（环境工程专业论文）铁路泥石流灾害风险评价与防治研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：铁路是国民经济的大动脉。在交通运输中起着重要的作用，而泥石流严重 影响铁路的正常运营和行车安全。泥石流是山区常见的自然灾害，我国山地约占 国土面积的三分之二，是世界上泥石流分布较广泛和灾害较严重的国家之一。随 着山区经济开发和铁路的伸展，铁路遇到的泥石流灾害亦随之增加。目前，我国 铁路泥石流沟存在着不同程度的风险度与危害性，每年雨季因此而造成的断道、 抢险、养护和整治费用以及直接与间接的经济损失数以亿元计，人员伤亡、设备 被毁和行车安全事故对有发生，成为铁路建设和运营管理的重要制约因素，因而 引起世人对泥石流灾害的普遍关注。 本文针对我国铁路泥石流灾害危害的现状，应用风险分析的理论方法，着重 对铁路泥石流的危险性分析与防治对策进行了初步研究。文章介绍了我国铁路泥 石流的分布特点、危害方式及防治概况，运用综合分析评判模式对铁路泥石流危 险性进分析；从承灾体自身固有特性出发，建立了铁路泥石流灾害承灾体易损性 体系；对铁路泥石流灾害进行等级划分，分析其损失构成并从直接和间接两个方 面对铁路泥石流灾害造成的经济损失进行划分和评估；最后，在正确的风险分析 的基础上，从硬防治与软防治两方面，分析了防治铁路泥石流的工程措施、生物 措施及预报预警与防灾管理办法。在文末提出了有关铁路泥石流灾害防治的一些 建议。 关键词：铁路泥石流；风险分析；易损性；防治对策 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h er a i l w a yi st h eg r e a ta r t e r yo ft h en a t i o n a le c o n o m y , t a k e si m p o r t a n t p a r ti nt h et r a n s p o r t a t i o no f o u rc o u n t r y , b u tt h ed e b r i sf l o ws e r i o u s l ya f f e c t si t sn o r m a l o p e r a t i o na n dt h et r a f f i cs a f e t y t h ed e b r i sf l o wi sac o m m o nn a t u r a ld i s a s t e ri nt h e m o u n t a i n o u sa r e a ，o u rc o u n t r ym o u n t a i n o u sr e g i o na p p r o x i m a t e l yc o m p o s e s2 3o ft h e n a t i o n a lt e r r i t o r ya 呦w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o u n t a i n o u sa r e a e c o n o m ya n d r a i l w a y e x t e n d e n c e ，t h ed e b r i sf l o wd i s a s t e rw h i c ht h er a i l w a ym e e t si n c r e a s e sa tt h e s a m et i m e a tp r e s e n t ，t h er a i l w a yd e b d sf l o wd i t c hi no u rc o u n t r yh a st h ev a r y i n g d e g r e er i s kw i t ht h eh a z a r d o u sn a t u r e d u r i n gr a i n ys e a s o ne v e r yy e a r ，t h ee x p e n s eo n t h ee m e r g e n c y , m a i n t a i n sa n dr e n o v a t e sa sw e l la sd i r e c ta n dt h ei n d i r e c te c o n o m i cl o s s n u m b e rc o u n t sb yh u n d r e dm i l l i o ny u a ni d e a s ，t h ep e f s o n n e ic a s u a l t ya n de q u i p m e n t l o s ss o m e t i m e sa r eo c c u r r e dw i t ht h et r a f f i cs a f e t ya c c i d e n t ，t h e s eb e c o m et h ei m p o r t a n t r e s t r i c t i o nf a c t o ro fr a i l w a yc o n s t r u c t i o na n dt h eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t ，t h u sc a u s e st h e u n i v e r s a la t t e n t i o n o fc o m m o np e o p l et ot h ed e b r i sf l o wd i s a s t e r t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fe x i s t i n gd e b r i sf l o wr i s ko fr a i l w a y si n c h i n aw i t ht h et h e o r e t i c a lm e t h o do fr i s ka n a l y s i s ，c o n d u c t st h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho n t h er i s ka n a l y s i sa n dt h ep r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gs t r a t e g i c t h ep a p e ri n t r o d u c e s d i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i c ，h a z a r d sa n dp r e v e n t i o nm e t h o d ，u s e st h eg e n e r a l i z e da n a l y s i s j u d g m e n tp a t t e mt ot h er a i l w a yd e b r i sf l o wr i s k f r o mt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e r a i l w a y , e s t a b l i s h e st h ev u l n e r a b i l i t ys y s t e mo fr a i l w a yd e b r i sf l o wd i s a s t e r ；c a r r i e so n t h er a n kd i v i s i o nt ot h er a i l w a yd e b r i sf l o wd i s a s t e r , a n a l y z e si t sl o s sc o n s t i t u t i o na n d f r o m ，i td i v i d e sa n de v a l u a t e st h el o s so fd i s a s t e r sb o t hd i r e c t l ya n di n d i r e c t l y f i n a l l y , o nt h eb a s i so fc o r r e c tr i s ka n a l y s i s ，i ti n t r o d u c e st h em e a s u r eo fr a i l w a yd e b r i sf l o w p r o j e c tf r o mh a r da n ds o f tt w oa s p e c t s ，i n c l u d i n gt h eb i o l o g i c a lm e a s u r e ，t h ef o r e c a s t w a r n i n ga n dt h ep o l i c ym e t h o d i nt h ee n d ，t h ew r i t e ra l s op u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n s t op r e v e n tt h er a i l w a yd e b r i sf l o wd i s a s t e r k e y w o r d s ：r a i l w a yd e b r i sf l o w ：r i s ka n a l y s i s ；v u l n e r a b i l i t y , ；p r e v e n t i o ns t r a t e g i c 致谢 本论文是在导师张于心教授的严格要求和悉心指导下完成的，无论从论文的 选题、构思，还是到论文的写作、修改和最终定稿，整个过程都渗透着导师的智 慧和心血。凝聚着导师对我的关怀和启迪。在近三年的研究生学习过程中，导师 不但从学习上，还从生活上和工作上给予了我无微不至的关怀和帮助。我深深感 到自己取得的每一点进步，都离不开导师的辛勤培育和教导。导师渊博的学识、 严谨的治学态度将使我终生受益，导师那停悖教导的话语使我永记心中。在此， 谨向我的导师张于心教授表示我最诚挚的感谢和最崇高的敬意。 在论文的写作过程中，还得到了雷黎副教授等系统所的老师与同学的支持和 帮助，在此表示衷心的感谢。此外，铁道科学研究院环控所曾凤柳所长、陈泽吴 研究员、董大为工程师也在我学习和工作中给予了极大的支持和帮助，在此表示 衷心的感谢。 当然，还要感谢我的母亲，她对我多年来的鼓励、关心和支持，时时在激励 我前进，是我顺利完成学业的坚强保证。 同时，向评审本论文以及参加论文答辩的专家们表示谢意，感谢他们在百忙 之中抽出时间审阅和指正我的论文。由于作者学术水平有限，因此论文中对一些 问题的讨论可能存在不当或不够严谨之处，还请各位专家给予指正，以利于作者 继续在该领域进行深入研究。 绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 铁路是国民经济的大动脉，在交通运输中起着重要的作用，而泥石流严重影 响铁路的正常运行和行车安全。泥石流是山区常见的一种突发性的泥沙搬运现象， 属于高浓度的固、液两相流体运动。它的发生是地质现象和人类活动综合作用的 结果。我国山地约占国土面积的三分之二，是世界上泥石流分布较广泛和灾害较 严重的国家之一。随着山区经济开发和铁路的伸展。铁路遇到的泥石流灾害亦随 之增加。 在筑路阶段，泥石流就给建设者带来巨大的损失和严重的灾难，如6 0 年代， 在东川支线建设期间，由于屡遭泥石流袭击，工程曾被迫停工，大量工程废弃改 线，工程投资增大3 4 倍。线路建成后，根本不能保证其正常运行，现只得大段 线路废弃改建。1 9 7 5 年5 月2 6 日，成( 都) 一昆( 明) 铁路穿越的盐井沟( 四川 冕宁县内) 暴发泥石流，大量工棚、建筑材料和设备被冲毁，造成1 0 4 名筑路工 人和家属死亡。 据不完全统计，现在营运的铁路沿线已发现并确认的泥石流沟有1 5 0 0 余条， 泥石流破坏铁路建筑、淤埋线路和车站的严重灾害事故已超过2 9 2 起。其中造成 列车脱轨、颠覆的1 0 起，有3 3 个车站被淤埋4 l 起累计中断行车7 5 0 0 多小时。 如1 9 8 1 年7 月9 日，成昆线利子依达沟上大桥被泥石流冲毁，两孔梁和一辆客车 坠落，造成3 0 0 多人死亡，中断行车3 8 4 小时，直接经济损失数万元。灾后改线 避绕工程投资3 0 0 0 多万元。成昆线在投资2 亿元整治泥石流后，仍发生过较严重 的泥石流灾害，1 9 9 6 1 9 9 8 年期问，蒲坝、三堆子等3 个车站分别遭受了严重的 泥石流灾害，共引起断道l o o 小时以上。 本文针对我国铁路泥石流危害的现状，通过风险分析的手段，对铁路泥石流 致灾因子、承灾体易损性进行分析，并评估了泥石流灾害的损失，在有效的风险 评估的基础上，提出了铁路泥石流灾害的防治策略。 1 1 1 风险与风险评价 a 风险 风险既是一个通俗的日常用语，也是一个重要的科学术语。尽管目前国际上 对风险一词并没有一个统一严格的定义，不过各种定义的核心内容基本都一致。 北京交通大学硕士学位论文 按权威的韦伯字典的说法，风险是“面临着伤害或损失的可能性”。w i l s o n 等在1 9 8 7 年影响颇大的刊物( ( s c i e n c e ) 上所发表的文章，将风险的本质描述为不确定性， 定义为期望值。总结各种表达，笔者认为风险的核心内容是不利事件发生的可能 性。 有关自然灾害风险的定义也是多种多样。例如m a s k r e y ( 1 9 8 9 ) 定义为：“风 险是某一自然灾害发生后所造成的总损失”；s m i t h ( 1 9 9 6 ) 定义为：“风险是某一 灾害发生的概率”；t o b i n 和m o n t s ( 1 9 9 7 ) 定义为：“风险是某一灾害发生的概率 和期望损失的乘积”；d e y l e 等( 1 9 9 8 ) 定义为：“风险是某一灾害发生的概率( 或 频率) 与灾害发生后果的规模的结合”；h u r s t ( 1 9 9 8 ) 定义为：“风险是对某一灾 害概率与结果的描述”；联合国赈灾组织公布的自然灾害风险定义为：“风险是在 一定的区域和给定的时段内，由于某种自然灾害而引起的人们生命财产和经济活 动的期望损失值”【l j 。笔者认为，自然灾害风险应该泛指灾害发生的时间、空问、 强度的可能性。 为了进行风险大小的比较，人们常常用期望值替代概率分布，或选用某些算 子对有关量进行数学组合。这种风险的定量表达也被称为风险度。对自然灾害风 险不同的定义，相应的风险度表达也有一些差异。“加”和“乘”是使用频率最高 的两个算子。 m a s k r e y ( 1 9 8 9 ) 提出的风险表达式为：风险度= 危险度+ 易损度 s m i t h ( 1 9 9 6 ) 提出的风险表达式为：风险度= 概率损失 d e y l e 等和h u r s t 分别在1 9 9 8 年提出的风险表达式为： 风险度= 危险度结果 t o b i n 和m o n t s ( 1 9 9 7 ) 提出的风险度表达式为： 风险度= 概率+ 易损度 联合国1 9 9 1 年提出的风险度表达式为：风险度= 危险度易损度 。 这些表达式较为全面的反映了风险的本质特征。 b 风险评价 为了减轻灾害造成的损失，人们开展了大量的工程和非工程的减灾行动。减 灾行动一般都涉及到巨额的资金投入或影响广泛的社会系统调整。显然，盲目的 减灾行动必然导致人力、物力和财力等的大量浪费，有悖于减灾的初衷。只有对 灾害的孕育、发生、发展可能造成的影响有科学的认知，才能避免行动的盲目性。 因此，减灾的重要工作之一，就是进行灾害的风险评价。 简单地讲，对尚未发生的灾害进行各种可能性分析称为风险分析。风险评价 则是指通过风险分析的手段对尚未发生的灾害的致灾因子强度、受灾强度进行评 定和估计【2 1 。评定是根据致灾因子强度和承灾体脆弱性推断出受灾程度，估计是不 2 绪论 确定意义下的估计。风险评价也称为风险评估。一般我们所说的风险评价其侧 重点是使用现成方法计算和评价风险的程度。 1 1 2 铁路泥石流灾害风险分析的基本内容 铁路泥石流灾害风险分析是对风险区遭受不同强度泥石流灾害发生的可能性 及其可能造成后果进行定量分析和评估。因此，不仅要分析其发生的可能性，即 不同强度泥石流灾害发生的概率，而且要评估由此引起的可能后果【3 】。铁路泥石流 灾害风险分析的基本内容包括以下四个方面；致灾因子风险分析，承灾体易损性 分析、灾情损失分析、减灾对策的研究。 a 致灾因子风险分析 可能造成灾害的因素称为致灾因子，又可称其为灾源。任何致灾因子都需要3 个参数才能加以完整地刻画，即时间、空间、强度。时间即灾源出现或发生作用 的时间；空间即灾源所在地理位置；强度即灾源发生时的强度。研究给定地理区 域内一定时间内各种强度的致灾因子发生的可能性称为致灾因子风险分析。如果 将致灾因子的出现视为随机事件，则致灾因子风险分析的任务就是估计各种强度 的致灾因子发生的概率和重现期；如果可以准确预报某一强度致灾因子将在何时、 何地发生，则致灾因子风险分析就是找出概率为l 的事件。 b 承灾体易损性分析 承受灾害的对象称为承灾体。根据给定的致灾因子强度推算承灾体的破坏程 度称为承灾体易损性分析。灾害的本质是承灾体与致灾因子相互作用的结果。致 灾因子是灾害形成的必要条件，然而若没有灾害作用对象，即承灾体，就无灾情 可言。灾害的发育程度与灾害造成的损失并非成正比关系，在很大程度上取决于 承灾体易损性大小。在同一致灾强度下，易损性大的承灾体易于受灾，即易损性 大的承灾体抗御灾害事件或从灾害影响中恢复的能力就差，灾情也可能较大。在 致灾因子和承灾体两者关系上，要改变致灾因子是困难的，尤其是自然环境条件 下产生的致灾因子。因此，讨论减轻灾害的关键问题是如何降低承灾体的易损性， 提高承灾体的承受能力，而这本身又与实现社会经济发展和自然环境的相互协调 的政策、投入、技术等有着密切的关系，是反映人类社会发展进程中抗御和减轻 灾害的主观能动性一面。 c 灾情损失分析 严格来讲，没有损失就无所谓风险。灾情损失分析是指评估风险区内一定时 段可能发生的一系列不同强度灾害给风险区造成的可能后果。经济损失包括直接 经济损失和间接经济损失。目前，损失的量化方法一般有如下3 种： 3 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 绝对量化法 统计受灾区域的人员伤亡数，计算财产损失金额的损失量化法。绝对量化法 的作用是可以提供受灾区域内灾情的基本数据。但由于此方法通常不考虑统计区 域的基数，故不能表现受灾区域灾情的强弱，有很大局限性。 ( 2 ) 相对量化法( 灾害指数法) 统计受灾区域的人员总数和财产总数，并将人员伤亡数除以总人数作为受灾 区域的灾情指标。由相对量化得到的灾情指标称为灾害指数，这种强弱指标能较 好的体现灾情的自然属性，便于对不同区域的风险高低进行比较。 ( 3 ) 专家评定法 由专家在受灾现场直接评估并给出灾害强弱的语言描述的方法。专家评定法 可以提供受灾区域灾情的综合评判结果。但这种结果较粗糙，不宜进行量化分析。 d 防灾对策的研究 为减轻灾害的损失或影响程度而采取的对策称为减灾对策。例如，发布灾害 预报、泥石流工程设施、制定紧急救灾预案、建立灾害保险基金，都属于减灾对 策的范畴。显然，合理的减灾对策，往往具有投入少收益大的好处。按照减负等 于加正的说法，相当于提高了经济效益。不过，决策失误所导致的损失常常也是 巨大的。因此，需要进行减灾对策的研究。 1 2 论文基本结构 第一章绪论：主要介绍了论文的研究背景，简单叙述了论文的基本结构及 研究意义。 第二章铁路泥石流灾害危险性分析：主要介绍了泥石流的分类，分析了泥 石流的形成原因，我国铁路泥石流的分布特点及危害方式，并利用综合分析评判 模型对铁路泥石流危险性进行分析。 第三章铁路泥石流灾害承灾体易损性分析：首先介绍了易损性的定义和内 涵，对影响承灾体易损性的因素进行了分析，建立了铁路泥石流灾害承灾体易损 性指标体系并对各个指标进行分析。 第四章铁路泥石流灾害损失评估：在正确划分灾害损失等级的基础上，主 要分析了铁路泥石流灾害的直接经济损失与间接经济损失。 第五章铁路泥石流灾害防治研究：从我国铁路泥石流防治现状与特点出发， 研究防治铁路泥石流灾害的方法，主要从硬防治措施与软防治措施两个方面进行 分析，最后提出有关建议。 4 绪论 1 3 论文研究意义 泥石流灾害发生过程十分短暂，一旦成灾，往往损失重大。因此，进行泥石流灾害 发生前的灾害风险评估工作，具有重要的实际意义。它不仅为国家和地区经济发展、 产业布局提供依据，也为铁路部门布设防灾减灾工程提供效益分析成果和决策支持， 是减轻灾害损失的重要非工程措施，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 为铁路经济发展中长远规划提供基础背景资料。根据泥石流灾害风险评 估分析结果，可划分受泥石流灾害威胁的高度风险区、中度风险区、低度风险区和 无风险区，在规划铁路项目建设、环境保护等方面，可充分考虑到受泥石流灾害威胁 程度厶理规划，使经济建设和铁路防灾减灾工作相协调，从而避免失误。 ( 2 ) 为评价重点铁路建设工程的适宜性和基础布设提供依据。在有泥石流灾 害威胁存在的地区，泥石流灾害风险评估结果可为重点铁路工程建设选址和方案优 化提供经济效益分析依据。 ( 3 ) 为受泥石流灾害威胁的铁路区段制定应急预案，保障人身安全提供工作基 础。根据泥石流灾害评估对灾害风险的认识和评价，可指导制订受灾铁路区段的灾 害防避、抢险等应急预案，建立科学有效的预警系统，从而最大限度减轻灾害恐慌， 保障人身安全和尽可能减少经济损失。 ( 4 ) 直接为科学而经济地组织实施防灾减灾工程服务。灾害风险评估的直接 结果是预测不同条件下可能产生的灾害损失。根据评估结果，可充分论证铁路防灾 减灾工程的合理性、有效性，优化方案，从两做到科学减灾、经济有效地防灾。 ( 5 ) 为灾害保险及发生次生灾害的可能性及损失提供参考依据。通过评估， 了解灾害的解除程度及危害性，可为灾害保险的风险分析及投保比的确定等提供直 接依据。同时，也为分析发生与泥石流灾害相关的次生灾害的可能性及损失提供参 考依据。 北京交通大学硕士学位论文 第二章铁路泥石流灾害危险性分析 2 1 泥石流分类及成因分析 2 1 1 泥石流定义与分类 扎地质灾害的定义与分类 地质灾害是在地质作用下地质自然环境恶化，并造成人类生命财产毁损或人 类赖以生存的资源、环境发生严重破坏的事件。目前对地质灾害的范围和种类还 没有统一的认识，有人认为地质灾害是由于自然变异和人为作用导致地质环境或 地质体发生变化，因此对人类社会造成危害的地质过程和现象n i 。有人认为地质灾 害是在各种动力活动作用下，地质环境发生灾害变异的结果，地质环境异常变化 的区域越广，变化的要素越多，变化的程度越大，所形成的地质灾害越严重。地 质灾害的内涵应包含以下两方面的内容： 强调致灾的动力条件，即因地质作用形成的灾害事件才是地质灾害，地质作 用是促使组成地壳的物质组分，构造和表面形态等不断变化和发展的各种作用。 地质作用是地质动力引起的，地质动力的能源来自太阳辐射、日月引力、地球转 动、重力和放射性元素蜕变等，因此分为内动力地质作用和外动力地质作用。除 上述自然地质作用外，随着人类工程经济活动规模和范围的迅速扩展，人类 对地球表面形态和物质组成产生了越来越大的影响，有人把这类作用称为人为地 质作用。因此，由内动力地质作用、外动力地质作用和人为地质作用导致地质环 境变化形成的灾害称为地质灾害。 强调灾害事件的后果，即对人类生命财产和生存环境产生毁损的地质事件称 为地质灾害，而那些仅仅是使地质环境恶化，但并没有直接破坏人类生命财产和 生产、生活环境的地质事件，则尚未构成灾害，它只是一种危害。对此，称其为 环境地质问题。例如发生在荒无人烟地区的崩塌、滑坡、泥石流没有直接造成人 类生命财产的毁损，所以不称其为灾害；而发生在社会经济发达地区的崩塌、滑 坡、泥石流则常造成一定程度的人员伤亡和财产损失，所以称为危害。 地质灾害的种类繁多，其分类方法也不尽相同。可分为按空间分布状况分类、 按灾害成因分类和按地质环境变化速度分类等不同分类方法。按灾害成因可分为 自然动力型、人为动力型及复合动力型，具体如表2 一l 所示。 6 铁路泥石流灾害危险性分析 表2 - 1地质灾害成因类型划分表 t a b l e2 - 1c l a s s i f i c a t i o n o fg e o l o g i c a ld i s a s t e r 类型亚类灾种 自然内动力亚类地震，火山、地裂缝等 动力型外动力亚类泥石流、滑坡、崩塌、岩溶塌陷、荒漠化等 道路工程滑坡、崩塌、荒漠化、黄土湿陷等 水利水电工程泥石流、滑坡，崩塌、岩溶塌陷、地面沉降地面塌陷、 人为矿山工程坑道突水、泥石流、诱发地震等 动力型城镇建设地面沉降，地裂缝、地下水变异等 农林牧活动水土流失、荒漠化、与地质因素有关洪涝灾害等 海岸港口工程 海底滑坡、岸边侵蚀、海水入侵等 自然与人内外动力复合亚类泥石流、滑坡、崩塌等 为复合动内动力，人为复合亚类岩爆、瓦斯爆炸、地裂缝、地面沉降等 力型外动力、人为复合亚类泥石流、滑坡、崩塌、水土流失、荒漠化等 b 泥石流定义 有关泥石流的定义，各家意见纷纭，计有1 5 个之多。据姚德基等统计，国外 代表性的定义有5 个。其中较为合适的定义由英国地质学会工程组提出，即泥石 流是介于水流和滑坡之间的一系列过程，因而包含重力作用下松散物质、水体和 空气三者构成的块体运动。国内代表性定义有二，一为钱宁的定义：泥石流是发 生在沟谷和坡地上的饱含小至粘土、大至巨砾的固液两相流，液相是水和细颗粒 泥沙掺混而成的均质浆液，固相是较粗的颗粒；二为杜榕桓的定义：泥石流是山 区常见的一种突发性的自然灾害现象，属于破坏力较大的一种特殊洪流【5 】。这两种 定义均是据泥石流某些特性而定义的，类似的定义还很多。 c 泥石流的分类 为了防治泥石流，提出有效的整治措施，必须对泥石流进行合理的分类。泥 石流的分类反映了我国山区铁路泥石流的成因、类型、危害作用和活动规律，对 防治泥石流的生产实践有指导意义。铁路系统最常用的分类是按其携带的物质组 分分为泥流型、水石型和泥石型。泥石流分类简表如表2 2 。 7 北京交通大学硕士学位论文 表2 - 2泥石流分类简表 t a b l e2 - 2 s u n m m r y o fd e b r i sf l o wc l a s s i f i c a t i o n 类 分类内容及特征 与防治关系 别 堆积扇位于山麓地带，不能充分发育，扇面纵坡陡，铁路回旋余地少，综合 山麓区 扇形变幅大，扇面难以全面反映泥石流的发展规模和治理与利用条件差，但 地 活动特征排导较为有利 貌 位 铁路有回旋余地，受累 堆积扇位于山前地带，能充分发育，扇面纵坡较缓，计淤积高、漫流宽控 置 山前区 扇形特征可以全面反映泥石流的规模和活动特征制。有综合治理与开发 利用价值 沟谷明显，沟长坡缓。分形成、流通和堆积区。发生、 危害范围大，作用强 流沟谷型 运动、堆积过程完整，堆积区呈扇形或带状，规模大， 域 一般流域面积大于1 0 k i n 2 ，颗粒有一定磨圆 烈，防治措施要强 形 沟浅、坡陡、流短、规模小，一般流域面积小于1 , 0 k m z ， 态山坡型 发生、运动过程沿山坡或在坡面冲沟中进行堆积在 干扰范围小，防治措施 坡脚或冲沟沟口，堆积区呈锥形，堆积物棱角明显 应有余地 流体密度大于1 6 0 0 k g m 3 ，粘度大于0 3 p a s ，层流运 来势凶猛，冲击破坏力 流粘性 动，有阵流，浆体浓稠，流体中常有原状土块，承浮大，对建筑物的整体 和悬托力大，流体直进性强，堆积物无分选性，有铺性、坚固性、耐磨性和 体 床作用流线性都要求高 性 质 密度1 2 0 0 - , 1 8 0 0 k g m 3 ，粘度小于0 3 p a s 紊流，周、 稀性 液体星不等速运动，有股流及散流现象，浆体混浊， 漫流、淤积、磨蚀等慢 性破坏作用大 悬浮力弱，堆积物松散而渗水性强，堆积物有分选性 由粘粒、粉粒和砂组成，很少砾石和卵石颗粒，颗粒 泥流 级配偏细。密度偏高，有稀性和粘性，分布地域主要 淤埋性危害为主，抗冲 集中在西北黄土高原 蚀能力弱 物 物质组成杂，颗粒级配域宽，密度幅度域大，有粘性 质危害形式多样，破坏作 泥石流和稀性，分布地域广，几乎散步全国山区各地，并以 组 用大，防治措施要强 我国西部为主 成 堆积物分选性强，由砾石、碎块石及砂粒组成，夹少 水石流量粘粒和粉粒，颗粒级配偏粗，密度偏低，为稀性，危害较轻 分布地域较零散，主要集中在我国东部 8 铁路泥石流灾害危险性分析 表2 2泥石流分类简表( 续) ( s u n u n a r yo f d e b r i sf l o wc l a s s i f i c a t i o n ) 类 分类内容及特征与防治关系 别 幼年期地貌，山体较破碎，坡面冲蚀，崩塌、滑坡等 重力侵蚀作用日趋严重，发展明显。上冲下淤，淤积 发展期留有充分余地 速度递增，扇面新鲜，泥石流暴发规模及频度呈渐进 扩张趋势，塌方面积率1 i o 发 壮年期地貌，沟坡极不稳定。松散物质极为丰富，堆 旺盛期 积和堵塞现象严重，以滑坡、崩塌等重力侵蚀作用为 按现状防治要预留补 主，泥石流暴发频繁，泥石流扇发育旺盛，扇面新鲜，强措施 育 规模大，上冲下淤和大冲大淤，塌方面积率 1 0 阶 老年期地貌，崩滑体明显衰减，沟坡趋于稳定，物质 衰退期 以沟槽侵蚀、侧蚀搬运为主，沟槽有冲有淤，冲大于 按现状防治 段淤，扇面陈旧，已生长植物，植被较好，泥石流暴发 频率与规模明显衰减，塌方面积率1 l o 有老泥石流地貌而无泥石流活动的沟谷，沟坡稳定， 植被恢复，出现清水流沟槽，沟槽固定，全沟下切， 停歇期注意预防复活措施 以冲为主，多年不见泥石流活动，扇形地常被开发与 利用，塌方面积率 l 潜伏期泥石流是指未曾发生过泥石流的沟谷，但有泥不能只看表面现象，要 石流的潜在能力，而无泥石流的具体表征：有泥石流看周边环境和机遇，用 潜伏期 的周边环境，尚未出现有效的激发机遇；有宁静的表发展的观点分析其前 面现象，却又潜伏着一定的风险性景，为工程留点余地 2 1 2 泥石流成因分析 a 泥石流形成条件 泥石流尽管可以分成不同类型，但究其本质条件，它们存在一致性。泥石流 是物质和能量逐渐累积和快速释放的过程。泥石流形成条件中，流域因素和一定 储量的松散固体物质是泥石流形成的内在因素，一定强度的降雨是激发泥石流的 外在动力因素。其它因素都要通过这三者之一或之二，才能对泥石流的形成起作 用。 ( 1 ) 流域因素泥石流形成的流域因素，包括流域形状、面积、山坡或沟 9 北京交通大学硕士学位论文 床比降，而以后者最为重要。 泥石流沟按流域形态可分为山坡型及沟谷型两类。山坡型指在较陡山坡上发 育的单沟，沟长仅数百米，深数米不等，虽汇流面积小，泥石流流量不大，但因 坡陡、流速快、来势猛，往往只有几分钟的时间就可以造成巨大损失。沟谷型往 往由几条支流汇入主沟而组成，流域范围自上而下可划分为形成区、流通区和沉 积区三个区段。见图2 一l 圈2 - 1泥石流平面图 f i g u r e2 - 1 p l a no fd e b r i sf l o w 泥石流沟的流域面积，一般不是很大，尤其是容量大的祜性泥石流沟，这是 因为单位面积最大固体补给量和降水汇流量均随流域面积的增大而减小，所以较 大流域内暴发粘性泥石流的机会较少。泥石流形成区的山坡坡度或沟床比降影响 泥石流类型及暴发的时机，水石流的沟床比降陡，源地坡度多在2 0 0 以上。具日本 资料统计，沟床比降在0 2 7 - - 0 5 8 ( 坡角一般在1 5 0 3 0 0 ) 范围内为最多：粘性泥 石流沟比降则以0 1 0 - 4 ) 4 0 为多。此外，泥石流形成区比降还与流域面积有一定关 系，随着流域面积增加，泥石流形成的沟床比降有减小的趋势。 ( 2 ) 固体物质的补给条件泥石流固体物质来源是坡面侵蚀和滑坡，而且 1 0 铁路泥石流灾害危险性分析 以后者为主，所以泥石流发育地区多是滑坡、崩塌频发地区。滑坡、崩塌转变为 泥石流有两种方式，一种是它们直接从山坡上滑塌至沟底，借助滑动中所获得的 动能在一定水流强度时继续沿沟床流动而转变成泥石流；另一种情况是滑塌体堆 积到沟底，并由于当时水流强度不足而变为临时性堆积物，堵塞沟道，待到水流 强度增大后，临时堆积体溃决形成泥石流。 固体松散物质补给的最主要因素是经常性的水流侵蚀。根据降雨强度和岩土 结构不同，有两种侵蚀方式。一是坡面径流产生的土壤侵蚀，是指在降雨强度大 于土壤渗透强度时，就形成地表径流。在一定条件下径流冲刷土壤，在坡面上就 形成细沟，将冲蚀的固体颗粒带入下一级沟道。二是重力侵蚀，是指土体浸水后 因固体自身重力作用而失去稳定进而形成滑坡或崩塌。在降雨强度并不很大，而 土壤渗透强度大于降雨强度的情况下，不产生表面径流，雨水入渗导致土体中含 水量达到饱和而失去稳定，发生突然的整体滑动或崩塌，这是泥石流固体物质补 给的重要形式。 ( 3 ) 降雨因素 在我国，绝大部分泥石流暴发都是由暴雨激发而引起的。 流域的陡峻地形和大量松散物质的积累，如果没有一定强度的暴雨，仍不能形成 泥石流，由于不同地区的下垫面及产流汇流条件差别很大，地形坡度及固体松散 物质的性质各异，因此泥石流暴发的临界降雨强度不可能相同。 图2 - 2泥石流示意图 f i g u r e2 - 2 d i a g r a m o f d e b r i sf l o w 北京交通大学硕士学位论文 b 泥石流特征 泥石流的特征取决于它的形成条件。对其特征的研究。有利于搞清泥石流的 活动规律，进行预报、预测，并采取有效的防治措施。 ( 1 ) 突发性和灾变性泥石流活动的突发性表现在暴发突然、历时短暂。 一场泥石流过程从发生到结束一般仅几分钟到几十分钟，在流通区的流速可高达 3 0 l o o m s 。这种突发性不仅使灾情加重，而且难于准确预报和有效预防。 ( 2 ) 波动性和周期性我国山区泥石流活动时强时弱，具有波浪式变化的 特点，有明显的活动期和平静期。泥石流活动的周期性主要取决于激发雨量和松 散固体物质补给速度。周期短的泥石流沟每年暴发数十次：周期长的泥石流沟， 数十年甚至数百年暴发一次。 ( 3 ) 群发性和强烈性一次泥石流的侵蚀模数可达2 0 3 0 万t k m 2 以上， 最大可达5 0 万t k m 2 ，平均侵蚀深度达l o m 。滑坡在泥石流分布区十分活跃，特 大型滑坡一次的侵蚀量达数千万立方米，这种由泥石流、滑坡所造成的灾害强度 是相当大的。 ( 4 ) 低频性和猛烈性泥石流首次暴发或间歇较长时问后再度暴发，其规 模较大，来势凶猛，危害严重。这是因为沟谷内提供泥石流形成的固体物质、陡 峻地形和充沛的水源等条件都处于最优的状态。当遇到某种特殊因素的激发，都 可导致巨大而猛烈的泥石流。 ( 5 ) 类型差异性泥石流类型不同，年内活动期也不同。 ( 6 ) 夜发性我国泥石流发生时间多在夏、秋季节的傍晚或夜间，具有明 显的夜发性。 2 2 我国铁路泥石流分布特点及危害方式 2 2 1 我国铁路泥石流分布特点 我国泥石流分布广泛、活动强烈、危害严重。据初步统计全国有2 9 个省( 市、 自治区) ，7 7 1 个县有泥石流活动，泥石流分布区的面积约占国土总面积的1 8 6 ， 每年因泥石流造成的损失约3 x1 0 b 元。我国泥石流的分布主要集中于3 个地形阶 梯间的2 个过渡带，即青藏高原向次一级的高原或盆地的过渡带，包括昆仑山、 祁连山、岷山、龙门山、横断山和喜马拉雅山：以及次一级的高原或盆地向我国 东部低山丘陵或平原的过渡带，包括大小兴安岭、长白山、燕山、太行山、秦岭、 大巴山、巫山、武陵山、南陵、云开大山和十万大山等。 我国山地面积约占国土的三分之二，有三千多公里的山区铁路沿线泥石流活 1 2 铁路泥石流灾害危险性分析 动，主要是被灾害性暴雨和不良地质环境及复杂的动态变化控制，其分布具有较 明显的区域性特点。 从泥石流物质组成方面来讲，泥流型泥石流集中分布在北方黄土地区及南方 红壤地区的6 9 个区间内。在陇海线宝鸡至兰州、兰新线兰州至河口南、兰青线河 口南至通安驿、南同蒲线太原至孟橡、京通线隆化至朝阳地区分布较集中。水石 型泥石流多集中分布在花岗岩、石灰岩、大理石、白云岩及沙砾岩地区的5 3 个区 间内，在凤上线灌水至宽甸、石太线娘子关至阳泉、京原线、京通线北京至隆化、 陇海线华山段、宝成线秦岭以北、成昆线峨边至甘洛、金江至大湾子、镜铁山支 线、鹰厦线及贵昆线等呈现状集中分布【6 】。泥石型泥石流分布地区极广，在泥石流 活动的山区铁路上几乎都存在这一类型的泥石流，在已查明的3 2 4 个泥石流活动 区间内它占2 0 3 个。 泥石流活动是暴雨作用于地面后，地面上堆积的松散固体物质由于失稳而产 生的泥沙集中搬运的一种形态。地面松散物质的形成、转移和堆积环境与地质构 造、地段和人类活动有关。泥石流一般都是发育在新构造活跃地区、构造复合部、 局部隆起区以及深大断裂破碎带上。地震和人类活动具有诱发和加剧活动的作用。 在抬升区和隆起区的地形有利于松散堆积物的起动转移。在我国第一、二阶梯和 第二、三阶梯地形的连接地带，山前断陷地带是泥石流的集中分布区，8 3 的泥 石流沟分布在第二阶梯地形内成昆线、东川支线、宝成线、陇海线宝兰段、阳安 线、襄渝线、大秦线、京张线、京通线等铁路干支线上。第一阶梯地形内泥石流 沟只占4 ，在第三阶梯地形内泥石流沟也只有1 3 。 2 2 2 泥石流对铁路的危害 泥石流灾害以其暴发突然、动力极大且多在夜间发生等属性而导致铁路破坏 性成灾的后果严重，影响面广。尤其是成昆线、陇海线、宝成线等运输腹地的重 大干线。除造成的直接经济损失巨大外，间接经济损失和社会影响也很大 7 1 。泥石 流对铁路危害的主要方式有： a 直接危害 ( 1 ) 冲击当泥石流高速运动时，泥石流体( 特别是其中的巨大漂砾) 直接 冲击铁路建筑物，两者产生强烈碰撞，当冲击力大于建筑物承受力时，建筑物即被破 坏。 ( 2 ) 淤埋 泥石流出山口后，由于地形开阔，沟床平缓，泥沙逐渐在山前区堆 积。若线路通过该区标高较低，泥沙可将线路、车站、桥涵和隧洞淤埋，造成铁路中 断。如1 9 8 2 年7 月3 1 日，陕西华阴县发生大暴雨，陇海铁路孟源至华县段4 0 k m 范 北京交通大学硕士学位论文 围内，发生山坡溜滑2 0 多处、泥石流5 处，淤埋在铁路上的土石方达1 5 万m 3 ，华山 车站内泥沙淤积达7 千多m 3 ，铁路中断2 4 小时。 ( 3 ) 堵塞当铁路以桥涵通过泥石流沟时。若桥涵过流能力小或桥上、下纵 坡连接不当，必将被泥石流堵塞。泥石流首先将桥涵堵死，以后便直冲路基，危及线路 及其它设施。如1 9 8 5 年7 月1 日，成昆线马厂沟暴发泥石流几乎将桥孔淤塞经铁 路工人冒险疏浚，大桥才幸免毁坏，事后对沟床进行了大量的清淤工作。 ( 4 ) 冲刷泥石流具有大冲大淤的特点，一次泥石流发生后可将沟床下切 1 5 m 以上。泥石流下蚀沟床，掏空桥梁墩台和护岸基础或切穿隧道的项部，造成过沟 建筑物和防护工程毁坏，这种灾害在河流狭谷段及西藏地区公路沿线屡见不鲜。如 1 9 8 1 年8 月，成昆线上疙瘩大桥沟暴发泥石流，沟床一次下切深度达7 1 3 m ，危及桥 墩，险些毁桥。 b 间接危害 ( 1 ) 堵断主河 大型泥石流暴发时，在极短的时间内大量的泥石流进入主河。 可将主河立即堵塞或全部堵断，形成堰塞湖。河水上涨淹没上游沿岸线路，堵塞体溃 决后形成异常洪水，又危及下游沿岸的线路。如云南东川市蒋家沟泥石流本世纪以 来曾7 次堵断小江，1 9 6 8 年堵江时间达3 个月之久，东川支线小江桥被淹，运输中断， 堵江处经人工爆破疏浚后，j 、江水位才恢复至正常水位。 ( 2 ) 主河河床快速淤积 在两岸泥石流发育的山区河流，当众多泥石流沟输 沙量之和大于主河的输沙能力时，沙泥大量在主河落淤造成主河河床快速上涨。主 河快速上涨是一种渐进而不可逆转的灾害，它使线路标高相对下降，危及整段线路。 如云南小江龙头山至蒋家沟河段，1 9 5 7 1 9 8 5 年间，每年河床上涨0 0 9 o 2 1 m 。 1 9 8 5 年以后，东川支线部分线路已低于河床6 o m , 导致东川支线在小江河谷段全部 废弃再重建。 ( 3 ) 主河河相变化 在山区河流快速上涨后，河相将发生变化，在局部河段形 成流荡型河道，主河宽度可达1 2 k m 。洪水期间，河流主槽横向摆动剧烈，主槽摆向 河岸时。将对河岸产生强烈冲刷，危及河滩、阶地甚至河岸山体上的铁路。另一种河 相变化是突发的大规模泥石流挤占河床，将水流迫向对岸，主河被强迫形成弯道，引 起河相剧烈变化，水流强烈冲刷弯道的凹岸，引起岸坡崩滑，危及铁路。如东川支线上 的大白泥沟泥石流堆积扇将主河宽度从4 0 0 5 0 0 m 压缩为5 0 l o o m 。河水被迫向 对岸，将对岸铁路路基多处冲毁，并危及多牛隧道安全。 1 4 铁路泥石流灾害危险性分析 图2 - 3泥石流冲毁铁路路基与车体 f i g u r e2 - 3s u b g r a d ea n dc a r - b o d yd 韶t i e db yd e b r i sf l o w 2 3 铁路泥石流灾害危险性评价 危险性是指遭受损害的可能性大小。它是一个概率概念，定量表达即为危险 度，在【o ，l 】闭区间上取值。泥石流危险度是指遭受泥石流损害的可能性大小。它与 泥石流本身的规模和泥石流发生的可能性大小有关嘲。国际上常采用两者的乘积形 式来表示泥石流的危险度，即： 泥石流危险度( h a z a r d ) = 泥石流规模( m a g n i t u d e ) 泥石流发生概率 ( p r o b a b i l i t y ) 2 3 1 危险性评价的内容 泥石流危险性评价是灾情评估的基础，其主要内容是评价泥石流的活动程度， 反映泥石流灾害的破坏能力。泥石流危险性评价主要分为历史灾害强度的评价和 潜在灾害强度的评价，历史灾害强度主要包括历史灾害的规模、密度和频次。潜在 灾害强度受地质条件、地形地貌条件、气候植被条件、人为条件等的制约