泥石流的堆积的影响因素.docx

科目： 高等土力学题目：泥石流的堆积形态的影响因素专业： 土木工程姓名： 廖珩云学号： 2013020227泥石流的堆积形态的影响因素摘要 ：本文通过对泥石流的堆积形态进行分析，确定影响其堆积形态和范围的因素，为泥石流危险性或危害性评价提供参考。影响泥石流堆积形态的因素包括了沟床纵坡降，泥石流流速、重度以及降雨量等等，这里着重对这些因素进行了分析，确定了其与泥石流堆积形态的关系。关键词：泥石流；堆积形态；坡降；流速；重度；降雨量1前言泥石流是暴雨、洪水将含有沙石且松软的土质山体经饱和稀释后形成的洪流，它的面积、体积和流量都较大。而滑坡是经稀释土质山体小面积的区域。典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透流水 山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。泥石流爆发突然、来势凶猛，可携带巨大的石块。因其高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。泥石流流动的全过程一般只有几个小时，短的只有几分钟。泥石流是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害。是山区沟谷或山地坡面上，由暴雨、冰雪融化等水源激发的、含有大量泥沙石块的介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。泥石流大多伴随山区洪水而发生。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最少为15%，最高可达80%左右，因此比洪水更具有破坏力。泥石流的主要危害是冲毁城镇、企事业单位、工厂、矿山、乡村，造成人畜伤亡，破坏房屋及其他工程设施，破坏农作物、林木及耕地。此外，泥石流有时也会淤塞河道，不但阻断航运，还可能引起水灾。影响泥石流强度的因素较多，如泥石流容量、流速、流量等，其中泥石流流量对泥石流成灾程度的影响最为主要。此外，多种人为活动也在多方面加剧这上述因素的作用，促进泥石流的形成。泥石流是发生在山区的常见自然灾害，每年在世界各地都有大量的泥石流灾害事件发生。我国是世界上泥石流灾害最为严重的国家之一，近几十年来，平均每年造成的直接经济损失达 10 多亿元，死亡人数近千人123，并且，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，使泥石流等自然灾害更趋严重。因此，必须加强泥石流灾害的研究、评估、预测预报和减灾管理，组织实施经济有效的防治工程，从而尽可能防范灾害的发生和尽量减轻灾害损失。而且，减灾防灾工作随着人类文明进步、社会和科学发展而越来越受到人们的普遍关注和重视4。泥石流灾害同其他自然灾害一样，主要表现为自然现象，它的发生发展往往是不以人的意志为转移的。长期以来，人们从被动的抗争、经验性的抵御，到逐步运用科学理论和先进技术方法，尽可能合理经济地组织实施防灾减灾工作，已经积累了丰富的经验，但由于泥石流运动的客观复杂性和突发性，做到科学有效的防治还需要人们孜孜不倦的努力和探索，以及不断地实践、深化和提高5。泥石流的灾害主要是通过堆积作用造成的;从某种意义说,泥石流学科的成长也是从堆积物的认识开始的6。因此 ,历来关于泥石流堆积的各个方面都有过大量的研究,如从地表重力流研究堆积机理7,从沉积学研究堆积环境,堆积扇的形态、结构和演化8。另外,还有许多人做过泥石流堆积的模拟实验9。总的说来,这些研究目的不同,背景不同,思想方法不同 ,它们的结果基本上是脱节的。1.1泥石流的分类按物质成分分类（1）由大量粘性土和粒径不等的砂粒、石块组成的叫泥石流；（2）以粘性土为主，含少量砂粒、石块、粘度大、呈稠泥状的叫泥流；（3）由水和大小不等的砂粒、石块组成的称之水石流。按流域形态分类（1）标准型泥石流为典型的泥石流，流域呈扇形，面积较大，能明显的划分出形成区，流通区和堆积区。（2）河谷型泥石流流域呈有狭长条形，其形成区多为河流上游的沟谷，固体物质来源较分散，沟谷中有时常年有水，故水源较丰富，流通区与堆积区往往不能明显分出（3）山坡型泥石流流域呈斗状，其面积一般小于1000,无明显流通区，形成区与堆积区直接相连。按物质状态分类（1）粘性泥石流，含大量粘性土的泥石流或泥流。其特征是：粘性大，固体物质占40-60%，最高达80%。其中的水不是搬运介质，而是组成物质，稠度大，石块呈悬浮状态，暴发突然，持续时间亦短，破坏力大。（2）稀性泥石流，以水为主要成分，粘性土含量少，固体物质占10-40%，有很大分散性。水为搬运介质，石块以滚动或跃移方式前进，具有强烈的下切作用。其堆积物在堆积区呈扇状散流，停积后似“石海”。以上分类是中国最常见的两种分类。除此之外还有多种分类方法。如按泥石流的成因分类有：水川型泥石流，降雨型泥石流；按泥石流流域大小分类有：大型泥石流，中型泥石流和小型泥石流；按泥石流发展阶段分类有：发展期泥石流，旺盛期泥石流和衰退期泥石流等等。1.2泥石流的形成条件泥石流的形成需要三个基本条件：有陡峭便于集水集物的适当地形；上游堆积有丰富的松散固体物质；短期内有突然性的大量流水来源。（1）地形地貌条件在地形上具备山高沟深，地形陡峻，沟床纵度降大，流城形状便于水流汇集。在地貌上，泥石流的地貌一般可分为形成区、流通区和堆积区三部分。上游形成区的地形多为三面环山，一面出口为瓢状或漏斗状，地形比较开阔、周围山高坡陡、山体破碎、植被生长不良，这样的地形有利于水和碎屑物质的集中；中游流通区的地形多为狭窄陡深的峡谷，谷床纵坡降大，使泥石流能迅猛直泻；下游堆积区的地形为开阔平坦的山前平原或河谷阶地，使堆积物有堆积场所。（2）松散物质来源条件泥石流常发生于地质构造复杂、断裂褶皱发育，新构造活动强烈，地震烈度较高的地区。地表岩石破碎，崩塌、错落、滑坡等不良地质现象发育，为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源；另外，岩层结构松散、软弱、易于风化、节理发育或软硬相间成层的地区，因易受破坏，也能为泥石流提供丰富的碎屑物来源；一些人类工程活动，如滥伐森林造成水土流失，开山采矿、采石弃渣等，往往也为泥石流提供大量的物质来源。（3）水源条件水既是泥石流的重要组成部分，又是泥石流的激发条件和搬运介质(动力来源)，泥石流的水源，有暴雨、水雪融水和水库溃决水体等形式。我国泥石流的水源主要是暴雨、长时间的连续降雨等。本文通过对泥石流的堆积形态进行分析，确定影响其堆积形态和范围的因素，为泥石流危险性或危害性评价提供参考。2泥石流的堆积形态与坡降的关系 泥石流形成有3个基本条件，即地质、地形和水源条件，3大条件对泥石流形成有着重要的作用。沟床纵坡降是表征地形条件的重要参数，泥石流的堆积模式与沟床纵坡有着密切的关系。中国地质大学的任凯珍5等通过小型水槽实验，对沟床纵坡降与泥石流堆积模式的关系进行实验研究，获取在不同沟床纵坡降情况下，泥石流堆积的长度、宽度、厚度、堆积面积以及堆积形态比方面的数据；得出沟床纵坡降分别与堆积长度、宽度、厚度、面积和堆积形态比的回归方程及相关系数。2.1实验装置本次实验装置包括人工降雨器、补给箱、流通槽以及堆积毯四部分。(1)人工降雨器利用水龙喷头模拟降雨，本次实验共使用喷头11个。(2)补给箱补给箱底面面积为1725Ocm2，最大容积为345000cm3，侧面开有宽为40cm，高为20cm的长方形供给口。补给箱由一固定支架支撑，可调节补给箱的坡度。(3)流通槽流通槽为一内宽40cm，内高30cm，有效流动长度为400cm的玻璃槽。流通槽由一矩形支架支撑。可前后升降调节流通槽的坡度。坡度调节范围为515。(4)堆积毯堆积毯为一长200cm，宽200cm的正方形地毯，该地毯防水效果比较好。地毯上以3cm为间隔，标有67个方格以测定泥石流堆积长度、宽度和堆积面积。堆积毯直接放置于实验场地，和流通槽平整相接。2.2实验结果通过对实验数据进行线性相关分析，得出泥石流堆积长度与沟床纵坡降的回归方程为：Y=5.1692X-2.7692，相关系数为0.93，泥石流堆积长度与沟床纵坡降之间存在高度正相关；泥石流堆积宽度与沟床纵坡降的回归方程为：Y=8.2895X+14.684，相关系数为0.85，泥石流堆积宽度与沟床纵坡降之间存在高度正相关；泥石流堆积面积与沟床纵坡降的回归方程为：Y=798.21X-3950.8，相关系数为0.93，泥石流堆积面积与沟床纵坡降之间存在高度正相关；泥石流堆积厚度与沟床纵坡降的回归方程为：Y=0.2231X+2.0769，相关系数为0.76，泥石流堆积厚度与沟床纵坡降之间存在中度正相关；泥石流堆积形态比与沟床纵坡降的回归方程为：Y=0.0034X+0.5018，相关系数为0.1l，泥石流堆积形态比与沟床纵坡降之间关系极弱，可以认为不相关。实验数据线性相关分析结果详见表1。表1 泥石流堆积实验数据线性相关分析表YX回归方程相关系数X、Y变化方向相关性描述堆积长度沟床纵坡降Y=5.1692X-2.76920.93一致Y与X存在高度正相关堆积宽度沟床纵坡降Y=8.2895X+14.6840.85一致Y与X存在高度正相关堆积面积沟床纵坡降Y=798.21X-3950.80.93一致Y与X存在高度正相关堆积厚度沟床纵坡降Y=0.2231X+2.07690.76一致Y与X存在高度正相关堆积形态比沟床纵坡降Y=0.0034X+0.50180.1l一致Y与X之间关系极弱结果表明：泥石流堆积形态受坡度的影响较大。坡度越小，泥石流堆积范围越小，沿着冲积方向延伸，堆积厚度急剧减小，表现为泥石流在近源点处大量堆积，对近源点处地段的破坏作用较大；相反，坡度增大，泥石流堆积面积也随之增大，随着冲积方向延伸，堆积厚度表现为略有起伏，总的趋势是逐渐减小，堆积长度不断增加,表现为泥石流堆积区较大，破坏面较广。当坡度增大到一定数值后，泥石流的堆积长度虽然增加，但其宽度却反而有所减小。3.泥石流的堆积形态和流速的关系 泥石流流速是单位时间泥石流体的运动距离，单位m/s。泥石流在不同的流速时，其危害方式不同，泥石流流速是影响泥石流危险性的重要参数之一。3.1实验装置实验装置包括以下三部分：（1）补给箱：底面面积为13000cm2，最大容积为325000cm3可装载泥石流体120kg左右(以泥石流容重2.0g/cm3计算)侧面开有一长为20cm,宽为6cm的长方形供给口，由闸门开关控制泥石流的补给。补给箱由一固定支架支撑，可调节补给箱的坡度。(2)流通槽流通槽为一内宽40cm，内高30cm，有效流动长度为400cm的玻璃槽。流通槽由一矩形支架支撑。可前后升降调节流通槽的坡度。坡度调节范围为515。（3）堆积板：为一长200cm，宽160cm的矩形木板，为防止木板浸水变形，板上刷上白色油漆。板上以10cm为间隔标有320个方格以测定泥石流堆积面积和堆积厚度。堆积板直接放置于实验场地，坡度可任意调节。堆积板和流通槽以斜口方式平整相接。3.2实验结果用泥石流的最大堆积长度、最大堆积宽度、堆积面积表示泥石流的堆积范围，用堆积形态比Cr=Lmax/Wmax和扇状地扇顶角tan=Lmax/Tmax表示扇状地的堆积形态。实验结果见表2。表2 泥石流流速与扇状地危险范围关系实验资料实验回次流速V/(ms-1最大堆积长度Lmax/cm最大堆积宽度Wmax/cm最大堆积厚度T/mm堆积面积S/cm2堆积形态比Cr扇状地扇顶角tan11.0011811023106001.07351.30421.191419020113001.56770.50031.541498518112001.75382.78841.63142821101001.85767.61951.771508020112002.14775.00061.841617520108002.29780.50072.001707420120002.38485.00082.131747319128002.76791.57992.25207319135002.900106.316实验结果表明，最大堆积长度与流速有以下关系：Lmax=65.204+53.431V （1） 相关系数r=0.925，回归方程显著。最大堆积宽度与流速有以下关系：Wmax=127.51-26.423V （2） 相关系数为r=0.922，回归方程显著。泥石流扇状地最大堆积厚度与泥石流流速关系较复杂，不是简单的线性关系。堆积形态比与流速有以下关系：C=-0.0422+1.171V （3） 相关系数为r=0.968，回归方程显著。扇状地扇顶角与流速有以下关系：tan=22.097+33.337V （4） 相关系数为r=0.889回归方程显著。（1）、（2）、（3）、（4）式适用范围：泥石流一次冲出量为11000个数量级（cm3或m3），容重为1.817g/cm3，流通区坡度为12，堆积区坡度为2。（1）、（2）式表明泥石流扇状地最大堆积长度和最大堆积宽度与流速呈线性直线函数关系，Lmax随着流速的增大而增大，Wmax随着流速的增大而减小，S与流速关系较复杂，不是简单的线性关系。泥石流扇状地堆积形态受流速的影响较大，流速越大，泥石流堆积长度越长，宽度越小。（3）式表明泥石流扇状地堆积形态比与流速呈线性直线正相关函数关系，堆积形态比随流速的增大而增大。当V1.00m/s时,堆积形态比在1左右，扇状地堆积形态为近圆形；当1.00m/sV1.77m/s时,堆积形态比都大于2,扇状地堆积形态为舌形；（4）式表明tan与流速呈线性直线正相关函数关系，随流速的增大而增大。结论：（1）泥石流扇状地最大堆积长度与流速呈线性直线正相关函数关系，最大堆积宽度与流速呈线性直线负相关函数关系，最大堆积厚度与泥石流流速关系较复杂，不是简单的线性关系。（2）泥石流扇状地堆积形态比与流速呈线性直线正相关函数关系，tan与流速呈线性直线正相关函数关系。4.泥石流的容重对堆积形态的影响为说明泥石流体容重对其堆积区的影响，固定泥石流堆积区坡度为 5 度，泥石流补给量为 7700cm3，不同容重的泥石流堆积平面形态模拟结果见表4.1。 表 4.1 泥石流体容重对堆积形态的影响模拟回次123456泥石流体容重(g/cm3)1.621.761.791.922.072.20最大堆积长度(cm)194.1162.9143.3113.480.863.8最大堆积宽度(cm)53.354.856.158.463.058.8最大堆积厚度（cm）1.912.141.852.034.314.86堆积面积（cm2）970082206360576045002280由表 4.1 可见：当容重在 2.07g/cm3以上时，泥石流体堆积区的平面展布表现为类圆形、椭圆形的形状，容重越大，堆积外形越圆；当容重在 1.79 g/cm3以下时，泥石流体堆积区的平面展布表现为长条带状总而言之，容重越大，堆积长度越短，横向越宽，堆积外形越“胖”；相反，容重越小，堆积外形越“瘦”。5.降雨对泥石流的堆积形态的影响降雨是诱发泥石流的关键因素，降雨量的多少对泥石流的堆积形态和堆积范围有着不可忽视的影响作用，有人通过实验得出了不同降雨量条件下，降雨量与堆积形态以及降雨量和堆积范围的回归公式。5.1实验装置（1）人工降雨器：利用洒水壶或水龙喷头模拟降雨，利用雨量筒和秒表来测量降雨量和降雨强度，再加上小型吹风机吹风，可以达到狂风暴雨的效果。（2）补给箱：底面面积为17250cm2，最大容积为345000cm3可装载侧面开有宽为40cm，高为20cm的长方形供给口，由闸门开关控制泥石流的补给。补给箱由一固定支架支撑，可调节补给箱的坡度。(3)流通槽：流通槽为一内宽40cm，内高30cm，有效流动长度为400cm的玻璃槽。流通槽由一矩形支架支撑。可前后升降调节流通槽的坡度。坡度调节范围为417。（4）堆积板：为一长200cm，宽160cm的矩形木板，为防止木板浸水变形，板上刷上白色油漆。板上以10cm为间隔标有320个方格以测定泥石流堆积面积和堆积厚度。堆积板直接放置于实验场地，坡度可任意调节。堆积板和流通槽以斜口方式平整相接。5.2实验结果实验后可以得出如下结论：降雨量越大，泥石流的最大堆积长度越长；其最大堆积宽度越小；最大堆积厚度越薄。6.结论泥石流的堆积形态主要受到了沟床纵坡降、泥石流的流速、容重、降雨量等的影响。（1）泥石流堆积形态受坡度的影响较大。坡度越小，泥石流堆积范围越小，沿着冲积方向延伸，堆积厚度急剧减小，表现为泥石流在近源点处大量堆积，对近源点处地段的破坏作用较大；相反，坡度增大，泥石流堆积面积也随之增大，随着冲积方向延伸，堆积厚度表现为略有起伏，总的趋势是逐渐减小，堆积长度不断增加,表现为泥石流堆积区较大，破坏面较广。当坡度增大到一定数值后，泥石流的堆积长度虽然增加，但其宽度却反而有所减小。（2）泥石流扇状地最大堆积长度与流速呈线性直线正相关函数关系，最大堆积宽度与流速呈线性直线负相关函数关系，最大堆积厚度与泥石流流速关系较复杂，不是简单的线性关系。（3）容重越大，堆积长度越短，横向越宽，堆积外形越“胖”；相反，容重越小，堆积外形越“瘦”。（4）降雨量越大，泥石流的最大堆积长度越长；其最大堆积宽度越小；最大堆积厚度越薄。参考文献：1国家科委等全国重大自然灾害综合研究组，中国重大自