第四章-泥石流精讲

泥石流工程地质研究 工程学院岩土工程与工程地质系 泥石流工程地质研究学习要求 1泥石流定义及形成条件2泥石流的基本特征3泥石流的分类4泥石流的地貌作用过程5泥石流危险度区划6泥石流的防治 重点 1泥石流形成条件2泥石流的基本特征3泥石流的分类4泥石流的防治方法 概述 泥石流的定义 泥石流 是发生在山区一种含有大量泥砂 石块的暂时性湍急水流 Debrisflow mudflow定义从地质过程 气象水文过程来研究 1997年美国旧金山召开第一次国际泥石流会议 1985年 哥伦比亚的鲁伊斯火山泥石流 以50公里每小时的速度冲击了近3万平方公里的土地 其中包括城镇 农村 田地 哥伦比亚的阿美罗城成为废墟 造成2 5万人死亡 15万家畜死亡 13万人无家可归 经济损失高达50亿美元 概述 泥石流的研究 我国自20世纪50年底开展了泥石流的研究1970Johnson提出了宾汉粘性流模型1980Takahashi提出了拜格诺膨胀模型1986Cheng提出了粘塑性流模型1993O Brien提出了膨胀塑性流模型1995年周必凡建立了粘性泥石流运动模型1998Huang提出Herschel Bulkley Model以地学为基础 以数学为理论 力学机制研究为核心 以现代高新技术为依托 集成研究 泥石流危险性评价是泥石流危害预测的重要内容 泥石流的形成条件 流域环境 地形 植被 松散堆积物 人为的 自然的 分散补给 集中补给 泥沙汇流 QH 洪水汇流 QB 河沟或坡面QB QH QC rc 1 3tf m3洪水 rc 1 3tf m3泥石流 泥石流形成过程框图 降雨 泥石流形成条件 地形条件 形成区三面环山 一面出口 周围山坡陡峻 30 60度 流通区狭窄而深切的峡谷或冲沟 谷壁陡峻纵坡降大堆积区一般位于山口外或山间盆地边缘 地形较缓 泥石流形成条件 地质条件 地质条件决定了松散物质的来源泥石流多发区都是地质构造复杂 岩石风化破碎 新构造运动活跃 地震频发 崩滑灾害多发地段堆积物成因 重力堆积 风化残积 坡积 冰水沉积 人工弃渣 冲洪积等泥石流地常见基岩 片岩 千枚岩 板岩 泥页岩和凝灰岩等 泥石流形成条件 气象水文条件 强烈的暂时性地表径流暴雨 冰雪 水体溃决通常认为泥石流的发生与前期降雨有关 但短时间内的集中强降雨也可以引发 可能发生泥石流的H24 D H1 D H1 6 D 的界限值表 泥石流形成条件 中国泥石流分布 地质 近期构造活动强烈 复杂 地震频繁强度大 崩滑现象发育地势 台阶式地形转折明显处 高差悬殊 起伏较大气候 西南季风和东南季风向北 西方向推进 遇地形升高易形成灾害暴雨 历时短 强度大特点 三个带 类型齐全 活动频繁 灾害严重 泥石流分类 流域形态化分标准型 河谷型 山坡型物质组成划分水石流 泥石流 泥水流流体性质划分粘性 稀性按照水源物源划分暴雨 冰川 溃决火山 破面侵蚀型 崩滑型 弃渣型 标准型泥石流流域呈扇形 能明显划分出形成区 流通区和堆积区 一 按照流域形态划分 河谷型泥石流流域呈狭长条形 固体物质来源于沟谷中分散的坍滑体 对流通区和堆积区不能明显分开 坡面型泥石流其流域呈斗状 无明显流通区 形成区与堆积区直接相连 二 按泥石流的物质组成分类水石流一般含有非常不均匀的石块和砂砾 粘土质细粒物质含量少 堆积物常常是很大的粗碎屑物质 泥石流既含有很不均一的粗碎屑成分 又含有相当多的粘土质组粒物质 有一定的粘结性 堆积物常形成了粘结较牢固的土石混合物 泥流基本上由细碎屑和粘土物质组成 粗碎屑物含量很少 黄土高原地区分布有此类泥石流 泥石流型 泥流型 水石流型 三 按泥石流的流体性质分类粘性泥石流含有大量的细粒粘土物质 固体物质含量占40 60 粘性很大 它的密度大 1 6t m3 浮托力强 有明显的爬高和截弯取直作用 堆积区不发生散流 堆积物无分选性 较密实 稀性泥石流水是主要成分 固体物质占10 40 且细粒物质少 不能形成粘稠的整体 水泥浆速度远远大于石块的运动速度 石块以滚动或跃移方式下泄 堆积区呈扇状散流 将原来的堆积扇切割成条条深沟 堆积物地面较平坦 结构较松散 层次不明显 沿流途的停积物有一定的分选性 粘性泥石流 稀性泥石流 四 弃渣型泥石流 矿渣泥石流 云南汤丹 矿山弃渣 四川盐井沟 05 7 19沐川县废碴泥石流 7死9伤 2008 9 8山西襄汾塔山铁矿尾矿库溃坝造成56人死亡 泥石流的特征 堆积 泥石流的堆积物 一 泥石流的密度它的密度较大 达1 3 2 3t m3 固体物质的百分含量愈高和细颗粒成分愈多 泥石流的密度愈大 沟谷纵坡降的大小与泥石流密度也有一定关系 如有较大的密度 它的浮托力大 搬运能力很强 重达数百吨的巨石也能被搬出出口 泥石流能以惊人的破坏力摧毁前进道路上的障碍物 二 泥石流的结构泥石流的结构是由其中的水体量与固体物质量之比值以及固体物质的粒径级配和矿物成分所决定的 存在三种密切相关的结构 即网格结构 网粒结构和格架结构 1 网格结构是由粘粒和含电解质的水所构成的 属细粒浆所固有 有松散的 较紧密的 紧密的和极紧密的四种状态 随着浆体中粘粒成分的增加 自由水愈来愈少 而束缚在粘粒表面的水化膜又愈来愈薄 使粒间连结强度加大 2 网粒结构网粒结构系由砂粒和细粒浆所构成 属粗粒浆体所固有 砂粒在松散网格结构的细粒浆体中处于沉底状态 不能形成网粒结构 而在其它三种状态下就可束缚在结构之中构成一个较均一的整体结构 含砂量愈大和细粒浆体的网格结构强度愈大 则网粒结构强度也愈大 3 格架结构是由石块与具有网粒结构的粗粒浆体所构成 是泥石流体最主要的结构 石块在粗粒浆体中可有悬浮 支承和沉底三种状态 呈现四类格架结构 星悬型 支承型 叠置型和锒嵌型 它们的强度也依次增加 格架结构泥石流体的强度较前两种结构要大 因而它的冲击力也最大 尤其是锒嵌格架结构 当运动时整体性强 石块间不会发生猛烈的撞击 普遍发生力的传递 它的冲击力特别大 危害最为严重 三 泥石流的流态泥石流流态除受沟床条件控制外 主要受水体与固体物质量的比值以及固体物质的粒径级配所制约 流体在运动状态下 有一种抗拒内在向前运动的特性 称为粘性 粘性是流动性的反面 运动着的流体内部相邻两层间的相互作用力 称为流体的内摩擦力 它是流体粘性的表现 又称为粘滞力或粘性摩擦力 流体流动时必须克服内摩擦力而作功 从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉 粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动 其下各层液体的速度依次降低 粘附在下板表面的液层速度为零 实验证明 对于一定的液体 内摩擦力F与两流体层的速度差 u成正比 与两层之间的垂直距离 y成反比 与两层间的接触面积S成正比 即 F 若把上式写成等式 就需引进一个比例系数 即 F 内摩擦力F与作用面S平行 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力 以表示 于是上式可写成 上式只适用于u与y成直线关系的场合 当流体在管内流动时 径向速度的变化并不是直线关系 而是曲线关系 则上式应改写成 式中 速度梯度 即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率 比例系数 其值随流体不同而异 流体的粘性愈大 其值愈大 所以称为粘滞系数或动力粘度 简称为粘度 泥石流流体大多属似宾汉体 流动理论多以宾汉体流变方程 考虑流变性区别于牛顿体 为基础 主要有紊动流 扰动流和蠕动流三种 1 紊动流紊动流与挟沙水流的紊流大体相同 尤其是稀性泥石流浆体结构十分脆弱 故其流变方程与水流紊流流变方程相同 即 式中 为切应力 为泥浆体密度 为混合长度 为流速梯度 Vd为泥石流体中距沟床底y处的流速 粘性紊流 稀性连续流 2 扰动流最常见的一种流态 浆体的结构强度大 结构只遭部分破坏 若流体中无石块 流态则为塞流或层流 流速5米 秒左右 有石块 运动中石块相互猛烈碰撞 流态便发生变化 成为扰动流 其流变方程为 m为指数 一般取2 为宾汉极限切力 为流体的粘度 似刚性系数 分别为泥石流运动时与结构变化和扰动强度有关的修正系数 3 蠕动流是一种似层流 流线大致平行 流速0 3 0 5米 秒以下 其流变方程为 蠕动流速一般较小 流速梯度也较小 流体中的石块移动和转动缓慢 流线略受干扰 为了与典型的层流相区别 故称蠕动流 总之 稀性泥石流多呈紊动流 粘性泥石流多为扰动流 沟床顺直 纵坡平缓而石块又较小时 可为蠕动流 四 泥石流的直进性流体携带了大量固体物质 受阻而将部分物质堆积下来 沟床迅速抬高 超高 爬高 猛烈冲击 截弯取直 冲出新道而向下游奔泄 流体愈粘稠 直进性愈强 冲击力就愈大 成昆线1981年利子依达沟泥石流 流速高达10m s 密度为2 35t m3 在沟槽转弯处泥位超高4 8 5 1m 桥头右岸地形急弯阻挡 爬高12m 为泥深的3 4倍 五 泥石流的脉动性一般的洪流过程线是单峰 少数为双峰 型涨落曲线 泥石流暴发时 几乎以相等的时间间隔一阵一阵地流动 称阵性运动或波状运动 曲线为正弦曲线 一场泥石流出现几阵 几十阵至上百阵 泥石流脉动性的主要原因是 一是具有宾汉体的性质 二是具有运动的阻塞特性 泥石流的流动过程 泥石流发生的判别模式 外动力条件 R 洪水rc 1 3tf m3QC QB QH 泥石流rc 1 3tf m3QC QB QH 冰川 融雪 暴雨 溃坝 地下水 流域环境条件 M 地表条件 松散物产状条件 汇流条件 运移空间条件 无前期降雨 有前期降雨 泥石流的预测预报及危险性评估大体上包括几个方面的内容 空间预测 时间预报 暴发危险度的判定 危险性评估 一 泥石流时间预报泥石流的暴发 是在一定的地形 地质条件下 由于强烈的地表径流激发所致 因此 有可能用临界降水量或临界径流量这一指标来预报泥石流 灾害暴雨 它的定义是 突如其来的 稀遇的 强度大的 能造成灾害的猛烈降雨 由此激发的泥石流 即为灾害暴雨泥石流 预报的主要气象指标有 季节指标 天气尺度系统指标 日暴雨量指标及小时雨强指标 灾害暴雨泥石流发生季节 有明显的地区差异 根据这一差异 可提出各地区泥石流预报的月份指标 天气尺度系统地区差异明显 沿海地区主要是热带风暴 西南 西北地区主要是低涡和切变线 根据历史上及近来的泥石流资料统计分析 依其影响的天气系统的主次 确定各地区预报的主要和次要天气系统指标 各地发生泥石流的暴雨量级差别甚大 如东南沿海地区及四川盆地边缘山地 特大或大暴雨 200mm或100 200mm 才能发生灾害性泥石流 在西北地区 大雨 20 50mm 就有可能发生灾害性泥石流 发生灾害暴雨泥石流的雨强指标也存在差别 已发生的一些典型灾害暴雨泥石流的雨强资料 结合日雨量指标分析 即可提出各地区灾害暴雨泥石流预报的小时雨强指标 二 泥石流空间预测主要是编制不同比例尺的泥石流分布图 小比例尺泥石流分布图也可叫一览图 判明泥石流危险地区的概略分布状况 中 大比例尺泥石流分布图一般在泥石流危险地区编制 中比例尺泥石流分布图的比例尺1 10万 1 50万 主要任务是研究泥石流形成的一般规律和它的形成条件 估算危险度 大比例尺泥石流分布图的比例尺1 1万 1 5万 详细评价泥石流现象 泥石流沟流域的特征 用以拟定泥石流防治措施和组建定位观测的基本图件 三 泥石流暴发危险度的判定 泥石流危险性评估 泥石流活动及危险性评估 泥石流评估资料 泥石流危险性评估分级 泥石流地区地质环境复杂程度分级 泥石流危险性分级 泥石流危险性一级评估内容 易发程度分级标准 泥石流沟易发程度的数量化评判 泥石流沟易发程度的分级标准 泥石流防治措施绕避 泥石流的防治 应贯彻综合治理的原则 要突出重点 因害设防 因地制宜 讲求实效 一 生物措施生物措施包括恢复或培育植被 合理耕牧 维持较优化的生态平衡 二 工程措施 1 蓄水 引水工程包括调洪水库 截水沟和引水渠 2 支挡工程有挡土墙 护坡等 3 拦挡工程这类工程多布置在流通区内 主要是修建坝体 也称谷坊坝 主要是拦泥滞流和护床固坡 从结构来看 可分为实体坝和格栅坝 从材料来看 可分为土质 圬工 混凝土和预制金属构件等 挡坝群是国内外广泛采用的防治工程 沿沟修筑一系列高5 10米的低坝或石墙 坝 墙 身上应留有水孔以宣泄水流 坝顶留有溢流口可宣泄洪水 4 储淤工程包括拦淤库和储淤场 前者设置于流通区内 就是修筑拦挡坝 形成泥石流库 5 排导及绕避工程包括排导沟 渡槽 急流槽 导流堤 明洞 廊道 隧道等 多数建在流通区和堆积区 它们的作用是调整流向 防止漫流 以保护附近的居民点 工矿点和交通线路 泥石流沟的选线方案 上述各项工程措施和生物措施 在