（地质工程专业论文）四川省九龙县石头沟泥石流特征与防治工程措施研究.pdf

摘要 四川省九龙县石头沟泥石流 特征与防治工程措施研究 作者简介：沈娜，女，1 9 8 3 年1 0 月生，师从成都理工大学唐川教授、许强 教授，2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学地质工程专业，获得工学硕士学位。 摘要 泥石流是一种暴发突然、危害严重的地质灾害。随着人类社会经济活动的不 断增强，人们对自然资源的过度索取和对环境的持续破坏，使得泥石流灾害更趋 严重。因此必须加强对泥石流灾害的调查、研究和防治，组织实施经济有效的减 灾措施，从而尽可能地防范泥石流灾害的发生，尽量减轻灾害损失。 本文的研究对象石头沟位于四川省九龙县，在2 0 0 7 年5 月2 4 日以前未曾暴 发过泥石流，5 月2 4 日暴发的泥石流造成直接经济损失达3 0 0 多万元，目前仍 有6 0 0 余人受到泥石流不同程度的威胁。本文从石头沟的流域背景和沟谷特征入 手，分析了石头沟泥石流的三个形成条件，并按照地形与物源特征把石头沟流域 划分为四个区域：清水区、形成区、流通区和堆积区。在此基础上，计算分析石 头沟泥石流的容重、流速、流量、冲击力等运动特征。我们得出石头沟是一个典 型的低频稀性沟谷型泥石流沟，2 0 0 7 年5 月2 4 日暴发的泥石流频率为5 0 年一 遇，重度为1 6 5 9 c m 3 ，最大流量为1 4 3 4 2 m 3 s ，整体冲压力为9 3 0 5 k p ，最大单 体石块冲击力达4 8 7 9 1 0 ，破坏力大，严重威胁下游居民和建筑物的安全， 采取治理措施是非常必要的。 本文在分析计算石头沟泥石流运动特征的基础上，结合其形成条件和危害对 象的特点，综合了预防措施、防治工程措施和农田措施，按照“综合分析，合 理划分，安全经济”原则，针对石头沟这类低频稀性泥石流提出了乡镇泥石流 防治模式，并对石头沟泥石流防治工程措施进行了进一步研究，即：在物源相 对较多较集中的支沟牛场小沟内修建一座重力拦挡坝、在石头沟主沟修建一座 格栅坝和一座重力拦挡坝，拦蓄泥砂，调节规模；从石头沟出山口处修建排导 槽，顺畅排出泥石流；再配合适当谷坊群和潜坝，稳沟固床，减小冲刷，抑制 泥石流发育，从而达到保护石头沟堆积区上的居民、建筑物和农田的减灾目的。 关键词：石头沟泥石流防治工程措施拦挡坝 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e v e n t i o nm e a s u r e so fs h i t o ug u i l y i nj i u l o n gc o u n t r ys i c h u a np r o v i n c e i n t r o d u c t i o no ft h ea u m o r ：s h e 皿a ，f e m a l e ，w a sb o mi no c t ，19 8 3w h o s et u t o r 、张sp r o f e s s o r g c h u a i la i l dp r o f e s s o rx u q i a l l g s h eg r a d u a t e d 矗o mc h e n g d u u 1 1 i v e r s 埘o ft e c l l l l 0 1 0 9 ) ri ng e o l o g ye n g i n e 出n gr 蛔o r 锄d 、v a sg 瑚t e dt h em a s t e r d e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t d e b r i sn o wi sag e o - h a z a r dw i l i c ho u t b r e a l 【sa b r u p t l ya 1 1 dc a u s e sas e v e r e c o n s e q u e n c e a l o n g 谢t hd e v e l o p m e n to fh 啪a ns o c i e 劬t h ed e b r i sn o wd i s a s t e r s b e c o m em o r es e v e r eb e c a u s eo fp e o p e so v e ro b t a i n m e n to fn a n 黼lr e s o u r c ea i l d c o n s t a n t ed e 始n 】c t i o no fm ee n v i r o m e n t t h u s ，i no r d e rt od i m i n j s ht h eo c c u r r e n c e p r o b a b i l i 够o fd i s a s t e r sa 1 1 dw e a ：k e nt h e1 0 s so fi t ，t h ei i e s t i g a t i o na i l da s s e s s m e n t s h o u l db es 仃e n 啦e na n dp r e v e n t i o nm e a i l s u r e ss h o u l db e 住i l ( e n t 1 1 e 咖d ya r e ao f m es 衄o ug u l l yi ss i 撇di n 恤s o u t h w e s t e mp a n o fj i u l o n g c o u n t 职s i c h u a l lp r o v i n c e 1 1 1 ed i s a s t e ro c c 删e do n2 4 mm a yi n2 0 0 7a i l dc a u s e da i l i r e c t l ye c o n o m i cl o s so ft h r e em i l l i o ny u a n i i lt h i s 戗l e s i s ，w ei n v e 螂et 1 1 e g e 0 1 0 9 i c a la i l dg e o m o 印h o l o g i cs e t t i n g sa n df o m a t i o nc o n d i t i o n so ft h ed e b r i sf l o w b yf i e l di n v e s t i g a t i o n ，s t u d yo n 也ep r o p e r t i e sa n dd y l l a m i cc h a r a c t e r so ft h ed e b r i s n o w ，t h e np r o p o s et h ep r e v e n t i o nm e 2 l s u r e s f i r s t l y ，a i l a l y z et h ev a r i o u sf a c t o r so f s h i t o ug “l e yb ys n j d y i n gt h ed r a i n a g eb a c k g r o m l da n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，d i v i d em e d r 面n a g ea r e ai n t of o u rz o n e s ：m ew a t e r i n gz o n e ，t h ef o m l i n gz o n e ，t l l en o w i n gz o n e a i l dt h ed 印o s i t i o nz o n ea c c o r d i i l gt oi t sl o o s em a t e r i a lo r i g i na l l dt e r r a i n s e c o n d l y ， c a l c u i a t et h ed e n s i 吼v e l o c i 劬d i s c h a 玛ea l l di m p u l s i v ef o r c eo ft h ed e b r i sn o w ，m e r e s u l ti st 1 1 a t ：s h i t o ug u l l yi sav e r yt ) ，p i c a lt u r b u l e n t ，s i t e s p e c i f i cd e b r i sf l o wa tal o w 矗哈q u e n c y t h ed e n c i t yo fm ed e b r i sn o wo c c u r r i n go n2 4 mm a y ，2 0 0 7i s1 6 5 9 c m 3 ， i t s 舶q u e n c yi sa b o u t5 0 y e a r so n c e ，i t sp e a l 【d i s c h a 玛ei s 14 3 4 2 m 5 s ，t l l ew h 0 1 e i m p u l s i v ef o r c ei s9 3 0 5 k p ，t h ep e a ki n d i v i d u a lr o c ki m p u l s i v ef o r c ei s4 8 7 9 1o 牛n a un l ep a r a m e t e r ss h o wt 1 1 a tt h ed e s 仃u c t i v ep o w e ro ft h ed e b r i sf l o wi sv e 巧l a r g e ，t 1 1 e p e o p l ea n db u i l d i n g so n m ea l l u v i a lf 觚a r es e r i o u s l yt h r e a t e n e d n sn e c e s s a 巧t 0 诅k e p r e v e n t i o nm e a n s u r e s b a s e do nt h ef o m a t i o nc o r l d i t i o n s ，d y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d e b r i sf l o ws c a l ea t d i 毹r e n t 行e q u e n c ya i l dt h ed 锄a g e do b j e c t s ，a i l i l i n ga tt h et ) ，p eo f t u 】b u l e n ta n dl o w 丘e q u e n c yd e b r i sn o ws u c ha u ss 1 1 i t o ug u l l y ，c o n s i d e r i n gp r e v e n t i v em e a s u r e s ，c i v i l c o n t r o lm e a s l l r e sa i l df 如：1 1 l a n dm e a s u r e s ，t 1 1 i st l l e s i sp r o p o s eam o d eo ft o 、n s h i p i i d e b r i sn o wc o n ：t r o li na c c o r d e n c e 谢t ht h ep r i n c i p l eo f c o m p r e h e n s i v e 锄a l y s i s ， r a t i o n a lc l a s s i f i c a t i o n ，s a f i e t ya n de c o n o m i c ”a 觚b e rs t u d yo nc i v i lc o n t r o lm e a s u r e s w a st a k e n ：c o n s t m c tag r a v i 够d 锄i nn i u c h a i l g x i a og u l l y ；c o n s t m c tar a i l i n gd 锄 a n dag r a v i t yd 锄i ns h i t o ug u u yt ob a 玎i e rt h ed e b r i sn o wa n dr e g u l a t ei t ss c a l e ； b u i l dad r a i n a g ec h a n n e l 丘o mt h et o po ft l l ea l l u v i a l t ot l l ej i u l o n gm v e rt o e x c r e t i o nt h ed e b r i sf l o w ；c o n s t m c tc h e c kd a m sa n dp h r e a t i cd a 吼st oi m p r o v em e s 切b i l i 够o fg u l l yb e d ，r e d u c ee r o s i o na n dc o n t r o lt h ed e b r i sn o w ，t l l e r e f o r et 1 1 ep e o p l e a i l ds t 】r u c t u l e so nt h ea 1 1 u v i a l 缸c a nb ep r o t e c t e d k 叼脚o r d s ：s l l i t o ug u l l y d e b r i sf l o wc i v i le n g m e r i n gm e a s u r e sd 锄 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：栅 诫年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：煳p 学位论文作者导师签名。例 谰年6 月 日 第l 章引言 1 1 研究目的意义 第1 章引言 我国幅员辽阔，地形复杂，山地、高原和丘陵约占国土面积的6 9 ，又多处 于季风气候区，降水集中，使得泥石流在我国活动频繁，而且具有常发性、突发 性、群发性等特点【1 - 3 】。四川省由于特殊的地理位置和气候条件，是国内泥石流 最多的省份之一。初步统计全省泥石流数量逾3 0 0 0 条，主要分布在川西山区， 约占全省泥石流总数的8 5 以上，尤其夏季暴雨季节激发的泥石流数量最多，而 且规模大，频率高，危害严重。1 9 8 4 年四川省南坪县城区关庙沟、喇叭沟暴发 泥石流，伤亡2 5 人，冲毁房屋2 5 0 间，总经济损失达1 5 0 0 万；1 9 8 4 年得荣县 城后山数沟暴发泥石流，冲毁城区和郊区大片建筑物，总损失达近千万元1 3 j 。由 此可见，泥石流已经严重危害到人民生命财产安全，阻碍当地经济建设发展，对 泥石流的研究和治理具有重要的实际意义【4 ”。 九龙县位于四川省西部， 甘孜藏族自治州东南部，东经 1 0 1 。0 07 1 0 2 。o o ，北纬 2 8 。4 07 2 9 。2 07 ，地理位 置见图1 1 。 研究区地处攀西平原与青 藏高原南缘的过渡地带，受到 青藏板块控制，新构造活动表 现为大面积间歇性上升，是地 质灾害的多发区。2 0 0 7 年5 月 2 3 日晚至2 4 日凌晨，特大暴 雨袭击九龙县乌拉溪地区，致 使该地区九龙河的两条支沟石 头沟和庙子沟同时暴发泥石 流，造成了严重的人员伤亡和 图1 1 九龙县交通位置图 财产损失。其中石头沟泥石流造成3 2 户、1 5 6 人受灾，其中1 人受伤；与其相 邻的庙子沟泥石流直接造成1 1 人死亡、1 人失踪、4 人受伤的重大伤亡，直接经 济损失达到1 2 6 7 7 5 万元。 石头沟是一条典型的沟谷型低频率稀性泥石流沟，在一定程度上反应了该地 区该类型泥石流的发生、发展和成灾规律。本次研究拟从工程地质的角度出发， 对泥石流发育条件、形成演化和运动特征进行分析研究，对石头沟进行详细的剖 成都理工大学硕士学位论文 析，重点在于建立一套研究泥石流形成、运动特征与防治工程措施之间行之有效 的新思路，把野外调查、现场试验、分析评价和防治的方法推广到该类泥石流沟。 选择这个题目，对该类泥石流的研究和防治【6 。1 具有重要的参考价值和积极意义。 1 2 国内外泥石流研究现状 有关泥石流的定义，目前国内外泥石流定义很多。本文依据的定义是：泥石流 是山区介于挟沙水流和滑坡之间的土( 泛指固体松散物质) 、水、气混合流f 8 一。这个 定义包含了三层涵义：泥石流发生在山区；泥石流介于挟沙水流和滑坡之间，不包 括挟沙水流和滑坡；泥石流是土、水、气混合流，不一定都是洪流或块体运动。 1 2 1 国外研究现状 为了深入研究泥石流的形成、发展和成灾过程 1 0 j ，各国学者采用水力学、 土力学和流变学理论，相继建立各类泥石流模型研究泥石流的运动机理。但至今 仍没有一个能完全描述泥石流的启动、运动、堆积和粘性、稀性、过渡性等特性 的通用泥石流模型。最具代表性的国外泥石流研究，以前苏联、日本、奥地利、 美国等国家为主。 前苏酬1 2 】对某些泥石流的机械成分、物理性质和形成过程进行综合分析，建 立了第一批计算方法和公式，用以确定泥石流动力特征值、泥石流流速和泥石流 流量等。前苏联对泥石流的研究时间长( 自1 8 5 9 年起出现泥石流文章) ，内容广 泛( 涉及到泥石流的各个方面，通过泥石流制图分区别类来开展) ，方法较多( 有传 统的，也有现代的) ，程度较深( 既有基础研究，又有应用研究) ，系统较完整( 有 统一协调机构，建立了一套较为系统的理论) ，情报传递较快( 以派员出国考察和 撰写情报综述等方式进行) 。 日本的泥石流研究起步较晚【1 3 、1 4 1 5 1 6 1 ，但是发展迅速。1 9 6 6 年日本开始进 行泥石流观测和定量研究，近年来，泥石流模型试验研究以及泥石流防治工程建 筑物新型结构( 比如网格坝、缝隙坝等) 的发展很快。其中，以高桥堡编著的泥 石流一书为代表，该书系统地论述了泥石流的基本特征、运动机理、发生发展 和堆积过程。 阿尔卑斯山区，泥石流研究最活跃的是奥地利【1 7 】，奥地利三分之二的国土为 山地，均有泥石流分布，全国约有4 2 0 0 条泥石流沟。当今奥地利学者研究了泥 石流运动理论，泥石流预报和泥石流防治方法，特别是工程建筑物结构和森林土 壤的改良措施等。 美国泥石流研究的内容有【1 2 】：泥石流形成和运动过程，侵蚀和输沙能力、流 态、海底( 水底) 泥石流，古代泥石流堆积物、泥石流预报和泥石流整治等。 2 第1 章引言 在泥石流防治方面，前苏联研究开始较早，亚洲和欧美国家的泥石流研究起 步较晚，直到2 0 世纪5 0 年代才开始对泥石流进行系统深入的研究。 前苏联【3 】有关学者最早介入泥石流研究，在2 0 世纪8 0 年代一直保持领先水 平。前苏联设有专门的研究和协调机构( 1 9 4 7 年成立了泥石流专业委员会，1 9 7 4 年成立了泥石流防护建筑物施工使用管理总局) ，建立起了森林土壤改良措施和 河床水利工程措施相结合的完整的泥石流防治体系。 亚洲的泥石流研究以日本盼1 4 1 5 】为代表，对泥石流的防治非常重视，投入 大量资金建立了大型的室内实验室和大型野外观测站。在防治泥石流方面己经取 得了比较多的经验和实测数据。日本的泥石流防治分为硬性措施和软性措施。硬 性措施主要分三类：防治工程、控制调节工程和防护工程。 防治工程：定床工程一这是一种为了防止流动性泥石流发生，横断沟谷而 设置的落差较小的构造物，有时也采用没有落差的谷坊；山坡整治工程一采用不 同形式的工程措施防止山坡产生新的崩塌，防止崩塌物的移动，使供给沟床的固 体物质控制在最低的限度，并增加山坡的保水能力，以控制泥石流的发生；排导 工程一在山坡上修建拦截地表或地下水流为目的的工程，使水不能汇集于沟床， 从而消除泥石流的发生。 控制调节工程：拦沙坝一日本在泥石流拦挡工程的造型方面的研究颇有成 就，近年来已研究出各种透水坝、格栅坝、缝隙坝等，此外还有关于停淤场等方 面的研究。 防护工程：护岸工程一目的是保护沟岸边坡的稳定，以防止沟道侵蚀而造 成灾害；防护堤一用于拦挡导流泥石流，保护堆积山上的村庄，将泥石流导到没 有房屋的安全地带；此外防护林也是防护工程措施之一。 软性措施分为两种：一种叫“常备系统 ，是由引起泥石流的暴雨的预报、 泥石流危险区的确定、预防措施的建立及通讯系统组成。另一种叫“紧急避难系 统”，在泥石流实际发生情况下使用，由雨量观测，泥石流测量和紧急疏散组成。 近年来，欧洲对泥石流的治理也颇有成效。阿尔卑斯山区的一些国家( 奥地 利、法国、意大利等) 纷纷修建起泥石流治理工程。其中，泥石流研究最多的是 奥地利。奥地利【1 7 】学者在长期对泥石流的治理实践中总结出一套完整的森林一工 程措施体系，把发挥森林涵养水源的作用作为泥石流治理的理论基础。这种森林 一工程措施体系包括以下几个方面： 工程措施：总体上来说，与中、日两国方法相同。 森林一生物措施：包括各种以乔灌木为主的生物措施，如坡面上的水平沟 压条造林、网格状灌木林营造、柳谷坊，水源涵养林及水土保持林的营造。 组织及经营措施：包括土地利用规划、确定土地利用方向等。 法令性措施：泥石流治理法规、泥石流危险区等级边界确定；监督和检查 成都理工大学硕士学位论文 土地利用方式；防止采矿及筑路引起的土壤侵蚀和泥石流灾害等。 1 2 2 国内研究现状 我国的泥石流研究和防治工作始于新中国成立初期【1 8 、1 9 2 0 1 ，经历了4 个发 展阶段。 2 0 世纪5 0 年代是我国泥石流的起步时期，开展了泥石流的调查和观测工作， 建立了一些泥石流定位观测站及防治基地【2 1 2 2 】，提出了泥石流流速计算公式【2 3 、2 4 1 ， 探讨了泥石流的形成过程、流体特征、输移方式和冲淤规律等，对泥石流的分类 划分进行了研究。 2 0 世纪6 0 年代我国泥石流的主要研究成果是综合性的科学考察与专题性的 实验研究相结合，研究范围从小流域至省( 区) ，在定性研究方面成果显著，定量 研究初具规模。 2 0 世纪7 0 年代，泥石流研究转入以探索泥石流内部定律为主的定点观测试 验与各类泥石流防治工程相结合的阶段，根据泥石流形成原因，结合大规模的矿 山建设，进行了泥石流的分类【2 5 】、分区研究工作。 2 0 世纪8 0 年代以来，泥石流研究工作进入全新阶段，以泥石流形成机理、 动态过程为研究重点，以预测预报为研究目的开展了多学科、多方位、多手段的 观测及模型实验研究。 我国泥石流研究成果主要有如下几个方面： 区域泥石流的研究：在大量区域调查工作的基础上，基本掌握了泥石流的分 布规律，对一些重点地区和典型泥石流沟做了较为深入的研究； 泥石流分类的研究：提出了各种分类指标【1 2 1 ，其中以成因分类、沟谷形态分 类、物质组成分类、流体性质分类等分类指标较为常用； 泥石流形成机理的研究：通过对泥石流三个基本形成条件( 土体，水体和地形) 的分析，提出了天气形势，暴雨强度，前期降雨，滑坡活动，土体含水率等因素与 泥石流暴发时间、规模大小、流体性质之间的关系，建立部分相关公式【6 、1 3 。6 j 。 泥石流体性质的研究：划分各种性质不同的泥石流；探讨泥石流浆体各类结 构的形成机理、主要类型以及各类结构与泥石流性质的关系；提出了鉴别各类结 构的定量指标和判别式，探索了泥石流体的内在规律；根据流体的流变性提出了 泥石流的上、下界限值，引进了各种流变方程【2 6 2 7 、2 8 】；对于泥石流流态的认识 尚未统一，有根据泥石流不同阶段的运动特征来分析流态特征，并将其分为稀性 连续泥石流和阵性粘性泥石流两类，也有根据不同条件下的泥石流运动状态把泥 石流流态分为滑动流、蠕动流、扰动流和紊流四类。 泥石流动力学的研究：这方面主要展开有泥石流阻力规律的研究和流速的研 究【2 9 引。根据观测资料，对泥石流阻力和流速作了分析、计算并编制了我国粘性 4 第l 章引言 泥石流糙率表，提出了稀性泥石流在不同底床条件下的n 值计算公式。 泥石流综合治理的研究：从成功的实例中总结出制定治理方案的基本原则， 工程设计的重要准则和植树造林的主要经验。在制订治理方案时重点考虑泥石流 的形成机理【3 0 _ 1 1 ，土力类泥石流以治土为主，用各种拦挡工程稳定土体；而水 力类泥石流以治水为主，用各种蓄水、引水工程来调节洪水径流量。 模型实验的应用研究：泥石流工作者进行的各种模型试验和野外人工泥石流试 验，既积累了分析数据，又为开展大型模型试验和人工泥石流试验探索了经验【3 2 1 。 这些试验不仅为工程设计提供了科学依据，而且为发展泥石流模拟相似理论做出 了贡献。 我国泥石流的研究从深度和广度来讲比较先进的，但是在理论上还没有重大 的突破【3 3 。4 1 。还没有建立适用于泥石流地区工程设计的精确计算公式和统一的 规范。在生物治理方面也只有数个点的经验，尚未系统化。 与泥石流的形成及运动模型的系统研究相比，泥石流防治工作远在1 0 0 0 年 前就已开始。最早的要数我国甘肃武都城的改沟导流工程，此前北峪河泥石流常 破堤入城，城内人民生命财产屡遭破坏，而公元1 0 0 年，改沟导流工程建成后， 导流泥石流东流，自此5 0 0 年内城民安然无掣3 5 j 。 我国泥石流防治研究【3 6 】主要有如下几个方面： 我国的泥石流防治研究始于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，不同的业务管理部门( 如 城镇、工矿、铁路和水利电力等) 所碰到的泥石流灾害【2 2 2 3 2 4 1 威胁对象不同， 根据不同的防护要求分别展开治理。目前，我国泥石流防治的措施主要有： 生物治理：主要是植树种草，改良农作物的种植方式，改进耕作条件，调 整农业结构等，从而达到控制水土流失，遏制泥石流发生的目的。这种方法适用 于规模较小的泥石流； 工程治理：通过在泥石流形成区、流通区和堆积区修建相应的蓄水、引水 工程、拦挡、支护工程、排导工程等，控制泥石流的发生和危害； 综合治理：一般指将岩土工程和生物治理相结合的治理措施，目前多用于 厂矿、城镇、风景区泥石流的防治。既能达到良好的防治效果，又能从根本上控 制泥石流的发生，标本兼治。 经过多年的防治研究和工程实践，泥石流的防治技术日趋成熟，已经不局限 于单一的防治措施，而是参照防护对象的要求和泥石流的特征，结合当地的地形 条件和气候特征，由局部治理发展到全面治理，进而建立起了完整的泥石流防治 体系。目前，我国的泥石流防治体系主要有以下三种： 防止泥石流发生体系：通过采取治坡、治沟、治滩工程，以及行政管理和 法令措施，对流域进行综合治理，控制水土，改善环境，防止泥石流发生。 控制泥石流发生体系：主要采用拦挡、调节和排导等工程措施，使泥石流 5 成都理工大学硕士学位论文 发生时能顺利通过，或堆积到预定区域，对保护区不造成危害。 预防泥石流发生体系：在泥石流发生前采取预防措施，发生过程中采取警 报措施，并对危险区内的项目采取保护措施，使泥石流在活动过程中不致引起严 重危害。 对于不同的保护对象和防治等级，泥石流的防治重点和采用的防治措施都有 很大的差异。目前，对直接危害水电、交通工程的泥石流沟，采用相应等级的工 程防治措施，对于面大量广的泥石流危害，则主要采用植树造林，封山育林等保 护生态环境的措施。 除研究泥石流的基本特性及其防治措施外，最年来我国某些学者提出泥石流 防治模式研究，它的指导思想在于“全面预防和治理”，讲求“以工程措施为先 导，生物治理措施迅速跟上，两者密切配合彼此保护，以社会行政管理措施作为 工程措施和生物措施以及预警报措施正常实施的保障”。唐晓春在泥石流防治 模式的构想【3 9 都】中总结出中国现有的主要泥石流防治模式有以下4 种： ( 1 ) 交通部门特别是铁路部门通常采用的以工程措施为主，生物措施为辅， 工程措施以排导为主拦挡为辅的局部治理泥石流的模式。这类模式以陈光曦等人 1 9 8 3 年所著的泥石流防治即】一书中提出的铁路泥石流治理的六类措施为代表。 由于交通部门采取的以保证道路杨通为目的的因害设防式灾后治理原则，从 而形成了尽可能地引开或避开泥石流的直接危害，使泥石流在被治理后一段时间 内不危害铁路本身安全的主要指导思想，并不将治理扩展到远离道路的泥石流所 在流域的其他区域，对其进行全面性的综合防治。这样就可能形成道路本身畅通 无阻，而道路两侧的泥石流上下游区域泥石流仍然危害严重的局面。由于这类模 式不强调根治泥石流，如果铁路所遇到的是一条活动性强且处于发展中的泥石 流，那么，泥石流再次危及铁路的潜在危险依然是存在的。 ( 2 ) 西北黄土地区泥石流治理模式，以甘肃泥石流一书中提出的甘肃 省泥石流防治模式为代表【4 5 】。该模式提出防治泥石流应采用预防和治理两类主要 措施，前者包括保护植被和稳定山坡，后者包括生物措施( 种草和植树) 和工程措 施( 防止工程、拦挡工程和排导工程) 。 该模式的基本点是治理措施与预防措施相结合，但主要强调的是治理。该模 式在治理措施的选择特别是工程措施的选择与组合上考虑了西北地区的特点，但 对预防和治理措施中的生物措施的设计，考虑得弱了一些。 ( 3 ) 以工程措旌、生物措施和社会行政法令措施三者结合的全流域综合治 理模式。这类模式在四川西昌黑沙河、喜德县东沟、雅安市陆王沟干溪沟、南坪 县后山东坡、金川县八步里沟、黑水县芦花沟和云南省东川市大桥河等处的泥石 流治理中被广泛采用。 该模式的特点是近期的泥石流灾害以工程措施治理为主，而以生物措施去根 6 第l 章引言 治泥石流，以解决长远问题；主沟以工程措施为主，支沟以生物措施为主，以社 会行政法令等措施来保证泥石流治理措施的正常实施和泥石流防治工程的正常 运转，从而成为间接治理泥石流的软措施。该模式在治理措施的组合配置上较之 以前的模式进了一步，但对于如何预防泥石流还是重视不够，主要着眼点仍处于 灾后治理的阶段，没有解决如何预防可能出现的灾害性泥石流的问题。 ( 4 ) 柳素清等人于1 9 8 6 年在“泥石流治理系统初步探讨”一文中提出了泥 石流防治是一个系统工程的概念，该文认为泥石流防治包括预防系统和治理系统 两大部分，治理系统中又分为生物工程、工程治理和社会防治三个子系统。该模 式的特点是有了将系统论的思想引入泥石流防治中的初步想法，较之以前的各类 模式，它更注重泥石流的预防这个问题，但该模式本身未能就各子系统之间、系 统内各要素之间的定量关系作出更进一步的研究。 唐晓春，刘会平，唐川等通过对云南省近4 0 年来主要类型泥石流防治试点的 综合分析，在对泥石流防治的原则、方案和措施进行研究的基础上，给出了云南 省城镇泥石流、农田泥石流和道路泥石流的防治模式【4 豇4 引。 随着科学的进步和技术方法的发展，对泥石流防治方法【4 1 删的研究也不断 深入，主要有以下趋势： 泥石流防治的自然生态工程方法，从源头和形成机理上解决问题，将泥石 流防治和资源开发结合起来。不但对泥石流进行综合治理，而且和环境融为一体， 对环境的破坏力小。 泥石流防治工程结构趋向于多样化、轻型化和实用化。在泥石流防治工程 中，通常将不同坝型、沟槽、渡槽的防治工程组合起来，以适应不同类型不同特 征的泥石流。 泥石流防治工程将进一步趋向于综合治理。关键是要从源头上切断泥石流 发生的基本条件，阻止泥石流造成流域内生态环境的不断恶化。在泥石流防治工 程中，把稳、拦、排措施结合起来，加强对全流域森林植被的保育，统一规划， 合理安排农、林、牧用地的比例和位置，保持水土，调节径流。 新技术的应用是近年来泥石流防治的新趋势。尤其是神经网路技术、虚拟 现实技术和“3 s ”技术在泥石流监测、评价预警系统、避灾逃生线路规划中显示 出巨大的作用和优势。 1 3 论文的研究思路及技术方法 2 0 0 7 年5 月2 4 日位于四川省甘孜州九龙县乌拉溪乡石头沟暴发泥石流，有 3 2 户、1 5 6 人受灾，其中1 人受伤。泥石流冲毁房屋、电线杆、桥梁、耕地等， 直接经济损失约3 0 0 多万元。目前在石头沟堆积区仍有6 0 0 余人受到泥石流灾害 不同程度的威胁。本次从泥石流发育条件、形成演化和运动特征入手，对石头沟 进行详细的剖析，综合预防措施、防治工程措施和农田措施，提出了乡镇泥石流 7 成都理工大学硕士学位论文 防治模式，并对石头沟泥石流防治工程措施进行了进一步研究，达到保护石头沟 堆积区上的居民、建筑物和农田的目的，为泥石流防灾减灾提供依据。本文拟用 以下技术路线( 图1 2 ) 对其进行研究。 圈1 2 技术路线图 8 第2 章石头沟泥石流发育的地质环境 第2 章石头沟泥石流发育的地质环境 2 1 地形地貌 石头沟位于雅砻江支流九龙河右岸，呈狭窄的“v ”型河谷地貌，两岸【i j 坡 坡度约2 5 。5 0 。之间。石头沟流域最高点海拔4 8 6 0 m ，最低点为石头沟口下游九 龙河河谷，海拔1 9 2 0 m ，相对高差2 9 4 0 m ，属中高地貌区。除卞沟外，在流通 区和形成区交接部位( 海拔2 5 5 0 m ) 发育两条支沟一左岸牛场小沟、右岸二坪子 沟，甲面上沟谷呈“y ”型分布，总体走向为n e 向( 见图2 一1 ) 。石头沟流域具明 显的清水区、形成区、流通区和堆积区。 图2 1石头沟泥石流远景 2 2 地层岩性及地质构造 2 2 1 地层岩性 石头沟流域出露的地层主要由二替系中统杂古腑组t 2 z 、一：叠纪下统f 段 p 1 2 、一：叠纪下统上段p 1 1 和第四系松散堆积层组成。 三叠系沉积物以陆源碎屑为主，中统杂谷脑组( t 2 z ) ，为大理岩、变质石英砂 岩、板岩等，偶夹绿泥片岩及变质砂、板岩。石头沟流域海拔3 2 8 0 m 以上的清 成都理工大学硕士学位论文 水区和形成区主要为砂岩，块状、厚层状构造，岩体质量较好。在沟口流通区段 基岩出露二叠纪下统岩性为砂岩、板岩、基性火山岩，呈基岩产出，岩体质量较 好， 第四系松散堆积物遍布整个流域，以冲积、洪积、冰积和重力堆积最为发育。 坡残积、崩积和崩坡积广泛分布于沟谷流域：主要分布在高程2 5 5 0 m 以上斜坡 地带浅表层，其中支沟牛场小沟第四纪松散堆积物较多，平均厚度1 4 m ；支沟 二坪子沟水土流失较严重。 2 2 2 地质构造和新构造活动特征 研究区位于川滇南北向构造带以西的贡嘎山断块西南缘，在贡嘎山断块周边 均断裂构造较发育，其北东、南东侧分别为磨西断裂带、小金河断裂带，西侧及 西南侧分别是玉农稀断裂带、甘孜理塘断裂带。断块内断裂构造不发育，构造 型式以褶皱为主。石头沟流域范围内无活动性深大断裂分布及次级小断层发育， 周边有水打坝向斜、铁厂河背斜、踏卡背斜、滴痴山背斜、九龙向斜等褶皱( 图 2 2 ) 。受青藏板块运动的控制，新生代以来的新构造活动在区域内主要表现为断 块边界断裂的差异性活动和断块的整体间歇性抬升。 研究区处在川西理塘地震带的东南边缘相对稳定的地带，地震活动主要受理 塘地震带和外围鲜水河地震带、安宁河则木河地震带、龙门山地震带波及影响。 区内的地震活动也是新构造运动的直接体现：工程区外围地震频繁，自公元6 2 4 年有历史地震记载以来，共发生m s 4 7 级以上地震1 6 2 次，m s = 2 5 4 6 级地 震数干次，以研究区为中心2 0 0 k m 范围内共发生m 6 级地震2 5 次，其中m 7 级地震7 次，最大的一次地震是1 7 8 6 年6 月1 日的康定、泸定磨西间7 7 5 级地 震。研究区及邻近区域历史地震统计情况见表2 1 。 根据区域构造环境和断裂活动特性分析，研究区内无大的区域性断裂构造通 过，不具备发生中、强地震的地质构造背景，历史上也无6 级以上强震记载，5 o 5 9 级地震也只发生过3 次，地震效应主要受外围地震带强震活动的波及影响， 最大影响烈度为v i i 度。因此研究区属区域构造基本稳定区。 根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，研究区地震动峰值加速度 为o 1 5 9 ，地震动反应谱特征周期为0 4 5 s ，相应的地震基本烈度为v i i 度。对 石头沟泥石流的发育无明显作用。 l o 第2 章石头沟泥石流发育的地质环境 团第四 田燕山 固燕山 压 背斜 匹| 地层 05l o1 52 02 5 h 图2 _ 2 构造纲要图 衰2 1研究区及邻近区域历史地震资料一览表 序号发震时间震中地点震级震中烈度影响烈度 11 5 3 6 3 1 9 西昌北 71 2 x 2 1 7 8 6 6 1康定、泸定间7 3 厶x 318 5 0 9 1 2 西昌、普格间7 1 2x 4 1 9 1 3 8冕宁小盐井 6 0 v 51 9 4 4 。8 3 九龙、洼里间l 、 v 6 1 9 4 8 5 2 5理塘7 3x v 71 9 4 8 6 1 8 九龙南西乎| 。 v 8 1 9 5 2 9 3 0冕宁石龙爵| 。 v 9 1 9 5 5 4 1 4康定折多塘 7 1 2 x v 1 01 9 7 5 1 1 5康定六巴6 2 v 岩 粝 储 嘶 螽习 k 瑚黼一就旦山礁惰胁僦圈蝴圆圆姗删系岩雨一平萋：叠岗0 小湖 二花量、，。讴 一一一一 盆刮闪层加 泥一一英惭w 剧一一磷一一刖一嗍一 山岩 ；h 坩眉岗岩摺扎桃错黼抓黏跳_ 倒说 叠一石英囵 二黑石陌一斗 回蝴蝴引脚燕燕轴喃 一一一一 口艏媸区线 成都理工大学硕士学位论文 序号 发震时间 震中地点震级震中烈度影响烈度 1 11 9 7 6 11 7 盐源宁蒗 6 7 v 1 219 8 0 2 2 木里 5 8 1 次1 0 年) 。通过对当地群 众的调查访问得知，石头沟历史上没有暴发过泥石流，结合该沟的流域面积大， 基岩条件较好，松散物质不发育，综合分析确定，石头沟泥石流的发生频率属于 低频泥石流。 ( 3 ) 按泥石流的流体性质划分类型 按照规范，根据泥石流的流体性质，可将泥石流分为稀性泥石流( 容重 1 3 1 8 t m 3 ，固体物质含量 5 0 ) 两类。经调查，石头沟泥石流浆体未形成网格结构，非浆体部份的 粗颗粒物质主要由大小石块、砾石和少量粗砂组成，紊动强烈，无泥浆残留现象， 堆积物有一定分选性，沉积物以粗粒物质为主，石头沟以上基本特征与表3 6 中 稀性泥石流的基本特征相对比，判定石头沟泥石流为稀性泥石流。 表3 6 稀性泥石流的基本特征 性质稀性泥石流 浆体是由不含或少含粘性物质组成，粘度值 2 5 中。物质组成粘度大，稠度高，沟槽堵 塞严重，阵流间隔时间长。 河槽较平直，河段宽窄较均匀，陡坎、 卡口不多。主支沟交角大多数小于6 0 中等1 8 0 0 1 5 0 01 5 o 52 5 1 5 度。形成区不太集中，河床堵塞情况一 般，流体多稠浆，稀粥状。 沟槽顺直均匀，主支沟交汇角小，基本 轻微无卡口、陡坎，形成区分散，物质组成 1 5 0 0 1 2 0 0o 5 0 3 1 5 粘稠度小，阵流间隔时间短少。 ( 2 ) 形态调查法( 又称泥痕调查法) 形态调查法求算泥石流峰值流量，按照泥石流在河槽岸边上遗留的最高泥 痕，再测该处河床横断面积，乘以选用适合的泥石流流速公式计算的相应的流速 值。其表达式如下： q c = 圪 ( 4 1 3 ) 成都理工大学硕士学位论文 式中： 睢为泥石流过流断面面积； v c 一为泥石流流速。 方法步骤： 在泥石流沟道中选择2 3 个有代表性的过流断面，最好选择在冲淤变化 不大的顺直河段； 查找泥石流过境后留下的痕迹，确定泥位； 测量这些断面上的泥石流流面比降( 若不能由痕迹确定，则用沟床比降代 替) 、泥位高度h c ( 或水力半径) 和泥石流过流断面面积等参数； 用相应的泥石流流速计算公式，求出断面平均流速v c 后，可求得泥石流 断面峰值流量q c 。 ( 3 ) 综合成因法 本法是从成因上综合分斩暴雨泥石流的各要素，采用泥石流综合系数以修正 雨洪清水流量。c m 弗莱施曼根据大量的调查资料和分析，提出一个综合系 数i l l 【来表示泥石流最大流量形成的综合指标【5 5 】，泥石流最大流量q 咖戤由综合 系数n k 乘上最大清水流量q b m a x 求得： q 一= 以q 懈 这个方法考虑了影响泥石流最大流量形成的基本因素， ( 4 ) 其他经验方法 绋= 0 2 7 8 厂f f 式中： 卜按小时平均雨强( 咖h ) 设计， i 一产流系数，滓0 5 o 9 ； f 一流域面积，簖。 此法计算方法适合小流域流量计算， 常用泥石流流量计算公式见表4 9 。 ( 4 1 4 ) 使用更加简便。 用实测最大小时雨强校核； ( 4 1 5 ) 大流域泥石流沟的计算结果误差较大。 第4 章石头沟泥石流运动特征 表4 - 9 泥石流流量常用计算公式 公式系数名称 系数的公式的 参考文献 物理含义适用范围及作者 q c = ( 1 + 烷 巾为泥石流系仅考虑固体体积和适用于水中国科学院 数，yc 为泥石 水体在一定浓度条石流和稀 兰州冰