泥石流灾害分析与防治

第五讲泥石流工程地质研究第一节概述一定义及特性泥石流（debrisflow,mud-rockflow)又称山洪泥流，是发生在山区的一种含有大量泥砂、石块的暂时性急水流。它与一般山洪活动的根本区别是由固体和液体（即土石和水）两相物质组成的流体，其中固体物质的含量有时可超过水体量。•具有下列特性：1）.活动场所在山区;由于降水（暴雨等）或其他水源（融雪、冰川、地下水、溃决洪水等）作用而形成的一种动力地质现象，是泥沙石块等松散固体物质和水以及少量空气的混合体在重力作用下，沿着沟床或坡面向下运动的特殊流体。2）.暴发突然，来势凶猛，一般历时短暂;泥石流还具有暴发突然，流速快（一般达数米～数十米/s），历时短暂（一场泥石流过程一般仅数分钟～数小时）3）.容重变化范围大γ＝1.2～2.3t/m3,泥石流的容重值能较好地表征土体和水体的组合特征。4）.固相物质粒度变化大典型的粘性泥石流固相物质的体积浓度可达78％，流体中固体物质大小混杂，固体物质物中粗颗粒最大粒径者可在10m以上,细颗粒的最小粒径可＜0.001mm，粗细颗粒的粒径比可达107以上。5）.惯性力大它属非均质流，既具有土体的结构性性质，即具有起始静切力（又称抗剪强度）τ0＞0，又具有水体的流动性性质，由此构成既不同于土体，又不同于水体的独特性质。它沿着沟床或坡面流动，在流体和沟床或坡面之间存在着泥浆润滑面，而不存在截然的破裂面，即存在流速梯度，并且流速梯度dv/dy＞0，以此区别于滑坡、崩塌等块体运动。6）.冲淤和破坏能力大危害严重（能毁灭城镇、村庄，公路，铁路，矿山，水利水电设施，农田，……甚至堵断其汇入的主河）等特征二我国泥石流分布全国大部分地区都有泥石流分布。北起黑龙江双鸭山市，南至海南岛石禄县，东起台湾的闵林，西到新疆喀什和慕士塔格山麓，广袤的国土上有26个省(区)分布有几万条泥石流沟。大致以大兴安岭—燕山—太行山—巫山—雪峰山一线为界分为两部分，西部的高原、高山、极高山是泥石流最发育、分布最集中、灾害频繁而又严重的地区；东部的平原、低山、丘陵，除辽东南山地泥石流密集外，广大地区泥石流分布零散，灾害较少。规模比较大的地区是西南、西北和中南地区。三.泥石流的危害严重地制约着山区开发建设、脱贫致富与国民经济的持续健康发展，并导致土地砂石化（荒漠化）程度加快，水土流失加剧和生态环境退化等殃及子孙后代的诸多严重问题。直接危害-冲毁淤埋城镇、村庄、工厂、矿山-冲毁淤埋农田、公路、铁路、电站间接危害-堵塞江河，淹没沿河农田、公路等，溃决后产生超常规洪水灾害-压迫江河主流线，河水冲毁对岸各种设施-冲毁淤埋桥梁、涵洞泥石流危害的原因•人为侵占（挤压）沟道•对泥石流的危害性认识不足，过沟桥（涵）孔径太小•开矿、采石等弃渣处置不当•防治工程措施不恰当•通过泥石流活动区时遭遇泥石流•建设选址不当，建筑物放置在泥石流危险区第二节泥石流的形成条件降雨流域环境地形植被松散堆积物（人为的、自然的）分散补给集中补给泥沙汇流（QH）洪水汇流（QB）河沟或坡面QB＋QH＝QCrc＜1.3tf/m3洪水rc≥1.3tf/m3泥石流泥石流形成过程框图泥石流的形成，必须具备三个基本条件：地形条件、地质条件和气象水文条件。一、地形条件在陡峻的山岳地区，地表崎岖，高差悬殊，切割强烈，是泥石流分布区的地形特征。地形高差的大小决定了势能的大小，高差越大，势能越大，形成泥石流的动力条件越充足。当堆积于沟谷内的松散固体物质在暴雨山洪激发下形成泥石流后，便奔腾汹涌地向下运动。运动中势能不断转化为动能，其运动速度很快，每秒可达数米至十多米。每一处泥石流自成一个流域，可划分为形成区、流通区和堆积区。(1)形成区位于多为三面环山,一面出口的半圆形宽阔地段，周围坡陡峻（大多30-60°），沟谷纵坡降可达300以上。斜坡上崩塌、滑坡发育，无植被覆盖，形成区的面积面积大者可达数平方公里至数十平方公里，愈大、坡面愈多、山坡愈陡、沟壑密度愈大，则泥石流集流快、规模大，且迅猛强烈。(2)流通区多为狭窄而深切的峡谷或冲沟，纵坡降较大，极强的冲刷能力，将冲刷下来的土石携走。流通区纵坡的陡缓、曲直和长短，对泥石流的强度有很大影响，当顺直时，流途通畅，能量大，反之，易堵塞停积或改道，削弱能量。(3)堆积区为泥石泥物质的停积场所。位于山口外或山间盆地的边缘，地形较平缓。形成扇形、锥形或带形的堆积体。典型的地貌形态为洪积扇，呈垄岗起伏、坎坷不平，大小石块混杂。由于泥石流流域具体的地形地貌条件不同，有些泥石流流域，上述三个区段不可能明显分开。二、地质条件决定了松散固体物质的来源。地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、地震频发、崩滑灾害多发的地段,为泥石流形成提供了丰富的物质基础。在形成区内有大量易于被水流侵蚀冲刷的疏松土石堆积物，它们的粒度成分相关悬殊，大者为数十至上百立方米的巨大漂砾，小者为细砂、粘粒，互相混杂。一旦湿化饱水后，则会崩解、软化，易于坍垮而被冲刷。因此，在泥石流形成区，最常见的岩层是片岩、千枚岩、板岩、泥质岩、凝灰岩等软弱岩层。对于在植被不发育，岩石物理风化作用强烈，也能成为泥石流提供固体物质来源。粒度成分相关悬殊，大者为数十至上百立方米的巨大漂砾，小者为细砂、粘粒，互相混杂。一旦湿化饱水后，则会崩解、软化，易于坍垮而被冲刷。因此，在泥石流形成区，最常见的岩层是片岩、千枚岩、板岩、泥质岩、凝灰岩等软弱岩层。三、气象水文条件地表径流是暴发泥石流的动力条件。其来源于：暴雨、高山冰雪强烈融化和水体溃决等。泥石流发生有一定的地区性和时间性。在时间上：多发生在降雨集中的雨季或高山冰雪强烈消融季节。四.植被因素植被的大面积被破坏，特别是森林的大量砍伐，使得山地地表裸露。在降水过程中，雨滴直接打击地表，地表土壤受到雨滴击溅，土壤结构遭到破坏，降水的下渗速度降低，地表产流过程加快。在失去了植被截留和阻滞后，地表径流水层很快增厚，在山坡上加速流动。流动过程中流速加快，冲刷力增强，抗蚀力严重降低的土壤受到严重的冲刷侵蚀，而被径流带到沟谷中去。冲刷过程不仅使细粒物质被带下，粗颗粒物质及大小石块也被坡面径流夹裹到沟道中。•泥石流流域形态分类•泥石流物质组成分类•泥石流流体性质分类•泥石流的成因分类•泥石流的发育阶段分类•激发泥石流的水源条件分类•泥石流的暴发频率分类•泥石流形成与人类活动的关系分类•泥石流暴发的规模分类•泥石流的危害程度分类第三节泥石流分类泥石流活动规模泥石流活动强度巨型泥石流输移总量：50万方Qc300m3/s大型泥石流输移总量：20－50万方Qc=100-300m3/s中型泥石流输移总量：2－20万方Qc=10-100m3/s小型泥石流输移总量：2万方Qc10m3/s特强沟口堆积扇规模很大，大河河型变化，形成区内松散体体积大，数量多且变形大强沟口堆积扇规模较大，大河主流偏移，形成区内松散体体积较大，数量较多且变形较大中强沟口堆积扇规模有一定发育，大河不受或少受影响，形成区内松散体体积较小，数量不多且变形较小弱沟口堆积扇不发育，大河不受影响，形成区内松散体体积小，数量少且变形小一、按泥石流流域形态分类(1)标准型泥石流其流域呈扇形，能明显划分出形成区、流通区和堆积区。(2)河谷型泥石流其流域呈狭长条形，固体物质来源于沟谷中分散的坍滑体，对流通区和堆积区不能明显分开。(3)坡面型泥石流其流域呈斗状，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连。二、按泥石流的物质组成分类(1)水石流一般含有非常不均匀的石块和砂砾，粘土质细粒物质含量少，堆积物常常是很大的粗碎屑物质。(2)泥石流既含有很不均一的粗碎屑成分，又含有相当多的粘土质组粒物质，有一定的粘结性，堆积物常形成了粘结较牢固的土石混合物。(3)泥流基本上由细碎屑和粘土物质组成，粗碎屑物含量很少，黄土高原地区分布有此类泥石流。三、按泥石流的流体性质分类(1)粘性泥石流含有大量的细粒粘土物质，固体物质含量占40-60%，粘性很大。它的密度大（1.6t/m3），浮托力强。有明显的爬高和截弯取直作用，堆积区不发生散流，堆积物无分选性，较密实。(2)稀性泥石流水是主要成分，固体物质占10-40%，且细粒物质少，不能形成粘稠的整体，水泥浆速度远远大于石块的运动速度，石块以滚动或跃移方式下泄。堆积区呈扇状散流，将原来的堆积扇切割成条条深沟。堆积物地面较平坦，结构较松散，层次不明显，沿流途的停积物有一定的分选性。一泥石流堆积特征堆积物是泥石流强大的侵蚀、输移和堆积的产物。其隐藏大量的信息。研究其堆积物形成过程、组成物质及物化特征、粒度特征、结构特征、地貌作用过程，对于研究泥石流形成历史，运动规律，发展趋势十分重要。（一）侵蚀输移堆积过程一）侵蚀过程侵蚀过程是指巨大能量的泥石流对途径沟坡的破坏过程，包括：冲刷、撞击、震动、掏刷切坡引起斜坡失稳。侵蚀的结果使沟道变深、变宽，并沿途补充物质。第四节泥石流的特征二）输移过程指泥石流通过流动，将其固体物质由一地移至另一地的过程，它不同于水流对泥沙的输移过程。水流输移时，水是输移介质，泥石是对象；泥石流是水、固结合共同完成，粘性泥石流是靠泥沙的重力完成输移过程。三）堆积过程泥石流流出山口或流入宽谷厚，运动停止，产生堆积，是因为运动速度迅速减小，能量急剧降低。地形开阔使两侧失去边界约束，横向环流获得发展，流体向两侧展宽变薄，摩阻力急剧增大，不再运动而停止。堆积类型有：沟口堆积过程,形成堆积扇,垄岗堆积.指流体中粘粒、粉粒、沙粒和块石等土颗粒与电解质之间各种连接和排列的形式。泥石流的结构是由其中的水体量与固体物质量之比值以及固体物质的粒径级配和矿物成分所决定的，存在三种密切相关的结构，即网格结构、网粒结构和格架结构.•网格结构----粘粒与水电解质形成的。•网粒结构----细粒浆体的网格结构与沙粒结合形成。•格架结构----网粒结构与石块结合形成。石块呈几种状态：星悬、支撑、跌置、镶嵌。结构(二)泥石流堆积物结构构造特征•泥石流沉积有大小混杂、泥砾、漂砾、揉压、擦痕、磨光面、磨圆度差等现象•泥石流沉积构造（宏观标志）：石线构造、叠瓦构造、砾石支撑-叠置构造环状流线构造、反正粒级层理-混杂构造、底泥-混杂构造、楔状尖灭构造、荷载构造、大块石泥质支撑结构、袋状构造构造第五节泥石流的流动特征流体在运动状态下，有一种抗拒内在向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。运动着的流体内部相邻两层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉。粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零。一流态及切应力泥石流流态除受沟床条件控制外，主要受水体与固体物质量的比值以及固体物质的粒径级配所制约。实验证明：对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的速度差△u成正比；与两层之间的垂直距离△y成反比；与两层间的接触面积S成正比，即SyuF若把上式写成等式，就需引进一个比例系数，即µSyuF=内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示，于是上式可写成yuSF上式只适用于u与y成直线关系的场合。当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则上式应改写成dydu式中—速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；—比例系数，其值随流体不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。公式所显示的关系，称为牛顿粘性(内摩擦）定律（牛顿1686年实验提出）。dydu(1)扰动流最常见的一种流态。浆体的结构强度大，结构只遭部分破坏。若流体中无石块，流态则为塞流或层流（流速5米/秒左右）。有石块，运动中石块相互猛烈碰撞,流态便发生变化,成为扰动流,其流变方程为：20dydVlKdydVKKdmcdddwcwKKK0、、分别为泥石流运动时与结构变化和扰动强度有关的修正系数；m