（岩土工程专业论文）潮揭泥石流形成机理及防治方法研究.pdf

中山大学硕士论文 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 专业：岩土工程 姓名：马威 指导老师：汤连生( 教授) 摘要 泥石流作为一种突发性、毁灭性的山地地质灾害已在世界范围内引起广泛的重视，但 在我国东南等近海低山丘陵地区，由于植被发育、坡度小、明显松散物质少，造成该地区 泥石流的频率低、流域小，具有一定的隐蔽性，被人们忽视，对其研究也很少；随着沿海 经济的持续快速增长，人口与土地的矛盾不断加剧，人类活动不断深入附近低山丘陵，使 得任何一次小的泥石流都可能造成很大的损失。因此，研究该类泥石流形成机理和防治方 法，对预防防治该类地区泥石流具有很大的帮助，是保证该地区地质环境安全，促进经济 持续快速发展的重要条件之一。由于潮揭地区已经具备东南部沿海地区的典型特征( 低山 丘陵地貌、台风暴雨频繁、植被比较发育、人类活动相对强烈等) ，具有一定的代表性， 同时考虑到客观条件的限制和研究的可行性，本文以潮揭地区为研究对象，运用基础资料 分析、野外调查和理论研究等手段来进行研究，从而探讨该类地区泥石流的形成机理和防 治方法 本文取得的主要成果和认识包括以下几个方面： ( 1 ) 在对潮揭地区泥石流的形成条件分析的基础上，详细分析了台风暴雨和植被 对泥石流形成的影响，本文认为：在一般的降雨作用下，良好的植被能效预防雨水的侵蚀， 调节地表径流，改善坡地或河床的水情；但是在反复强烈的台风、暴雨作用下，地表植被 根系不断扰动地表土层，形成微裂隙，再加上雨水的冲刷，裂隙不断加深加宽，最终形成 软弱结构面，整个土体连同植被良好的表层都在瞬间破坏并向下滑动，形成松散固体物质， 从而为泥石流的形成创造了物质条件。 ( 2 ) 在汤连生提出隐形松散物概念的基础上，将其详细划分为水土流失型，自然 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 边坡型、人工边坡型、库坝溃决型、人工弃渣型等五种基本形成形式，进一步阐明了潮揭 地区泥石流的物质来源，为今后潮揭地区或类似地区泥石流研究和防治提供了指导。 ( 3 ) 根据潮揭地区低频率、低密度、小规模泥石流的特点及考虑研究方法的实用 性和可操作性，采用充分考虑实际人类工程活动的改进的多因子综合判定法，对研究区1 4 条最危险的沟谷进行了泥石流危险度评价，其中有3 条泥石流沟属于高等危险度，具有很 高的泥石流潜在致灾能力：有5 条沟谷属于中度危险，能够间歇性发生泥石流，较少造成 重大灾难和严重危害；其余6 条沟谷属于轻度危险，能够发生小规模低频率的泥石流，一 般不会造成重大灾难和严重危害。评价结果与实际情况比较吻合，说明修改后的多因子综 合判定法更适合该地区 ( 4 )从系统工程理论角度出发，引入层次分析法，初步构建了泥石流系统防治决 策的模型，并依据该模型对潮揭地区泥石流系统防治中的资金合理利用作出决策，六项措 施的资金分配比重分别为：应急措施5 2 6 0 ，管理机构1 4 1 7 ，工程措施1 1 4 l ，监 测预报1 1 o l ，灾后重建9 9 9 ，宣传工作0 8 2 计算结果和潮揭地区实际情况比较 符合，说明该方法具有一定的实际意义，可以作为一种简单易行的方法应用于区域泥石流 系统防治的初步决策中。 综上，通过本文的研究工作对认识、预防、治理潮揭地区泥石流有很重要的理论和现 实意义；同时可以为类似地区泥石流研究和防治提供很好的参考。 关键词：泥石流；形成机理；隐形松散物；危险性评价；层次分析法；系统防治方法 n 中山大学硕上论文 t h er e s e a r c h eo ff o r m a t i o nm e c h a n i s ma n d c o n t r o lm e t h o do fd e b r i sf l o wi nc h a o j i ea r e a m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：m a w e i s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gl i a n s h e n g a b s t r a c t a sak i n do f p a r o x y s m a la n dd e s t r u c t i v eg e o l o g i c a lc a l a m i t yo f m o u n t a i n o u sr e g i o n ，d e b r i s f l o wh a sc a u g h tm a n yr e s e a r e h c r s a t t e n t i o ni nt h ew o r l d ，b u tt h ed e b r i sf l o wi nt h es o u t h e a s t c o a s t l a n do fc h i n ah a sn o tb e e nf u l l yr e s e a r c h e db e c a u s eo ft h es m a l lf r e q u e n c ya n ds c o p ea s t h e r ea r el u s hv e g e t a t i o n ，s o f ts l o p e sa n das m a l lq u a n t i t yo fi n c o m p a c ts o l i dm a t t e r w i t ht h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , t h ec o n s t r u c t i o nc o m e si n t om o u n t a i n o u sa r e a s , a n dt h ec o n f l i c t b e t w e e nn a t u r ea n dh u m a nw i l lb ew o r s ea n dw o r s e a sar e s u l t , e v e nas m a l ld e b r i sf l o w a c t i v i t yw i l lm a k eah u g el o s s t h ep a p e rt a k e st h ed e b r i sf l o wi nc h a o j i ea r e aa sa l le x a m p l e 。 a n dm a k e ss c i e n t i f i cr e s e a r c h e so ni t sf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e t h o d s t h em a i n c o n t e n to f t b ep a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gc a u s a t i v ec o n d i t i o n so fd e b r i sf l o wi nc h a o j i e , t h ep a p e r s t u d i e st h ei m p a c to f r a i n s t o r ma n dv e g e t a t i o n u s u a l l yv e g e t a t i o ni sg o o df o rs o i lc o n s e r v a t i o n ， b u ti ti s n tt h es a m ei nc h a o j i ea r e af o rt h e r ei sf r e q u e n ta n ds t r o n gr a i n s t o r m ( 2 ) a f t e rt a n g - l i a n s h e n gp u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fp o t e n t i a li n c o m p a c ts o l i dm a t t e r , t h e p a p e rc l a s s i f yi ti nt e r m so f f i v ed i f f e r e n tk i n d s , i e s o l i dm a t t e re r o d e db yw a t e r , s l o p eo f n a t u r e , s l o p eo fm a n p o w e r , d a mo fl a k e o rv a l l e y ，a n ds o l i dm a t t e rd e s e r t e db ym a n ，a n df i n a l l y i i l n s t r a t e st h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fl a k e - b u r s td e b r i sf l o w sa n dr a i n s t o r md e b r i sf l o wi n c h a o j i ea r e a ( 3 ) u s i n gt h em o d i f i e dc o m p r e h e n s i v ed e c i s i o nm e t h o dw h i c hr e l a t e st os o m ee l e m e n t sf o r h a z a r de v a l u a t i o no f d e b r i sf l o wi nc h a o j i ea r e a , t h e1 4v a l l e y so f c h a o j i ea r e aa r ec l a s s i f i e di n h i 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 t e r m so f d i f f e r e n td e g r e e so f h a z a r d ，i e h i g h ( 3v a l l e y s ) ，m e d i u m ( 5v a l l e y s ) ，a n dl o w ( 6v a l l e y s ) ， a n dt h ee n t i r ec h a o j i ea r e ai sz o n e di n t of o u rk i n d so f r e g i o n s ( 4 ) b ym e a n so fa n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) a f t e rc o n s i d e r i n gr o u n d l ya l ls t e p so f c o n t r o lm e t h o do fd e b r i sf l o w ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h es t r a t e g yo fs o u r c a p p o r t i o n m e n tt ot h e s t e p so fs y s t e m i cc o n t r o lm e t h o d t h er e s u l ti s a sf o l l o w s ：e m e r g e n tm e a s u r e5 2 6 0 0 , 6 ， m a n a g i n go r g a n i z a t i o n1 4 1 7 e n g i n e e r i n gm e a s u r e1 1 4 1 s u p e r v i s i o na n df o r e c a s tl1 0 1 。 r e c o n s t r u c t i n ga f t e rd e b r i sf l o w9 9 9 p r o p a g a n d i z i n gf o rd e b r i sf l o w0 8 2 i ti sb a s i c a l l y c o n s i s t e n tw i t ht h ef a c to f c h a o j i ea r e a i naw o r d ，t h ec o n c l u s i o no ft h ep a p e rc a ng i v es o m eu s e f u lr e f e r e n c e st of i n df o r m a t i o n m e c h a n i s m ，p r e v e n ta n dc o n t r o ld e b r i sf l o wi nc h a o j i ea r e aa n do t h e ra r e a s k e y w o r d s ：d e b r i sf l o w ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m ：p o t e n t i a li n c o m p a c ts o l i dm a t t e r ：h a z a r d e v a l u a t i o n ：a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ：s y s t e m i cc o n t r o lm e t h o d 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 1 1 选题依据 第1 章绪论 泥石流作为一种突发性、毁灭性的地质灾害现象已在世界范围引起广泛的重视，它可 由暴雨、冰雪的急剧消融、火d i 爆发、地震和溃堤等引起。在我国，它主要分布于三个地 形阶梯中的两个过渡地带：青藏高原向次一级的高原或盆地( 云南高原、黄土高原、四川i 盆地、塔里木盆地、准格尔盆地) 的过渡地带，包括昆仑山、祁连山、岷山，龙门山、横 断山和喜马拉雅山；次一级的高原盆地向我国东部低山丘陵的过渡地带，包括大小兴安岭、 长白山、燕山、太行山、秦岭、大巴山、巫山等【l 】。即主要分布在半干旱和温带山区，西 藏东南部山区、川滇山区、西北山区、黄土高原和冀西辽西山区等1 2 】。由于这些地方沟谷 坡度大、植被缺乏、松散物较多，发生的泥石流往往流域大、毁坏大、危害大，比较看来 频率也很大，因此受到人们的重视，对其研究也不断深入，取得了诸多成果 而在东南、华南等近海中低山丘陵地区，由于植被发育、坡度小、明显松散物质少， 造成该地区泥石流的频率低、流域小，具有一定的隐蔽性，被人们忽视，对其研究也很少； 可它们一旦发生，尤其在人口密集的地区，照样造成巨大灾难。 1 9 9 7 年5 月8 日，清远市连降暴雨，引起飞来寺后山沟泥石流爆发，短短几分钟内，大 部分庙宇群被冲毁，一批重要历史文物被冲走，同时造成7 名僧尼遇难，2 名民工失踪，水 电通讯中断，损失无法估量唧 2 0 0 4 年8 月1 2 日，第1 4 号台风“云娜”登陆后，在浙江省乐清市北部山区造成百年不 遇的强暴雨，诱发了泥石流等自然灾害，造成4 7 人死亡，2 8 8 间房屋倒塌、多座桥梁、公 路及通讯设施等被毁 2 0 0 6 年g , q 4 日，台风“派比安”登陆广东，给西樵山带来百年罕见的特大暴雨，日降雨 量达2 9 8 毫米，暴雨致使西樵山、西岸发生罕见的泥石流等灾害，多处山体滑坡、崩塌， 树木倒折，主要道路、排水设施被堵塞或损毁，多处房屋被毁，9 , 死亡，两人失踪。西 樵山风景区也因此被迫关闭一个多月，仅旅游收入一项，两樵就蒙受损失达1 0 0 0 多万元。 2 0 0 6 年7 月2 8 日，受“格美”带来的连夜强降雨影响，从2 7 日凌晨0 时3 0 分至上午8 时左 第l 章绪论 右，1 0 5 国道在河源、从化境内路段先后发生5 起特大塌方和泥石流灾害，导致1 0 5 国道受 损严重；此外河源境内一处公路桥出现险情，造成3 4 1 省道在该市境内交通中断 灾害的发生给人类造成了巨大的损失和深远的影响，也给人类敲响了警钟：人民的生 命财产安全，经济、社会的持续健康发展都必须以地质环境的安全为前提。而广东省为东 南沿海地质灾害多发省份之一，脆弱的地质环境条件，及人类工程活动的影响加剧，决定 了该省地质灾害的多发性、广泛分布性和危害严重性【4 】。据不完全统计，。九五”期间全 省共发牛较大规模突发性地质灾害2 1 7 处，死亡4 9 7 人，伤5 9 7 人，直接经济损失约1 7 1 4 3 亿元，对社会经济发展造成较为严重的影响【5 】。 随着沿海经济的持续快速增长，人口与土地的矛盾不断加剧，人类活动不断深入附近 低山丘陵，使得任何一次小的泥石流都可能造成很大的损失。因此，研究该类泥石流形成 机理和防治方法，对预防防治该类地区泥石流具有很大的帮助，是保证该地区地质环境安 全，促进经济持续快速发展的重要条件之一由于粤东潮揭地区已经具备东南部沿海地区 的典型特征( 低山丘陵地貌、台风暴雨频繁、植被比较发育、人类活动相对频繁等) ，具 有一定的代表性；在广东省地质勘查局地质科学研究基金资助下( 编号2 0 0 5 1 0 ) ，本文以 潮揭地区为研究对象，通过对它的研究来探讨该类地区泥石流的形成机理和防治方法，具 有较好的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状及存在问题 泥石流是山地自然灾害的一种，具有爆发突然、历时短、速度快、能量大、破坏力强 等特点。受地球气候的影响，近年来冰山融化加速，台风暴雨频繁，几乎连年引发泥石流 灾害，在意大利、瑞士、加拿大、美国、南美各国、中亚各国、印尼和越南等国家也是如 此，表明泥石流在世界范围内分布极为广泛。因此，对泥石流问题进行研究，尤其是对其 基本机理及灾害防治措施的研究一直是全世界共同关注的重要课题。 1 9 2 8 年美国地质学家b l a c kw e l d e r 博士发表了第一篇泥石流英文论文：“半干旱山 区的地质营力：泥石流”，使人们开始认识到泥石流不再是“上帝的行动”，而是自然界 的一种地貌过程。自此，开始了对泥石流进行科学和系统的研究。 1 2 1 泥石流形成机理研究现状 泥石流形成机理研究是认识泥石流的第一步，是预防和防治泥石流的基础，对它的研 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 究一般以点面结合为基础，通过对三个基本条件( 地质构造、地形地貌、气候水文) 和其 他影响因素的分析，提出了天气形势、暴雨强度、前期降雨、滑坡活动、土体含水等因素 与泥石流爆发时间、规模、流体性质之间的关系，建立了部分相关公式此外，还研究了 人类活动与泥石流发生、发展的关系，分析了地震与泥石流形成的关系，提出地震区泥石 流主要特点和预测、预防地震泥石流的定性指标及具体措施。 对泥石流的形成过程，在某些点做了较为细致的观测，将泥石流形成过程分为两类， 即土力类和水力类( 重力类和侵蚀类) ，前者又可分为滑坡型和崩塌型；后者可分为沟床 型、沟谷型、渍决型1 6 】。目前主要代表人物和成果如下： 在泥石流形成机理的研究方面，日本的高桥保很有代表性高桥保【7 9 1 把泥石流的形 成类型分类为两种：( 1 ) 崩落的泥砂物质因充水而产生连续运动；( 2 ) 由于崩塌及其它 原因堆积起来的泥砂物质因水流冲刷而形成泥石流。他认为泥石流的形成条件，一是崩塌 形成的条件；二是有地表水流存在。高桥保【l 3 】也研究了均一堆积层的土力学稳定条件， 根据坡度与相对水深，明确划分了各种泥砂运动形式的形成范围，包括无颗粒运动、推移 质搬运、泥砂重力流、泥石流、滑坡与泥石流、不稳定泥砂沟床等。 另外，高桥保( 2 0 0 4 ) 在“崩塌土流动化机理及其模拟”报告中介绍了崩塌块体从破 坏、运动、形成泥石流以及堆积的全过程，阐述了泥石流在产生区、运动区和堆积区的不 同特点，研究了泥石流汇入干流对主河的影响分折了底部液化层和上层块状土体的全运 动特征，用e u l e r 方法模拟液化流层，采用拉格朗日分析法计算块体，并建立了数学模型。 佐佐恭二”4 1 ( 1 9 7 7 ) 认为，在地下水汇流地段，地下侵蚀严重，在地下形成大空隙的 松散层；有时这种松散层因不能承受上面的荷重而遭受破坏，引起堆积层下陷，而上层恰 好处于水的缓冲垫上朝下方运动；不久上层也被破坏，与水混为一体，形成泥石流。但这 种泥石流形成机理没有得到充分的证实。 芦田和判1 5 】和水山高久【l q ( 1 9 8 3 ) 认为泥石流的发生必须具备能移动的泥砂物质、 足够的水分和陡坡这三个条件。具体类型有五种： ( 1 ) 堆积在陡峭河床上的泥砂物质， 因暴雨大量供水而形成泥石流；( 2 ) 山坡的崩塌物质与喷出的地下水或地表水，在沿斜 坡的运动过程中变成泥石流：( 3 ) 天然堤坝溃决后形成泥石流；( 4 ) 滑坡土体液化形成 泥石流；( 5 ) 由于火山活动和冰雪突然消融而形成泥石流。 江头进治( 1 9 8 3 ) l l ”认为，山坡崩积上是否形成泥石流，取决于斜坡的长度、坡度、 供水情况和土质条件；他根据供水情况，用崩积土减速停止的临界倾角公式，得出了山坡 崩积土内部破坏条件式，并用1 9 8 2 年长崎泥石流的资料进行了验证 第1 章绪论 前苏联弗列斯曼( 1 9 8 6 ) 认为泥石流的形成有三个阶段：酝酿阶段、运动阶段和堆 积阶段，并分别进行了分析研究。 意大利博洛尼亚大学g e n e v o i sr 等( 1 9 9 5 ) 探讨了泥石流起动时刻土体的机械行 为，分析了土体颗粒剪切阻力变化与初始密度、土体崩塌潜力的关系。 李焯芬等( 1 9 9 6 ) 【2 0 吩析了对香港地区滑坡泥石流的成因的控制因素，即地形条件、 土体结构和强度、暴雨入渗特征、植被覆盖以及人为干扰等，提出香港暴雨滑坡泥石流破 坏的四种机制，即由于暴雨入渗形成浅层地下水而造成的破坏、暴雨入渗导致天然地下水 位升高而造成的破坏、土层内地下水的渗透破坏、由- 丁土体残余节理切割组合等造成的破 坏。 李树德( 1 9 8 8 。1 9 9 8 ) 2 t 2 2 1 根据前人的研究成果提出了自己的滑坡型泥石流定义。在 定义基础上提出一些定性化的指标，基于这些指标对滑坡型泥石流进行了分类。通过分析 土体强度及影响土体强度的因素的分析，提出滑坡型泥石流形成机理的程序可能是：底层 滑移蠕动、滑移蠕动一扰动、滑移蠕动一扰动一崩塌、崩塌一滑塌扰动、快速流动，并 进而探讨了滑坡型泥石流的临界结构 崔鹏( 1 9 9 0 ) 1 通过泥石流起动试验给出了泥石流起动的定义，概括泥石流起动的过 程包括两个阶段：侵蚀搬运形成准泥石流体和准泥石流体起动转变为泥石流；并建立了泥 石流起动模型，推导了泥石流起动条件曲面。认为泥石流起动模型就是一种尖点突变模型， 泥石流起动具有突变、渐变和中间状态三条路径。分别对应加速起动、缓慢起动和常速起 动。 李永益( 1 9 8 9 ) 2 4 1 通过对大量滑坡转化泥石流的调查及模型试验，提出泥石流化机理， 其主要包括滑坡碎屑化、滑坡液化、空气包裹等过程。而w i l lj a mz l s a v a g e 和w i l lj a m k 1 s m i t h ( 1 9 9 2 ) 【2 5 1 提出基于二维、倾斜、半无限空间的滑坡塑性流模型，该模型可以说 明在压缩和扩展流作用下，滑面上的断层是如何发展的，但有时会在滑面处出现无限大的 膨胀率，而与客观实际矛盾。 另外，我国泥石流灾害研究工作者更多关注中国西南部的泥石流( 爆发频率高、规模 大) ，研究成果颇丰，对泥石流的形成、运动、发展规律研究得比较深入。对泥石流的运 动和动力特性通过实验、定点( 东川试验站) 观测的方法定性、定量研究取得大量的成果， 不断完善动力学、发生学研究内容。还应用系统动力学的方法，建立模型研究泥石流的运 动历史与发展脚i 。而在国外，如芦田和男利用宾厄姆的流体模型和b a g n a l d 的膨胀流体模 型研究泥石流的流动机制：高桥在h a g n a l d 的膨胀流体模型基础上，推导了泥石流的浓度 4 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 和流速分布式。山水在模拟试验的基础上，建立了基于泥石流的动力特性方程的一维和二 维数值模拟方法1 2 7 1 。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，还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棚。 1 2 2 泥石流危险性评价研究现状 危险性评价是目前国内外灾害科学研究的热点之一，是合理制定泥石流防治方案和进 行泥石流防治工程设计的必要前提，也是灾害预测预报和减灾防灾工作中的重要内容。国 际上对泥石流危险性评价非常重视，有关危险性的研究也相对较早 危险性的定量表达是危险度，“度”即度量衡，危险度是危险程度的简称。通过多年 来的反复推敲和比较，。危险度”一词对应的标准英文用h a z a r d 或h a z a r dd e g r e e 比较 合适。国际上有关滑坡灾害评价的研究至今已有近4 0 年的历史【2 9 】。最早涉及到泥石流危 险度评价的研究可能为日本学者1 9 7 7 年提出的“泥石流发生危险度的判定”刚，日文的 “危险度”一词的字形与中文相同，但该文中危险度指的是泥石流发生的频率，与我们现 在的危险度包含有规模和频率的双重信息的含义有所不同1 9 8 1 年美国地质工程师 h o l l i n g s w o r t h 和k o v a c s 采用打分方法，提出了泥石流危险度评价框架【3 lj ，他们建议将 岩性、坡度和切割密度3 个因子分别划分为0 、1 、2 、3 、4 共5 个等级，再用因子叠加求 和进行危险度评价。当时他们除了给出切割密度等级的划分外，其它因子等级的划分方案 均未实施。这可能是美国最初的，也是为数不多的涉及到的泥石流危险度的定量评价。国 内较早开始的与泥石流危险度有关的研究为谭炳炎1 9 8 6 年发表的“泥石流沟严重程度的 数量化综合评判”一文【3 2 】唐晓春教授和唐邦兴研究员认为矧，我d i e 式使用泥石流危险 度一词的最早研究文献始于1 9 8 8 年p 4 】，其后这一领域的研究持续达1 0 多年之久，研究工 作不断深入，新的成果不断涌现瞰3 9 1 。 目前国际上公认的比较科学而实用的方法是奥地利h 奥里茨基提出的“荒溪分类及危 险区制图指数法” 4 0 1 。日本的池谷浩、高桥保、水山高久等人【4 1 郴】通过研究泥石流冲出 量、冲出长度和堆积范围，建立了不同类型的泥石流危险范围预测模型。日本足立胜治等 【舶l 开展了泥石流发生危险度的判定研究，主要从地貌条件、泥石流形态和降雨三方面判定 泥石流发生率。日本久保田哲也等1 4 7 l 于1 9 9 0 年再次开展了泥石流发生危险度的判定研究， 主要从短历时降雨的有效降雨量和降雨强度来研究泥石流发生的可能性。瑞典 第1 章绪论 m t e l d e e n l 4 8 1 将灾害类型的判别和灾害规模的估计利用危险区图来表示，确定洪水灾害的 发生范围。此外美国、德国等国家也完成了山洪泥石流灾害的制图工作，把山洪泥石流沟 划分开来，或者把具有山洪泥石流沟的大范围区划分开。 我国有关泥石流危险度研究的最早文献始见于1 9 8 8 年，其后这一研究领域持续达十 多年之久，研究工作不断深入，新的成果不断涌现。目前，有关单沟和区域泥石流危险度 评价的基本原理和技术方法己初步成型，并在实践应用中逐步得到改进和完善【删。如汪明 武从泥石流发育、分布和演化特征等指标来建立泥石流危险等级划分的人工神经网络模 型，应用神经网络法对泥石流进行危险度评价和区划f 5 ”；魏永明等以泥石流沟水系和堆积 物的分维值来划分泥石流的危险度，把分形理论引入泥石流危险度的评价【”j ；陈冶等采用 效果测度的分析方法研究泥石流危险度的分类，提供了一种普适性强、易于操作的信息数 据处理方法，定量地计算出泥石流的危险度值【5 3 】。张春山，李志斌等针对刘丽，刘加龙等 的模糊综合评判法阻3 1 ，张春山，李志斌等的灰色关联分析法嘶。5 7 j 的不足提出了一种基 于信息熵理论研究的新思路，并进行了初步探索1 4 0 l 。同时现代发展起来的“3 s ”技术( g i s 、 r s 、g p s ) 对泥石流的调查、评价起到了很重要的作用 4 7 1 。 而我国泥石流危险区区划的工作开始于1 9 8 5 年，其代表性成果为1 9 9 1 年初版的中国 泥石流灾害分布与危险区划图。其研究方法有很多，但具代表性的方法有三种 5 96 1 1 ：第一 种方法是以判断泥石流沟与非泥石流沟为依据，以综合指数法确定泥石流沟的危险程度， 这种方法是目前我国判断泥石流沟应用最为广泛的一种方法。第二种方法是根据通过对泥 石流沟危险度评价和泥石流沟的分布进行危险区的划分。第三种方法是针对每一条溪沟 ( 沟道) 选取一定的指标进行荒溪分类，在荒溪分类的基础上，对各种每条溪沟( 沟道) 采用不同的危险区划分模型。把整条沟的危险区与非危险区划分开来。也有人通过建立荒 溪分类与危险区制图信息管理系统以及利用数值模拟以及神经网络技术进行泥石流沟道 危险区划分，以减少工作量 6 2 , 6 3 。目前，有关单沟和区域泥石流危险度评价的基本原理和 技术方法已初步成型，并在实践应用中逐步得到完善和改进。 1 2 3 泥石流系统防治方法研究现状 国外对泥石流的研究和防治相对较早，其防治技术和措施都比较成熟，尤其在系统防 治方面，各国都设有专门的泥石流防治机构，如美国地质调查局、日本沙防学会、奥地利 工程局和防治站等，并由他们建立起一系列的泥石流研究机构或组织。如人才培养、国际 6 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 交流、预报预警和工程方法的研究、资金的筹集和管理、灾后的重建等。 我国泥石流防治工作从2 0 世纪5 0 年代开始，受到各级政府、专家学者和广大群众的 重视。尤其是改革开放以来随着社会经济的发展、防灾减灾技术的进步，泥石流治理的速 度在加快，防治技术越来越先进、成熟泥石流由局部治理发展到全面治理；由单一的简 易工程治理发展到泥石流小流域的综合治理；由单一的土木工程治理发展到土木工程和生 态t 程有机结合治理模式，更加强调生态环境同复和变害为利。根据不同的保护对象、防 护要求( 如城镇、铁路公路交通、农田、水利设施、矿山等) 分别展开治理【州。至今，已 经取得了很多成就，各种工程治珲措施层出不穷，主要分为t 程措施( 捧洪道、梯级坝、 拱基坝、格栅坝等) 和牛物措施( 林业、农业和牧业) ，各种措施既可单独使用，也可结 合使用 而关于预警系统的研制主要是铁道系统和中科院做了大量的工作。铁道科学院铁道建 筑研究所通过对泥石流发生前降雨资料整理分析和统计，确定触发泥石流发生的“i 临界雨 量值”和“灾害临界线”等软件工作以及设立传感器形式 6 5 】。中科院成都山地所通过对蒋 家沟实测降雨资料分析，得出泥石流形成的临界降雨判别式和泥石流暴发l 临界降雨判别 式，制成预报图进行临近预报。东川泥石流站通过计算机存取收集整理数据，编成年鉴， 建立泥石流预报模式，利用遥测雨量装置或遥测地声警报器建立了预报预警系统睁l 。此外， 长江水利委员会也完成了长江流域泥石流预报预警系统研究。北京市科委中奥合作a 1 3 项 目专题5 “北京山区荒溪泥石流灾害预警系统的研究”，形成了一套完整的预警预报系统 【柏1 。也有通过研究泥石流爆发的周期性来研究其规律，从而进行预报，如崔之久等人 6 7 1 通过对北京山区山洪泥石流暴发周期的研究，总结出了北京山区泥石流往往伴随山洪同时 出现。钟敦伦等人唧l 对四川境内成昆铁路沿线泥石流暴发的周期，把不同沟道泥石流发育 阶段分为发展期、活跃期和衰退期。 虽然各种预防和防治方法娜】众多，但各个灾害区、各个灾害点以及各个工程都比较独 立，能够把预警预报、工程治理和灾后重建系统连接起来的很少，能够综合考虑经济、社 会、环境等因素的不多，这些都影响有限的资源的配置，不能很好的针对各地具体情况制 定相应的泥石流减灾措施，做好与泥石流相关的一系列工作。 1 2 4 存在问题 虽然国内外对泥石流形成机理和防治方法的研究已经很久，但是由于泥石流具有区域 第1 章绪论 性的特点，尤其是潮揭地区独特的特征，使得现有研究对它来说都不完整或不够，主要表 现在： l 、以往的泥石流形成机理的研究主要从静态方面入手，即把泥石流的各形成要素当 作静态的，如把地形和坡度看作是静态不变的，松散堆积物及其补给形式是固定不变的， 而对于特定地形地貌、地质条件、气候条件和人类活动共同作用下。泥石流松散堆积物的 形成未开展深入的研究，尤其是台风暴雨、植被对泥石流松散堆积物形成的有利影响未开 展相关的研究。 2 、泥石流危险性评价方法已经有许多种，但是都有一定的针对性和局限性。如何运 用现有的方法、选取合适的因子和权重，有效的对潮揭地区泥石流进行危险性评估，依然 需要深入研究。 3 、各种预测、预警和治理方法已经有很多，但是如何针对潮揭地区区域性泥石流的 特点( 频率低、规模小，具有一定隐蔽性) ，结合当地的实际情况，统筹分配，以有限的 资金和条件去防范和治理该类地区( 可能) 的泥石流，是一个急待解决的问题。 1 3 研究内容与思路 1 3 1 研究内容 在资料收集、野外调查的基础上，通过分析找出潮揭地区泥石流形成机理，并进行泥 石流沟的危险性分析和泥石流的危险性区划，最后对其提出合理的系统防治方法。具体内 容如下： ( 1 ) 在收集气象、水文、遥感和地质等资料并初步分析的基础上，进行野外实地调 查，查清潮揭地区的地质环境、气候水文、地形地貌、社会经济活动等与泥石流形成有关 的基本要素； c 2 ) 在对潮揭地区泥石流的形成条件研究的基础上，详细分析该地区泥石流的物质 来源，重点探讨台风暴雨和植被对泥石流形成的影响，并阐明了该地区泥石流的形成机理； ( 3 ) 结合国内外学者研究经验及野外实际调查结果，选取了与泥石流形成相关的多 项因子，运用考虑了人类活动影响的多因子综合判定法对潮揭地区进行了泥石流危险度评 价和区划： ( 4 ) 从系统工程理论角度出发，综合考虑泥石流防治的各个阶段( 宣传预防、应急 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 抢救、治理重建等) ，引入层次分析法对泥石流系统防治方法进行了初步探讨，为泥石流 的有效防治提供一种新方法 1 3 2 研究思路 首先，收集区域基础资料并根据泥石流发生所需的三大条件进行分析，找出最可能发 生泥石流的区域；其次，根据室内确定的沟谷或区域，进行实地调查，重点找出泥石流形 成所需的几大条件和影响因素，尤其注重对松散物质来源的调查；最后，以原有资料和野 外调查的成果为基础，展开泥石流形成机理的分析研究，并在此基础上进行泥石流危险性 评价和危险性分区，然后针对潮揭地区泥石流的特点提出系统防治措施。具体研究思路如 图i - i 。 图1 - 1 研究思路图 9 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 第2 章区域地质环境特征及泥石流特点 潮揭地区位于广东省东南部，主要包括潮州市、揭阳市和丰顺，北接梅州，南临汕头 和南海，东连福建，西靠汕尾和河源。地理位置为：东经1 1 5 。3 6 口一1 1 7 。l o 口北纬2 2 。 5 3 口_ 2 4 。2 0 q 面积约1 0 0 0 0 k m 2 ，人口约7 0 0 万，旅居海外华侨、华人和港澳台同胞5 0 0 多万人。该地区与汕头是粤东的经济、政治和文化中心，交通、通讯枢纽，历史文化名城， 也是中国大陆面向港澳台和海外的重要门户。 图2 一l 潮揭地区交通位置示意图 第2 章区域地质环境及泥石流特点 2 1 自然地理 潮揭地区自然地理的特点是：低纬度南亚热带季风性湿润气候；地形以中低山、 丘陵和平原为主，地势北高南低，西高东低，低山高丘与谷地平原交错相问。 2 1 1 地形地貌 粤东潮揭地区地质构造运动和岩浆活动频繁，由于历次地壳运动和外营力作用的影 响，地貌结构上山地、丘陵、台地、平原兼有( 照片2 1 、2 2 、2 3 ) ，而以山地、丘 陵面积较广。从北到南依次地貌为低山、丘陵、沿海台地和韩江三角洲，具体有以下几种： ( 1 ) 侵蚀构造地貌 侵蚀构造地貌有低山、低山高丘陵，相对高度1 0 0 5 0 0 m 。主要由燕山期花岗岩及三 叠纪、侏罗纪砂页岩组成，岩石坚硬，山势陡峻，冲沟发育，沟底坡降大，植被茂盛。 ( 2 ) 剥蚀侵蚀地貌 剥蚀侵蚀地貌包括低丘台地、孤山残丘、侵蚀堆积地貌，相对高度5 l o o m 。其中低 丘台地和孤山残丘由燕山期花岗岩及侏罗纪火山岩、砂页岩组成，岩石较坚硬，山脊宽坦。 山坡较平缓，外力破坏作用较强烈，植被覆盖差。剥蚀堆积地貌主要分布与山前冲洪积平 原，呈扇状或条带状，由粉质粘土、粘土、含粘土砂砾组成，地势微倾斜。 ( 3 ) 堆积地貌 包括河谷平原地形、三角洲及河口平原地形，地形平坦，主要由第四纪含砾粉质粘土、 中细砂、砾砂等组成，树枝状水系发育，河谷宽阔。 照片2 - - l 平原 l l 潮揭泥石漉形成机理及防治方法研究 2 1 2 气候水文 照片2 - 2丘陵 照片2 - 3中低山 2 1 2 1 气候条件 粤东属南压热带湿润型季风气候区，由于地处低纬，面临东南广阔的海洋，因此海洋 和大陆均对粤东气候有非常明显的影响。 各季节气候概况： 冬季( 1 2 2 月份) 普遍盛行东北风或北风，来自北方既寒冷又干燥的空气，经过长 途跋涉以后变性、增湿强度大为减弱，到达粤东时风速已经变小、气温偏高，所以冬季 较温暖。但个别年份在寒潮来临时，也可出现霜冻天气。冬季是干季，降水较少，多晴好 天气，光照充足。1 月份为最冷月，月平均气温为9 1 6 c ，南北部的温差达7 以上。 第2 章区域地质环境厦泥石流特点 极端的最低气温曾记录到零下7 3 ( 1 9 5 5 年1 月1 2 日，梅县) 。但因所处纬度较低，1 月份平均气温仍在1 0 左右，故并无气候意义上的冬季。 春季( 3 5 月份) 是过渡季节，气温和降水均处在上升时期。正因为这个时候是天气 交替的变化季节，所以它的不稳定性很大。有的年份会出现春光明媚的春天，而有的年份 却会出现持续的低温阴雨倒春寒天气；在某些年份因为雨季来得迟，可能出现持续性的干 旱。但从常年的情况来看，雨季从4 月份便开始了，各地先后进入前汛期。 夏季( 6 8 月份) 由于受海洋气团的影响，普遍吹南风，带来丰沛的雨水。6 7 月份 是粤东前汛期的降雨高峰期，各地出现台风暴雨的机会甚多。同时，每年的6 1 0 月是热 带气旋影响广东的主要时段，影响粤东的热带气旋，有8 0 0 , 6 以上出现在这个时段内。 秋季( 9 - - 1 1 月份) 冷空气开始影响粤东气温逐渐下降。此时多晴朗天气，少降水， 开始进入干季。热带气旋活动的次数减少，1 1 月份虽不是热带气旋最活跃的季节但仍有出 现的可能，平均1 0 年才有一个热带气旋登陆。 2 1 2 2 水文 1 、降水 广东省年平均雨日1 1 4 1 8 7 d ，自西北向东南递减。莲花山东南侧的海丰普宁一带 为多雨区，年平均降水量在2 0 0 0 r a m 以上。 潮揭地区全年雨季分为两段：4 6 月为前汛期，主要是锋面低槽带来的降水；7 9 月为后汛期，主要是热带气旋、热带辐合带等引起的降水。4 9 月降水量占全年降水量 的8 0 以上。 潮揭泥石流形成机理及防治方法研究 揭阳一汕尾带年降雨量在2 0 0 0 r a m 左右，而潮州及其东部就只有约1 4 0 0 m m ( 图2 - - 2 ) ；季节变化明显，汛期( 6 9 月) 降水量占全年8 0 0 , 4 以上，同时夏秋受热带风暴袭 击次数多，强度大，故易出现洪涝和干旱。此外，冬季受西伯利亚寒潮影响，北部少数地 区出现寒潮和霜冻。 2 、台风、暴雨 潮揭地区地形较复杂，风的分布也较复杂。沿海地区年主导风向以偏东风为主，其余 地区以偏北风向为主。年平均风速近海地区在2 m s 以上，最大可达4 6 m s ，其余地区小 于2 m s ，最小的只有o 9 i o m s 。年平均大风日数多数地区为l 4 d 。 在沿海一带，海面和陆地受热的差异引起局地热力环流，形成了海陆风。白天，风由 海面吹向大陆，夜间风由大陆吹向海面，昼夜之间风向发生明显的变化。广东沿海的海陆 风在各季是有差异的粤东沿海以秋季出现机会最多，夏季最少，在一天中，海风出现于 上午8 时左右，1 5 1 7 时风速最大，到2 3 时结束并开始转换为陆风。一般海风风速大于 陆风，最大可达4 m s 。 台风暴雨是泥石流形成主要因素之一，粤东处于热带和亚热带季风气候区，暴雨一般 出现在汛期( 6 9 月) ，历时短，强度大，是泥石流产生的巨大动力。 3 、区域水文 研究区内水系发育，主要河流有韩江、榕江、黄岗河、练江、龙江、，河道均由北西 向南东汇流入南海，常年流水，但季节性水量相差较大，雨季河水暴涨，旱季水量较小。 其中，韩江、榕江这两条河流基本控制着整个区域水系的发育。韩江为区内最大河流，发 源于广东、福建交界的七星山东北。全长4 1 6 k m ( 区内约2 0 0 k i n ) ，流域面积2 9 0 8 3 k m 2 ( 区内约1 7 0 0 k m 2 ) ，水力资源丰富，下游河网纵横，形成宽阔的三角洲。4 5 月，l o 1 2 月为平水期，6 9 月为丰水期，1 2 3 月为枯水期，水位流量变幅较大 研究区地下水的赋存条件与分布规律以及水化学特征，均受地层岩性、地质构造、地 形地貌和新构造运动的综合控制，而气象、水文的变化对区内地下水补给和动态影响颇为 显著，特征大体归纳如下： ( 1 ) 研究区位于粤东南海之滨，北与莲花山相连，雨量充沛，地下水补给来源充足， 尤以北部广大基岩山区，年降水量逾1 9 9 2 m m ，为区内地下水主要补给区，地势北高南低， 自北向南由中低山逐渐过渡为丘陵、台地和三角洲平原，由此导致地下水形成和分布具有 明显的水文地质分带性： 中低山区以构造裂隙水为主，丘陵、台地以网状风化裂隙水为主，滨海平原以砂、 第2 章区域地质环境及泥石流特点 砂砾石层孔隙水为主 地下水的流向自北向南，地下水交替循环条件自北向南由强变弱。 水化学分带明显由h c 0 3 - n a ( c