（地质工程专业论文）矿山泥石流形成条件及其潜势度综合评判研究——以栾川大练沟为例.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 本文的主要研究对象是以矿山物质为主要来源的泥石流沟，针对其与自然泥石流不同 的物质来源进行分析。随着国民经济迅速发展，对矿产资源的需求日益增多，七、八十年 代的开采只追求产量和经济效益，而忽视了对环境的保护，开采的矿渣乱排乱放现象非常 严重，严重破坏了环境，另外由于其中下游随矿产资源的开采，吸引了居民的聚集，受人 工活动影响较大，造成其具有较一般泥石流更易发生和发生后果更严重的特性。象这样的 矿山在全国各地有很多，随着时间的发展，一些开始处于萌芽期的矿山泥石流逐步发展， 进入发展期和活跃期，必将造成更大的危害。因此对这样的泥石流沟进行研究和治理是很 有必要的。 本文分析了矿山泥石流发生的三大条件物质来源、地形地貌条件和水动力条件， 其中物质来源和地形地貌条件是矿山泥石流潜势度的影响因素。矿山泥石流物质来源主要 是矿山松散堆积矿渣，其具有较一般泥石流更易起动的特性，是影响矿山泥石流潜势度的 主要因素。矿山开采和运输以及人类活动对地形地貌的破坏也是矿山泥石流与一般泥石流 形成条件的不同之处。本文使用模糊数学综合评判的方法对影响泥石流沟发育潜势度的各 个因素进行综合评判分析，确定了矿山泥石流沟的发育潜势度。 在本次科研工作中，针对矿山泥石流的影响因素，首次运用模糊数学综合评判的方法， 采用层次分析法确定各影响因素的权重系数，可根据具体矿山选择合适的影响因素，判定 了矿山泥石流发育潜势度的级别，并可针对主要影响因素的不同选择合理的治理方法，避 免了以往对潜势度粗略的或定性的评价所带来的偏差和失误。对类似矿山的研究和治理工 作，具有广泛借鉴和推广价值。 以大练沟为例，主要研究了该沟泥石流形成的物质来源和地形地貌条件对泥石流沟发育 潜势度的影响程度，确定矿山泥石流沟的发育潜势度，分析各条件对其的影响，针对分析 结果采取合理的治理措施。结果表明，用本方法来评价矿山泥石流沟的潜势度是合理的， 符合实际情况的。为今后对矿山泥石流的研究治理工作，提供了一个新的方法和思路。 关键词：矿山泥石流、物质来源、地形地貌条件、潜势度、模糊数学、综合评判、大练沟 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a i n l i n ga tt h ed i f f e r e n ts o u r c eo f m a t e r i a l 、i t ho t h e rd e b r i sf l o wc h a n n e l ，t h ee s s a ys t u d i e st h e d e b r i sf l o wc h a n n e lw h o s em a i nm a t e r i a li st h em i n e ds l a g w i n lt h er a p i dd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y , t h en e e d so fm i n e r a lr e s o u r c e si n c r e a s ep r o g r e s s i v e l y i ns e v e n t i e sa n d e i g h t i e s ，t h ee x p l o i t a t i o no n l yp u r s e df o ro u t p u ta n de c o n o m i cb e n e f i t si g n o r e dt h ep r o t e c t i o nf o r e n v i r o n m e n t t h es c o r i aw a sp i l e du pi nn oo r d e r , d e s t r o y e dt h ee n v i r o n m e n ts e v e r e l y , i n a d d i t i o n , t h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so fc h a n n e la t t r a c tt h er e s i d e n t t h ei n f l u e n c eo fm a n a c t i v i t yi sab i gc a u s ct h a tm a k em i n ed e b r i sf l o wh a p p e ne a s i e ra n dl e a dw o r s es e q u e n c et h a n g e n e r a ld e b r i sf l o wc h a n n e l n 圮m i n e sl i k et h i sa p o p u l a ra l lo v e rt h ec o u n t r y , w i t ht h et i m e g o i n g ，s o m em i n e r a ld e b r i sf l o wa td a t eo fs p r o u t i n gi sd e v e l o p i n g ，e n t e r i n gi n t oe v o l u t i o n p e r i o da n da c t i v ep h a s e ，a n ds u r e l yt om a k eb i g g e rh a r m s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d c o n t r o ls u c hd e b r i sf l o wc h a n n e l i nt h e e s s a y , a n a l y s e st h r e ef a c t o r so fm i n ed e b r i sf l o w m a t e r i a lr e s o u r c e ，l a n d f o r m c o n d i t i o na n dh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n , t h em a t e r i a lr e s o u r c ea n dl a n d f o h nc o n d i t i o na r et h e i n f l u e n c ef a c t o rt op o t e n t i a l i t yd e g r e eo fd e b r i sf l o w n l em a t e r i a l r e s o u r c ei s m a i n l yt h e p i l e d - s l a g , h a st h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ts t a r t i n ge a s i e rt h a ng e n e r a ld e b r i sf l o w , a n di st h em a i n i n f l u e n c ef a c t o rt op o t e n t i a l i t yd e g r e e 1 1 ”m i n ee x p l o i t a t i o n t r a n s p o r t a t i o na n dh u m a n a c t i v i t y d e s t r o yt h el a n d f o r m ，a l s oc a u s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm i n e r a ld e b r i sf l o wa n dg e n e r a ld e b r i s f l o w 刀砧e s s a ya n a l y s e se v e r yf a c t o rb yu s i n gt h ef u z z ym a t h e m a t i c st oc o n f i r mt h ep o t e n t i a l i t y d e g r e e i nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hw o r k , f i r s tu t i l i z et h ef u z z ym a t h e m a t i c sa n du s ea h pm e t h o dt o c o n f i r mt h ew e i g h tc o e f f i c i e n to fe a c hf a c t o r , i t 啪c h o o s et h e a p p r o p r i a t et r e a tm e t h o d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tm a i ni n f l u e n c ef a c t o r , a v o i dt h ed e v i a t i o na n de r r o rb r i n gb yf o r m e rr o u g h a n df i g u r a t ee v a l u a t i o n , h a v et h ea b r o a dr e f e r e n c ea n de x t e n dv a l u et ot h er e s e a r c ha n dt r e a t m e n t f o r s i m i l a rm i n e s a tt h ee n d , t a k e st h ed a l i a nv a l l e ya st h ee x a m p l e ，m a i n l yi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ed e g r e eo f i t sm a t e r i a lr e s o u r c ea n dt h el a n d f o r mc o n d i t i o n , c o n f i r mt h ed e v e l o pp o t e n t i a l i t yd e g r e eo f m i n e d e b r i sf l o wc h a n n e l ；a n a l y z ee v e r yf a c t o r si n f l u e n c e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t , c h o o s e t h er e a s o n a b l ea d m i n i s t e rm e a s u r e s 1 1 1 er e s u l tp r o v e st h ej u s t i f i c a t i o no ft h em e t h o da n dm e e t s t h ep h y s i c a lt r u t h , o f f e r san e wi d e af o rt h er e s e a r c ho f m i n ed e b r i sf l o w k e yw o r d s ：m i n ed e b r i sf l o w , m a t e r i a lr e s o u r c e ，l a n d f o r mc o n d i t i o n ，p o t e n t i a l i t yd e g r e e ， f u z z ym a t h e m a t i c s ，c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t , d a l i a nv a l l e y 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在朱寿增副教授指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特n j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：望递鳕 签字日期：垒翌2 ：丝 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期：鎏 桂林工学院硕士学位论文 1 1 地质灾害与泥石流概述 第一章绪论 当今社会正面临着人口急剧膨胀，资源严重短缺和环境日益恶化的严峻挑战，环境恶 化的重要标志之一就是自然灾害日趋频繁，并对人类的生存与发展造成严重的威胁，地质 灾害作为自然灾害的主要类型之一，在历史上曾给人类带来无尽的伤痛。而今，人类活动 规模和强度不断增大，越来越深刻地干预着地球表面演化的自然过程，导致地质灾害发生 的频率越来越高，影响的范围越来越大，造成的危害也越来越严重，成为影响和制约社会 经济发展的不可忽视的重要因素。 地质灾害是指由于自然的、人为的或综合的地质作用，使地质环境发生突变的或渐进 的破坏，并对人类生命财产造成危害的地质作用或事件【i 】。它是一门新兴的交叉学科，从 灾害事件后果来看，凡是对人类生命财产和生存环境产生影响或破坏的地质事件和作用都 属于地质灾害，从致灾动力条件来看，地质灾害是由地球内、外动力地质作用和人类活动 使地质环境发生变化的地质现象和事件。 我国是地质灾害最严重的国家之一，地形条件复杂，山地和高原面积大，约占国土总 砸积的6 6 【“。大部分山地和高原地质构造复杂，山地起伏大，表层岩体破碎，土层瘠薄， 加之受人类活动的影响，植被覆盖率降低，崩塌、滑坡、泥石流灾害极易发生。每年因地 震、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降，矿山地质灾害和土地荒漠化等灾害造成的直接经济 损失高达8 4 0 亿元人民币。其中泥石流更是我国最为多见，危害性较严重的地质灾害之一。 泥石流是指一种地表的快速地质过程，是一种最活跃的现代动力地貌过程，是水土流 失非常严重下的产物，是一种高浓度、宽级配的多相非均质流体。我国的泥石流分布在3 1 个省、市和自治区，约9 5 0 县市。泥石流的活动区域面积4 3 0 万k m 2 ，其中活动强烈的地 区达1 3 0 万k m 2 ，全国有8 万处泥石流活动，其中严重的有8 5 0 0 处。近年来，泥石流每年 造成的经济损失在1 5 亿2 0 亿人民币，死难者2 5 0 _ - 5 0 0 人，同时使人们生存和发展环境 受到严重影响【2 】。因此，加强对泥石流形成机理、预测、预防与治理的研究具有重要的理 论意义与现实意义。 各国对泥石流的定义也有不同。前苏联的c m 优列什曼提出泥石流指的是固体物质含 量高，泥位剧增的暂时性山地河床型洪流。日本水土保持协会定义泥石流为“泥石含量多 于水体含量，水体成为泥石物质的搬运介质，含水的粥状泥砂在其自重作用下产生运动的 现象”；英国地质学会工程组对泥石流的定义为“介于水流和滑坡之间的一系列过程，因 桂林工学院硕士学位论文 而包括有重力作用下松散物质、水体和空气三者构成的实体运动”；我国的泥石流研究者 则认为“泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动与水流之间的一系列连续过程”，是山坡上 或沟谷内固液两相物质相互作用而成为泥石流的起动过程。总体来说，是固体物质含水量 增高，形成克服山坡阻力产生流动的两相流体d l o l 。 泥石流的基本性质有：( 1 ) 具有土体的结构性，有一定的抗剪强度( t ) ；( 2 ) 具有水 体流动性，泥石流与沟床面之间没有截然破裂面，只有泥浆润滑面，润滑面向上有一层流 速逐渐增加的梯度层，这是与滑坡不同之处，滑坡的滑体与滑床之间有一个破裂面，流速 梯度等于零或趋于零。( 3 ) 发生在山地沟谷区，具有较大的流动坡降。泥石流是介于液体 和固体之间的非均质流体，运动状态介于水流的紊流状态和滑坡的块体运动状态之间。 1 2 泥石流的研究历史与现状 对泥石流的研究始于1 9 世纪中叶，在1 9 世纪初，随着资本主义的发展，阿尔卑斯山 区的一些国家为了获取大量木材，大肆砍伐森林，致使山坡上土地和岩石裸露，数十年后， 泥石流开始暴发，危害阿尔卑斯山谷流域的居民。原苏联是在高加索山区修建公路时碰到 泥石流问题的，在1 8 5 9 - - 1 8 9 5 年，b h 斯塔特科夫斯基提出了一系列工程防治措施，这 标志着欧洲泥石流系统研究的开始。亚洲国家对泥石流的研究始于2 0 世纪中叶，以日本 泥石流研究进展最快，技术先进，成效显著。 我国对泥石流的系统研究始于解放后，五十年代初，随着山区经济建设的迅速发展才 逐渐萌芽。研究初期，以线路考察、区域考察为主，六十年代中期，进入大规模发展阶段， 主要是综合性的科学考察与专题性的实验研究相结合，研究范围由小流域扩至省区泥石流 研究，在定性研究方面成果显著，定量研究初具规模。七十年代转入以探索泥石流内部规 律为主，定位观测和模型实验为主，根据泥石流形成原因，进行了泥石流分类、分区研究 工作，并结合大规模的矿山建设，开展了以矿山弃渣为主所引起的矿山泥石流研究。取得 的成果主要有以下几个方面：( 1 ) 进行了区域泥石流的研究，基本上掌握了我国泥石流的 分布规律；( 2 ) 进行了泥石流的分类；( 3 ) 泥石流形成的研究：泥石流形成条件以及地震 和人类活动与泥石流发生发展关系；( 4 ) 泥石流性质、动力学研究；( 5 ) 泥石流综合治理 研究；( 6 ) 模型实验的应用以及测试仪和新技术研究。八十年代至今，以形成机理、动态 过程为研究重点，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，计算机成图技术手段的广泛应用，大大加快了研究迸度，提高了研究精度，使某 些研究方面正向成熟方向迈进。 近期的主要研究方向是泥石流灾害风险评估方法体系以及泥石流的预防和治理，包括 2 桂林工学院硕士学位论文 点评估、面评估和区域评估，点评估是基础，其评估面积较小，致灾体和承灾体清晰明确， 评价精度高，定量化程度较高；面评估和区域评估的评估面积大，致灾体的成灾条件复杂， 致灾因素多样，承灾体类型多，分布广，特征复杂，许多因素具有较高程度的模糊性和不 确定性。指标多为相对指标，定量化程度较低。研究成果可为区域经济发展中长期规划提 供基础背景资料，为工农业生产布局提供依据，为评价重点建设工程的适宜性和基础设旋 布设提供依据，为受泥石流灾害威胁地区制定应急预案，保障人身安全提供工作基础，为 科学而经济地组织实施防灾减灾工程服务。 国外的研究：在欧美国家泥石流系统研究始于1 9 世纪中叶，法国、奥地利颁布了森 林保护法，建立了泥石流防治管理机构，苏联的斯塔特科夫斯基提出了一系列泥石流工程 防治措施；亚洲国家泥石流研究起步于2 0 世纪中叶，以日本泥石流研究进展最快阴。国外 的泥石流研究主要是在泥石流学科理论体系、流体性质、观测实验和预测预报系统、泥石 流形成机理方面取得了一定的成果和进展嘲。 1 3 矿山泥石流 矿山泥石流又名“人为泥石流”，这个概念的提出是在1 9 7 6 年，是指在一些生态环境 脆弱、地形陡峭、岩层疏松的丘陵山区，由于人类的生产活动，不合理的资源开发为泥石 流的形成提供了大量的固体物质，加大了地面坡度，使原有的非泥石流沟演变为泥石流沟。 矿山泥石流是泥石流研究领域内的- 1 7 重要的分支学科。它是专门研究矿产资源开发过程 中人为诱发作用下泥石流的形成过程，是泥石流学在国民经济生产建设中的应用科学明。 1 3 1 矿山泥石流的形成 矿山泥石流具有规模小、密度大，松散体易起动，过程变化单调，随固体物质累积量 的变化而变化的特点。 矿山建设对泥石流形成条件的影响主要有以下几个方面：1 、产生并加速松散固体物 质的积累，露天开采及坑采剥离废石速度较快，产生大量废土，是泥石流源地的主要形成 原因，另外矿山修筑公路破坏山坡植被，产生大量弃土，矿山选矿排出的废渣也是泥石流 物质来源。2 、增大了水体补给量。矿山建设中植被遭严重破坏。改变了地面结构，调节 雨水的能力显著降低，汇流时间缩短，洪峰流量和洪水总量增大，暴发泥石流的可能性也 增大；矿山废石堵沟成湖，蓄积了大量的水体：有时在掘进坑道的过程中，掘开了地下水 的主要通道，形成地下水突涌，使水体补给量增大。3 、矿山建设改变了地形条件，增强 动力条件。大量的矿山废石堆放使山坡变陡，地面高差增大。从而加强了侵蚀能力；大量 桂林工学院硕士学位论文 矿山废石压缩沟床，增大流深和流速，也就增强了流体的动能和冲刷力，废石堆放减少了 过流断面，使流体受压缩，流速增大，侧蚀和下蚀能力加强1 8 】。 1 3 。2 矿山泥石流的危害 矿山泥石流的危害分为直接危害和间接危害。由于形成源地集中，松散固体物质充足， 破坏和淤埋能力很强，易于形成直接危害。首先是危害工业设施和民用建筑物；其次是危 害农业生产，沿途淤埋民房，破坏水利设施，冲毁良田，使肥沃良田变成瘠地而年年减产： 再次是危害铁路、公路和航道等交通运输。间接危害是影响水资源开发利用，污染水源， 危及生命。 随着山区工程建设活动的加剧，尤其是矿山环境的不合理破坏，使得人为诱发此类灾 害的比例正在逐年上升，它突发性强，破坏力大，往往造成人员伤亡和严重的经济损失。 盐井沟泥石流为一典型的矿山泥石流，根本原因是由于人为开矿弃渣所造成，泸沽铁 矿于1 9 6 6 年开始开矿，向盐井沟排放了5 5 l o 3 的矿渣，前期未采取任何防治措施，4 年后于1 9 7 0 年5 月2 6 日爆发了第一场大规模泥石流，酿成1 0 4 人死，2 9 人伤的惨痛灾难。 此后，由于有效防治措施未能跟上，泥石流活动仍然频频发生，于1 9 7 1 、1 9 7 2 、1 9 7 7 、1 9 8 0 、 1 9 8 4 年分别发生了中、大型规模的泥石流( 一次固体物质冲出量几万至十几万m 3 ) ，严重 威胁沟口成昆铁路和喜德一冕宁公路的安全 9 1 。 1 9 9 4 年7 月1 1 日，小秦岭矿区文峪金矿因暴雨发生尾矿坝溃决，形成特大泥石流， 造成5 1 人死亡，矿区生产瘫痪，经济损失惨重。 1 9 9 6 年8 月，嵩县陶村祁峪沟金矿矿区因暴雨引发大型泥石流，总方量2 0 1 0 4 m 3 ， 造成3 6 人死亡，4 人重伤，冲毁房屋5 0 0 间，耕地4 , 6 7 1 0 4 m 2 ，汽车1 6 辆，金精粉5 6 t ， 经济损失1 2 9 0 万元【l o l 。 1 3 3 矿山泥石流的特点 矿山泥石流的特点主要有以下几点： 1 ) 矿山泥石流的分布特征：以人为活动为中心的大范围的放射状分布，及小范围的 交通便利原则的线状分布。随着矿山资源的集中分布状况以及人类开发资源工程技术的发 展情况而定。 2 ) 矿山泥石流规模小而密度大：发生部位主要是坡地和沟道，坡面上主要指弃土、 石、渣的渣山上和松散土体的堆积坡面，规模以坡面长度而定，最大面积也不过几十到几 百平方米。沟道泥石流大部分由原先的冲沟、老冲沟、切沟等经过修路、采石改变原有的 形状，堆积了大量的、松散的弃土、石、渣，使其畸变所致 4 桂林工学院硕士学位论文 泥石流沟分区奇特，汇水区面积大，比降较小，形成区比降大面积小，有利于暴雨径 流的汇集、固体物质的搬运和输移、泥石流的形成。 3 ) 矿山泥石流松散体易起动，过程变化单调：一方面由于矿山泥石流的物源主要是 采矿和矿山建设的弃土、石、渣，是属于典型的松散介质，因而其物理力学性质明显不同 于原状物质。容重减少、凝聚力和内摩擦角变小，抗冲能力减弱，松散体遇水易起动，造 成的侵蚀量大，易形成泥石流。张胜利等人曾在准格尔煤田试验，自然状态下，土壤干容 重为1 5 2 t y r 0 3 ，挖掘后的松散堆积土壤干容重为1 3 1 4 t r a 3 栩。由于矿山泥石流沟规模小， 泥石流过程变化简单，沿途滑坡、崩塌现象很少，固体松散物一次性补给，迅速搬运，其 明显不同于自然泥石流过程。 4 ) 矿山泥石流易发频率高而灾情重。矿山泥石流的易起动性，松散体堆积的集中性 决定了其暴发频率高，分布是以矿山为中心，资源外运的交通线路为辐射线，泥石流直接 面临交通线路，矿区周边和居民区，泥石流冲出沟口后直冲交通线路、居民区和矿坑，灾 情严重。 5 ) 矿山泥石流具有易防性和预测性：矿山泥石流是人为开发利用矿产资源过程中不 重视环境的后遗症之一，在矿产开采中先布局生产部门、交通线路，而后吸引居民集中， 由于忽略环境建设的滞后性，致使泥石流暴发。 综上所述：矿山泥石流的起动过程、机理并非是自然泥石流起动机理的简单缩影，而 具有其内在的独特性。此外，人为作用堆积的固体物质与自然地面岩层固体物质相比，在 结构、粒度。理化特性、风化程度上都有很大差异。 而且矿山泥石流的发生并非只要有人为超自然开采就可以发生，而需要有其自然环境 基础的限制，因此存在一个确定人为泥石流与将人为作用视为影响因素的定量确定问题。 1 4 前人研究成果 王小群等从工程地质研究的思路出发，采用工程地质分析的方法，对形成环境( 地层 岩性条件、构造条件、地貌条件、气象条件、植被发育及人类活动) 、基本特征( 泥石流 沟的基本特征、泥石流的堆积特征) 进行了系统的研究，提出了泥石流的形成演化过程及 其机制模型，并在此基础上对泥石流沟沿岸的岸坡稳定性( 可能泥石流的物源) 等进行了 评价分析，对泥石流的活动趋势及可能泥石流的体积作出了较为科学的预测评价，经过这 样的系统评价对工程建设中的泥石流防治有着积极的指导意义l l 。 在泥石流观测研究和资料整理方面，杨仁文，叶明富，陈精日根据中国科学院东川泥 石流观测研究站所在地蒋家沟的多年观测数据，利用成熟的计算和分析方法，按建立数据 5 桂林工学院硕士学位论文 库的要求对泥石流运动要素的原始观测数据进行了计算机处理，提出了建立泥石流运动要 素数据库的内容及其指标和计算公式【1 2 1 。 李泳，陈晓清，胡凯衡等对泥石流颗粒组成进行了研究，得出了泥石流颗粒组成的一 般特征，即同一个地理区域，颗粒分布曲线具有相似的形态，特别是分布的峰值相互对应， 都出现在相似的粒径区间：双峰、单峰、多峰存在说明颗粒的分布是选择性集中的，与土 体的化学和物理特征有关；密度不同，颗粒曲线也不同。泥石流颗粒具有分形结构，它决 定着颗粒集合的液化和运动，从而决定泥石流的发生。泥石流应该发生在一定的分形区间， 分形区问的颗粒上限不但决定了泥石流“基质”的颗粒大小，而且在土体渗流和液化中也 是一个重要参数，对泥石流来说，它在土体的颗粒组成与活动性之间建立了定量关系 g i s 在地质工作中有较广泛的应用【1 3 】。朱良蜂、吴信才、刘修国曾应用g i s 进行铁路 地质灾害信息管理与预警预报系统的研究。对底图类矢量、地形类栅格等g i s 平台能直接 进行处理的数据，系统可直接采用g i s 现有空间分析功能进行分析。在地质灾害的区域空 间预测方面，系统可根据地质灾害的区域规律以及与控制因素和主要影响因素的关系，采 用比较成熟的空间预测模型预测地质灾害易发生的空间范围，圈定地质灾害易发区，为实 时预警预报提供明确的空间位置，同时为铁路地质灾害的管理和规划提供科学依据【1 4 1 。 张丽萍等利用信息维原理对人为干扰的畸形发育的泥石流沟道进行了发育阶段划分 的探讨，应用模糊数学信息综合评定法进行了研究区内泥石流沟流域地貌形态的关联度评 价i l l 。 丛威青、潘懋、任群智将l o g i s t i c 回归模型和前期有效降雨量引入到地质灾害预警领 域，结合泥石流灾害危险性评价，形成了一整套较完善的泥石流灾害多元信息耦合预警体系， 并基于m a p g i s 平台经二次开发建立了泥石流灾害预警系统。在综合分析雨量和地质环境 因素的基础上，提出了危险等级自动划分方法，从而实现了对泥石流等降雨诱发型地质灾害 的定量化时空白动预报【1 5 】。 乔彦肖，邓素贞、张少才利用l a n ds a t - t m 遥感图象对影响泥石流发育的环境因素所 作的定量研究以解译出的泥石流沟作为研究对象，全面分析了影响环境因素后，通过提取 遥感图像特征进行分级细化和定量研究，采取大样本统计方法，得出每种因素在不同状态 下与泥石流发育的关系，定量表示不同发育状态得出环境因素对泥石流发育的影响( 问。 泥石流堆积数值模拟进展，形成区以三维非恒定流为数学模型，较复杂；流通区是泥 石流快速运移通道，应用一维数学模型，研究成果较多；堆积区是泥石流成灾的主要地带， 为水平方向的扩散流动，应用平面二维流模型，日本高桥堡以质量和动量守恒原理为基础， 建立二维非恒定流方程，采用有限差分法求解【1 ，】【埔l 。 盛俭、邱建慧、李广杰等应用神经网络对泥石流活跃程度进行定量分析评判，可在一 6 桂林工学院硕士学位论文 定程度上减少定性评判中的人为因素的影响 1 9 1 。 泥石流防治措施主要包括工程措施和生物措施，建拦挡坝、排导槽、截流沟、护坡堤、 停淤场等防治工程【2 0 】【2 i 】。陈洪凯、唐红梅针对冲淤变动型沟谷泥石流开发的速流结构能够 有效地排泄泥石流体，确保公路交通运输的有序进行1 1 2 3 1 。 1 5 本文研究内容 随着国民经济迅速发展，对矿产资源的需求日益增多，七、八十年代的开采只追求产 量和经济效益，而忽视了对环境的保护，开采的矿渣乱捧乱放现象非常严重，严重破坏了 环境，另外由于其中下游随矿产资源的开采，吸引了居民的聚集，受人工活动影响较大， 对植被的破坏更严重，造成其具有较一般泥石流更易发生和发生后果更严重的特性，象这 样的矿山在全国各地有很多，随着时间的发展，一些开始处于萌芽期的矿山泥石流逐步发 展，进入发展期和活跃期，必将造成更大的危害。矿山泥石流的研究是在2 0 世纪7 0 年代 开始的，但以往大多是形态上的描述，系统研究较少，是泥石流研究领域的薄弱环节。因 此对这样的泥石流沟进行研究和治理是很有必要的。 矿山泥石流的潜势度是指在没有任何外界诱发因素的影响下，泥石流孕育生成的条件 组合或潜在能力的评价指标，反映地质灾害生成内因的一种综合表达。 本文针对矿山泥石流与自然泥石流在物质来源方面和地形地貌方面不同进行分析，首 次引入模糊数学的方法对以矿山物质为主要来源的矿山泥石流沟的发育潜势度进行研究， 建立了矿山泥石流潜势度的模糊数学综合评判法，利用该法研究了泥石流形成的物质来源 和地形地貌条件对泥石流沟发育潜势度的影响程度，确定泥石流沟的发育潜势度，分析各 条件对其产生的影响，并针对分析结果采取合理的治理措施。另外，在确定各影响因素的 权重分配系数时，首次引用层次分析法，将复杂的系统工作和繁杂的数据统计工作简化。 已往的对矿山泥石流潜势度的分析是采用经验数据或统计数据划分潜势度区间，将各 因素值根据区间划分其处于何种潜势度级别，乘以根据经验数据统计得出的系数再相加， 根据结果判断处于哪个级别的潜势度。要么需要进行大量的数据统计和计算，要么只能得 出定性的结论，具有一定的局限。 以大练沟矿山泥石流为例，对其潜势度进行模糊数学综合评判，判定结果基本上与实 际情况符合，证明采用本法来对矿山泥石流潜势度进行评判较为合理，可作为矿山泥石流 勘察和治理的依据。 7 桂林工学院硕士学位论文 第二章矿山泥石流形成条件 2 1 物质来源流域内松散固体物质的产生和存在状态 在现实生活中，大量的泥石流都发育在崩塌和滑坡以及人工弃碴等重力堆积普遍发育 的地带或强烈风化地区。其松散物质来源主要有崩积岩堆山体滑坡、支沟洪积扇、坡积 层、宽大的断层破碎带物质、强风化地区的巨厚风化残积层、地壳抬升后的古冲、洪积层 或古泥石流扇以及现代一般洪水在沟床中的正常沉积物。 矿山泥石流与自然泥石流的最大区别就是其碎屑物质来源的不同。 自然泥石流的物质来源主要是由地质作用形成的，包括内力地质作用和外力地质作 用，内力地质作用指岩性、构造、新构造运动、地震及火山活动等。外力地质作用指风化 作用、各种重力地质作用以及流水侵蚀搬运堆积等。这些互相关联、错综复杂的地质条件 组合，决定着参与泥石流活动的松散碎屑物数量多少和类型特征。 矿山泥石流的物质来源主要为采矿废渣。矿山建设产生并加速松散固体物质的积累， 采矿后不仅留下很大的采空区，而且使围岩松动，产生陷落，裂缝和岩体位移，形成大规 模的滚石和崩塌，为泥石流的暴发提供固体物质。矿山建设改变局部地形，增强动力条件， 大量堆放矿山废石，使山坡变陡，地面高差增大，从而加强了侵蚀能力：大量矿山废石压 缩沟床，增大流深和流速，也就增强了流体的动能和冲刷力，废石堆放减小了过流断面， 使流体受压缩，流速增大，侧蚀和下蚀能力加强。 2 1 1 松散堆积物矿渣 由于松散物质形成时，不一定具备形成泥石流的降雨条件，有的沟甚至经过十几年、 几十年或更长时间才具备形成泥石流的降雨条件。除现代一般洪水的正常沉积物外，大部 分松散物质都具有一定的固结程度，因此应从松散物质所受各种力的平衡关系去考虑判断 松散物质的活动性或启动条件【2 5 1 。 l 、建立计算模型 如图2 1 所示，松散物质在饱水条件下，主要受重力g 、静摩擦阻力f 、粘聚力c 、浮力 u 和水流推力r 共同作用。重力g 在沟床底坡上又分解成正压力n 和下滑力t ，其分解的比 例受沟床底坡坡度角的控制。各个力的确定如下： ( 1 ) 重力g = l b hy ，式中l 为松散物质长度，b 为松散物质宽度，h 为松散物质高度， 8 桂林工学院硕士学位论文 y 为松散物质重度，各参数由现场实测确定。 ( 2 ) i e 压力n 和下滑力t 由重力g 与沟床底坡坡度0 确定。 n = g e o s0 ，t = g s i n o ( 2 ，1 ) ( 3 ) 饱和粘聚力c 与饱和内摩擦角由，由现场取样后，在室内作饱和抗剪强度试验确定， 也可以用现场大面积剪切试验确定。因松散物质中起粘结作用的主要是小颗粒物质，故取 样时应以取小颗粒原状样为主，不能取扰动样品。粘聚力的计算应以整个剪切面上粘聚力 的总和为准，b p l b c 。 ( 4 ) 浮力u 应根据设计频率暴雨洪峰流量q p ，在松散物质堆积处的洪水深度h l ，计算而 得。 u = y w h i l b ，y 。一水流的重度 ( 2 2 ) ( 5 ) 静摩擦力f 主要考虑松散物质正压力n 、水流浮力u 和内摩擦角由的影响。 f 2 删讪) t g 巾 ( 2 3 ) ( 6 ) 水流推力r 的求取如下：以图2 1 为例，取水流流体控制面如图2 2 所示，控制断面上 所受的力有l 一1 断面的动水压力p l ，2 _ 心断面的动水压力p 2 ，水流的重力g k ，沟床的支承 力f ，松散物质的反作用力r 。 12 图2 - l 松散物质受力示意图 图2 - 2 水流推力计算示意图 x p 2 地表水流为不可压缩流体，遇到松散物质后，在l l 断面与2 2 断面通过的流量相等， 流速不同，为恒定总量流。即s 1 v i = s 2 v 2 = q p 。s i 与s 2 和v i 与v 2 分别为1 1 断面和2 2 断面的 面积与流速。 9 桂林工学院硕士学位论文 堆于恒定总量流，可将流体看作由若干紧密相联的运动质点组成的质点系，其动量定 理可表述为：在d t 时间内，质点系的动量变化d k 等于该质点系所受外力的合力f 在这一时 间内的冲量f d t ，即d k = d ( m u ) = f d t 。 为便于理解，将恒定总量流简化成图2 - 3 所示。 图2 - 3 恒定总量流示意图 在恒定总量流中取一束元流，初始时刻元流在l 2 位置，经过d t 时刻后，运动到l 一 2 位置。元流过水断面分别为d s l 与d s 2 ，流速分别为u l 和u 2 。d t 时间内元流的动量变化d k 等 于i _ 2 段与1 2 段流体各质点动量的矢量和之差。因l 2 段无变化，所以等于2 - - 2 段与l t 段动量的矢量差，根据质量守恒原理，2 _ 2 段与t l 段的质量相等( 设为 d m ) 。则元流的动量变化为 d k = d m u z - d m u l = d m ( u z - u i )( 2 4 ) 因元流通过其各过水断面的流量相等，即 d q l = d q ：- d q 故 d k = p d q d t ( u 2 - u j ) 式中：a o 为元流流量； p 为流体密度。 总流的动量变化d 鹏于所有元流的动量变化之矢量和z d k 。将元流的动量变化沿总 流过水断面积分，则d t 时间内，总流的动量变化为 d 肼= d 七= i ，p d q d t u 2 - p d q d t u , = 础( “z 如呜一“屿幽) ( 2 5 ) 元流的流速u 一般难以确定，一般用流体断面平均流速v 代替u 进行计算，动量修正系 数夕( 实际动量与按v 计算的动量之比) 进行换算。：等，b 值的大小与总流过水断面 1 0 桂林工学院硕士学位论文 上的流速分布有关。一般流动的1 3 = 1 0 2 1 0 5 ，在工程计算中常取1 3 = 1 0 。则有 d k = p a t ( p , 岛一届k k s )( 2 6 ) 因l i 和i i 一1 i 断面上流量相等，即v i s i = 啦= q e d k = p q ，凼慨k 一届k ) = f ( 2 7 ) 根据质量系动量定理，对于总流有 y a k = - f d s ，p 绋( 磊k 一届巧) ( 2 8 ) 合力z f 如图2 - 2 所示。在x 轴方向上建立恒定总量流的动量方程 p q ，( 屈吒一层k ) = 丑一昱一r 。 r = 只一最一p 绋( 岛k 一届巧) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中：p ，= 口矽p b h t 2 ， p 2 = o 2 ) p b h 7 q p 和乃分别为沟谷在松散物质堆积处的设计频率洪峰流量与流速； v 2 由式一旦- s 2 得到。 地表水流对松散物质迎水面的冲击力r 与r 大小相等，方向相反。若松散物质未将 沟谷堵满，则作用在松散物质上瞬间的流量应按断面上松散物质所占宽度按比例分配。 2 、建立启动判别公式及影响因素分析 按图2 1 所示，在平行沟床底坡方向建立力的平衡关系n 凹c = r + r f ( 1 不稳定 k = 百f + l b c = ：1 平衡极限。 ( 2 1 1 ) n r | ) 1 磊 、。 式中x 为松散物质稳定性系数，其它见前述。 当k = i 时，松散物质处于极限状态； 当k i 时，松散物质处于稳定状态，该频率的洪峰无法搬动该松散物质。 故可将此式作为检算松散物质启动与否的判别公式。 分析上述各计算值，可以看出，l 以腑衄c 值较大，是主要影响值，i 灌较小， 为次要影响值。 而n 和t 值又取决于。角，u 值取决于洪峰流量，f 和l b c 值取决于其中包含的c 和由值。 l b c 值还取决于剪切面积。所以，松散物质启动的关键因素主要是沟床底坡坡度、松散物 质饱和粘聚力与饱和内摩擦角及松散物质底部剪切面积，以及洪峰流速和流量。流水的影 桂林工学院硕士学位论文 响主要表现在水流的推力、水流对松散物质产生的浮力，以及对松散物质饱和粘聚力和饱 和内摩擦角的影响上，其中水流的推力作用是较小的。 可由泥石流起动条件式对泥石流沟进行预测预报和危险度判定。 ( 1 ) 泥石流沟松散物质在某一暴雨频率的洪峰作用下能否启动，是可以通过实际检算来 具体确定的。 ( 2 ) 用上述稳定性计算方法来确定松散物质的活动性是可行的。 ( 3 ) 影响松散物质稳定性的主要因素是沟床底坡坡度、松散物质饱和抗剪强度、剪切面 面积和洪峰流量。而后者首先是影响松散物质粘聚力、内摩擦角以及产生浮力，其次才是 产生推力 ( 4 ) 松散物质固结程度有不可忽视的作用。 2 1 2 坡面水土流失坡面侵蚀与泥石流物质来源的关系 对非耕地来说，当林草覆盖率在4 5 6 0 时，地面坡度大于3 5 。，属强度面蚀。对 坡耕地来说，地面坡度在8 一1 5 。，就属于中度面蚀，地面坡度在1 5 2 5 9 ，属于强度面 蚀。中度面蚀平均侵蚀厚度为1 9 3 7 m m a ，强度面蚀平均侵蚀厚度为3 7 5 9 m m ，a 口6 】。 矿山开采使得采矿区地形条件发生改变，坡度增加，土粒内摩擦角减少，坡面物质的 静止稳定性降低，水流的动能随之增加，冲刷能力加强，在一定坡度范围内，侵蚀强度随 坡度增加而增大。 按地貌最小能耗原理，河流通过调整其坡降和几何形态，力求使单位重度或单位长度 水体的能量消耗率趋向最小值。单纯考虑级剖面调整时，水流沿纵剖面演化的最小能耗原 理表现为调整坡降使单位水体沿程流速及其平均值增大而做最速流动。 对坡面土体来说，受力状态为t ( 起动力yh s i nq ) 等于1o ( 临界力，。o = c + p t a n 巾) 者，便 进入临界状态。t 增大，土体便失稳。使z 增大的因素有( 1 ) 水体使处于临界状态的土 体饱水，c 、m 均减小；( 2 ) 崩塌、滑坡、滚石的加入，临界土体厚度h 增大；( 3 ) 水流刷 深临界土体基脚，增大底床纵坡( a ) 。 雨季时，在长期浸泡和暴雨冲刷下，土体失稳沿坡面进入沟道，成为泥石流的重要物 质来源。 2 1 3 滑坡、崩塌等地质灾害体 滑坡和崩塌是泥石流固体物质的又一重要补给类型，是边坡失稳的产物，滑坡体是泥 石流流域内最常见、规模最大的产沙体。滑坡体由于雨水浸泡，内部剪切应力增大而滑动， 直接补给或转化为泥石流运动。同时，强大的水流或稀性泥石流冲刷切割起反压作用的滑 1 2 桂林工学院硕士学位论文 坡脚趾，促使滑坡体不断下滑而逐渐补给泥石流。以滑坡体为主要产沙源的泥石流多为粘 性泥石流，规模大，灾情重，产沙量一般为数万至数百万i n 3 ，有的甚至达几千万m 3 或几 亿m 3 。1 9 6 3 年1 0 月意大利境内产生一方量为2 5 亿i n 3 的巨型滑坡滑入一个库容为1 1 5 亿岔的水库内，水库迅即溃决形成一次特大泥石流