泥石流是黄土丘陵地区一种常见的地质灾害,在全球变暖和极端气候的影响下,中国黄土丘陵地区泥石流灾害频发。兰州市是我国“一带一路”经济开发的一个重点区域,进而开展兰州市黄土丘陵地区的泥石流灾害研究尤为重要。此外针对黄土丘陵地区小流域泥石流形成和运动特征研究较少,这将区内增加泥石流灾害发生的不确定性和区域安全风险。因此选择具有典型代表的小流域兰州市大沙沟流域为研究对象,利用数学模型、野外采样、室内试验和野外现场模拟试验,量化流域内地质灾害不同等级敏感性面积和不稳定斜坡面积;研究了流域内不稳定斜坡土壤物理特性和水分运动特征,揭示在降雨作用下黄土斜坡的破坏机制和斜坡失稳演变成泥石流的形成过程;最后明晰泥石流运动特征,并修正泥石流冲击力模型,建立适合于黄土丘陵地区的无量纲泥石流冲击力综合关系式。主要研究成果如下:通过大沙沟地质灾害敏感性计算发现,1980年到2015年,流域内地质灾害敏感性高等级面积占总面积的44%以上,地质灾害敏感性中等级面积占总面积的34%以上,表明大沙沟流域地质灾害敏感性属于高~中等级,流域内斜坡处于不稳定状态。野外调查统计数据表明工程活动导致流域内78%的斜坡处于不稳定状态,且近35年来的土地利用数据显示流域内建设用地面积急剧增加,因此人类活动强烈干扰了流域内的斜坡稳定性。双环法土壤渗透试验结果表明:流域内各渗透试验点土壤稳定入渗深度、初始入渗率和稳定入渗率分别在27~38 cm、2.29~5.28 min/cm和0.44~1.75 min/cm之间。从流域上游到下游,土壤稳定入渗深度逐渐增加,土壤渗透系数呈递减趋势,流域左岸土壤渗透系数大于右岸土壤渗透系数,沟道两侧土壤渗透系数大于主沟道土壤渗透系数。不同土地利用类型土壤稳定入渗深度顺序为:林地>草地>耕地>沟道泥石流堆积体,渗透试验点的土壤入渗率均随时间增加呈指数递减趋势。人工降雨诱发斜坡失稳试验发现,在未发生降雨时斜坡不同监测点的土壤孔隙水压力、土压力、体积含水率和电导率分别在0~0.1 kPa、0~0.1 kPa、0.09~0.14 m~3/m~3和0.07~0.39 S/m之间。在试验初期降雨冲刷和雨水入渗引发斜坡产生裂隙和裂缝,土壤孔隙水压力、土压力、体积含水率和电导率分别增加到0.22~1.13 kPa、0.25~3.62 kPa、0.09~0.36 m~3/m~3和0.07~2.05 S/m之间,这时斜坡土体剪切强度逐渐降低,土壤湿重增加,斜坡发生局部破坏。试验中期随降雨时间持续增加,斜坡土体剪切强度进一步降低,土壤孔隙比变小,当土壤孔隙水压力、土压力、体积含水率和电导率峰值分别达到3.11 kPa、8.85 kPa、0.57 m~3/m~3和4.96 S/m时,斜坡土体发生大面积破坏,然后他们会发生突然变小的现象。斜坡破坏过程中受到重力和雨水侵蚀作用,土体发生碰撞、崩解、造泥作用,最后斜坡失稳形成泥石流。试验末期斜坡土体抗剪强度逐渐恢复,土体密实性增加,土壤孔隙水压力、土压力、体积含水率、电导率再次出现增加趋势,斜坡土体暂时趋势稳定。利用水槽物理模型对40组不同泥石流容重和不同泥石流混合物重量组合条件下的泥石流运动过程进行模拟,结果表明泥石流动力粘滞系数、屈服应力和傅汝德数的分布范围分别为0.0011~0.0041 Pa s、0.25~30.68 Pa和2.03~29.23。泥石流运动速度、泥深峰值、孔隙水压力峰值和冲击力峰值分别在1.23~3.62 m/s、2.7~13.4 cm、0.15~4.5 kPa和1.23~28.41 kPa之间。根据试验结果分别建立泥深、流速、孔隙水压力和冲击力的峰值与泥石流容重和混合物重量的综合关系式。通过水槽模拟试验结果拟合得到黄土区泥石流冲击力动力和静力模型经验参数分别为5.17和9.99,与土石区泥石流冲击力模型经验参数存在显著差异。新的动力冲击力模型适用于速度较大和傅汝德数较高的泥石流冲击力计算,新的静力模型适用于速度相对较小和傅汝德数较低的泥石流冲击力计算。通过多种模型对比发现新的模型能够更好的计算黄土区泥石流冲击力。最后在新模型基础上建立区内泥石流无量纲冲击力峰值与傅汝德数和雷诺德数的综合关系式。研究成果为黄土地区滑坡泥石流数值模拟提供相关参数;为泥石流灾害工程防治提供科学依据;同时加深了学者对黄土地区滑坡泥石流灾害机理的理解;此外,还为区域土地利用规划和开发提供参考。