（岩土工程专业论文）泥石流排导工程设计与优化方法研究.pdf

中南大学硕上论文 摘要 摘要 本文在西部交通建设科技项目“活动断裂区公路沿线泥石流启动机理与 防治措施研究( 2 0 0 8 3 1 8 0 0 0 8 7 ) ”资助下，以雅泸高速公路沿线2 5 条泥石流 沟防治为背景，在综合分析国内外泥石流排导工程研究现状的基础上，结合 资料收集、野外调查、数据分析、工程设计等多种手段，对泥石流关键参数 及排导工程设计与优化进行了研究，形成了排导工程设计与优化的理念，并 将研究成果推广应用到雅泸高速公路8 条泥石流沟和汶川地区7 条泥石流防 治设计中，所做的主要工作与结论如下： 1 、通过分析当前地形参数调查方法的现状和不足，本文基于g o o g l ee a c h 软件，快速获取了泥石流的地形参数；并通过常规勘察和试验获取了泥石流 重度和流域内的地层等参数。 2 、在综合分析泥石流特征参数的基础上，以排导工程设计关键参数 流量为研究重点，对比分析雨洪法、形态断面法和暴雨一冰川复合型泥石流流 量计算方法，并用实例来验证各方法的适用性；以流速分布研究为核心，推 导出泥石流在v 型排导槽内流速横向分布表达式，并以实例来验证其适用性。 3 、总结现有的泥石流排导工程理论和技术，形成排导工程设计要点及设 计方法，并对雅泸高速公路沿线的8 条泥石流沟( 4 条用v 型排导防治，4 条用 导流堤防治) 排导工程进行了复核，并对不合理之处提出了修改建议，并得 到设计方的认可。 。 4 、基于泥石流流域信息的动态测监，提出排导工程三种动态优化设计方 案；以泥石流在v 型槽内流速横向分布研究为基础，以磨蚀厚度分布为依据， 总结提炼了三种抗磨蚀优化设计方案；基于异型块体消能防冲刷的原理，在 导流堤转弯处设异型块体，并以雀尔沟防治为工程背景，对该方法进行了应 用。 关键词泥石流，流速分布，排导工程，优化设计 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s u p p o s e db yt h en a t i o nw e s tt r a f f i cc o n s t r u c t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi t e m s t u d yo ni n i t i a t i o nm e c h a n i s m sa n dc o n t r o lm e a s u r e so fd e b r i s f l o w sa l o n g h i g h w a yi na c t i v ef a u l tz o n en o 2 0 0 8 3 18 0 0 0 8 7 ”，t o o kt h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o l o f2 5t h ed e b r i sf l o wg u l l i e sa l o n gy al uh i g h w a yf o rt h eb a c k g r o u n d ，a n db a s e d o na n a l y s e so fr e s e a r c ho np r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fd e b r i sf l o wd o m e s t i ca n d a b r o a d ，c o m b i n a t e do ff i e l ds u r v e y ，d a t aa n a l y s i sa n do t h e rm e a n s t h e nt h ek e y p a r a m e t e r so ft h ed e b r i sf l o w ，t h ed e s i g no fd r a i n a g ep r o j e c t sa n do p t i m i z a t i o n h a v eb e e ns t u d i e d ，a tl a s tt h er e s e a r c hh a db e e na p p l i e dt ot h ed e s i g no fe i g h t d e b r i sf l o w sa l o n gt h ey a l us p e e dw a ya n ds e v e ni nw e n c h u a na r e a t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dl a c ko fs u r v e ym e t h o d o l o g y ，t h e p a p e ru s e dg o o g l ee a r t ht og e tt e r r a i np a r a m e t e r sf o rt h ed e b r i sf l o w ；a n dt h r o u g h r e g u l a ri n s p e c t i o na n d t e s tf o rt h ed e b r i sf l o w ，t h a tw eg o tt h eu n i tw e i g h ta n dt h e f o r m a t i o np a r a m e t e r si nt h eb a s i n 2 t h a tf o c u s e dt h ek e yp a r a m e t e r st od e s i g nd r a i n a g ep r o j e c t d i s c h a r g e ， c o m p a r e dt h er a i n f a l l f l o o dm o t h e d ，f o r m s s e c t i o nm e t h o da n dt h es t o r m i c e c o m p l e xc a l c u l a t i o no fd e b r i sf l o w ，a n du s e de x a m p l e st ov e r i f yt h ea p p l i c a b i l i t y o ft h em e t h o d s ；t a k i n gt h er e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf o r c e n t r a l i z a t i o n ，o nt h i sb a s i so fa n a l y s i so fv e l o c i t yf o r m u l ao fd e b r i s f l o wi n r e c t a n g u l a rd r a i n a g ec a n a l s ，b yr e a s o n a b l ea b s t r a c t i o na n da s s u m p t i o n s ，t h ep a p e r c u tu pt h es e c t i o no fv s h a p e dd r a i n a g ec a n a li n d e f i n i t e l y ，b a s e do nt h el i m i t t h o u g h t ，d e r i v e dt h ee x p r e s s i o n so ft h ev e l o c i t y sh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fd e b r i s f l o w ，a n dg a v ea ne x a m p l et ov a l i d a t ei t sa p p l i c a b i l i t y 3 s u m m a r yo fe x i s t i n gt h e o r ya n dt e c h n o l o g y o fd e b r i sf l o wd r a i n a g e e n g i n e e r i n g ，a n dt a k ee i g h t ( f o u rw i t hv - s h a p e dd r a i n a g ee n g i n e e r i n g s ，a n o t h e r f o u rw i t hd i v e r s i o nd i k e s ) d e b r i sf l o wg u l l i e sa l o n gt h ey al uh i g h w a yp r e v e n t i o n f o rt h eb a c k g r o u n d ，t h ep a p e rh a sc a l c u l a t e dt h ed r a i n a g ee n g i n e e r i n gt h a th a db e e n b u i l t ，p r o p o s e da m e n d m e n t st oo p t i m i z a t et h ee x i s t i n gm e a s u r e s 4 b a s e do nt h ed y n a m i ct e s tm o n i t o r i n go nt h ei n f o r m a t i o no fd e b r i sf l o w ， p r o p o s e dt h r e ed y n a m i co p t i m u md e s i g np r o j e c t so fd r a i n a g ee n g i n e e r i n g ；o nt h e b a s i so ft h ev e l o c i t y sh o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no fd e b r i sf l o wi nt h ev s h a p e d d r a i n a g ec a n a l ，a c c o r d i n gt o t h ed i s t r i b u t i o no fe r o s i o nt h i c k n e s s ，t h e p a p e r s u m m a r i z e dt h r e et y p e so fo p t i m u md e s i g nt ob ea b l et ob e a ra b r a s i o n ；b a s e do n t h ep r i n c i p l et h a tp r o f i l e db l o c k sc a nd i s s i p a t ee n e r g ya n dp r o t e c te r o s i o n ，t h e p a p e rt o o kt h ep r o t e c t i o na n dc o n t r o lo fq u e e rd e b r i sf l o wg u l l yf o rt h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d ，i n s t a l l e dt h ep r o f i l e db l o c k si nc o m e ro ft h ed i v e r s i o n d i k et oa p p l yt h i sm e t h o d k e yw o r d sd e b r i sf l o w ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，d r a i n a g ee n g i n e e r i n g ，o p t i m u m d e s i g n 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章前言 1 、我国泥石流分布及主要承灾体类型 泥石流是自然地质环境脆弱的山区常见一种的山地自然灾害现象，我国民间称泥石流 的暴发为“走蛟”、“走龙”等。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。这个定义，包含了三层涵义：即泥石流发生在山区；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【l l 。 l 暴雨泥石流2 暴雨泥流3 冰川泥石流4 暴雨水石流 图1 1 中国泥石流的分布 我国泥石流的分布范围较广( 如图1 1 ) ，每年都有大量的泥石流灾害频繁发生。泥 石流经常突然爆发，来势凶猛，可携带巨大的石块，并高速前进，具有强大的能量，因而 破坏性极大。泥石流所到之处，一切尽被摧毁。它不仅造成山区局地环境的破坏，还直接 威胁山区人民生命财产安全和经济建设，造成人员伤亡和重大经济损失，冲毁或淤埋房屋 建筑设施、铁路、公路、桥涵，破坏水力、电力、通讯、城镇管网设施和农f f l ，甚至毁坏 城镇、矿区、风景旅游区和乡村聚落等。 泥石流常常具有爆发突然、来势凶猛、迅速之特点。并兼有崩塌、滑坡和洪水破坏的 双重作用，其危害程度比单一的崩塌、滑坡和洪水的危害更为广泛和严重，它对人类的危 害具体表现在如下四个方面： ( 1 ) 对居民点的危害 泥石流冲进乡村、城镇，摧毁房屋、工厂、企事业单位及其他场所设施。淹没人畜、 毁坏土地，甚至造成村毁人亡的灾难。如1 9 8 4 年5 月2 7 日云南东川黑山沟泥石流，冲毁国 民矿房屋4 0 0 0 余间，死亡1 2 1 余人；1 9 6 9 年8 月云南省大盈江流城弄璋区南拱泥石流，使新 中南大学硕一i ：论文第一章绪论 章金、老章余两村被毁，9 7 人丧生，经济损失近百万元；1 9 8 4 年8 月3 日甘肃武都北峪沟、 甘家沟暴发泥石流，使县城及其附近的5 1 3 7 间房屋矛1 3 6 0 0 公顷耕地，被冲毁淤埋，1 4 人遇 难，生命、财产遭到巨大灾难。1 9 7 9 年11 月2 日，四川雅安陆王沟、干溪沟发生水石流， 冲毁房屋3 0 0 余间、耕地5 0 公顷，1 6 9 人丧型2 1 。 ( 2 ) 对公路、铁路的危害 泥石流可直接埋没车站，铁路、公路，摧毁路基、桥涵等设施，致使交通中断，还可 引起正在运行的火车、汽车颠覆，造成重大的人身伤亡事故。有时泥石流汇入河道，引起 河道大幅度变迁，间接毁坏公路、铁路及其它构筑物，甚至迫使道路改线，造成巨大的经 济损失。如甘川公路3 9 4 公里处对岸的石门沟，1 9 7 8 年7 月爆发泥石流，堵塞白龙江，公路 因此被淹l 公里，白龙江改道使长约两公里的路基变成了主河道，公路、护岸及渡槽全部被 毁。该段线路自1 9 6 2 年以来，由于受对岸泥石流的影响已3 次被迫改线。建国以来，泥石 流给我国铁路和公路造成了无法估计的损失1 3 】。 ( 3 ) 对水利、水电工程的危掣4 1 主要是冲毁水电站、引水渠道及过沟建筑物，淤埋水电站尾水渠，并淤积水库、磨蚀 坝面等。如云南东川蒋家沟，1 9 1 9 年泥石流堵断小江4 8 天，1 9 3 7 年4 0 天，1 9 4 9 年3 0 天，1 9 5 4 年1 9 天，1 9 6 1 年7 8 天，1 9 6 4 年9 8 天，1 9 6 8 年9 0 天，使农田和公路反复被淹，加速河床淤高， 洪水、泥石流灾害逐年加重。1 9 8 4 年7 月1 8 日四川南坪关高沟泥石流，泄入白龙江形成堵 河“坝”，3 0 分钟后坝体溃决，形成强大的洪水、泥石流，使下游房屋、耕地被毁。此次泥 石流使南坪县城的2 7 0 0 余间房屋被冲毁、淤埋，2 5 人丧生，经济损失1 5 0 0 万元以上。 ( 4 ) 对矿山的危害 主要是摧毁矿山及其设施，淤埋矿山坑道、伤害矿山人员、造成停工停产，甚至使矿 山报废【5 。 2 、泥石流致灾方式 泥石流属于典型的灾害地貌现象及地貌过程，是山区公路、铁路建设及养护过程中普 遍存在极其强烈破坏作用类型，是毁损穿越泥石流沟的公路、铁路路基、路面及相应防治 结构物的重要外在动力机制。 泥石流对以上四类承灾体危害主要有以下几种方式： ( 1 ) 泥沙的淤积和埋压危害1 6 j 泥石流出沟后，由于沟口地形开阔、沟床平缓，泥沙逐渐在山前堆积。若承灾体在该 区，于标高较低，泥沙可将线路、桥涵和隧洞等淤埋或堵塞。为了防止泥石流漫流淤埋冲 蚀而危害承灾体，一般采用排导工程集中排泄泥沙，进而达到排淤的效果。 ( 2 ) 泥石流冲刷下切危害f 7 】 泥石流具有很强的直进性特点，对阻碍其运动的东西将会产生剧烈冲刷下切作用，其 活动也具有一定的周期性，有些活跃的泥石流沟因上游滑坡趋于稳定，固体物质补给量减 少等原因发生停歇时，往往会由淤积变为冲刷，排导工程内和桥墩下出现下切现象，造成 中南大学硕士论文第一章绪论 堤岸坍塌、桥基下沉产生不均匀变形，危害j 下常运营。冲刷下切有时也发生在沟岸收缩变 小的情况下，当河流的主流移至扇形地一侧并强烈冲蚀前缘时，扇形地逐渐后移和缩小， 引起侵蚀基准的下降和溯源侵蚀。 ( 3 ) 泥石流携带大石块的撞击危害瞵j 泥石流和洪水的重要区别是流体中携带有许多大石块，它们在陡坡上经水流启动后， 以势能转换成动能，迅速冲向沟口，但一出沟口后，由于地形变缓变宽而停积下来，特别 是停积在排导工程内和桥下的大石块，往往会形成堵塞，造成泥石流四处漫流；大石块的 另一种危害是撞击破坏，以其巨大的冲击力毁坏承灾体。 3 、我国近几年危害 我国是一个多山的国家，山地面积约占国土总面积的2 3 。泥石流在我国分布相当广泛， 我国每年都会发生多次泥石流灾害，给人民群众的生命财产带来极其突然而又重大的损 失。据中国地质环境信息网统计：2 0 0 6 年、2 0 0 7 年, 币n 2 0 0 8 年全国共发生泥石流4 1 6 起、1 2 1 6 起和1 3 3 5 起。表1 1 所列的就是2 0 0 6 - - , 2 0 0 9 年我国发生的重大泥石流及损失情况。 表1 12 0 0 6 2 0 0 9 年我国发生的重大泥石流及损失情况 伤产情况( 人)经济损失 发生时间地点。成因 死亡失踪 受伤( 万元) 2 0 0 9 8 2 7 四j i f 都江堰龙池八一沟泥石流 oo01 0 0暴雨 2 0 0 9 8 1 l 台湾高雄县小林村 3 l多人3 2暴雨 2 0 0 8 1 1 2云南楚雄 1 64 2l1 3 0 0 暴雨 2 0 0 8 9 2 3i l t lj l l ：l l z 川i 3 91 5 0 7暴雨 2 0 0 7 8 1 2 四川i 雅安市石棉县水电站 1 023暴雨 2 0 0 7 5 2 0 四川省凉山州雷波县莫红乡千拖村 730 l o o 降雨引发 2 0 0 7 5 2 4 v q ) q 省甘孜州九龙县乌拉溪乡河坝村庙了沟 1 2o5 1 2 6 7 7 5 降雨引发 2 0 0 7 7 1 9云南省腾冲县猴桥镇苏家河口电站施工工地 2 9o5工程施工 2 0 0 7 8 1 0 四川省雅安市石棉县草科乡田湾河大发水电站 l ll35 0 0降雨 2 0 0 6 6 2 5 湖南省隆回县虎形山瑶族自治乡青山坳村6 组 1 6 l l1 l2 0 0 0 特火暴雨 2 0 0 6 8 1 1 浙江省庆元县荷地镇坪头村 96 01 5 8 强降雨 2 0 0 6 7 1 4 p t l 川i 省凉山州盐源县甲川镇骡马堡二组 1 5l 79 5 0 强降雨 2 0 0 6 7 1 4福建省龙海市程溪镇和山村 l io6 人类活动 2 0 0 6 7 1 5湖南省宜章县瑶岗仙钨矿废石坝 74o6 0 0 0 暴雨 2 0 0 6 8 1 l浙江省庆元县衙地镇坪头村 96o1 5 8 强降雨 2 0 0 6 7 1 4四川省凉山州盐源县、i - ) l l 镇骡马堡二组 1 5l79 5 0 强降雨 2 0 0 6 7 1 4福建省龙海市程溪镇和山村 1 1o6 人类活动 2 0 0 6 7 1 5湖南省宜章县瑶岗仙钨矿废坝 74o6 0 0 0 暴雨 3 中南大学硕士论文第一章绪论 1 2 选题的背景 雅泸高速公路是北京至昆明高速公路的组成部分，路线总体呈南北走向，位于四川省 西南部，起点在雅安，与成都至雅安高速公路相连，途经荥经、汉源、石棉、冕宁等地， 终点在泸沽，与泸沽至西昌高速公路相连，总长约2 4 4 公里。雅泸高速公路在国家公路主 干道网络规划中占有十分重要的位置。项目建成后将成为四川通往云南、昆明的主要通道， 并形成四川通往东南亚、南亚沿海口岸最快捷的通道( 见图1 2 ) 。 图1 2 雅泸公路在我国高速公路网中的位置 雅泸高速公路勘察区及外围区断裂构造带较多，如安宁河断裂带、铁寨子断裂带、鲜 水河断裂带和大凉山断裂等。这些断裂构造带不仅提供了数量巨大的松散固体物质，还赋 予泥石流小流域沟谷发育以有利环境，促使这些地段成为数量众多、分布密集的泥石流活 动带，图1 3 、1 4 所示的即为雅泸高速公路a 2 、a 5 合同段主要泥石流沟的位置。这些泥 石流将很有可能严重威胁到高速公路的建设和运营。同时，随着公路的修建，人类工程活 动数量和规模将会增多，从而促进泥石流的发生，导致惨重的交通安全事故，产生重大的 经济损失。 鉴于雅泸高速公路环境条件和工程实际，笔者在导师指导下，以活动断裂区公路沿线 泥石流启动机理与防治措施研究( 2 0 0 6 a 2 4 5 8 2 ) 研究课题为依托，从公路沿线泥石流防 治调查入手，深入研究了雅泸高速公路沿线泥石流排导工程特点，并在此基础上提出了相 应的修改意见。同时，希望该研究成果对于今后类似工作的开展有一定的参考或借鉴意义。 4 中南大学硕上论文第一章绪论 唐衮一嚅兴态翘叫 i 乙_ 伍( k 寒7 山7 + ，1 7 0 够0 - - 内9 0 0 ) 关幕掏( k 8 9 + 5 5 0 6 5 0 ) 弋汉 田簿寓k g ( h - 5 5 0 - - 7 3 0 ) 一- 一- - 、t m ( k 9 2 + 1 5 0 - - 2 0 0 ) 霎 田坝干掏 、 甚 小沟尔( k 1 7 9 + 7 0 0 ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ 一 托乌 雀儿沟( k 1 8 q + 4 0 0 ) 一 野鸡洞- - 、- 三苎1 重。哆 口高速公路 迎鼍；。三粤婴警苫国磊8 终 硎星心钕k l t l l 匀+ ? 式s ：, - 7h ：) 图泥巨辅 箐( k 克l 尼9 罗+ i 1 5 j 一扯羊苫嚣若流掏4 2 0 0 8 年汶川地震后，沟道物质急剧增加，导致汶川地区泥石流危险性和危害性都剧烈 增大，笔者有幸把在课题活动断裂区公路沿线泥石流启动机理与防治措施研究的取得 的部分成果，应用到汶川地区三条泥石流沟( 一颗印沟、甲司口沟、塔子沟) 应急防治工 程设计中去，如图1 - 4 。 图1 4 汶川地震后三条泥石流沟应急防治 1 3 泥石流灾害现状及排导防治工程发展现状 1 3 1 我国泥石流灾害状况 我国是多山之国，地开陡峻，地质构造复杂，岩石破碎，山体稳定性较差，加上丰富 水源条件，使我国泥石流灾害十分发育，危害相当严型9 ，10 1 。 云南省东川支线铁路老干沟，1 9 5 8 年修筑公路时的弃碴堆积沟内，1 9 5 9 年修筑的盘 5 中南大学硕士论文 第一章绪论 山水渠大量渗漏，引起山坡坍塌、滑坡。同年雨季，沟内发生泥石流，此后泥石流泛滥成 灾，日益严重。另外沟内为泥石流形成提供的物质储量逐年增加，1 9 6 3 年9 月1 8 日夜间， 一场强暴雨激发了泥石流。1 9 6 6 年2 月东川连续发生6 2 、6 5 级地震，使山体开裂崩滑现 象增加，到1 9 7 7 年沟内物质储量跃到1 4 5 0 万立方米。该沟时常淤埋公路，严重威胁交通 运营，为维持正常交通只能靠经常清淤，之后被迫改建明洞。 1 9 8 1 年7 月9 日，暴发于大渡河支流达子依达沟的一次泥石流，摧毁了成昆线的一座 铁路桥，使列车颠覆，死亡3 6 0 人，造成直接经济损失3 6 0 0 万元，成为我国铁路史上极 为罕见的大灾难。陇海线上的宝天段建成后常受滑坡、塌方、泥石流灾害破坏，线路不能 正常运营，被称为“西北铁路线上的一段盲肠”，这段铁路迄今已投入整治费用5 亿元以上， 为原造价的6 倍多。又如广局辖内铁路线路总长度为8 0 5 6 k m ，其中，正线5 1 4 4 7 k m ，而 灾害线路长度多达5 6 8 6 k m ，占线路总长度约7 ，占正线长度的1 0 左右。为此，每年投 入的修复费用高达5 0 0 0 - - 7 0 0 0 万元( 不包括抢险费用) 1 2 j 。 2 0 0 3 年8 月9 日上午7 时3 0 分左右，四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县克枯乡下庄 村茶园沟因暴雨引发泥石流灾害，约3 万立方米泥石流从茶园沟冲向3 1 7 国道，全村7 户 村民4 2 间房屋被冲毁，1 人死亡，1 0 人失踪，1 人重伤，3 1 7 国道一座桥梁被冲毁，交通 中断【1 3 】。 2 0 0 8 年9 月1 7 日凌晨，雅泸路扯羊一号大桥舍克尼罗沟爆发了一次大型泥石流，淤 埋了离舍克尼罗沟沟口约3 0 0 m 的泥石流排导槽。据雅泸路扯羊隧道施工技术人员介绍， 当时先是零星小雨，后持续强降雨2 、3 个小时，雨力减弱之后，泥石流爆发了，并持续 了约1 个小时，所幸未造成人员伤亡。 2 0 0 9 年7 月2 3 日，甘孜州康定县突降暴雨，造成该县舍联乡发生山体滑坡和泥石流 灾害，泥石流冲入大渡河导致河道阻塞，形成堰塞湖。泥石流己造成省道2 1 1 线多处中断， 3 0 0 0 米道路被淹没，电力中断、通讯不畅；1 3 6 间、1 8 5 3 平方米工棚被毁，损失各类车辆 3 2 台，各类机具6 1 台( 件) ，仪器设备8 0 台，各类建筑物资1 4 0 0 吨。 2 0 1 0 年，受连日降雨的影响，4 月2 日，云南省怒江傈僳族自治州贡山县境内连续发 生了两起泥石流灾害。当地政府4 日证实，泥石流导致3 人死亡、1 人失踪，当地与外界 的通信中断；此外，4 月2 日上午9 时，在瓦贡公路贡山县茨开镇嘎拉博村委会5 0 0 米左 右也发生一起泥石流。一辆j 下在此路段过往的吉利牌轿车被埋入泥石流中，车上两人随车 被埋，不幸死亡。 由图1 5 可知，1 9 8 1 年前泥石流灾害损失总体呈上升趋势，在1 9 8 1 年后我国对泥石 流灾害的治理采取了一系列有效措施，避免了不少地质灾害的发生，减少了一定的经济损 失和人员伤亡，但是地质灾害依然很严重 13 1 。 6 中南大学硕士论文 第一章绪论 图1 - 51 9 4 9 1 9 9 0 年中国泥石流灾害损失 1 3 2 排导工程发展现状 排导工程要有排导槽、导流堤和导流坝三大类型，是防治泥石流使用最为广泛的工程 措施，其特点是工程简单、效果好，就地取材、施工方便，不影响行车，现将泥石流排导 工程发展综述如下。 1 、国内排导工程发展现状 我国泥石流防治工程始于5 0 年代，5 0 年代到6 0 年代所设计施工的泥石流排导工程基 本上是按一般的洪水规律，参照流量、流速和桥、涵孔径及地形条件，做成传统式平底的 梯形和矩形排导槽，遇陡坡时设缓流井或消力池。长期的工程实践证明，这种排导工程对 排泄洪水有效，而对排泄泥石流固体物质则很不利，会经常产生淤积、堵塞桥孔、淤埋涵 洞等【1 4 1 。 西昌铁路分局1 9 7 7 年曾在成昆线乐跃车站内采用过圆形底排导槽，改造了三条件泥 石流沟，取得了一定的成效，但由于圆形底部施工困难，还是未能得到推广使用【l 5 1 。 v 型排导槽由王继康等专家在2 0 世纪8 0 年代成昆铁路泥石流治理中立题研究，从泥 石流的冲淤规律找出路，针锋相对的试验研究以窄、深、尖为特点的v 型槽，在调查和工 程观测试验基础上，再结合成昆铁路的大量泥石流病害整治，百余处v 型槽的工程实践都 表明v 型槽的排泄防淤效果格外显著，从而减轻了成昆线的泥石流灾害，为防治泥石流排 导工程拓展出创新的设计1 1 6 j 。 9 0 年代，v 型排导槽在云南泥石流治理推广中使用和发展i i 川，游勇对梯形、矩形、三 角形和复式三角形排导槽断面，进行了比较，推导出梯形、矩形、三角形、复式三角形和 v 型排导槽的最佳水利断面，为排导槽的规划设计提供了参考【l 引，陈晓清等通过工程考察 对泥石流的两种排导槽( 东川槽和v 型槽) 的设计、投资及运营现状进行了比较，分析总 结了v 型槽优缺点【1 9 1 ，直墙v 型断面排导槽是目前泥石流防治工程中广泛采用的横断面 形状之一，游勇以此为研究对象，对它的水力条件进行了分析，并对横断面的优化设计进 7 中南大学硕上论文第一章绪论 行了探讨1 1 8 】，张红兵在云南3 1 条泥石流防治工程实践中，泥石流排导槽突破了最小纵坡 和最小曲线半径的理论限制，创造了在部分沟段排导槽最小纵坡3 o ，最小曲线半径仅为 槽宽的3 倍仍顺畅排导泥石流的效果，改善了纵坡连接代数差的范围，认识到平面曲线线 段( 弯道拐点) 和纵坡变坡点不能叠加的问题，发展了复式v 型槽【2 们。 在以上理论的指导下，在中国西部公路沿线修建的数百个泥石流的防治工程，有效减 轻了泥石流对线路工程设施的损毁作用，但部分v 型槽因泥石流淤积和槽底磨蚀而导致防 治失效，严重影响防治结构使用年限，之后陈洪凯、周富春等针对泥石流的磨蚀特点，从 垂直于排导槽边壁方向和平行排导槽边壁方向对排导槽的受力情况进行了比较深入分析， 导出多个计算公式，为泥石流排导槽的磨蚀计算提供了理论依据1 2 。 2 、国外泥石流排导工程发展现状 国外现代泥石流防治体系始于十九世纪后半叶，其标志是阿尔卑斯山区某些国家颁布 了森林保护法( 法国，1 8 6 0 年；奥地利，1 8 7 2 年) ，建立了专门的泥石流防治管理部门， 出现了坡地梯田化、植树造林和水利工程相结合的泥石流综合措施，当时好些学者和工程 师先后发表了第一批泥石流防治专著【2 引。 此后，泥石流防治工作便在更多国家中蓬勃地开展起来。1 8 9 5 年俄国人发表了涉及格 鲁吉亚军用公路沿线泥石流防治工程报告，开始考虑现代泥石流防治体系问题。二十世纪 初，同本从欧洲引进了泥石流排导工程措施，并于二十世纪六十年代后半期开展大规模的 泥石流防治工作。1 9 1 5 年美国对洛杉矶地区的泥石流进行系统整治，开始应用排导工程对 泥石流进行防治1 2 川。 二十世纪2 0 年代后，国外对泥石流排导工程的认识，经历了如下过程1 2 4 2 6 j 。 起初，设计小型泥石流防治建筑物，主要把泥石流性质当作水流性质来看待，再用“直 观方法”适当加大稳定安全系数，结果大多数排导工程遭致破坏。 之后一段较长时间内，泥石流的沙水性质占统治地位，即把泥石流看成是含沙量较高 的水流( 含沙水流) ，并把粘性泥石流和稀性泥石流混为一谈，以此为理论设计泥石流排 导工程易遭受淤埋而导致报废，或遭致破坏而酿成意外事件。 尔后，苏联学者着手对容重的研究，区分粘性泥石流和稀性泥石流，并针对泥石流容 重特点来设计排导工程。 二十世纪5 0 年代，对泥石流的防治丌始形成体系化，泥石流排导工程经常会用来和 其它工程联合使用，目前应用排导槽工程主要有以下三种方案，( 1 ) 大片的森林土壤改良 措施和排导工程两者并用；( 2 ) 密布的拦挡坝坝群和排导槽两者共用；( 3 ) 以美国为代表， 其主要特点是修建一整套相互关联的水利工程综合防护建筑物群( 包括固床坝群、排导 槽) ，同时又广泛采取农业森林土壤改良措施。 1 3 3 排导工程设计中存在问题 总结国内外泥石流排导工程研究发现，在对排导工程设计参数调查及计算、运动动力 学参数计算、排导槽的设计及其优化等方面都进行了相当深入地研究，建立了较多区域性 8 中南人学硕士论文 第一章绪论 经验公式，泥石流排导工程发展到现在，经历许多专家的完善和实践的检验，已经逐步形 成排导工程设计理论体系，笔者综述发现尚有一些需要进一步改进和完善的地方。 l 、泥石流汇流面积较大，很难既精确又方便测量，雪线以上部分面积测绘非常困难， 通过会忽略冰雪融水流量，从而导致部分排导工程设计流量失真； 2 、当前计算公式仅适用于矩形断面，v 型排导槽内泥石流流速横向分布尚缺少计算理 论： 3 、在v 型排导槽束水攻沙，没有理论支持，v 型排导槽内泥石流不淤流尚缺乏计算 方法； 4 、导流堤研究多以洪水堤研究为主，需要对泥石流导流堤功能设计进行研究； 5 、泥石流排导工程优化设计研究较单一，多数是优化排导工程尺寸。 1 4 主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文在现有研究成果基础上，针对目前存在的问题和不足，将重点研究泥石流排导工 程设计参数调查、设计参数计算以及排导工程的优化设计三方面，具体研究内容包括： l 、在总结泥石流排导工程设计参数调查内容及调奄方法成果的基础上，找出存在的 问题，探讨泥石流地形调查新方法； 2 、总结分析泥石流排导工程设计流量计算方法，采用高海拔地区冰雪融水对洪峰流 量的计算公式，来计算高海拔地区泥石流流量。在此基础上，研究建立泥石流在v 型排导 槽内泥石流流速横向分布公式，并以雅泸公路沿线舍克尼罗沟为工程背景，对流速分布计 算公式计算结果进行检验； 3 、总结现有泥石流排导工程设计要点的基础上，运用类比法的原理，提出泥石流排 导工程淤积与否的判定方法，并对该方法进行应用研究。 4 、基于动态设计、泥石流在v 型槽内流速分布和异型块体消能，对泥石流的排导工 程进行优化设计。 1 4 2 技术路线图 9 中南人学硕j ：论文 第一章绪论 图i - 6 技术路线图 中南人学硕士论文 第二章排导t 程设计关键参数调查 第二章排导工程设计关键参数调查 泥石流沟道参数调查往往以地面调查为主，结合卫片、航片、地形图、水文气象资料 和地方志等宏观资料进行综合分析。调查的参数类型多样，大体包括汇流地形参数、水文 气象参数、地质背景参数等三类。其中，水文气象参数、地质背景参数具有一定程度的区 域特征，可通过查阅区域资料获取。地形参数一般通过实地测绘或地形图识读，但前者费 时耗力，有时会出现测点难以到达或不易观测的问题。 调查和试验是取得排导工程设计基本资料的重要手段，是正确处理设计泥石流排导工 程的f j 提。本章基于泥石流调查现状分析，同时结合雅泸高速公路实际情况，总结了泥石 流地形调查参数确定新方法，为泥石流排导工程设计与优化奠定了基础。 2 1 泥石流沟地形参数调查 地形调查包括量测流域形状、汇流面积、积雪覆盖面积、主沟长度、沟床比降、流域 高差、谷坡坡度、沟谷纵横断面形状、水系结构和沟谷重度等地形要素。参数中的汇流面 积、积雪覆盖面积、沟道长度、沟道平均比降、断面比降等参数将直接的应用于排导工程 参数的计算，本文将重点探讨这些参数的调查获取方法【2 7 , 2 8 】。 2 1 1 基于g o o g l ee a r t h ；i - 流面积与融雪面积调查 本文以关家沟为例说明g o o g l ee a r t h 获取地形参数方法，通过g p s 定位确定关家沟某 处的经纬度，这样利用位置搜索可以很快在g o o g l ee a r t h 上找到关家沟的位置，通过读取 分水脊线上多点的坐标，根据各个点的坐标就能得出流域面积的大小。具体做法如下： 1 、通过观察粗略和微调相结合的办法标注关家流域分水脊线上的多点的位置，并记录 g o o g l ee a r t h 各点坐标( x ，y ) 数据，将各点连起来就可以描绘出关家沟的流域分水线和 雪线，如图2 1 所示； 2 、利用e x c e l 记录下各点的坐标，并转换成( x ，y ) 数据形式( 如图2 2 ) ，利用软 件画出关家沟的流域轮廓线和雪线范围，如图2 1 和图2 3 所示； 3 、利用c a d 软件的a r e a 命令求出关家沟流域轮廓线所围成的面积，即为泥石流的 汇流面积和积雪覆盖面积。 i y( x y ) 2 7 0 8 相5 73 2 5 9 3 5 23 72 08 4 8 酊。弛5 03 5 2 3 7 2 7 1 2 1 80 7 3 2 5 9 e 7 i5 9针l2 1 8 吖，3 2 5 96 7 1 5 2 7 1 3 鲥7 8 3 ：5 鸭2 7 1 3 9 1 7 8 。3 2 5 98 7 3 4 2 1 1 7 6 l7 8 3 2 5 0 8 9 1 1计l7 6 1 7 8 ，3 2 5 口8 9 1 l 2 7 l i1 23 2 5 口蝴2 3 钾l9 0 4 1 2 3 2 5 99 8 6 2 3 ”盈7 l 33 2 5 0 0 2 0 口6 舯：2 7 1 4 3 。3 2 e 00 2 0 9 5 神2 1 2 1 33 2 5 兮嘲口嚣2 4 2 4 4 3 。3 2 5 9 , 9 0 6 9 4 2 7 2 5 e l 93 2 s 口7 前2b 5 1 4 9 。3 2 5 97 2 7 ：m 2 63 2 5 9 7 8 3 射：1 5 9 4 ：5 5 97 骢 2 t 嚣0 23 2 5 译5 9 06 7 计29 0 忱北5 9e 6 7 1 7 3 0 0 = 勰 3 2 5 口f 1 3 76甜30 0 2 。6 3 ：5 96 3 7 6 2 7 3 i 75 73 2 5 ”0 2 剪3l 矿，3 ：6 3 7 0 2 钉3 4 ；0 口2 3 2 5 口7 6 l l g前34 2 0 睨。3 2 5 口7 6 “口 ：7 3 驰1 53 2 7 5 37 6 霹3s 3 t 8 ，弛5 q7 5 3 7 6 2 7 撇l ，8 13 2 5 引蛐6 2 材36 2 】8 1 毙5 96 1 , 8 8 2 2 7 3 7 5 0 。3 83 2 5 9 5 0 6 前37 5 0 3 6 ，3 2 聃5 q 3 0 5 2 7 钉酪1 33 0 5 9 “，口暂37 5 6 1 3 。3 3 5 9 ，4 4 4 9 甜3 9 轭。g e3 捌3 5 。6 5钾38 2 2 8 6 ，3 2 5 93 5 6 2 7 3 口3 1 瞄 3 z 曲3 4 69 22 7 39 3 1 0 4 3 2 5 93 4 6 9 2 2 7 0 5 8 8 83 2 5 9 3 7 25 62 7 4 0 5 8 5 8 t3 2 8 q3 佗驺 计稿t 3 7 23 2 5 9 3 5 8 4 3 前4 3 4 3 7 2 。3 2 5 9 3 5 8 4 3 图2 - 1 关家沟汇水面积分水线及雪线 图2 - 2 关家沟轮廓线坐标图2 - 3c a d 绘出汇流面积和雪线 当然该方法适用于流域面积较大的泥石流沟，为了提高流域面积的精度，应选取尽量 多的坐标点来确定流域轮廓线。 2 1 2 基于o o o g l ee a r t h 沟床比降与断面比降调查 利用g o o g l ee a r t h 来获取沟床平均比降与断面面的比降主要有以下三个步骤。 1 、在g o o g l 图2 - 4 关家沟主沟线 2 、记录沟谷线上点的高程与距起始点的距离。 3 、画出比降图，如图2 5 。 i 德霸堆积区形威流通区 彤威区 4 - 一一一 一 宣妒：- r f 垂拜一：j7 罩方f 一藏妒j ：幸力f 一 海 - 均撵2 ：j4 x军蛸z 肆27 x ，北晦j2 8 7 2 0 0 0 已幕j l g 卜憎- - - - - 三二 1 6 0 0 p k 卜+ l 一, v v 卜 ；：；i 1 2 0 0 ：忙2 二 i o o d ：i j ! ：；- r ： 8 0 0l t - ! 卅 6 【：己 蕊膏长摩! m i 图2 - 5 关家沟比降图( 平均比较为2 3 3 ) 2 1 3 沟道横断面测绘 沟道断面测绘是泥石流运动动力学计算的前提，是排导工程设计必须图件，是估算开 挖方量基础，测汇沟道横断面，包括断面几何尺寸，沟道内土层及岩性，有危害对要标出 1 2 鬻篝饕疆篆蔓嚣釜舢篓 点劳npr_i x 0 一 +：，+一：2，4 1 目十i+十t+-+十+t：，+2 hp；“r：p一；，t一+，一 十+t卜-十t丰十+二o了=一考0i砌i：j：i_|，一。 豢一 茹_士十0鼻_：一时 十，+：4 t 一，i l 十“j+j t，十_一十+，一 ，j-f：jj“40一 甄基等 中南大学硕十论文第二章排导工程设计关键参数调查 危害对象，如图2 - 6 。 2 2 泥石流流体参数获取 u 一巨要卜t 唿酗臣 嚏- 叵脚 图2 - 6 泥石流沟道横断面测绘图 2 2 1 泥石流流体容重 泥石流体重度的获取方法包括配方法、形态调查法和基于粘粒含量公式计算法。 1 、配方法 请当地曾亲眼见过该沟泥石流的老居民多人次，在典型泥石流沟段，选取有代表性的 堆积物，搅拌成不同泥石流流体状态，让当地居民对各个样品进行比较，选择最接近暴发 时泥石流状态的样品，然后确定该样品的总质量和总体积，按式( 2 1 ) 求出泥石流流体重 唐【2 9 ，3 0 】 j f j 乙 。 防：墨 ( 2 1 ) 成2o l z l ， 。 v 式中，以为泥石流流体重度，k g m 3 ；q 为样品的总质量，k g ；v 为样品的总体积，m 3 。 2 、形态调查法【3 1 , 3 2 】 在泥石流沟现场，多人次请亲自目睹过该沟泥石流暴发过程或受过危害的当地村民描 述泥石流体特征和流体运动状况，然后按表2 1 特征确定泥石