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山区沿河公路水毁评估与减灾方法研究

作　者: 陈远川
导　师: 陈洪凯
学　校: 重庆交通大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 山区沿河公路水毁风险评估公路水毁减灾措施危险性易损性
分类号: U418.54
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在当前全球气候变化和灾害频发的背景下,作为分布最广泛、最便捷的公路基础设施,公路本身即是受灾害作用的客体,同时也承担为抢险救灾提供交通支持的任务,因此开展山区沿河公路水毁风险研究有重要意义。风险评估是防灾减灾学科的重要方面,可为山区公路地质安全提供决策支持。本文以山区沿河公路水毁风险为研究对象,通过大量现场调查,采用灾害学、公路水毁学、灾害地质学、地貌学、岩土力学、水力学、GIS技术、数值模拟等多学科交叉和综合研究手段,研究山区沿河公路水毁风险形成机制、评估及减灾方法,取得的主要研究成果如下：1)立足山区沿河公路建设及养护需求,从山区沿河公路水毁灾害分类、水毁风险形成机制、评估和减灾措施等方面构建了山区沿河公路水毁风险评估理论和减灾技术框架。提出了山区沿河公路地质安全和水毁风险评估的理念,丰富了公路养护科学内涵。重视小流域山洪、河道洪水对山区沿河公路的致灾作用,提出了水毁灾害体的概念。2)基于水毁灾害体毁损山区沿河公路的受力模式,将山区沿河公路水毁灾害类型概化为推挤、牵拉、“冲”、“淤”、“渗”五大类型,便于进一步深入研究水毁灾害体毁损山区沿河公路的力学机制。通过有限元数值模拟对典型公路水毁类型破坏公路的机制进行了研究,数值模拟研究重点针对滑坡推挤、滑坡牵拉、落石冲击、冲蚀槽扩展、泥石流淤埋、涵洞渗流等作用对公路的毁损规律进行了研究,得出了典型水毁灾害类型毁损公路的变形破坏规律。3)提出了公路水毁风险的耦合对抗形成机制,即公路水毁风险是水毁灾害体危险性与公路承灾体易损性之间时空耦合对抗的结果。认为水毁风险评估是关于多因素非线性灾害风险系统的预测评价问题。根据水毁风险形成的耦合机制,提出了采用解耦措施来逆向控制公路水毁风险形成演化过程的减灾思路。4)提出了水毁灾害体的孕灾环境与致灾因子异相耦合发育机理。基于公路承灾体健康的理念,认为公路承灾体易损性主要受控于公路结构本身的健康性态,采取技术可行、经济合理的技术措施使结构健康复原是工程性减灾措施的目的。将公路承灾体类型分为结构性承灾体和功能性承灾体两类。针对山区沿河公路,给出了从孕灾环境、致灾因子、水毁灾害体危险性、承灾体易损性评价到水毁风险评估的思路与一般函数表达式。5)建立了小流域山洪对沟口段公路的危险性评价方法。基于流域地貌分析,提取分岔比、河流频数、RHO系数、形状系数等典型地貌特征参数,综合考虑提取的地貌量化参数与小流域山洪危险性的关系,分级量化小流域山洪对沟口公路的危险性大小。6)构建了山区沿河公路崩滑灾害危险性评价方法和指标权重计算方法。基于崩滑灾害的孕灾环境和致灾因子异相耦合发育机理,采用地理信息系统和遥感技术手段,在因素分析、指标遴选、基础数据库建立、崩滑信息指数和指标权重计算的基础上,构建了山区沿河公路崩滑灾害危险性评价方法。基于历史崩滑灾害面积分布信息熵,建立了山区沿河公路崩滑灾害危险性评价指标权重的计算方法,确定的权重具有一定的客观性。7)建立了基于泥石流沟地貌演化阶段的公路泥石流灾害危险性评价方法。根据泥石流沟不同地貌演化阶段与泥石流灾害规模、频率的关系,建立了泥石流沟不同发育阶段与泥石流灾害危险性等级之间的映射关系,可据此进行泥石流地貌灾害危险性评价。一般情况下,泥石流沟谷地貌演化从幼年期到老年期的整个过程中,泥石流灾害危险性总的变化趋势是先增高再降低,在壮年偏幼年期泥石流灾害危险性等级最高为极危险；各发育阶段根据泥石流灾害危险性由高到低排序,依次为：壮年偏幼年期、壮年期、幼年期、壮年偏老年期、老年期。8)以横断山区美姑河流域沿河公路为例进行了小流域山洪对沟口公路危险性评价、崩滑灾害危险性评价、公路泥石流灾害危险性评价,验证了本文建立的危险性评价方法的有效性,得出了研究区公路水毁风险相关的一些结论,可供研究区公路管养部门防灾减灾决策参考。9)从流固耦合动力学、紊流力学、泥沙运动力学的角度研究了山区沿河公路洪水毁损过程及机理、路基冲失机制、路基缺口形成机制。以河道洪水毁损山区沿河公路承灾体机制研究为基础,遴选典型承灾体易损性评价指标,并进行指标分级量化后,进行山区沿河公路主要承灾体易损性分析。10)在山区沿河公路水毁风险评价单元划分的基础上,对山区沿河公路线形评价单元在潜在多灾种作用下的危险性评价给出了危险度计算方法。对山区沿河公路评价单元综合易损性和潜在公路灾害损失分别给出了易损度和潜在损失估算方法。针对山区沿河公路水毁风险评估,耦合危险度、易损度和潜在公路灾害损失得出了山区沿河公路水毁风险计算的隐式表达式,并就水毁风险评估的显式计算模型进行了探讨。11)强调以水毁风险评估为代表的非工程性减灾手段的重要性,得出了山区沿河公路水毁灾害减灾系统框架体系,从工程性和非工程性措施两方面系统总结了山区沿河公路水毁灾害减灾措施的研究现状和进一步研究的方向。从山区沿河公路养护工作创新意识和基于水毁风险评估的灾害预警两方面探讨了山区沿河公路非工程性水毁灾害减灾措施。针对山区洪水、泥石流灾害毁损沿河公路的作用特征,从山区沿河路基曲面型路基防护结构扩展了工程性减灾措施。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-24
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-21
    1.2.1 山区公路崩塌滑坡泥石流灾害  15-17
    1.2.2 山区公路小桥涵及防排水设施水毁灾害  17
    1.2.3 山区公路路基水毁机理  17-18
    1.2.4 山区公路水毁灾害评估及监测预警  18-20
    1.2.5 山区公路水毁灾害防治技术  20-21
    1.2.6 四川省美姑河及周边区域地质灾害研究  21
    1.2.7 研究现状述评  21
  1.3 本文研究内容及技术路线  21-24
    1.3.1 研究内容  22
    1.3.2 技术路线图  22-24
第二章山区沿河公路水毁分类研究  24-41
  内容提要  24
  2.1 引言  24
  2.2 公路水毁及水毁风险定义  24-26
  2.3 山区沿河公路水毁分类  26-28
    2.3.1 已有的公路水毁灾害分类模式  26-27
    2.3.2 基于公路破坏模式的公路水毁分类  27-28
  2.4 山区沿河公路水毁类型地质模型  28-40
    2.4.1 推挤型公路水毁地质模型  29-30
    2.4.2 牵拉型公路水毁地质模型  30-32
    2.4.3 “冲”型公路水毁地质模型  32-36
    2.4.4 “淤”型公路水毁地质模型  36-38
    2.4.5 “渗”型公路水毁地质模型  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章山区沿河公路水毁风险形成机制  41-78
  内容提要  41
  3.1 典型水毁灾害破坏公路机制数值模拟  41-67
    3.1.1 滑坡推挤作用下路基变形破坏特征  41-47
    3.1.2 滑坡牵拉作用下路基变形破坏特征  47-54
    3.1.3 落石冲击作用下路基变形破坏规律  54-58
    3.1.4 冲蚀槽扩大诱发路基变形破坏规律  58-62
    3.1.5 泥石流淤埋作用下桥梁的变形破坏规律  62-66
    3.1.6 涵洞渗透破坏成因分析  66-67
  3.2 山区沿河公路水毁风险形成机制  67-76
    3.2.1 山区沿河公路水毁灾害体  68-72
    3.2.2 山区沿河公路承灾体  72-75
    3.2.3 山区沿河公路水毁风险形成机制  75-76
  3.3 本章小结  76-78
第四章山区沿河公路水毁危险性评价  78-124
  内容提要  78
  4.1 小流域山洪对沟口公路危险性评价  78-91
    4.1.1 研究区概况  78-82
    4.1.2 流域地貌形态特征量化分析  82-89
    4.1.3 沟口公路小流域山洪危险性评价  89-91
  4.2 山区沿河公路河道洪水灾害危险性评价  91-94
    4.2.1 山区沿河公路河道洪水灾害危险因子分析  91-92
    4.2.2 沿河公路河道洪水危险性评价  92-94
  4.3 山区沿河公路崩滑灾害危险性评价方法及应用  94-112
    4.3.1 研究区概况  95
    4.3.2 评价方法  95-99
    4.3.3 美姑河沿河公路崩滑灾害危险性评价  99-112
  4.4 基于地貌演化阶段的公路泥石流危险性评价  112-121
    4.4.1 研究区公路泥石流灾害概况  113
    4.4.2 研究区泥石流沟发育宏观背景  113-115
    4.4.3 灾害规模、频率与地貌演化阶段关系  115-117
    4.4.4 泥石流灾害危险性评价  117-119
    4.4.5 实例分析  119-121
  4.5 本章小结  121-124
第五章山区沿河公路承灾体易损性  124-157
  内容提要  124
  5.1 山区沿河路基洪水毁损过程及机理研究  124-138
    5.1.1 山区沿河路基洪水毁损过程  127-137
    5.1.2 山区沿河路基洪水毁损机理分析  137-138
  5.2 沿河公路路基冲失水毁机制  138-144
    5.2.1 沿河路基冲失水毁特点  139-140
    5.2.2 沿河路基冲失水毁营力分析  140
    5.2.3 沿河路基抗冲失水毁能力分析  140-141
    5.2.4 沿河路基冲失水毁机制  141-143
    5.2.5 算例  143-144
  5.3 沿河公路路基缺口形成机制  144-149
    5.3.1 河道水流对沿河公路路基缺口的影响作用  144-145
    5.3.2 沿河公路路基缺口形成机制分析  145-147
    5.3.3 沿河公路路基缺口类型  147-149
  5.4 洪水水位对沿河路基干湿状态的影响  149-150
  5.5 山区沿河公路主要承灾体易损性分析  150-155
    5.5.1 沿河路基易损性分析  151-152
    5.5.2 路面易损性分析  152-153
    5.5.3 挡土结构易损性分析  153
    5.5.4 小桥涵易损性分析  153-155
  5.6 本章小结  155-157
第六章山区沿河公路水毁风险评估  157-170
  内容提要  157
  6.1 山区沿河公路水毁风险评价单元  157-158
    6.1.1 山区沿河公路水毁风险分布  157
    6.1.2 评价单元划分  157-158
  6.2 山区沿河公路评价单元综合危险性分析  158-159
  6.3 山区沿河公路评价单元路段综合易损性分析  159-162
    6.3.1 山区沿河公路路段综合易损性评价指标体系  160
    6.3.2 山区沿河公路路段综合易损性分析  160-162
  6.4 山区沿河公路灾害损失货币化分析  162-165
    6.4.1 公路灾害损失分类  162
    6.4.2 公路承灾体灾前价值核算  162-163
    6.4.3 公路承灾体灾后损失估算  163-165
  6.5 山区沿河公路水毁风险评估  165-168
    6.5.1 评价单元公路灾害识别及危险度计算  165
    6.5.2 评价单元公路易损度及潜在损失计算  165
    6.5.3 水毁风险评估  165-168
  6.6 本章小结  168-170
第七章山区沿河公路水毁减灾方法  170-197
  内容提要  170
  7.1 山区沿河公路水毁减灾系统框架结构  170-172
  7.2 非工程减灾措施  172-180
    7.2.1 规避公路水毁灾害的非工程性措施  173-174
    7.2.2 从创新公路养护工作增强山区沿河公路抗灾能力  174-179
    7.2.3 基于水毁风险评估的山区沿河公路灾害预警  179-180
  7.3 工程减灾措施  180-196
    7.3.1 增加公路抗御灾害能力的工程性措施  183-192
    7.3.2 防御洪水及泥石流的曲面路基防护结构  192-196
  7.4 本章小结  196-197
第八章结论及建议  197-201
  8.1 结论  197-199
  8.2 建议  199-201
致谢  201-202
参考文献  202-217
在学期间发表的论著及取得的科研成果  217

山区沿河公路水毁评估与减灾方法研究

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