泥石流工程地质研究教学课件PPT 67页

'泥石流工程地质研究一、泥石流及其分布二、泥石流形成条件三、泥石流分类四、泥石流地区道路位置选择五、泥石流的防治措施 *145-2重点：泥石流定义及形成条件；泥石流野外识别难点：泥石流防治方案选择泥石流工程地质研究 泥石流(debrisflow)是指在水流冲力和重力共同作用下的一种特殊侵蚀形式，也称为混合侵蚀（mixederosion）。一、泥石流的定义前苏联：泥石流是固体物质含量高，泥沙剧增的暂时性山道河床洪流。日本：泥石流是泥石含量多于水量，水流不是泥石流搬运介质，而是含水的粥状泥沙在其自身重力作用下的运动现象。 一、泥石流的定义英国：泥石流是介于水流与滑坡之间的一系列过程，包括有重力作用下的松散物质、水体和空气构成的块体运动。我国：一部分学者认为泥石流是介于崩塌、滑坡等块体运动与水流之间的一系列连续过程，泥石流的形成过程是固液两相物质在山区坡地或沟道内相互作用的过程。另一部分学者认为泥石流是斜坡上的松散物质被暴雨或积雪、冰川的强烈消融的水所饱和、在重力与水的作用下沿山坡或沟谷流动的特殊洪流。 概念：泥石流是山区由于暴雨、冰雪融水激发含有大量泥沙、石块的暂时性急水流。 二、泥石流的特征泥石流是一种含有大量泥沙和石块等固体物质，爆发突然、历时短、来势凶猛，具有强大破坏力的特殊洪流。泥沙石块体积超过25%，最大可达80%，容重在1.3t/m3以上，最高达2.3t/m3。泥石流爆发时，象一条褐色巨龙，奔腾咆哮，巨石翻滚，激浪飞溅，石块撞击的声音雷鸣般响彻山谷。突然暴发，历时短暂，来势凶猛，能量巨大，破坏力大。 *145-7泥石流的危害 *145-8..四川省华蓥市溪口镇1989年7月9日至10日发生了百年未遇的特大暴雨，降雨量达886mm/h。溪口镇东侧山体基底的软弱页岩饱水软化、蠕动，导致上覆岩体拉裂、解体。约100万立方米的岩体于10日13时30分突然起动，以15km/min的速度自高程820m的斜坡上向高程300m左右的溪口镇滑去。滑动过程中，滑体因碰撞和跳跃而被粉碎，产生“气垫”效应和冲击波，形成碎屑流。滑体所经之处，农田、房屋全被摧毁吞没，掩埋221人、直接经济损失几百万元。 *145-9华蓥山溪口泥石流 *145-102004年7月，云南省德宏州盈江县先后发生了两次特大洪涝泥石流灾害，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。 我国泥石流发生地区图 *145-12二、泥石流形成条件必备条件丰富的松散固体物质陡峻的地形足够的突发性水源 *145-13（1）松散固体物质（地质条件）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，是泥石流形成的最重要的条件。固体碎屑物质是泥石流发育的基础之一，通常决定于地质构造、岩性、地震、新构造运动和不良的物理地质现象。 泥岩、页岩、粉沙岩分布区，岩石容易分散和滑动。岩浆岩等坚硬岩分布区，会风化成巨砾，成为稀性泥石流的物质来源。在地质构造复杂、断裂皱褶发育、新构运动强烈和地震烈度高的地区。岩体破裂严重，稳定性差，极易风化、剥蚀，为泥石流提供了固体物质。（1）松散固体物质（地质条件） *145-15（2）地形条件典型的泥石流流域可划分为形成区、流通区和堆积（沉积区）三个区段。 *145-16该区多为三面环山、一面出口的半圆形宽阔地段，周围山坡陡峻，沟谷纵坡降可达30°以上。斜坡常被冲沟切割，且崩塌、滑坡发育；坡体光秃，无植被覆盖，这样的地形，有利于汇集周围山坡上的水流的固体物质。形成区又可分为汇水动力区和物质供给区。形成区 *145-17该区多为狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻而纵坡降较大，常出现陡坎和跌水，泥石流进入本区后极具冲刷能力。流通区形似颈状或喇叭状。非典型的泥石流沟，可能没有明显的流通区。流通区 *145-18一般位于山口外或山间盆地的边缘，地形较平缓。泥石流至此速度急剧变小，最终堆积下来，形成扇形、锥状堆积体，有的堆积区还直接为河漫滩或阶地。堆积（沉积区） *145-19 *145-20 *145-21（3）水源条件泥石流形成必须有强烈的地表径流，地表径流是暴发泥石流的动力条件。充分的水源：降雨、冰雪融化、地下水、湖库溃决等都可形成泥石流，最多的是降雨发生的泥石流。中到暴雨是泥石流发生的主要水源，此外，冰雪融化、地下水、湖库溃决也可形成泥石流。降雨以1小时雨强在30以上和10分钟雨强在10以上的短历时暴雨。 *145-22（4）人为因素人类工程活动的不当可促进泥石流的发生、发展、复活或加重其危害程度。修建铁路、公路、水渠以及其它工程建筑的不合理开挖。不合理的弃土、弃渣、采石滥伐乱垦会使植被消失，山坡失去保护、土体疏松、冲沟发育，大大加重水土流失，进而山坡的稳定性被破坏，崩塌、滑坡等不良地质现象发育，结果就很容易产生泥石流。 *145-231)不合理开挖：修建铁路、公路、水渠以及其它工程建筑的不合理开挖。有些泥石流就是在修建公路、水渠、铁路以及其它建筑活动，破坏了山坡表面而形成的。如云南省东川至昆明公路的老干沟，因修公路及水渠，使山体破坏，加之1966年犀牛山地震又形成崩塌、滑坡，致使泥石流更加严重。又如香港多年来修建了许多大型工程和地面建筑，几乎每个工程都要劈山填海或填方，才能获得合适的建筑场地。1972年一次暴雨，使正在施工的挖掘工程现场120人死于滑坡造成的泥石流。 *145-242)不合理的弃土、弃渣、采石这种行为形成的泥石流的事例很多。如四川省冕宁县泸沽铁矿汉罗沟，因不合理堆放弃土、矿渣，1972年一场大雨暴发了矿山泥石流，冲出松散固体物质约lO万立方米，淤埋成昆铁路300米和喜(德)-西(昌)公路250米，中断行车，给交通运输带来严重损失。又如甘川公路西水附近，1973年冬在沿公路的沟内开采石料，1974年7月18日发生泥石流，使15座桥涵淤塞。 *145-25(3)滥伐乱垦滥伐乱垦会使植被消失，山坡失去保护、土体疏松、冲沟发育，大大加重水土流失，进而山坡的稳定性被破坏，崩塌、滑坡等不良地质现象发育，结果就很容易产生泥石流。例如甘肃省白龙江中游现在是我国著名的泥石流多发区。而在一千多年前，那里竹树茂密、山清水秀，后因伐木烧炭，烧山开荒，森林被破环，才造成泥石流泛滥。又如甘川公路石坳子沟山上大耳头，原是森林区，因毁林开荒，1976年发生泥石流毁坏了下游村庄、公路，造成人民生命财产的严重损失。当地群众说：“山上开亩荒，山下冲个光”。 三、泥石流特征1、容重泥石流容重是单位体积泥石流流体的重量，单位为t/m3。其容重大小反映了泥石流结构。一般稀性泥石流容重1.3～1.8t/m3，粘性泥石流容重＞2.0t/m3，过渡性泥石流在1.8～2.0t/m3之间。不同容重其含沙量不同，一般含沙量在1000kg/m3以上，最高可达2180.3kg/m3。 泥石流容重受固液相组成、固体物质特性及土体特性影响。通常固体物、大颗粒含量高和比重大的颗粒多容重大；反之，容重小。泥石流容重在同一阵次中随时空不同而变化。一般从上游到下游，容重随固体颗粒的加入而增大；同一流域不同次泥石流，因降水不同和固体物质供给的差异，表现不同的容重。对同一阵而言，通常“龙头”容重较高，此后逐渐降低。1、容重 2、粒度组成泥石流流体中固体颗粒粒度范围很宽，从几微米到几米。一般挟沙洪水和稀性泥石流的粒度组成较均一，粒度范围窄，颗粒离散度小。99%以上是小于2mm的泥沙，其中粗沙占14%～37%、粉沙和粘粒占82%～62%。粘性泥石流粒度组成范围宽，离散度大。其中＞2mm的石块占固体物质重量的65%以上，沙粒占18%左右，粉粘粒占18%左右。 3、发生特征（1）、突发性和灾变性泥石流突发性和灾变性泥石流暴发突然，历时短暂，一场泥石流过程一般仅几分钟到几十分钟,给山地环境带来灾变。（2）、波动性和周期性泥石流波动性和周期性泥石流活动时期时强时弱，具有波浪式变化特点，可划分活动期和平静期。（3）、群发性和强烈性泥石流群发性和强烈性泥石流由于降雨的区域性和坡体的稳定性，使泥石流发生常具“连锁反应”。 4、泥石流流态特征泥石流既不同于一般径流冲刷，又是在径流冲刷和重力共同作用下的混合侵蚀。因此泥石流流态多样。（1）蠕动流蠕动流泥石流在粗糙沟床上“铺床”前进，或上游供给不足似蛇身匍伏缓慢前进，流速一般在0.3-0.5m/s。（2）层流层动泥石流在沟道平直、坡度不太大的情况下，高浓度的泥石流体呈整体运动，流速变化从5m/s到15m/s，具有极大浮托力，使巨石像游船一样漂浮。 （3）紊流：紊动泥石流浆体较稀，或沟道比降大而导致流动湍急，浆体中石块相撞击、摩擦，发出轰鸣。（4）滑动流：滑动泥石流近似层流的整体运动，是在高粘度泥石流“铺床”后，依惯性力作用在“润滑剂”上滑动前进。（5）波动流：波动泥石流实质上是一种特殊的自动形态流，即当沟道泥石流残留层较厚时，在纵坡影响下，较厚浆体在重力作用下，向下形成一个波状流动体，并迅速下泄，与因堵塞形成的阵性流十分相似。4、泥石流流态特征 5、泥石流搬运特征泥石流是一种独特的流体，其搬运能力极强。搬运的泥沙、粒度广泛、浓度大，大致可归纳为两类：1、粘性泥石流以蠕动流滑动流成似层流的连续流或阵性流形态将流体搬运出沟。泥沙和水构成一相体，以整体方式搬运松散碎屑物质。2、稀性泥石流以紊流连续流形态将流体搬运出沟。泥沙和水尚未构成一相体，而是两相体，以散体方式搬运松散碎屑物质。 6、泥石流堆积物宏观特征（1）泥石流堆积类型堆积扇或堆积锥稀性泥石流，流体便以一定角度或辐射状散开，形成堆积扇。粘性泥石流也形成扇状堆积。对沟谷陡峻，固相物质粗大的泥石流，在堆积区常发育成堆积锥。泥石流堆积扇纵坡较陡，一般在3°～9°之间，部分可达9°～12°，同时堆积扇横比降也比较大，一般在1°～3°之间（而洪积物的纵坡一般在3°以下，横比降一般在1°以下）。 堆积阶地泥石流堆积阶地是发育在泥石流沟谷内的一种堆积地貌，是泥石流体在运动过程中由于没有后续流的推动，在沟床两岸或一岸留下原有的堆积而形成的。堆积阶地通常是一种短暂的泥石流堆积现象。侧积侧积是泥石流在运动过程中部分流体或流体中的松散碎屑物质，在边缘产生淤积，这种淤积就是侧积。除上述主要堆积形式外，泥石流还可在运动过程中形成超高堆积，抛高堆积和缝隙堆积等。（1）泥石流堆积类型 （2）泥石流堆积物特征1）分层性：泥石流堆积物一般能分出若干层次（层间常存在一个很薄的粗化层或表泥层）。前者说明，间歇期内降雨或洪水把泥石流堆积物表面的细粒物质带走，剩下一层较粗物质，第二场泥石流到来时覆盖在这层较粗物质之上，而后者则是第一次泥石流末尾的细粒物质在堆积扇表面形成泥层后，第二次泥石流堆积物直接覆盖在表泥层之上。 （2）泥石流堆积物特征2）无分选性：在每层内部泥沙砾粗细混杂，粒径差异很大，无分选性。3）定向排列不明显：粘性泥石流的砾石有微弱定向排列；稀性泥石流的多数砾石有明显的定向排列，在外观上仍给人以无定向排列的感觉。 7、泥石流输移和冲淤变化特征泥石流输移特性泥石流输移固体颗粒的形式为悬移、推移和整体输移三种方式，输移量非常巨大。（1）泥石流体结构和悬浮承载能力粘土矿物颗粒（网格结构）悬着在水体中，构成细粒泥浆。沙粒与网格结构形成具有网粒(粒膜)结构的粗粒浆体。石块粗粒与浆体结合构成框架结构。这种特独的结构体，具有强大的悬浮和承载力。 （2）泥石流体输移方式和输移能力泥石流体中颗粒输移可分为单粒输移和整体输移两种形式，其中单粒输移又分为悬移和推移两类。泥石流因具特有结构，其输移能力巨大，对不同性质泥石流，随搬运条件变化，输移能力和输移形式也在变化。 （3）泥石流冲淤方式及冲淤变化泥石流的侵蚀和堆积是泥石流最大灾害的表现。上游的冲刷造成沟坡、沟床的后退和下切，产生崩坍、滑坡；下游的堆积，摧毁建筑，淹没良田，损失惨重。 *145-40四、泥石流分类 泥石流水石流泥流1、按所含固体物质成分分为： *145-42——沟谷型（2）按地貌特征分为： *145-43——山坡型（2）按地貌特征分为： *145-44（3）按流体性质分类粘性泥流；粘性泥石流；稀性泥流；稀性泥石流；水石流 1）粘土矿物组成粒径小于1.0mm的颗粒为粘土矿物，呈现出悬浮胶液性质，对泥石流性质影响颇大。主要的粘土矿物有水云母(伊利石)、绿泥石、蒙脱石、高岭石、蛭石、埃洛石和海泡石等。此外还有非粘土矿物赤铁矿、针铁矿、白云母、滑石、石英、长石、硅藻等矿物。一般粘粒含量＜3%时，为稀性泥流；＞5%时为粘性泥石流，介于3%～5%间的为过渡性泥石流。（3）按流体性质分类 粘土矿物颗粒呈薄片状具有亲水特性。由于水化膜厚度在颗粒表面的边缘处最薄，相互间产生很大吸引力，形成所谓网格结构。2）粘土矿物数量（浓度）粘土矿物多，网格结构愈紧密，强度也愈大，从而形成粘性泥石流。粘土矿物含量少，网格结构松驰，强度低，形成流动性大的稀性泥石流。过渡性泥石流的粘土矿物既可形成网格结构，也有链条结构，处于不断地变动中，故性质居中。 3）粘土矿物类型一般蒙脱石形成的网格结构远比伊利石、高岭石所形成的网格结构紧密，且强度大得多。故流体的剪切强度、粘滞系数高。相反，以伊利石形成的网格结构、绿泥石等形成的网格结构较之松驰，强度小。4）泥石流的性质除与固体物质多少、粘粒含量有关外，还与泥石流产地岩性有关，这就使泥石流性质变得十分复杂。 粘土矿物比表面积大，可将沙、砾石块包裹起来，在一定的含水量和其他条件下，使源地土石体结构松散，摩擦力和凝聚力降低，极易流失，形成泥石流。粘土矿物的亲水特性，使源地土石体增重，易于发生重力侵蚀，并使泥石流在发展中易于不断扩大。绿泥石、蛭石等吸水膨胀性强的矿物，一旦吸水后促进土岩体崩解、崩坍和滑动，由一般侵蚀转化为泥石流侵蚀。 *145-49（4）按泥石流规模大小分类小型；中型；大型；特大型（5）泥石流按发育阶段分期发育初期；旺盛期；间歇期 *145-50五、泥石流地区道路位置选择及防治措施掌握泥石流的独有特征和发生发展规律，选择好线路的位置是防治泥石流的最有效措施。一般来说，道路工程通过泥石流区，应遵循以下原则：1．绕避处于发育旺盛期的特大型、大型泥石流或泥石流群，以及淤积严重的泥石流沟；2．远离泥石流堵河严重地段的河岸；3．线路高程应考虑泥石流发展趋势； *145-514．峡谷河段以高桥大跨通过；5．宽谷河段，线路位置及高程应根据主河床与泥石流沟淤积率、主河摆动趋势确定；6．线路跨越泥石流沟时，应避开河床纵坡由陡变缓和平面上急弯部位；不宜压缩沟床断面，改沟并桥或沟中设墩；桥下应留足净空；7．严禁在泥石流扇上挖沟设桥或作路堑。 *145-52道路通过泥石流地区的具体位置，通常有五种方案可供比选：铁路通过泥石流区的方案 *145-53六、泥石流的防治措施对于大型的严重发育的泥石流地段，一般绕避为好。万一无法绕避的，在调查泥石流活动规律后，选择有利位置，采用适宜的建筑物通过。 *145-54格栅坝（一）拦挡工程主要用于上游形成区的后缘，主要建筑物是各种形式的坝。它的作用主要是拦泥滞流和护床固坡。谷坊群 *145-55（二）排导工程主要用于下游的洪积扇上，目的是防止泥石流漫流改道。减小冲刷和淤积的破坏以保护附近的居民点、工矿点和交通线路。排导工程主要包括排导沟、渡槽、急流槽、导流堤、排洪道等。 *145-56（三）水土保持水土保持是泥石流的治本措施。其措施包括平整山坡、植树造林，保护植被等，维持较优化的生态平衡。生物措施：营造防护林。如营造水源涵养林、水土保持林、沟头防护林、护堤林、护滩林等；采取各种农业耕作措施。如合理利用土地资源、修建基本农田、培肥土壤、等高和间作种植等；采取牧业措施。防止过度放牧、封山育林草、人工种草、轮作等。 工程措施小结：治水工程。如库、坝、引水渠、截留沟和导流和分流工程；治土工程。挡土墙、坡脚支护、护岸工程、拦泥坝等；坡面工程。如排洪道、导泥渠、渡槽，以及附属建筑等。 总之，应建立起良好的泥石流防治体系泥石流灾害是多种因素形成的，在防治泥石流时需采取综合防治措施。防治泥石流发生体系：采取全方位的治坡、治沟和治滩措施，以群众保护、行政管理、制度法规约束等，对泥石流流域进行综合治理，防止和减少泥石流的发生。 控制泥石流运动体系按一定设计标准和规范，采取拦挡、调节和导排多项工程措施，使泥石流发生时能顺利到达预定区域堆积，对保护区不至造成危害和太大损失。预防泥石流危害体系针对泥石流灾害，在其发生前采取多种预防措施，发生过程采取预警措施，对危险区或重点设施采取保护措施，不致引起严重危害，造成巨大损失。 七、泥石流的预测预报与防治（一）、预测、预报和报警1、预测：泥石流预测是在判别泥石流沟谷基础上对泥石流爆发的可能性的预先确定或对灾害的估计。（1）泥石流沟谷的判别：泥石流活动的沟谷中，必然留下活动的痕迹，如弯道或岸边留有冲光面、冲光坑、刻蚀痕迹，以及泥痕、残余堆积物等，在堆积区能够找到粗细混杂的若干层堆积，这些堆积的砾石上流有巨大擦痕和巨大泥秋，形成石海或堆积扇等地貌。 1、预测（2）泥石流沟谷调查：沟道中固体物质的数量，不良物理地质现象的规模、发育程度；水源大小，可结合降雨预报作出分析判断；沟谷发育程度的调查分析。（3）泥石流预测量化指标：预测泥石流暴发的指标：临界降雨量指标：一般每小时降雨量在20mm以上，10分钟的雨强>1mm就会发生泥石流。地形指标：暴发泥石流的山坡坡度在25°以上，沟道比降10%以上，山地相对高差300米，流域面积10km2上下。 主要是雨情预报，是建立在现有状态信息的动态分析和对历史上出现过的事件，采用相似对比判断基础上作出的客观环境动态评价。包括某等级雨情发生时间、地点和量级三个方面。其依据是天气预报中的信息，那么暴雨量达到什么数值才会暴发泥石流，这个数值就是泥石流暴发的临界值，只要知道这个值，就可以在泥石流预测的基础上作出泥石流的预报。2、预报 3、报警泥石流的暴发具有突发性，因此，在泥石流发生前作出及时的报警，对减少灾害的发生具有重要的意义。泥石流的报警方法很多，概括起来可分为两类：接触式报警和非接触式报警。接触式报警：断线式报警、泥石流体导通法和压力报警。非接触式报警：泥石流地声发报警和超声波泥位报警。 *145-644、泥石流灾害的预报方法泥石流的预测预报工作很重要，这是防灾和减灾的重要步骤和措施。目前我国对泥石流的预测预报研究常采取以下方法： *145-65(1)在典型的泥石流沟进行定点观测研究，力求解决泥石流的形成与运动参数问题。如对云南省东川市小江流域蒋家沟、大桥沟等泥石流的观测试验研究；对四川省汉源县沙河泥石流的观测研究等。(2)调查潜在泥石流沟的有关参数和特征。 *145-66(3)加强水文、气象的预报工作，特别是对小范围的局部暴雨的预报。因为暴雨是形成泥石流的激发因素。比如、当月降雨量超过350毫米时，日降雨量超过150毫米时，就应发出泥石流警报。 *145-67(4)建立泥石流技术档案，特别是大型泥石流沟的流域要素、形成条件、灾害情况及整治措施等资料应逐个详细记录。并解决信息接收和传递等问题。(5)划分泥石流的危险区、潜在危险区或进行泥石流灾害敏感度分区。(6)开展泥石流防灾警报器的研究及室内泥石流模型试验研究。'