 体系建立依据450
7.5.2 体系主要内容451
7.6 小结455
参考文献457