泥石流课件资料

第6章斜坡变形破坏,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,第四节泥石流,泥石流是指在山区一些流域内，主要是在暴雨降落时所形成的、并由固体物质（石块、沙砾、粘粒）所饱和的暂时性山地洪流。一般地说，泥石流的组成成分是水体和岩石破坏产物。泥石流是山区特有的一种不良地质现象，它具有暴发突然、运移速度快、历时短暂和破坏力极大的特点。泥石流形成、爆发的主要条件是:有利的地形，丰富的土石固体物质，大量且集中的水源。泥石流沟的组成：形成区、流通区和堆积区。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,标准型泥石流,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流运动示意,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,(1)泥石流具有土体的结构性：泥石流中固体物质与泥石流的体积比一般为30%70%,远比一般挟沙水流高。如固体物质密度按2.65t/m3计,则泥石流体的容重m(单位体积质量)可达到1.4t/m32.2t/m3。在我国实测到的泥石流最高容重为mmax=2.37t/m3,相当于固体颗粒的体积比浓度达到83%。泥石流中固体物质含量高,且颗粒粒径从最小的粘粒到直径达1m以上的巨石,分布极广。对此曾有人形象比喻为,如果把最小的粘粒放大到鸡蛋那样大,那么按相同比例放大,可使其中最大颗粒达到和地球同大。,一、泥石流的一般特征,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,颗粒粒径分布如此之广,也正是使泥石流运动特性变得极为复杂的最重要原因之一。特别值得指出的是,固体物质中的细颗粒(d0.05mm)对泥石流的容重也有很大影响。因为细颗粒和水组成不分选的浆体,具有很高的粘性,使其中一部分较粗的颗粒在粘性及浮重作用下,由推移运动状态转入到阻力较小的悬移运动状态。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,(2)泥石流具有水体的流动性：由于泥石流沟道的纵向坡度及横向过流断面形态沿程变化,再加上洪水流量的不稳定性,因此泥石流的流态具有高度的不均匀性及不稳定性。泥石流瞬时流量要比其平均流量高出很多,给泥石流防治工程设计增加了难度。(3)泥石流一般发生在山地沟谷区，具有较大的流动坡降。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,我国山区和半山区占国土总面积的2/3,这些地区地质地貌条件复杂,其中有些地区地震频繁,新构造运动活跃,第四纪沉积物深厚,且山高坡陡、地表破碎,加上暴雨集中,植被覆盖率低,为泥石流发育提供了有利的自然条件,所以中国是世界上泥石流活动最频繁的国家之一。据统计,已发生过泥石流并造成灾害的省市在全国有22个,估计泥石流沟的数量达1万余条。天山、祁连山、昆仑山的前山地带、秦岭、太行山区、北京西山、辽西山地和吉林的长白山地区都有泥石流灾害,而西藏东南部、横断山区、滇西及滇东北、四川省山区,则更是泥石流频发地区。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,我国泥石流分布最集中且暴发最频繁的地区有云南境内的小江流域中下游。小江流域面积仅约3000km2,每年暴发泥石流总次数为500次1000次,个别年份可达2000次3000次。仅东川附近90km河长范围内就有灾害性泥石流沟百余条,泥石流沟谷的流域面积占总面积40%60%。甘肃境内的白龙江中游大断裂带两侧泥石流十分发育,仅舟曲至临江沿江长约100km的河段内平均每千米就有10条泥石流沟。黄土高原和黄河中游支流发育的黄土泥流在世界上也是少见的,特别是位于河口镇（内蒙古托克托县）至龙门区间的黄河西部支流,最大含沙量为1200kg/m31500kg/m3,这正是黄河含沙量成为世界之最的重要原因。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流危害城镇,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流危害城镇,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,成昆线-太平沟,泥石流淤埋房屋。固体物总量10万方，龙头高8米，毁民房，中断行车，1988年7月。,泥石流危害村庄,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,黄河流域：西高庄泥石流,泥石流危害村庄,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,关中地区泥石流兰田,泥石流冲毁房屋。,泥石流危害村庄,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流危害江河,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,金,沙,江,小,江,泥石流危害江河,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流危害江河,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,成昆线-利子达依沟,1981年7月，特大型泥石流，最大流量3200方/秒，固体物总量70万方，冲毁大桥，颠覆列车，造成人员伤亡。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,成昆线-利子达依沟,抢修、架桥、临时通车。成昆线北段，甘洛附近。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,成昆线-太平沟,清理后的车站和泥石流一角。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,小江流域-姑海,姑海泥石流冲毁铁路路基，铁轨悬空。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,宝天铁路颜加河,暴雨泥石流，体积3000立方，毁桥埋路，堵塞隧道，中断行车，1981年8月。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,二、泥石流形成的条件,在泥石流形成条件中,陡峻的地形（特定的地貌条件）和一定储量的松散固体物质是泥石流形成的内在因素,一定强度的降雨是激发泥石流的外在动力因素,泥石流的产生几率及其规模,取决于这些因素综合的影响。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,物源条件指物源区土石体的分布、分类、结构、性状、储备方量和补给的方式、距离、速度等。土石体的来源又取决于地层岩性、地质构造和气候条件等。泥石流固体物质来源是坡面侵蚀和滑坡(含崩塌),而且以后者为主,所以泥石流发育地区多是滑坡、崩塌频发地区,如位于金沙江下游右岸的攀西地区面积67524km2、体积大于10万m3的崩塌、滑坡1336处,流域面积0.2km2以上的泥石流沟就有1548条。滑坡、崩塌转变为泥石流有两种方式,一种是它们直接从山坡上滑塌至沟底,借助滑动中所获得的动能在一定水流强度时继续沿沟床流动而转变成泥石流;另一种情况是滑塌体堆积到沟底,并由于当时水流强度不足而变为临时性堆积物,堵塞沟道,待到水流强度增大后,临时堆积体溃决形成泥石流。,(一)物源条件,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,安县肖家桥滑坡,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,固体松散物质补给的最主要因素是经常性的水流侵蚀。根据降雨强度和岩土结构不同,有两种侵蚀方式：一是坡面径流产生的土壤侵蚀(又称水力侵蚀),是指在降雨强度大于土壤渗透强度时,就形成地表径流。在一定条件下径流冲刷土壤,在坡面上就形成细沟,将冲蚀的固体颗粒带入下一级沟道。如果降雨强度不大,洪水流速未能使沟床中多数床沙起动,只把其中较细颗粒带走,剩下颗粒形成床面的粗化层抑制冲刷的发展,不致形成泥石流。如降雨强度足够大,在沟道中洪水流速超过沟床中大多数颗粒的起动流速时,就有可能发生泥石流。如发生降雨强度很大的稀遇洪水,流速很大,就能将坡面上形成的粗化层冲走。表面粗化层一旦被冲走,深部细颗粒泥沙缺乏粗颗粒泥沙的保护亦将迅速被冲走,这样就形成由粗、细泥沙组成的容重较大的泥石流。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,二是重力侵蚀，指土体浸水后因固体自身重力作用而失去稳定进而形成滑坡或崩塌。在降雨强度并不很大，而土壤渗透强度大于降雨强度的情况下，不产生表面径流，雨水入渗导致土体中含水量达到饱和而失去稳定，发生突然的整体滑动或崩塌，这是泥石流固体物质补给的重要形式。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,流域的中、上游有暴雨或冰雪强烈消融等形成的充沛水源。绝大部分泥石流暴发都是由暴雨激发而引起的。流域的陡峻地形和大量松散物质的积累,如果没有一定强度的暴雨,仍不能形成泥石流,由于不同地区的下垫面及产流汇流条件差别很大,地形坡度及固体松散物质的性质各异,因此泥石流暴发的临界降雨强度不可能相同。四川凉山南部的110条泥石流沟,日降雨量为60mm70mm的区域内发生泥石流的占13%,70mm100mm的区域占34%,而日降雨量达100mm以上的区域占50%。,(二)水源条件,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,前期土壤含水量大小对泥石流产生重要的影响。前期降雨较为充分，自然会使泥石流发生的临界雨量减少。对于降雨相对较多的山区，前期降雨量多少往往成为暴发泥石流的关键因素。1981年宝成铁路普遍发生泥石流，然而，宝成铁路沿线邻近12个县市级气象站中,除太白县外,在当年“7.13”、“5.21”暴雨过程中最大雨量均未达到建站以来的最大值，但泥石流比建站以前任何一年都要严重,这表明1981年的泥石流主要是由前期降雨所致。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,具备有利于水和物质汇集和泥石流流动的高山深沟、陡峻地势、坡降大的沟河流域等地形。因此，山坡或沟床比降最为重要。泥石流形成区：多为地形比较开阔、周围山高坡陡、岩石破碎、植被差等利于水和碎屑物质集中的三面环山、瓢状或漏斗状地貌；泥石流的流通区：地形具有能够使泥石流急泻而下的深狭谷、大陡降谷床特征；泥石流的堆积区：一般为能使碎屑物堆积的开阔山前平原和河谷阶地地形。,(三)地形地貌条件,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流沟大体可分为山坡型及沟谷型两类。山坡型指在较陡山坡上发育的单沟,沟长仅数百米,深数米、十数米不等,虽汇流面积小,泥石流流量不大,但因坡陡、流速快、来势猛,往往只有几分钟的时间就可以造成巨大损失。这种泥石流暴发频率并不是很高。沟谷型往往由几条支流汇入主沟而组成,流域范围自上而下可划分为形成区(即侵蚀区)、流通区和堆积区三个区段,形成区中还有清水供给区和固体物质补给区。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流沟的流域面积,一般不是很大,尤其是容重大的粘性泥石流沟,这是因为单位面积最大固体补给量和降水汇流量均随流域面积的增大而减小所致,因此较大流域内暴发粘性泥石流的机会较少。据甘肃省泥石流沟统计资料,粘性泥石流沟流域面积多在50km2以下,稀性泥石流沟流域面积多在400km2以下,全省219条泥石流沟,流域面积小于10km2的占73.5%。,甘肃省219条泥石流沟流域面积统计,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流形成区的山坡坡度或沟床比降影响泥石流类型及其暴发的时机：沟床比降在0.270.58(坡角一般在1530)范围内为最多；粘性泥石流沟比降则以0.100.40为多。泥石流形成区比降大小还与流域面积有一定关系：如果松散物质组成及分布基本相同,愈靠近流域上游区段虽然比降愈陡,但该区段由于汇水面积较小,供水不足,并不是侵蚀最严重的泥石流形成区。流域面积愈大,暴雨的汇水就愈多,可以在比降相对较小条件下产生泥石流,所以随着流域面积增加,泥石流形成的沟床比降有减小的趋势。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,日本高知县仁淀川流域泥石流的比降与流域面积关系,地质灾害学,舟曲县三眼峪，沟谷坡降平均30%，最大达60%以上。出山后坡降降为11%。短径流，高洪峰。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,1流态特征（稀性泥石流、粘性泥石流）2流速、流量特征3泥石流的直进性和爬高性4泥石流漫流改道5.泥石流的周期性上述特征参见课本！,三、泥石流的运动特征与机理,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,三、泥石流的运动特征（补充）,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流运动中最主要的问题是其运动阻力与流速的估算。以悬移形式运动的细颗粒跟随流体一起,其流动速度基本上与流体运动速度相一致,其流动只消耗水流的动能;以推移质形式运动的粗颗粒,其运动不离开床面(或只暂时离开床面),其流速往往远小于流体速度,颗粒之间及颗粒与床面之间在运动中不断碰撞、摩擦消耗能量往往占泥石流势能很大的比例这是一般挟沙水流中或清水中所少见的其运动阻力也远大于悬移质的运动阻力。,(一)阻力与流速,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流运动特性中另一个重要问题是粗大颗粒的输移机理。在不少泥石流的文献中,常常用“石块在悬浮流”、“大块物体漂浮在表面流动”等语句来描述泥石流可以使巨石悬浮不沉的现象。巨石是以什么形式输送的？悬移输送观点：泥石流是非牛顿体,有很大的浮托力,使粗大颗粒保持悬移。颗粒相互碰撞将会产生离散力,泥石流粗大颗粒由离散力支持,将其在泥石流体中的浮重,传递到床面颗粒上,而不是以压力形式传递到床面。大石块在运动中相互碰撞,才出现泥石流暴发时的巨大震地响声,在夜间有时还能见到碰撞产生的火星。,（二）粗大颗粒的运动特性,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,有些所谓悬移的“大块体”式“球体”,实际上不是岩石,而是泥球或未被破碎就带下来的成块土体。这些土体或泥球内部有相当空隙,甚至被粉碎后,内部还是干的,这是因为泥石流暴发时沟道崩塌的土体来不及分散就被整体搬运,而且土体内部的空气及水分被表面细颗粒结构所封闭,因其整体容重与泥石流容重接近,甚至比泥石流容重还小,所以在泥石流运动中呈悬浮状态。1973年蒋家沟暴发的一次泥石流,有人目睹长达十几米的原始土体,在泥石流表面像航船一样漂浮前进便是一例。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流运动的另一特点是冲淤的强烈程度远远超过一般挟沙水流。一是泥石流发生在地形坡陡的山区；二是泥石流的流量比一般挟沙洪水流量大,这使得泥石流具有很大的能量,也具有比一般挟沙洪水更大的输沙能力。泥石流流量由两部分组成,即清水流量和固体流量,前者由流域产流汇流及水文条件决定,后者由侵蚀或淤积条件决定,即：,（三）强烈冲淤现象,Qb为清水流量，Qs为固体流量，两者之比等同于各自体积比，即：,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,当泥石流产生淤积时,泥石流中固体体积Sv减少,泥石流流量也随之减少,更容易造成淤积;反之,泥石流产生冲刷时Sv加大,泥石流流量也增大,促使冲刷更加强烈。冲淤强度影响着泥石流流量,泥石流的流量又反过来影响冲淤强度,这就使得泥石流运动比一般挟沙水流冲淤现象更加复杂和强烈。冲淤的部位：一般在沟谷的上段泥石流形成区坡度较陡,以侵蚀冲刷为主;堆积区坡度平缓,以淤积为主,泥石流流量沿程变化是由小到大,再由大到小。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,冲淤的形式：沿程冲淤：由水沙条件改变引起；溯源冲淤：由边界条件或侵蚀基面改变引起的。沿程淤积表现为河床淤积抬高,比降加大,而沿程冲刷表现为河床下切,比降减缓,与此同时沟道的断面形态也相应有所改变。1979年发生在小江流域大桥河的一次粘性泥石流,沟床淤高5m。溯源冲淤主要由侵蚀基面改变引起,比较典型的是修建拦挡坝,抬高坝以上河段的侵蚀基面,产生向上游延伸的溯源淤积,溯源淤积导致比降减缓。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,溯源冲刷:是与流动方向相背的侵蚀,结果使得侵蚀基准面下降。如主沟冲刷下切,使支沟入汇处的基准面下降,导致支沟的强烈的溯源冲刷,这种溯源冲刷也会引起其他变化如纵坡变化等。例如蒋家沟下游纵坡一般稳定在5%6%,而建设的拦沙坝为改善泥石流的流向,使坝下纵坡达到7.7%,这样泥石流过坝后,引起坝下800m长的沟床快速下切冲刷上溯到坝址,导致坝体悬空,护堤冲走。值得注意的是,泥石流对沟床的冲刷不可能同时一下子冲刷一整层床面,而是首先在相对软弱的沟段床面下切,使该处的局部比降增大,导致溯源侵蚀,冲刷向上发展,这种溯源冲刷往往在各河段上同时发生,使河床纵断面被冲成阶梯状。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流流动特性中还有一个突出的现象,那就是流动的不稳定性。首先表现在流量、水位虽随时间变动,但流动是连续而不间断的,或称“连续流”；其次是流量、水位不仅随时间改变,而且还出现周期性的间断,或称“阵流”。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流流动初期,泥石流起着铺平沟床的作用。例如,第一阵波在流动途中逐渐粘附在沟床上而耗损掉,当泥石流流层减薄到一定厚度时便停止流动；第二阵波在前期铺平的床面上流过后又粘附在前面的沟床上,直至铺到沟口,称其为铺床过程。阵流产生的原因初步认为是泥石流的阻力过大,平均流量提供的能量不足以克服流动阻力,便自动地通过提高泥位积累能量来克服阻力。其能量的积累过程便表现为流动的停歇过程。从泥石流的固体物质补给与水量补给相对大小考虑,“连续流”的产生是因为固体物质和水量补给都比较丰富协调；而阵流的产生往往是由固体物质补给有余,而水量补给相对不足所致。换句话说,含沙量愈高愈容易产生阵流。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流因为由流通区进入坡度较缓的堆积区,或由沟道窄深段进入断面宽浅河段,或沿程有清水汇入等原因,往往发生沉积。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流流出沟口后,由于地形展宽、纵坡减缓、输沙能力减弱,于是就沉积下来,形成了大小不等的扇状沉积体,而且后期泥石流多次沿着老堆积扇两侧淤积,两侧淤高后,再从中部堆积,形成多层次的扇形叠加,在一定范围内摆动堆积。,（一）沟口堆积扇,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流性质或类型不同,所形成的扇形规模和沉积剖面结构、颗粒分选程度等特性也各不相同。粘性泥石流结构密实,在流向沟口时常呈舌状缓慢向前流动,经过一段时间后停滞下来。这种舌状堆积体在纵剖面上是前端较陡,后部平缓。在横剖面上两侧端部也较陡,中部较平坦,总体宽度随着沉积区流动距离增加及地形展宽而逐渐变化。扇形体发育初期每年增厚及向外缘延伸较快,随着沉积的范围扩大,伸长和增厚的速度也随之减缓。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,高容重的粘性泥石流在沉积过程中既无水沙分离现象,也没有明显的颗粒分选现象,上下段淤积比降基本一致,一般在0.080.12之间;低容重的泥石流进入堆积区后,过流断面加宽,泥石流呈扇状流散,因容重愈小,流散程度也愈大,结果导致固体颗粒呈分选的沉积,使堆积扇上部沉积粒颗较粗,淤积比降也较大,愈向下颗粒愈细,淤积比降也相应减小。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流沉积物经后期水流冲刷和雨水溅蚀等作用,细颗粒被带走,剩下一片砾石堆,形成所谓“石海”,被粗化了的堆积扇表面再被新来的泥石流覆盖,这样在剖面上各次泥石流堆积物之间存在一个层面,且每层中从上到下细颗粒减少。随着两次泥石流间隔时间的增长,层次间距加大,沉积物粗化程度也加大,利用这种沉积剖面,可以近似地分析过去泥石流暴发的周期。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流流量大时,部分泥石流体在流动中溢出深槽或漫滩,因流速突然减少,使固体物质就地沉积,经多次漫溢后,便在沟槽两侧形成长条形的堤状堆积体。这种沉积现象在泥石流沟下游宽沟段及沟口附近宽阔地带都较明显。在泥石流沟弯道附近,侧向堆积常常分布在凸岸一侧。泥石流侧向堆积也可能发生在粘性泥石流流动即将结束时,此时流速明显下降,泥石流首先在侧向水深较浅处沉积而形成侧堤。,（二）侧向堆积,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,在泥石流沟下游沟道纵坡由陡变缓的宽阔沟槽内,粘性泥石流流动时的龙头,因流速减缓而可能停滞在沟槽中,这种含有大量粗大颗粒的堆积体,经过后期水流切割及新来的粗颗粒堆积,形成含有大量砾石、石块组成的“心滩”,这种心滩堆积体,也出现在两条泥石流交汇处附近的宽沟槽内。心滩的成因除粘性泥石流龙头停滞外,还可能是由于粘性泥石流在沟槽中流动时,突然得到洪水补给变成稀性泥石流,使粘性泥石流中的粗大颗粒残留下来,而被后期水流侵蚀所致。,（三）心滩堆积,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,在泥石流沟的中、下游两侧还能观测到泥石流堆积物质形成的阶梯状地形,其成因多数是由于在泥石流沟发生一次或多次大型粘性泥石流漫滩,在滩地上沉积大量物质,经后期中、小水流的不断侵蚀,切割而形成阶梯状地形,这种阶地一般相对高度2m5m,阶梯较窄,如武都泥湾沟形成一级宽4m6m,高2m3m,长约400m的泥石流阶地。,（四）阶地堆积,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流的运动模式主要取决于物质组成。粘粒的性质与含量决定着泥浆的结构、浓度、强度、粘性和运动状态。根据粘粒含量变化，将泥石流运动模式划分为塑性蠕动流、粘性阵流、阵性连续流和稀性连续流。1塑性蠕动流(岩土体颗粒被水饱和并具有一定流动性的滑坡体)2粘性阵流（流速很快8-15m/s）3阵性连续流（流体具一定的紊动特性，石块多呈推移质）4稀性连续流（流态紊乱，石块翻滚并相互撞击）,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流的起动是指大量固体颗粒从静止进入运动的一种临界状态。陡峻的地形和流域内固体松散物质的贮量是形成泥石流的内在要素,而一定强度的降雨则是外部的诱发因素。前二者是形成泥石流的必要条件,后者则是充分条件。而自然界中泥石流的流域地理特性、固体物质的补给条件与颗粒组成都十分复杂,几乎每一条泥石流沟情况都各不相同,作为诱发动力因素的降雨强度,自然差别更大。下面仅针对一些简单的或比较典型的情况,对各类泥石流形成的机理与条件进行分析。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,水石流一般形成在岩性破碎而坚硬的小流域,物质组成以粗颗粒为主,运动形式属于推移运动,是一种比较简单的情况。粗颗粒以层移形式输移消耗挟沙水流的势能,因而以粗颗粒为主体的水石流形成条件主要取决于沟道纵坡。因而可以通过固体松散物质受到的驱动力及克服阻力而进入运动状态的力学关系,来分析其形成的必要条件。,（一）水石流机理,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,驱动剪应力超过运动阻力时,便可发生稳定的水石流。水石流的起动条件为：s、分别为固体容重和清水容重。Svm为层移层的平均浓度；tan为颗粒间宏观摩擦系数,即为颗粒离散剪应力与法向离散压力之比值。,参考：水石流起动的流量控制研究，山地学报，2016.2,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,与水石流颗粒组成相反,泥流组成以细颗粒为主,粗颗粒占比例很少。我国泥流多发生在黄河中游支流黄土丘陵沟壑区,该区主要覆盖着土质疏松、多柱状孔隙的马兰纪黄土。由于水流侵蚀作用,地表被切割成许多沟壑纵横、丘陵起伏、面积10km2100km2的沟道小流域。流域内沟坡地形复杂,坡面破碎,既有坡度4060的荒坡,也有少量坡度为2535的坡耕地。,（二）泥流机理,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥流固体物质的主要形成过程是雨滴击溅产沙和坡面的水力侵蚀及重力侵蚀。由于流域内降雨集中,雨滴以很大的能量冲击地表,使土团分散,土粒溅到空中,并使地表表层水流也产生强烈紊动而增加水流挟沙能力。由于沟坡区坡度陡,降雨后除产生水力侵蚀外,还会有强烈的重力侵蚀,经常会发生崩塌、滑坡和沟头后退等强烈侵蚀现象,所以泥流形成的根本原因是黄土沟壑区严重的水土流失。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,由于细颗粒悬移运动的能量来自于水流紊动动能,所以在固体物质充分补给的条件下,泥流形成要有一定的流速才能使颗粒保持不淤。对于完全没有粗颗粒作推移运动的泥流(在河流运力学中又称高含沙水流),通常通过试验和理论给出有悬移泥沙不淤流速和几何物理参数的关系。,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,粘性泥石流的组成既有大量粗颗粒又有相当数量的细颗粒,其中细颗粒以悬移形式输移,消耗的是水沙混合流的动能,因而粘性泥石流形成条件中更重要的是洪水流量或降雨强度,要求的沟道纵坡比同浓度下形成水石流的纵坡要小。惯用临界雨量作为重要指标,研究粘性泥石流形成条件,但由于泥石流暴发的临界雨量受地区水文气象、流域地貌、地质、固体颗粒组成及产流汇流等许多因素的影响,加之还有泥石流暴发前前期降雨的影响等原因,使得临界降雨量即使对同一地区也差别很大。,（三）粘性泥石流机理,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,现有泥石流文献中有很多关于泥石流分类的方法。依据泥石流诱发原因分为：洪水泥石流、冰川泥石流、火山泥石流、地震泥石流等；依据侵蚀原因分为：水力类泥石流,土力类泥石流或滑坡泥石流等。不管是什么原因引起的泥石流,其所造成的危害程度都无明显差别,泥石流的危害程度主要受其规模和浓度的影响。这是因为泥石流的浓度不但对其运动机理及动力作用产生重要影响,而且反映其颗粒组成的特性。以容重、颗粒组成为主的分类比较实用和科学。,四、泥石流的分类,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流的分类,按触发形式划分,冰川型,溃坝型,暴雨型,按形成源地划分,按物质组成划分,泥石流,泥流,水石流,沟谷型,坡面型,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,沟谷型泥石流示意图,坡面型泥石流示意图,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,沟谷型泥石流,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,沟谷切割深陡，易形成泥石流(四川泸定杵尼乡,2005),沟谷泥石流,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,坡面型泥石流,地质灾害学,坡面型泥石流,泥石混合型泥石流,泥流型泥石流,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石型,水石型,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,（一）灾害性泥石流主要特征爆发突然来势凶猛(规模大、流速快、龙头高)冲击力强冲淤变幅大（冲刷深度达16m，淤积厚度达6m以上）主流摆动速度快、幅度大（二）泥石流的危害方式冲刷（上游-下切侵蚀；中游-冲刷旁蚀；下游-局部冲刷）冲击（动压力、撞击力、爬高和弯道超高）堆积除上述三种方式外，还有磨蚀、振动、气浪和砸击等次要危害,五、泥石流的危害,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,（三）泥石流的危害泥石流对城镇的危害（中国有92个县市以上城镇有泥石流灾害，四川约占40%以上。）泥石流对道路交通的危害（全国铁路跨越泥石流的桥涵达1386处）泥石流对厂矿企业的危害泥石流对农田的危害（据统计，泥石流毁坏耕地约760km2）泥石流的次生灾害（堵塞水系、堰塞湖等）,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,成昆线-利子达依沟,1981年7月，特大型泥石流，最大流量3200方/秒，固体物总量70万方，冲毁大桥，颠覆列车，造成人员伤亡。,泥石流危害道路,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,泥石流流体性质：,密度决定了泥石流的流态和运动特征；结构使泥石流具有的破坏力不同；室内测定的山洪泥石流固体颗粒比重，按照水土比值获得的泥石流体的容重；土粒的总重量GH、水的重量Gb、粘粒重量Gn、砂石重量Gs、块石重量Gq。泥石流容重值c泥石流堆积物粒度特征：不同部位选取代表性的试样进行的颗粒分析试验；d60、d30、d16、d10、不均匀系数Cu（d60/d10）、曲率系数Cc等。堆积物级配，颗粒分布特性。,泥石流流体性质及要素测定,兰州大学土木工程与力学学院,地质灾害学,流速粘性（陈光曦）：稀性（铁一院）：北大地理系：,时间-19641966；地点-东川蒋家沟,时间-2002；地点-蒋家沟,泥石流流速：对泥石