泥石流工程地质研究--中国地质大学

基础工程地质学,第五章泥石流工程地质研究第1节概述第2节泥石流形成基本条件第3节泥石流特征第4节泥石流分类第5节泥石流预测预报第6节泥石流防治对策第7节泥石流治理措施,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第1节概述,问题,泥石流特性？研究的必要性？如何决策？,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第1节概述泥石流-发生在山区的一种含有大量泥沙和石块的暂时性急水流。泥石流特性固体物含量高；能量大、爆发突然、来势凶猛、历时短、复发频繁、危害大对环境破坏严重，往往是不可逆的。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第1节概述泥石流特性爆发突然，复发频繁，危害巨大，对环境破坏严重，往往是不可逆的。研究必要性对于线路工程和山区城市的安全，构成严重的威胁。,秘鲁，火山喷发-冰雪融化-泥石流，造成5万人亡，80万人无家可归，有2万居民的云盖城被掩埋，1970年。美国洛杉矶，1938年爆发泥石流，流量2000m3/S,固体物达1100万立方，造成2000人丧生。阿拉木图，高山冰雪融化，加暴雨，形成间隔3060S的波浪式泥石流，街道成了深河床，400人丧生，500所房被毁，1921年。1981年，成昆线利子达依沟一次泥石流将开出隧道的火车车厢，连同桥梁冲入大渡河，275人丧生，经济损失达200万元。,甘川交界的关家沟，泥石流长期为害，历史上四次对文县构成灭顶之灾，1852年县城尽成废墟。小江流域是泥石流多发区，被戏称为“座座山头走蛟龙，条条沟口吹喇叭”，1985年夏，东川地区泥石流灾害空前，铁路多处被埋，东川市被泥石流包围，处于瘫痪状态。1989年7月，华蓥山地区暴雨引起山体滑坡，导致泥石流灾害，冲毁厂矿、村庄，死亡215人。1981年7月，辽宁复县老帽山地区灾害性暴雨导致泥石流，造成610人丧生。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第1节概述据统计，我国20世纪后40年造成死亡约3700人；铁路沿线泥石流沟达千余条，危及铁路3000km以上，危及桥涵200km。对策以防为主、标本兼治，全流域规划。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第1节概述,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第2节泥石流形成基本条件地形地貌条件固体物来源、径流条件地质构造条件固体物来源、运动势能气象水文条件液体量、径流强度,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第2节泥石流形成基本条件一、地形地貌纵比降大、坡面多、流域面积大、汇流迅速，提供固体物、势能、加大径流强度。1、地形-相对高差大于200m的地区有泥石流分布，相对高差大于1000m的地区为泥石流高频区。2、地貌-我国第一地貌阶梯青藏高原4000m，第二阶梯云贵、黄土高原、陇南山区10002000m，第三阶梯四川盆地300700m，其过渡地带高差大、切割剧烈，为泥石流活跃地带（滇东北、川西、陇南)。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第2节泥石流形成基本条件二、地质构造条件：为泥石流的形成提供丰富的固体物源及强大的动能。1、构造复杂岩性破碎；地震频发崩、滑多发，为泥石流提供丰富的固体物质。2、新构造运动活跃地应力值高、地形陡峻，为泥石流提供势能储备。小江流域发育在著名的小江深大断裂带上，新老构造错综复杂，岩层破碎，不足90km江段上便发育了107条泥石流沟。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第2节泥石流形成基本条件三、气象水文条件集中降雨、高温天气产生强烈的地表径流，地表强径流使泥石流具备启动、携运能力。1、水体量决定于气候条件（暴雨型、冰雪融化型)。2、径流强度决定于气候（雨量、雨强）及地形条件（汇流速度）。小江流域年雨量7001200mm，多暴雨，最大雨强108mm/h；辽宁老帽山：6小时395mm，116.5mm/h。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征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；流态对沟床的改造能力不同；直进性粘性泥石流具有，破坏力强；脉动性蓄能再动，前峰破坏力极强。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征一、泥石流物理特征：1、密度固体物机械堆积、分选差、粒度成分悬殊，密度值达1.22.4t/m3，浮托力大。密度值取决于固体物与水体的比例，取决于固体物中细粒成分所占比例。密度值沿程变化。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征一、泥石流物理特征：2、结构-主要为石块、砂砾、泥浆体共同组成的格架结构。石块在浆体中呈悬浮、支撑、沉底状态，主要有星悬、支撑、叠置、镶嵌等结构。泥石流冲击力依次渐强。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征二、泥石流流动特性：1、流态-受水体与固体量比值及固体粒径级配制约紊动流：稀性泥石流常见流态，与挟沙水流流态类同。扰动流：粘性泥石流常见流态，流变方程以宾汉方程为基础。蠕动流：粘性泥石流，流速梯度很小时对应的流态。三种流态随沟床变化可相互转换、沿程变化。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征二、泥石流流动特性：2、直进性流体运动中受阻，所携固体物堆积，填平、抬升沟床，后阵流体便可前进，超高爬高、截弯取直、冲向下游。流体越粘直进性越强、冲击力越大。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第3节泥石流特征二、泥石流流动特性：3、脉动性呈阵性运动。其过程线似正弦曲线，上涨曲线较下落曲线陡些，以相等的时间间隔流动（阵发），阵的前锋为高大的泥石流龙头，具极强的冲击力。一场泥石流常出现几十至上百阵。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第4节泥石流分类单指标分类：按物质组成泥水流、水石流、泥石流。按流体性质粘性泥石流、稀性泥石流。按流域形态标准型、河谷型、山坡型。多指标综合分类：成因、物质组成、流域特征、流体性质、危害程度等因素综合考虑。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第4节泥石流分类一、流体性质1、粘性泥石流固体物含量高（40%60%）、细粒多；密度大（1.62.4）、浮托力强，具直进性；堆积不散流、无分选。此类泥石流破坏力极强。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第4节泥石流分类一、流体性质2、稀性泥石流固体物含量低（40%）、细粒少、密度值中等（1.21.6）；水泥浆速度大于石块速度，具极强冲刷力；堆积散流、有分选。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第4节泥石流分类二、流域形态1、标准型典型泥石流，流域呈扇形，面积较大，能明显分出形成区、流通区、堆积区。2、河谷型流域呈狭长形，形成区为河流上游沟谷，物源分散、水源丰富，流通、堆积区不能明显分开。3、山坡型流域呈漏斗状，面积较小，无明显的流通区，形成与堆积区相连。“面面俱到”、“源远流长”、“直截了当”。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报空间预测确定泥石流危险区的分布（大、中、小比例尺）。时间预报泥石流爆发的可能性，时间上定量。基本特征值泥石流运动的参数，定量评价、预测预报、防治设计必不可少的数据。危险度判定发生的可能性及危害的严重程度。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-空间预测小比例尺确定危险区分布状况（全国、省），比例尺为1：100万。中比例尺查明区内泥石流的一般规律及形成条件，确定泥石流发生的危险度。比例尺为1：1050万。具体内容：地层岩性、构造、地形切割情况，泥石流活跃度、危险度。大比例尺分析流域泥石流发育特征，拟定防治对策。比例尺为1：15万。分析图上应反映泥石流形成的各项因素及定量指标。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-时间预报泥石流爆发取决于强烈的地表径流。与灾害暴雨相关季节指标灾害暴雨型、冰雪融化型泥石流发生季节有规律。中长期和短期预报均用此指标。天气尺度控制灾害暴雨的天气尺度系统各地不同。沿海：热带风暴；西南、西北地区：低涡和切变线。日暴雨量决定泥石流发生的几率和规模。东南沿海、西南地区，200；西北地区，2550小时雨强直接影响泥石流发生的危险性。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-特征值分析密度用于流速、流量、方量计算与防治工程设计。实测典型剖面，土、石分别按体积百分量计算。流速经验公式计算。流量雨洪修正法、泥痕调查法。泥位反映流速、流量，并与泥石流规模、危险度相关。超出危险泥位，可能成灾。实测。方量表征泥石流危险度的重要指标。用泥石流过程曲线直接求；据泥石流过境痕迹推测。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-特征值分析流速粘性（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,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-特征值分析流量-,Qw-清水流量；-修正系数；Dd-堵塞系数；Wd-过流断面面积；Vd-流速；,a,雨洪修正法：,b,泥痕调查法：,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第5节泥石流预测预报-危险度判定单因子判定以一次泥石流冲出物最大方量判定。多因子综合评判是否为泥石流沟、活动度如何。参评因子：规模、流域面积、地形高差及切割程度、沟床特点、物源丰度、降雨及雨强、危害类型及发展趋势。评价方法：确定主因素分项给级差赋值列参评因子反应矩阵求危险度。分级：严重、中等、轻微、非。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第6节泥石流防治对策总原则：全流域规划、统筹兼顾；大流域着眼、小流域入手；突出重点、抓住要害。危险区建立警戒避难体制。三区防治重点：形成区蓄水、固沙、护坡。流通区减速、削能。堆积区合理疏导。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第6节泥石流防治对策-形成区防治思路：从泥石流产生基本条件（固体物、水体）和触发条件（地表径流强度）两方面考虑。护坡：减少松散固体物来源；开发性治理水土流失：控制地形切割程度，减小地表径流强度；排洪：使水沙分离，减小地表径流强度，降低聚流水动条件，从根本上扼制产生泥石流的动因。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第6节泥石流防治对策-流通区防治思路：控制固体物来源、减小地表径流强度。保护沟床：截断固体物补充源；拦挡：拦截固体、排液体，调整沟道形状，减小纵比降，降低流体速度，削弱运动能量。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第6节泥石流防治对策-堆积区防治思路：合理疏导保畅通，固留液走。排导：导向堆积场所，不与人类工程产生矛盾，不阻滞后续流体；固物堆积于适当的位置，不排向江河主流。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第7节泥石流治理措施一、生物措施：水源涵养林-削减固物、调节气候、降低雨强（形成区）。水土保持林调节径流、稳坡减固蓄水（形成区、流通区）。防冲林护沟床、防（减）对下游冲击（流通区）。固滩林防风固沙护堤，改良环境（堆积区）。长远、根本、见效慢。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,第7节泥石流治理措施二、工程措施治水调洪水库、截水沟、蓄水池、泄洪洞、引水渠，拦洪削峰减动能。治土拦挡（拦沙坝、谷坊）：拦固（粗）、放水、减坡降、减流速、削能（阿拉木图：坝高145m）；支挡：护坡防冲。排导明硐、导流堤、排导沟：调流向、防漫流。储淤拦泥库、储淤场：拦固（细）削能、使流体顺畅。全面、应急、治标不治本。,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,思考题：1、泥石流形成的三个基本条件是什么？2、泥石流的运动特征表现在哪些方面，针对其直进行特征防治时应如何考虑？3、泥石流按物质组成分类依据为何？4、稀性泥石流与粘性泥石流存在哪些方面的差异?5、泥石流的特征值有哪些，其对泥石流预测预报及防治的意义为何？,泥石流排导措施,1-坝和堤防；2-导流堤,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,泥石流防治措施,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,典型泥石流流域示意图,泥石流流域形态分类,标准型泥石流,坡面型泥石流,坡面泥石流景观,沟谷型泥石流,泥石流运动示意,泥石型,水石型,泥流型,泥石流类型,泥石流过程线,基础工程地质学第五章泥石流工程地质研究,中国泥石流分布,小江流域泥石流,小江泥石流停淤景观。该流域泥石流一年内爆发数十次，堆积量可达数十至数百万立方。,小江流域泥石流-蒋家沟,蒋家沟泥石流年均爆发1620次，一次固体物冲出量31.6万立方，450万立方/年，多次堵江，最长达半年，水位上升10米，图为泥石流爆发时的龙头景观。,小江流域泥石流-大白泥沟,大白泥沟泥石流淤埋铁路隧洞。,宝天铁路泥石流-伯阳,泥石流淤埋了伯阳车站，并堵塞了渭河，灾害损失巨大，1978年7月。,泥石流危害城镇,泥石流危害城镇,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,黄河流域西高庄泥石流,泥石流危害村庄,关中地区泥兰田,泥石流冲毁房屋。,泥石流危害村庄,泥石流危害江河,金,沙,江,小,江,泥石流危害江河,泥石流危害江河,泥石流危害道路,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,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,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,成昆线泥石流,水渠溃决形成泥石流，列车被泥石流推翻，1984年6月。,泥石流危害道路,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,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,泥石流形成的地质背景分析,东川泥石流观测研究站的泥石流观测,川藏公路-古乡,三峡库区的人工弃渣与泥石流,巴东新城区黄家大沟,3.31中环路下方泥石流造成公路堵塞,镜向S,主沟,黄家大沟人工弃渣冲入长江，形成半岛,镜向NW,泥石流防治,大秦铁路上庄站泥石流涵洞模型试验,泥石流防治,兰新线高桥跨越泥石流，桥墩前建造护墩工程,泥石流防治,泥石流防治,预测预报预警,中国科学院-水利部成都山地灾害与环境研究所,泥石流,东川泥石流观测研究站的观测系统,发展趋势预测,泥石流暴发因素反馈环图,规模预测,I.固体物质物源与供给方式,滑坡、崩塌坡面、沟谷侵蚀人类活动作用,水源及供给方式,暴雨泥石流冰川泥石流溃决泥石流,区域性预测：,直接指标预测方法间接指标预测方法,直接指标与间接指标相结合的模糊信息模型,单沟预测：,地貌分析法泥痕调查法要素统计法,泥石流运动数值模拟法,1.活动性预测2.危险范围预测,活动历史分析法形成要素分析法形成机理分析法,泥石流预报的思路,区域泥石流预报,物元模型,预报结果表述,泥石流发生概率等级：0.9,0.6,0.3,0.0,因素选取,地形相对高差(E)地质(G)预报降水量(J),沟谷泥石流预报,物元模型,预报结果表述,泥石流发生概率等级：0.9,0.7,0.5,0.3,0.1,因素选取,流域面积(A)沟床比降(S)地质(G)预报降水量(J),降雨泥石流预报的时间尺度,接触式警报器(第一代）,报