第四讲 与山地有关的工程地质问题：泥石流

第二章泥石流工程地质研究贾洪彪中国地质大学 武汉 工程学院 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 2 第七章泥石流工程地质研究 第一节概述第二节泥石流的形成条件第三节泥石流的特征第四节泥石流的工程分类第五节泥石流的防治措施 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 3 一 泥石流的定义 泥石流是发生在山区的一种携带有大量泥砂 石块的暂时性急水流 其固体物质的含量有时超过水量 是介于挟砂水流和滑坡之间的土石 水 气混合流或颗粒剪切流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 4 二 泥石流的危害 暴发突然 来势凶猛 运动快速 历时短暂 危害严重成昆铁路北段建成运营15年中 有78条泥石流沟先后暴发了149次泥石流 7次掩埋车站 2次冲毁桥梁 3次颠覆列车 其中1981年利子依达沟的一次泥石流 将一列正从隧道中驶出的客车机车和前两节车厢 连同桥梁冲入大渡河 另两节车厢颠覆于桥下 死亡275人 1970年秘鲁境内火山爆发使冰雪融化导致泥石流 5万人死亡 80万人无家可归 1938年洛杉矶一次泥石流 流量达2000m3 s 死亡2000多人 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 5 云南省滇西地区洪涝泥石流灾害 2004年7月 云南滇西地区怒江 宝山 德宏三个州市普降大到暴雨 4日至5日和17日至20日两次发生洪涝 群发泥石流灾害 因灾死亡48人 失踪85人 伤病497人 直接经济损失10 3亿元 7 5 灾情 7月4日22时30分至5日20时30分 云南省德宏州盈江县 陇川县 瑞丽市普降暴雨 形成山洪 泥石流及滑坡灾害 导致农田 民房及水利 交通 电力等设施严重受损 人民群众生命财产遭受重大损失 灾害造成36个乡镇 2个农场受灾 共造成18人死亡 24人失踪 其中 直接因滑坡 泥石流灾害造成的死亡14人 失踪4人 11人重伤 需要紧急转移安置灾民28304人 倒塌民房15490间 严重破坏26646间 共造成直接经济损失4 89亿元 7 20 灾情 7月17日至20日 怒江 宝山 德宏三个州市普降大到暴雨 导致山洪泛滥 怒江流域出现50年一遇 大盈江流域出现20年一遇的特大洪水 部分地区发生严重的洪涝泥石流滑坡灾害 仅德宏州盈江县支那乡乡政府到该乡芦山村的17公里路段 沿途发育泥石流沟13条 灾害造成30人死亡 61人失踪 直接经济损失5 4亿元 其中德宏州盈江县支那乡芦山村蕨叶坝下寨一处特大滑坡泥石流 就造成12人死亡 41人失踪 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 6 泥石流沟树木堆积 泥石流沟旁的滑坡 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 7 冲毁道路和桥梁 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 8 掩埋房屋 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 9 掩埋道路 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 10 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 11 第七章泥石流工程地质研究 第一节概述第二节泥石流的形成条件第三节泥石流的特征第四节泥石流的工程分类第五节泥石流的防治措施 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 12 一 地形条件 泥石流大多发生于陡峻的山岳地区 这种陡峻地形条件为泥石流发生 发展提供了充足的位能 赋予泥石流一定的侵蚀 搬运和堆积能量 一般情况下 泥石流多沿纵坡降较大的狭窄沟谷活动 每一处泥石流自成一个流域 典型的泥石流域可划出形成区 流通区和堆积区三个区段 它包括分水岭脊线和泥石流活动范围内的面积 亦即清水汇流面积与堆积扇面积之和 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 13 一 形成区 泥石流形成区多为三面环山 一面出口的宽阔地段 周围山坡陡峻 地形坡度多为30 60 沟床纵坡降可达30 以上 面积有时可达几十甚至几百平方公里 坡体往往光秃破碎 无植被覆盖 周围斜坡常为冲沟切割 崩塌滑坡堆积物发育 这种地形有利于大量水流和固体物质迅速聚积 并形成具有强大冲刷能力的泥石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 14 东川泥石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 15 二 流通区 该区是泥石流搬运通过的地段 多系狭窄而深切的峡谷或冲沟 谷壁陡峻而纵坡降较大 且多陡坎和跌水 所以泥石流物质进入本区后具极强的冲刷能力 将沟床和沟壁上冲刷下来的土石携走 流通区纵坡的陡缓 曲直和长短 对泥石流的强度有很大影响 当纵坡陡而顺直时 泥石流流途通畅 可直泻下游 能量大 反之易堵塞停积或改道 削弱能量 本区长短不一 甚至可缺失 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 16 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 17 三 堆积区 堆积区一般位于出山口或山间盆地边缘 地形坡度通常小于5 由于地形豁然开阔平坦 泥石流动能急剧降低 最终停积下来 形成扇形 锥形或带形堆积滩 典型的地貌形态为洪积扇 堆积扇地面往往垄岗起伏 坎坷不平 大小石块混杂 若泥石流物质能直泻入主河槽 而河水搬运能力又很强时 则堆积扇有可能缺乏 由于扇顶侵蚀基准面的长期不断变化 前后多次泥石流活动的结果 可使泥石流堆积范围不断前进或后退 形成所谓溯源侵蚀或溯源堆积 有时因泥石流频繁活动 可使堆积扇不断淤高扩展 到一定程度逐渐减弱泥石流对下游的破坏作用 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 18 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 19 堆积区 流通区 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 20 二 地质条件 泥石流强烈发育的山区 多是地质构造复杂 岩石风化破碎 新构造运动活跃 地震崩滑等灾害多发的地段 既为泥石流准备了丰富的固体物质来源 又为泥石流活动提供了强大的动能优势 在形成区内有大量易于被水流侵蚀冲刷的疏松土石堆积物 乃是泥石流形成的最重要条件 这些疏松堆积物干燥时处于相对稳定状态 但一旦湿化饱水后 则会软化崩解 易于坍垮而被冲刷 泥石流形成区最常见的岩层是泥岩 片岩 千枚岩 板岩 泥灰岩 凝灰岩等软弱岩层 风化作用也能为泥石流提供固体物质来源 尤其是在干旱 半干旱气候带的山区 植被不发育 岩石物理风化作用强烈 在山坡和沟谷中堆聚起大量的松散碎屑物质 便成为泥石流的补给源地 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 21 三 气象水文条件 泥石流形成必须有强烈的地表径流 它是暴发泥石流的动力条件 其通常来源于暴雨 高山冰雪强烈融化和水体溃决 水体来源是激发泥石流的决定性因素 人类工程经济活动也可直接诱发泥石流灾害 或加重区域泥石流活动强度 人类工程经济活动对泥石流影响的消极因素颇多 如毁林 开荒与陡坡耕种 放牧 水库溃决 渠水渗漏 工程和矿山弃碴不当等等 往往导致大范围生态失衡 水土流失 并产生大面积山体崩滑现象 为泥石流发生提供了充足固体物质来源 泥石流的发生 发展又反过来加剧环境恶化 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 22 云南省滇西地区洪涝泥石流灾害 云南省滇西地区 7 5 7 20 洪涝 泥石流灾害具有如下特点 一 强降雨是诱发因素 据气象资料 从7月4日22时30分至5日20时30分 受灾严重的盈江县平均降雨量为117 33mm 部分乡镇最高降雨量达350mm 陇川县平均降雨量为137 77mm 瑞丽市平均降雨量为132 4mm 7月17 18日腾冲县降雨量达159 6毫米 据盈江县气象局昔马气象哨资料 7月1 20日总降水量达1068 3毫米 其中有8天的日降水量大于50毫米 二 强烈风化的花岗岩风化带坡和 层为泥石流提供了物质来源 此次泥石流发生的地区主要是由花岗岩组成的山区 山高坡陡 花岗岩风化强烈 风化层厚 在强降雨的条件下 其坡积物易于滑移 造成大量的呈条带状的坡面型泥石流 三 山高坡陡为地质灾害的发生提供了有利的地形条件 河谷岸坡一般都在40度左右 局部地段在50度以上 总体上属于中切割中山地貌区 芦山河支流沟谷的地形更为险峻 借助陡峻的地形条件 使雨水能够快速汇集 短期内在沟道中形成滚滚洪流 在雨水浸润和洪流冲刷下 使山坡上在一般情况下看似稳定的表土 树木成片下滑 四 茂密的亚热带雨林树木夹入洪水泥石流中 使其破坏性增强 五 村庄密集和灾害发生在夜晚加重了灾害损失 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 23 第七章泥石流工程地质研究 第一节概述第二节泥石流的形成条件第三节泥石流的特征第四节泥石流的工程分类第五节泥石流的防治措施 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 24 一 泥石流的密度 泥石流体中固体物质与水体的比例关系 对泥石流的性质有重要影响 固 水比例关系可以用多种指标表示 其中主要的是密度 泥石流体一般的密度为1 2 2 4g cm 由于泥石流具有较大密度 其冲刷力很强 往往可将前进途中凸出物冲蚀并使之加入到泥石流体中 由于泥石流具有较大密度 具有很大的浮力 能够搬运巨大的石块于山口 因此泥石流能以惊人的破坏力摧毁沿途障碍物 使工程设施和人民生命财产毁于一旦 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 25 二 泥石流的结构 泥石流的结构是指其中粘粒 粉粒 砂粒 石块等土粒与含电解质水之间的各种联结和排列形式 泥石流体中存在三类密切相关的结构 网格结构 网粒结构和格架结构 格架结构系由石块与具有网粒结构的粗粒浆体所组成 是泥石流体最主要的结构类型 随着石块含量的增加和粒径的变化 可呈现出四种格架结构 星悬型 支撑型 叠置型 镶嵌型 具有格架结构泥石流体冲击力最强 尤其是镶嵌型结构泥石流体 整体性强 石块间不易发生强烈撞击 因而可以进行力的传递 危害最为严重 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 26 三 泥石流的流态 1 紊动流 稀性泥石流 与挟杀水流的紊流类似 2 扰动流 粘性泥石流 流速大 宾汉体 泥浆 3 蠕动流 粘性泥石流 流速小 似层流泥石流含有大量石块 在流动中石块的作用一般有两种 一是滑动效应 石块参与格架结构的形成 一旦泥石流体内部抗剪强度接近于或大于泥石流体与容器沟壁之间的摩擦阻力时 流体出现沿沟壁的滑移 此时已不属于流动的范畴 二是扰动效应 处于流速梯度场中的石块 因其周围流速不同 出现压力差 当压力差大于石块表面与周围流体间的阻力时 石块发生转动和碰撞 致使流体发生强烈扰动 出现泥浆石块飞溅 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 27 四 泥石流的直进性 由于泥石流携带大量固体物质 流动途中遇到沟谷转弯 粗糙不平的沟床或其他障碍物时 因受阻会填补洼坑和大石块间的孔隙 而将部分物质停积下来形成残留物 受填补作用影响暂时流量越来越小 直到全部消失完成所谓的 铺床作用 后续的泥石流便在残留层上快速前进 直至经过铺床的沟段接着继续向下游铺床 在这个过程中 沟床迅速抬高产生弯道超高或冲起爬高 猛烈冲击或摧毁障碍物 截弯取直 冲出新道而向下游奔泄 突然遇阻或遇到沟槽突然束窄 其动能瞬间可转变为势能 并在泥石流与沟壁撞击处可使泥浆及其包裹的石块飞溅起来 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 28 五 泥石流的脉动性 泥石流一般显示出阵流特征 几乎以相等的时间间隔一阵一阵的流动 阵流性或脉动性的基本特征是两阵之间有断流现象 断流持续时间不等 可由几秒变化到几十分钟 前期断流时间短 阵性密 而后期断流时间长 阵性稀 阵流的流速与泥深一般呈正比关系 泥深大流速也大 大股泥石流可赶上小股泥石流并合成一阵更大规模的泥石流 流域面积大者 泥石流流动过程历时也越长 阵波的数量也越多 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 29 第七章泥石流工程地质研究 第一节概述第二节泥石流的形成条件第三节泥石流的特征第四节泥石流的工程分类第五节泥石流的防治措施 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 30 一 按泥石流流域特征划分 1 标准型泥石流 流域呈扇形 可明显划分出形成区 流通区和堆积区 其中形成区流域面积较大 有时可达十几或几十km 各项要素发育完全 属于典型的泥石流 2 河谷型泥石流 形成区不明显且多为河流上游沟谷 流域呈狭长条形 固体物质主要来自沟谷中分散性的松散堆积物 一般地 这类泥石流的流通区与堆积区不能明显区分 沟谷内常年有水 沿沟谷松散堆积物不断被搬运 堆积 形成逐次搬运的再生式泥石流 3 山坡型泥石流 整个流域面积小 一般小于1km 形如漏斗状 没有明显的流通区 形成区和堆积区往往相互连接在一起 其特点是汇水面积较小 水源不够充足 常形成重度大 规模小的泥石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 31 河谷型 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 32 山坡型 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 33 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 34 二 按泥石流物质组成划分 1 泥流 以粘土质为主 含少量岩石碎屑或石块 粘度高 向两侧扩展力小 堆积物能均匀裹夹石块 分选性较差 泥流表面多呈波浪状 前缘形成舌状或垅岗状 一般破坏力不大 2 水石流 以不均匀的石块或砂砾为主 并与水混合 含少量粘土 多为暴雨期陡坡岩体崩塌后顺狭窄沟谷流动形成 其堆积物多为具架空结构的极粗颗粒物质 3 泥石流 由粘土 砂土和石块组成 具有一定的粘结力 堆积物多为粘结牢固的土石混合物 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 35 泥石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 36 水石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 37 泥流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 38 三 按泥石流流动性质划分 1 粘性泥石流 固体物质含量大 尤其是含有大量粘土物质 固体物质总量可占40 60 高者达80 整个流体由水 泥砂和石块凝聚成粘稠的浆体 其密度大 1 6g cm 浮托力强 具有直进性 运动速度一般在2 3m s 最大7 8m s 加之密度大 因而具有很强的破坏力 2 稀性泥石流 密度一般为1 2 1 6g cm 固体物质含量在10 40 且细粒物质较少 因而运动过程中浆体速度 最高可达12m s 远较挟带的石块速度大 石块以滚动或跳跃方式下泄 因此这类泥石流具有极强的冲刷力 瞬间便可冲刷出数米至几十米的深坑 破坏力次于粘性泥石流 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 39 第七章泥石流工程地质研究 第一节概述第二节泥石流的形成条件第三节泥石流的特征第四节泥石流的工程分类第五节泥石流的防治措施 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 40 泥石流场地的工程防治必须充分考虑泥石流形成条件 类型及运动特点 泥石流的防治原则是 上 中 下游全面规划 各区段分别有所侧重 生物措施与工程措施并重 上游水源区宜选水源涵养林 修建调洪水库和引水工程等削弱水动力措施 流通区以修建减缓纵坡和拦截固体物质的拦砂坝 谷坊等构筑物为主 堆积区主要修建导流体 急流槽 排导沟 停淤场 以改变泥石流流动路径并疏排泥石流 对稀性泥石流以导流为主 对粘性泥石流以拦挡为主 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 41 一 生物措施 泥石流生物防治的主要目的是维持优化的生态平衡 减少水土流失 削减地表径流和松散固体物质补给量 以便获得生物资源的同时控制泥石流的发生 生物措施主要包括保护与培育森林 灌丛和草本植物 高技术含量的农牧业技术 以及科学合理的山区土地资源开发管理措施 对于水土流失严重 造林措施一时难以见效的场地或地段 必须先辅以必要的工程措施 然后再进行生物防治 营造森林是最有效的生态平衡调节措施之一 它包括水源涵养林 水土保持林 护床防冲林和护堤固滩林四类 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 42 二 工程措施 一 治水工程治水工程一般修建于泥石流形成区上游 其类型包括调洪水库 截水沟 蓄水池 泄洪隧洞和引水渠等 引排水工程多修建于泥石流形成区的上方或侧方 治水工程的作用主要是调节洪水 也即拦截部分或大部分洪水 削减洪峰 减弱泥石流暴发的水动力条件 同时 利用这类工程还可灌溉农田 发电或供给生活用水 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 43 二 治土工程 治水工程的主要目的是减弱松散固体物质来量 促使泥石流衰退并走向衰亡 包括拦挡工程 支挡工程和潜坝工程 1 拦挡工程拦挡工程通常称为拦砂坝 谷坊坝 将建于主沟内规模较大的拦挡坝称为拦砂坝 而将无常流水支沟内规模较小的拦挡工程称为谷坊坝 拦挡工程多修建于流通区内 其作用主要是拦泥滞砂 护床固坡 既可以拦截部分泥砂石块 削减泥石流的规模 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 44 2 支挡工程 对于沟坡 谷坡 山坡上常常存在的个别 分散的活动性滑坡 崩塌体 可采用挡土墙 护坡等支挡工程 挡土墙多修筑于坡脚 并通过合理的布置以防止水流 泥石流直接冲刷坡脚 护坡工程主要适用于那些长期受到水流 泥石流冲蚀 而不断发生片状 碎块状剥落 或逐渐失稳的软弱岩体边坡 2020 4 8 中国地质大学工程学院贾洪彪 45 3 潜坝工程 某些暴雨型泥石流的发生多是在稀遇暴雨情况下 特大洪水掏蚀沟床底部沉积物而形成的 潜坝工程是针对这一类泥石流防治的系列化 梯级化治土工程 潜坝工程多建于泥石流形成区和流通区的沟床中 坝基嵌入基岩 坝顶与沟床齐平 潜坝工程的另一辅助作用是消能 即利