（水工结构工程专业论文）三峡库区坡面泥石流形成机制.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 y i i i l 1 1 l 9ill刚1111m掣iil3iill3l i ii 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所 取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确 方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 纠薪 i 1 日期 z o r 年多月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行信息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利 一躲纠和 指 虢多奶 日期 如1 1 年多月 7 e 1 日期 z 辞多月多 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n k 系列数据 库中全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权 益 指导教师签名 日期 砂 年岁月多 日 口p 胪骱1 自沙 月 名n 签 者年 作 文 力 论 呢位期 学 日 摘要 工程弃渣型坡面泥石流是由于各种工程建设过程中 不注意生态保护和渣堆 的存放位置不合理 在一定的水动力条件下 导致坡面渣堆移动或滑移 崩塌而 产生的坡面泥石流现象 在三峡库区大规模的城镇迁建过程中 由于地形条件限 制 几乎所有的工程场地都是以开挖整平为主 开挖下切深度几米至几十米 这 势必产生大量的工程弃渣 随着三峡库区新城建设的不断深入 因工程弃渣处置 不当而造成坡面泥石流的事件越来越多 在三峡库区这种泥石流现象普遍发育 具有巨大的潜在危害性 由此可见迫切需要对这种有别于自然坡面泥石流 由工 程弃渣形成的特殊坡面泥石流问题进行系统研究 基于此本文以三峡库区重庆段 工程弃渣型坡面泥石流为研究对象 以试验方法为主要手段 对工程弃渣型坡面 泥石流的形成机制进行初步探索研究 所完成的主要内容及成果如下 1 本文通过搜集野外实地观测资料和大量水文 气象 地质 地貌资料 对重庆库区工程弃渣型坡面泥石流形成的环境条件进行了分析 说明从地形地貌 条件 降雨条件上十分有利于工程弃渣型坡面泥石流的形成和发展 通过物源调 查 重庆境内经济建设过程中因城镇 道路 矿山开产等建设过程中产生的工程 弃渣数量多 分布广 稳定性差 为工程弃渣型坡面泥石流提供了丰富的物源 2 通过对重庆库区工程弃渣现场取样 进行了x 射线光谱分析 室内敏感 性试验 工程弃渣的比重 饱和度 含水量 天然容重及渗透系数试验 不同饱 和度的渣体剪切试验 得出了c 矽与含水量 饱和度之间的关系试验图 3 通过主成分分析法可知 工程弃渣型坡面泥石流的形成是前期降雨和短 历时雨强共同作用的结果 前期降雨是前提条件 短历时雨强是直接条件 4 基于极限平衡理论 考虑降雨过程中地表径流 地下径流 渗流力 静 水压力及雨滴击溅力推导了坡面渣堆的稳定系数的计算公式 并运用算例进行了 验证 进而结合地貌动力学和土体力学性质理论 建立了库区工程弃渣型坡面泥 石流形成的力学机制 5 通过室内工程弃渣型坡面泥石流模型试验 主要进行了坡面工程弃渣体 在坡度低于2 5 前期降雨为1 2 0 r a m 及短历时降雨强度为1 6 7 m m l o m i n 的降雨组 合下的泥石流形成过程试验 通过分析坡面渣体含水量 孔隙水压力和地表位移 高程随降雨历时的变化 揭示了工程弃渣型坡面泥石流形成及演化过程的地貌和 力学特性 关键词 三峡库区 重庆段 工程弃渣型坡面泥石流 形成机制 模型试验 a bs t r a c t t h ep h e n o m e n ao fd e b r i sf l o wo ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i lw h i c hi sd u et oi n t h e c o n s t r u c t i o np r o c e s so fv a r i o u sp r o j e c t s n o tp a ya t t e n t i o nt oe c o l o g i c a lp r o t e c t i o na n d u n r e a s o n a b l es t o r a g el o c a t i o no fs l a gh e a pa n di nc e r t a i nh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s r e s u l t i n gi ns p o i lh e a po ns l o p em o v e m e n to rs l i p c o l l a p s e i nt h ep r o c e s so fl a r g e s c a l e t o w nr e l o c a t i o na tt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a a l m o s ta l lo ft h ee n g i n e e r i n gs i t e a r eb a s e do ne x c a v a t i o nl e v e l i n g e x c a v a t i o nd e p t hf r o ms e v e r a lm e t e r st od o z e n s m e t e r s w h i c hi sb o u n dt oh a v eal a r g en u m b e ro fe n g i n e e r i n gs p o i l w i t ht h ed e e p l y n e w t o w nc o n s t r u c t i o no ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a m o r ea n dm o r ee v e n t so f d e b r i sf l o w so ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i lw e r ec a u s e dd u et oe n g i n e e r i n gs p o i l i m p r o p e rd i s p o s a l i nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a t h ep h e n o m e n ao f d e b r i sf l o wo n s l o p ew i d e s p r e a d sa n dh a sg r e a tp o t e n t i a lh a r m t h u si ti su r g e n t l yn e e d e dt os y s t e m a t i c r e s e a r c hd e b r i sf l o wo ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i lw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h en a t u l m d e b r i sf l o wo ns l o p e b e c a u s eo ft h i sr e a s o n i nt h i ss t u d y c h o o s ec h o n g q i n g r e g i o no f t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra st h er e s e a r c ho b j e c t t oh a sap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o n r e s e a r c ht ot h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fd e b r i sf l o w so ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i l a p p l i c a t i n gt ot e s tm e t h o da st h em a i nm e a n s t h er e s u l t so ft h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s 1 t h i sp a p e rb a s e d o nt h ef i e l do b s e r v a t i o n sa n dl o t so fh y d r o l o g y m e t e o r o l o g y g e o l o g ya n dt o p o g r a p h yd a t ao ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ah a da n a l y z e da n d s t u d i e dt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so ft h ef o r m a t i o n i td e m o n s t r a t e dt h a tr a i n f a l l c o n d i t i o n sw a sc o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o no ft h ed e b r i sf l o w so ns l o p ef o re n g i n e e r i n g s p o i l i n v e s t i g a t i n gb ys o u r c e i ts h o w st h a tt h ee n g i n e e r i n gs p o i lp r o d u c e di n t h e e c o n o m i cc o n s t r u c t i o np r o c e s so ft o w n s r o a d s m i n e so p e n i n gi nc h o n g q i n gr e s e r v o i r w e r em u c hi na m o u n t w i d ei nd i s t r i b u t i o n p o o ri ns t a b i l i t y w h i c hp r o v i d et h e r i c h m a t e r i a ls o u r c e so fd e b r i sf l o w so ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i l 2 t a k et h es a m p l eo fe n g i n e e r i n gs p o i li nc h o n g q i n gr e s e r v o i r c a r r i e do u tx r a y s p e c t r a la n a l y s i sa n di n d o o rs e n s i t i v i t yt e s t t h ep r o p o r t i o no fe n g i n e e r i n gs p o i l s a t u r a t i o nw a t e rc o n t e n t t h en a t u r a lc a p a c i t yh e a v ya n dt h et e s to fp e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t a n ds h e a rt e s to fe n g i n e e r i n gs p o i lu n d e rd i f f e r e n ts a t u r a t i o n w h i c ho b t a i n t h er e l a t i o n s h i pt e s tc 均r ta m o n gc w a t e rc o n t e n t a n ds a t u r a t i o n 3 t h r o u g ht h em e t h o do fp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s i tw a sk n o w nt h a tt h e f o r m a t i o no ft h ed e b r i sf l o w so ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i lw a sw o r k e db yt h e a n t e c e d e n tr a i n f a l la n ds h o r td u r a t i o nr a i n f a ui n t e n s i t y t h ea n t e c e d e n tr a i n f a l li s p r e r e q u i s i t e sa n dt h es h o r td u r a t i o nr a i n f a l li n t e n s i t yi sd i r e c t l yc o n d i t i o n 4 d e r i v e ds u r f a c er u n o f fd u r i n gr a i n f a l l u n d e r g r o u n dr u n o f f s e e p a g ef o r c e h y d r o s t a t i cp r e s s u r ea n df o r c eo fr a i n d r o p ss p l a s hs l a gh e a po fs l o p es t a b i l i t yf a c t o r c a l c u l a t i o na n df o r m u l a s a c c o r d i n gt os o i lm e c h a n i c s h y d r a u l i c s f l u i dm e c h a n i c sa n d t h et h e o r yo fl i m i te q u i l i b r i u m e r e t h es p o i l t y p ed e b r i sf l o wm e c h a n i s mo ft h e r e s e r v o i ra r e aw a se s t a b l i s h e d a n de s t a b l i s h e dt h em e c h a n i s mo fd e b r i sf l o wf o r m a t i o n m o d e lo fr e s e r v o i r 5 b yc o n d u c t i n gi n d o o rm o d e l i n ge x p c r i r n e n to nd e v e l o p i n gp r o c e s s e sf o rd e b r i s f l o wo ns l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i l u n d e rl e s st h a n2 5 0 t h ep r o p h a s er a i n f a l l12 0 m m a n ds h o r td i a c h r o m cr a i n f a l li n t e n s i t y1 6 7 m m 10 m i n i tr e v e a l st h a tt h eg e o m o r p h i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no fd e b r i sf l o wo ns l o p ef o r e n g i n e e r i n gs p o i lt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a n g eo f m o i s t u r ec o n t e n t p o r ew a t e r p r e s s u r ea n ds u r f a c ed i s p l a c e m e n te l e v a t i o nw i t hr a i n f a l ld u r a t i o no fe n g i n e e r i n gs p o i l o ns l o p e k e yw o r d s t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a c h o n g q i n gr e g i o n t h ed e b r i sf l o wo n s l o p ef o re n g i n e e r i n gs p o i l f o r m a t i o nm e c h a n i s m m o d e l i n ge x p e r i m e n t 目录 第一章绪论 l 1 1 选题背景 目的和意义 l 1 2 国内外坡面泥石流研究现状 2 1 2 1 国内外坡面泥石流研究的历史和现状 3 1 2 2 国内外研究坡面泥石流的主要方法 5 1 3 本论文的研究思路 研究内容及技术路线 5 1 3 1 研究思路及内容 5 1 3 2 技术路线 6 第二章重庆库区工程弃渣型坡面泥石流孕灾环境 8 2 1 地质环境条件 8 2 1 1 生态地理位置 8 2 1 2 地质概况 8 2 1 3 地形地貌特征 9 2 2 水文地质条件 1 2 2 2 1 气温 l2 2 2 2 降雨 1 2 2 2 3 水文特征 1 3 2 3 人类工程活动 1 3 2 3 1 工程切坡 1 3 2 3 2 矿山开采 1 4 2 3 3 水库建设 1 5 2 3 4 沿江城市建设 15 2 4 物源调查 1 6 2 4 1 库区工程弃渣分布及组成 1 6 2 4 2 库区工程弃渣型坡面泥石流物源特征 1 8 2 5 库区工程弃渣型坡面泥石流灾害 1 9 2 5 1 库区工程弃渣型坡面泥石流典型灾害 1 9 2 5 2 库区工程弃渣型坡面泥石流特点 2 4 2 6 本章小结 2 5 第三章重庆库区工程弃渣物理力学参数试验分析 2 6 3 1 试验内容 2 6 3 2 衍射试验及分析 2 6 3 2 1 试验过程 2 6 3 2 2 试验结果分析 2 7 3 3 粒度试验及分析 2 9 3 3 1 试验过程 2 9 3 3 2 试验结果分析 2 9 3 4 物性试验及分析 3 1 3 5 力学参数试验分析 3 3 3 5 1 试验土样的制备 3 3 3 5 2 渗透试验及分析 3 3 3 5 3 抗剪强度指标c 9 测定试验 3 5 3 6 本章小结 3 8 第四章工程弃渣型坡面泥石流形成的力学机制 4 0 4 1 降雨在工程弃渣型坡面泥石流形成中的作用 4 0 4 1 1 工程弃渣型坡面泥石流形成的降雨组成 4 0 4 1 2 前期降雨与工程弃渣型坡面泥石流形成的关系 4 2 4 1 3 短历时雨强在工程弃渣型坡面泥石流形成中的激发作用 4 4 4 1 4 前期降雨与短历时雨强的关系 4 5 4 2 工程弃渣型坡面泥石流形成的降雨条件主成分分析 4 6 4 2 1 主成分分析的基本原理 4 6 4 2 2 主成分分析的步骤 4 7 4 2 3 库区工程弃渣型坡面泥石流形成的降雨条件综合分析 4 8 4 3 工程弃渣型坡面泥石流起动机制 5 0 4 3 1 坡面渣体稳定性计算模型 5 l 4 3 2 各种力的计算方法 5 2 4 3 3 坡面渣堆稳定性计算模型方程 5 5 4 4 工程弃渣型坡面泥石流形成的力学机制与过程分析 5 7 4 4 1 工程弃渣型坡面泥石流形成的地貌学描述 5 7 4 4 2 工程弃渣型坡面泥石流形成的力学机制与过程分析 5 8 4 5 本章小结 6 l 第五章工程弃渣型坡面泥石流形成过程模型试验 6 2 5 1 工程弃渣型坡面泥石流形成过程模型试验方案 6 2 5 1 1 试验目的及研究内容 6 2 5 1 2 试验模型 6 2 5 1 3 试验组合 6 3 5 1 4 试验材料 6 4 5 1 5 试验仪器及设备 5 1 6 试验装置及测试内容 6 5 5 1 7 试验步骤 6 8 5 2 试验过程与现象 6 9 5 3 试验成果 7 3 5 3 1 坡面渣堆含水量数据采集及分析 7 4 5 3 2 孔隙水压力传感器数据采集及分析 7 6 5 3 3 坡面地表各测点高程及位移数据采集及分析 7 9 5 3 4 工程弃渣型坡面泥石流形成过程分析 8 4 5 4 本章小结 8 6 第六章结论与建议 8 7 6 1 结论 8 7 6 2 建议 8 7 致谢 8 9 参考文献 9 0 在学期间发表的论著及取得的科研成果 9 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 目的和意义 泥石流是高浓度水砂砾复合异相混合流 是颗粒大小差异很大的固体 岩土 体 和液体 水 的联合运动 其中沙 砾主要按滚动及跃动状态迁移n 1 在小流 域 滑坡和泥石流通常相伴而生 互为因果 具有强烈的冲击 破坏作用 泥石 流属于典型的灾害地貌现象及地貌过程 它是各种自然因素以及人为因素综合作 用的产物 以其突然暴发 迅猛奔腾 给库区生态环境 经济发展 人民生产 生活造成深重的灾难 这种灾难随着库区建设 资源开发 人类社会发展与日俱 增 从而引起人们的关注圆 泥石流按泥石流沟形态可分为坡面泥石流和沟谷泥石流 坡面泥石流和沟谷 泥石流有许多共同之处 如它们形成的三大条件类似 即有丰富的物质来源 陡 峻的地形和充足的水源 但坡面泥石流和沟谷泥石流又有显著的差别 主要体现 在坡面泥石流流域面积较小 通常只有0 5 5 k m 2 流域没有明显的沟谷 坡度很 大口1 流域平均坡度界于2 5 3 5 之间 沟谷相对于一般泥石流而言更加陡峻 一般界于5 0 0 8 0 0 0 o o 之间 堆积物规模较小 间于数十个立方至数万个立方之间 坡面泥石流和沟谷泥石流的区别还体现在坡面泥石流的形成区和流通区很难分 开 坡面泥石流主要发生在低山丘陵地区工农业比较发达 人口比较稠密的城镇 附近 人类活动对坡面泥石流的发生具有重要的影响作用 另一方面 坡面泥石 流发生后往往直接影响人类的生命财产安全 坡面泥石流具有强大的破坏作用 而且其爆发往往具有很强的突然性 人们 很难防范 因而给人类造成重大的经济损失 严重威胁人类的生命安全 尤其是 发生在工农业比较发达 人口稠密的城镇附近的坡面泥石流 对农田 房屋 厂 矿 各类交通线 运输管道 森林等造成严重破坏 直接危及人民生命财产安全 云南东川附近的小江流域两岸 小规模的坡面泥石流成群分布 难以计数 每逢 雨季 在暴雨激发下 坡面泥石流广泛发育 大量堆积物进入小江 严重阻碍了 金沙江航道的开发利用 给当地城镇 矿山 道路 农田 水利设施及管线建设 带来了严重的灾难 日本的泥石流有6 万多条 多属暴雨型坡面泥石流 1 9 8 2 年 7 月2 3 日以长崎市为中心的地方 下了一小时的1 8 7 r a m 的特大暴雨 造成的泥石 流灾害 死者达2 9 9 人嘲 西藏境内的墨脱县县级公路 仅修好后一年时间不到就 完全无法通行 被数百条坡面泥石流和沟谷泥石流冲得支离破碎 2 0 0 3 年9 月的 四川丹巴县发生大规模泥石流 造成数十人死亡 给当地的旅游业造成巨大的打 击 j i i 藏公路 中尼公路在雨季也常常被中断 国家每年要拿出大量的资金进行 2 第一章绪论 维护方能维持正常的运输 据不完全统计 我国每年因泥石流灾害造成的直接经 济损失近2 0 亿人民币 造成人员伤亡1 0 0 人以上 按照三峡工程设计正常高水位1 7 5 m 的方案 库区需全迁或部分搬迁的县市级 城镇1 3 座 镇级集镇1 1 3 个 工矿企业1 5 9 9 家以及大量的基础设施和文物古迹等 在大规模的库区城镇迁建过程中 由于地形条件限制 几乎所有的工程场地都是 以开挖整平为主 开挖下切深度几米至几十米 随着三峡库区新城建设的不断深 入 因工程弃渣处置不当而造成损失的事件越来越多 例如 1 9 9 8 年8 月巴东县 城三道沟随意堆放的城建垃圾在暴雨作用下突发泥石流 导致附近新盖的住宅楼 被冲毁 损失近百万元人民币嘲 陈洪凯等睁n 3 在近年的研究中发现三峡库区的泥 石流沟数量已多达6 0 0 余条 其中库区内已甄别的泥石流沟9 0 条 潜在泥石流沟 5 0 0 余条 多数位于库区移民迁建工程区 沟内工程弃渣储量近2 亿立方米 在雨 水浸泡或洪水冲刷作用下可形成坡面泥石流 根据泥石流学科分类体系 这种以 工程弃渣为主要物源的泥石流属于人为泥石流的研究内容 是人为泥石流的代表 由此 可将这种坡面泥石流定义为工程弃渣型坡面泥石流 工程弃渣型坡面泥石流是由于各种工程建设过程中 不注意生态保护和渣堆 的存放位置不合理 在一定的水动力条件下 导致坡面渣堆移动或滑移 崩塌而 产生的坡面泥石流现象 在重庆库区这种泥石流现象普遍发育 具有巨大的潜在 危害性 由此可见迫切需要对这种有别于自然坡面泥石流 由工程弃渣形成的特殊坡 面泥石流问题进行系统研究 基于此本文应用试验方法及各种力学方法对这种工 程弃渣型坡面泥石流的形成机制进行初步探索研究 如果我们搞清楚了工程弃渣 型坡面泥石流的形成机制 一方面可以为工程建设提供十分有价值的参考意见 为国民的可持续发展提供保障 为区域的防灾减灾提供理论上的支持 同时可以 为区域经济的合理规划 工矿企业 线路选择 甚至居民点的合理布局提供决策 依据 另一方面 我们可以采取有效措施 尽量减少人为制灾因素 把人类对工 程弃渣型坡面泥石流发生的影响降到最低 从而在低山丘陵地区建立人类自然和 谐相处的生态系统模式 为全面提高我们的生活质量做出应有的贡献 1 2 国内外坡面泥石流研究现状 我国幅员辽阔 环境条件复杂 几乎所有的自然灾害类型都有发生 是世界 上灾害类型最多的国家之一 我国地形条件复杂 山地和高原面积大 约占国土 总面积的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 植被覆盖度降低 坡面泥石流极易发生n 列 据近年统计资料表明 中国坡面泥石流分布在3 1 个省 市和自治区 约9 5 0 第一章绪论 县市 坡面泥石流的活动区域面积4 3 0 万k m 2 其中活动剧烈的地区达1 3 0 万k m 2 全国8 万处坡面泥石流活动 其中严重的有8 5 0 0 处 近年来 坡面泥石流每年造 成的经济损失在1 5 亿 2 0 亿人民币 死难者在2 5 0 5 0 0 人 同时使人们的生存 和发展环境受到严重影响 引 但是在2 0 世纪5 0 年代以前的很长时期 我国科学 界对坡面泥石流的形成和变化可说是一无所知 谁碰到坡面泥石流灾害 就自认 倒霉 无可奈何把它冠以 龙扒一 水炮 等迷信色彩的名称 施雅风 对于工 程弃渣型坡面泥石流的研究更是没有 然而随着经济的发展 人们开始注意到坡面泥石流这种灾害 从2 0 世纪5 0 年代逐步开始对自然坡面泥石流的研究 对工程弃渣型坡面泥石流的研究只是在 近期才有零星出现 因为自然坡面泥石流的研究是工程弃渣型坡面泥石流研究的 基础 因此本文有必要对自然坡面泥石流研究现状做一简单介绍 1 2 1 国内外坡面泥石流研究的历史和现状 泥石流是山区常见的自然灾害 受泥石流危害严重的国家有中国 前苏联 美国 日本 法国 印度等 因此 许多国家非常重视泥石流的研究 特别是联 合国从2 0 世纪9 0 年代开始实施 国际十年减灾计划 后 对泥石流灾害研究进 行可深入的研究 比较有影响的是美国 中国 俄罗斯 日本等国家 如中科院 成都山地灾害研究所已经出版了关于泥石流的专著有唐邦兴等主编的 山洪 泥 石流 滑坡灾害及防治 n 钔和 泥石流论文集 3 n 鄹 姚德基主编的 泥石流 论文集 4 n 引 吴积善等主编的 长江流域山地开发与灾害防治 n 刀 前苏联 学者c m 弗莱施曼编著的 泥石流 n 射 日本学者高桥保编著的 土石流发生及 运动机制 1 1 9 当然还有许多中外学者对泥石流的专门论述 在中国地学类期刊 中 在泥石流的论述有三千多篇 其中对泥石流灾害区域的划分 灾害评估 灾 后的生态重建 泥石流灾害危险度和易损性评价工作也进行了深入的研究 一1 遭受坡面泥石流危害的国家众多 地球上很多山区都有坡面泥石流分布 但 与沟谷泥石流研究相比 各国对坡面泥石流的研究还十分薄弱 在国外 h o w a r d 认为滑坡型坡面泥石流的运动过程可以分为三个阶段即沟头滑坡形成阶段 滑坡 前缘产生次生滑坡阶段和次生滑坡大量冲水阶段阱1 c a m p b e l l 认为坡面泥石流的 爆发实质上是由于孔隙水压力上升而造成土体抗剪强度降低而引起浅层滑坡 浅 层滑坡的运动发展成为泥石流嘲 p i e r s o n r e i d j o h n s o n 研究证实 在暴雨期间 实测到斜坡土体中孔隙水压力上升 一1 而且在大的前期雨量和长时间暴雨后 基 岩地下水流对坡体中部表层土体中高孔隙水压力的出现起了积极的作用 t t a k a h a s h i 认为 泥石流发生的主要原因有三种 水流渗入沟床堆积物 并且 随着水量的增加而形成地表流 使得堆积物本身变得不稳定而开始流动成为泥石 流 从坡面崩塌下来的土块在移动过程中破碎并与水混合一体从而转变为泥石 4 第一章绪论 流 坡面崩塌土体阻塞沟床 由于上游积水的作用 土体变得不稳定 并随着 大量的水流出 从而形成泥石流啪1 k s a s s a 通过在高速环剪实验仪上的不排水加 载实验 提出了一种流态化滑坡机理 他认为 液化不仅可以发生在非常松散且 充分饱水的沙中 在密实状态下 剪切带中的颗粒在剪切中被压碎 发生剪缩 导致不排水条件下的孔隙水压增加 而使滑动面发生液化嗍 这一理论也为 f u k u o k a h 等得实验所证实口 y o k u r a 聆2 1 通过变坡度的水槽实验研究了滑坡流态 化问题 考虑了坡面形态的影响 提出了滑坡流态化的三个阶段 上部坡体下滑 引起砂层的压实 饱和区产生超静孔压 发生快速剪切 h u t c h i n s o n 等提出 1 对 于具有疏松的坡体 流动性滑坡的产生机制在于不排水效应 在滑坡运动所形成 的不排水条件下 孔压增加 抗剪强度降低 从而是滑坡流态化形成泥石流 o l d r i c h h u n g r 对三种现象泥石流 碎屑崩 流滑进行了区分 并对它们各自的形成过程和 条件进行了研究 m 嗡1 r i c h a r d m i v e r s o n 等人 通过在大型泥石流实验槽上的反 复实验 总结了前人的研究成果 提出了坡面泥石流所经历的三个过程嗍 并最 终以统一的描述坡体极限平衡 运动 停积的库伦混合流动量和质量守恒方程口7 侧 概括了这一过程 这标志着坡面泥石流基本理论框架的建立 目前国内对坡面泥石流的研究较少 研究深度较浅 鲁晓兵针对土体中细颗 粒迁移对滑坡泥石流起动的影响开展了实验研究啪1 包为民从动力学成因角度研 究了滑坡泥石流灾害的形成机理m 1 王裕宜认为在暴雨激发下 斜坡碎屑土自然 地朝临界极限应力状态发展 最终暴发泥石流h 唐邦兴 吴积善等认为位于山 坡的松散土石体在降雨作用下形成泥石流大致要经历五个阶段 土石体起动 土 石体加速运动初时近底层扰动和液化 土石体加速运动末时整层土石体受到扰动 和液化 结构和非结构运动伪一相流 水流参与下层流和紊流流态两相流n 纠司 陈 晓清 韦方强 崔鹏等通过人工降雨模型试验 得出了坡面泥石流形成与源地土 体特征参数变化存在的密切关系 暴雨泥石流的形成过程可以描述为 降雨一土 体含水量 土体结构和土体组成的变化一土体强度变化一斜坡稳定性变化一坡面 泥石流形成一沟谷泥石流m 删 王士革研究了山坡型泥石流的形成条件及特征 强调发育在斜坡的中上部有一定汇水条件的凹型坡面对山坡型泥石流形成的作用 费祥俊 王光谦 倪晋仁等学者在试验的基础上 从水动力学角度对坡面泥 石流的发生及运动机制做过深入的讨论 删 在论述中虽然也有大量的定量化的计 算公式 但是两相速度关系及模化固相摩擦力等都属于作者大胆假设 在实践中 是很难操作的 不易推广 徐富强嘞1 认为暴雨条件下的滑坡型坡面泥石流的形成 过程可以分为八个阶段 即降雨入渗饱和阶段 排水剪胀阶段 剪切破坏阶段 破裂扩展阶段 应变软化滑动阶段 滑动加速解体阶段 流动阶段 堆积阶段 程根伟 余斌 陈宁生 李雪铭等学者从降雨的角度 认为坡面泥石流的发生与 第一章绪论 降雨的周期性变化密切相关陷1 侧 刘定辉 王大力 李勇等学者从植被的角度入手 阐述了植被与坡面泥石流发生之间的关系嘲侧 白志勇根据泥石流沟斜坡上物质的 受力模式并建立了松散物质启动判别公式踟 唐红梅等通过现场调研和数值模拟 按稳定性将泥石流沟内松散物质分为既不稳定物源区 较不稳定物源区和稳定物 源区嗍 据此进行泥石流物源分析 并对冲淤变动型沟谷泥石流中物源启动类型 及启动机理进行了深入研究 一1 陈洪凯等通过敏感性试验 对处于自然斜坡体上 的松散物质降雨后吸水过程中强度衰减过程进行了深入研究瞰1 陈洪凯池1 从动力 地貌学角度认为坡面泥石流形成过程分为五个阶段 土体吸水强度衰减阶段 土 体蠕动变形阶段 局部滑动阶段 流动阶段和沉积阶段 1 2 2 国内外研究坡面泥石流的主要方法 由于坡面泥石流暴发的突然性 在其暴发之时是很难进行预测的 所以学者 们在研究时一般都采用室内实验结合室外调查的方法进行研究 比较有影响的泥 石流室内实验室首推成都山地灾害研究所的具有循环系统的最大泥石流动力学实 验室 其处理数据及综合技术指标达到国际先进水平 四川大学 成都理工大学 清华大学等一批国家重点水力动力研究室在研究水动力系统的基础上 使泥石流 动力系统的研究取得了具有国际水平的科研成果 一 但这些科研成果的应用还受 到一定程度的限制 如数据的测量 假设条件的限制 方法的选用 参数的求取 等诸多原因的制约 在研究中 科学工作者采用的研究模型主要有 灰色灾变模 型 两相流模型 宾汉体模型 紊流模型 一阶性动态模型等模型 h 刀 采用的 方法主要有 一元回归法 多元回归法 解析法h 妇町嘲1 数值法 灰色系统 功率 谱分析法 相关分析法 主成分分析法 罗辛分布拟合法 蚪阳 g i s 模拟法m 1 5 3 等 方法 1 3 本论文的研究思路 研究内容及技术路线 1 3 1 研究思路及内容 本论文以重庆库区的工程弃渣型坡面泥石流为研究对象 分析独特的泥石流 形成条件 运用土力学 水力学 泥沙运动力学 主成分分析法及极限平衡法等 理论分析工程弃渣型坡面泥石流形成的力学机制 并以重庆库区工程弃渣型坡面 泥石流为代表进行模型试验 据此分析重庆库区工程弃渣型坡面泥石流的起动 运动及动力学特征 为有效治理重庆库区工程弃渣坡面泥石流提供可靠的科学依 据 本文研究内容包括 第一 本论文通过搜集野外实地观测和库区大量水文 气象 地质 地貌资 料 对地质 地貌 水文 气候与松散土体 人类活动等与工程弃渣型坡面泥石 流形成与发展有关的环境因素进行研究 分析库区工程弃渣型坡面泥石流的形成 6 第一章绪论 条件 通过现场调查 勾画重庆境内经济建设过程中因城镇 道路 矿山开产等 建设过程中产生的工程弃渣分布 储量及特点 第二 通过对重庆库区工程弃渣现场取样 进行大量室内敏感性试验 详细 分析重庆库区工程弃渣的物理力学特征 为库区坡面渣堆稳定性分析及工程弃渣 型坡面泥石流模型试验奠定参数基础 第三 通过分析降雨在工程弃渣型坡面泥石流形成中的物理力学作用 并运 用主成分分析法综合分析库区工程弃渣形成坡面泥石流的降雨条件 第四 基于极限平衡理论 考虑降雨过程中地表径流 地下径流 渗流力 静水压力及雨滴击溅力推导坡面渣堆的稳定系数的计算公式 并运用算例进行验 证 进而结合地貌动力学和土体力学性质理论 建立库区工程弃渣型坡面泥石流 形成的力学机制 第五 通过室内模型试验 进行坡面上工程弃渣在库区典型前期降雨量和短 历时降雨强度的降雨组合下的泥石流形成过程模型试验 详细描述了工程弃渣型 坡面泥石流形成的每个阶段的物理行为特性 通过分析孔隙水压力 土压力和地 表位移高程随降雨的变化 揭示了泥石流形成及演化过程的力学特性 1 3 2 技术路线 本文通过理论分析结合模型试验 研究重庆库区工程弃渣型坡面泥石流从起 动到沉积过程中的形成机制 对重庆库区工程弃渣型坡面泥石流进行初步分区 并提出有关防治对策 本文研究技术路线见下图 第一章绪论 7 图1 1 研究技术路线图 f i g 1 1t h et e c h n i c a lr o u t ec h a r to fr e s e a r c h 8 第二章重庆库区工程弃渣型坡面泥石流孕灾环境 第二章重庆库区工程弃渣型坡面泥石流孕灾环境 2 1 地质环境条件 2 1 1 生态地理位置 重庆库区位于长江上游下段 东起巫山县 西至江津市 南起武隆县 北至 开县 地理范围在北纬2 8 2 8 3 1 4 4 东经1 0 5 4 9 1 1 0 1 2 之间 东南 东北与鄂西交界 西南与川黔接壤 西北与川陕相邻 是长江上游主要的生态脆 弱区之一 三峡库区是中国乃至世界最为特殊的生态功能区 其水土保持 水质 保护和生物多样性维持等功能对于投资庞大的三峡工程的长期安全运行 长江中 下游的防洪与生态安全具有特殊的 重要的战略意义 而三峡库区重庆段覆盖了 大部分三峡库区范围 其面积约占整个三峡库区面积的8 5 6 由此则凸现出其 重要的生态地理位置 2 1 2 地质概况 重庆库区地处大巴山断褶带 川东褶皱带和川鄂湘黔隆起褶皱带三大构造单 元的交汇处 地貌以山地 丘陵为主 区域地表起伏 地形破碎 大地构造单元 属于扬子准地台 仅巫溪北东面小片地方属秦岭地槽褶皱系 就构造特征 大巴 山断褶带构造线由北西向向东转为东西向 并向南突出形成弧形构造体系 东南部 的川鄂湘黔隆起褶皱带构造线由近南北向 向北逐渐变为北东 构造和岩性控制 着地貌发育 地形倒置明显 库区中西部的力陈褶皱带构造线表现为北北一北东向 梳状褶皱 地质构造制约着地貌发育 背斜形成狭长高峻山岭 向斜则成宽缓的 丘陵 成为典型的平行岭谷区 图2 1 区内主要经历过前震旦纪晋宁运动 侏罗 纪末燕山运动和老第三纪末喜山运动等三次构造运动 地层岩性跨度很大 从震 旦系至第四系之间除少部分缺失外均有分布 岩性组合为泥灰岩 泥质页岩 泥 质粉沙岩 碳酸盐岩及部分煤层和粘土层 岩性成分主要有石灰岩 白云岩 砂 岩 粘土岩及含煤砂页岩等 有的产状陡倾 有的则平缓近于水平 这些不同的 地质条件加上新构造运动的影响 导致整个库区环境地质问题突出 重庆库区广 泛分布的侏罗系砂泥岩互层中的泥岩层 三叠系须家河组的页岩夹煤层 巴东组泥 灰岩 砂岩夹泥岩 二叠系炭质页岩夹煤层 志留系页岩等 抗蚀强度低 易风化 遇水易软化 泥化 不仅水力侵蚀活跃 水土流失严重 而且易引发泥石流 重 庆库区东部地区地层岩性以古生代 中生代碳酸盐类地层为主 地表 地下喀斯 特地貌发育 不仅地表缺水 而且土层痔薄 生态环境十分脆弱 一旦植被遭到 破坏或因过度垦植 土层剥蚀 生态环境将遭受彻底破坏直至无法利用 第二章重庆库区工程弃渣型坡面泥石流孕灾环境 9 图2 1 重庆库区地质构造图n 明 f i g 2 1t h eg e o l o g i c a ls 缸u c t u 他m a po f c h o n g q i n g 2 1 3 地形地貌特征 重庆库区东起巫山县 西至江津市 南起武隆县 北至开县 东西长约为6 0 0 k m 南北宽约8 0 k m 该地区地形大势为东高西低 西部多为低山丘陵地貌 往东逐渐 变为低 中山地貌 并由南北向长江河谷倾斜 库区北部以及东部边缘东北西南 向为大巴山山地 巫山山地 大娄山山地等中低山地 海拔一般在1 0 0 0 2 5 0 0 m 之间 该线以北以西地区地貌以低山丘陵为主 海拔一般在2 0 0 一 1 0 0 0 m 之间 图 2 2 丘陵区 地形起伏和缓 地质疏松 是库区垦殖系数较高的农产区 自然 植被少 水土流失严重 是泥石流物源的主要来源 重庆库区地貌特征以山地 丘陵为主 地貌发育以流水作用为主 区内地形高 低悬殊 地貌结构复杂 主要有以下特点 一是地势起伏大 层状地貌明显 区内 东南地势高 西北地势低 最高点海拔2 7 9 6 8 m 最低处海拔仅7 3 1 m 相对高差 2 7 2 3 7 m 高差巨大 由于区内不同地区自第三纪以来构造运动的形式和幅度差异 地表岩性组合和产状差异造成的抗外力侵蚀剥蚀能力的强弱不同 所塑造的地形 起伏有所差异 西部地形高差小 中部自西北向东南条形背斜低山与向斜丘陵 台 地相向 北 东 南三面山地地势高耸 地面高程大势均逐级向长江河谷降低 层状地貌明显 二是以丘陵 低山和中山为主体的地貌类型组合 全区地貌形态 1 0 第二章重庆库区工程弃渣型坡面泥石流孕灾环境 类型有中山 低山 高丘陵 中丘陵 低丘陵 缓丘陵 台地和平坝等几大类 其中2 0 0 m 以下的平坝地区面积约1 5 8 4 3 0 k m 2 占库区面积的3 4 3 5 0 0 m 以下 丘陵面积近1 5 8 7 4 2 7 k m 2 占库区面积的3 4 3 8 1 0 0 0 m 以下低山地貌类型面积约 1 6 4 5 5 5 7 k m 2 占库区面积的3 5 6 4 1 0 0 0 m 以上中山面积近1 2 2 5 6 6 4k m 2 占库 区面积的2 6 5 5 这种地貌组合是典型侵蚀地貌的反映 三是地貌格局受地质构 造控制 地貌类型组合的区域分异明显 库区可以分为三个地貌区东北部为大巴 山区中山区 东部 东南部