泥石流工程地質研究(中國地質大學)

1、基礎工程地質學,第五章 泥石流工程地質研究第1節(jié) 概述第2節(jié) 泥石流形成基本條件第3節(jié) 泥石流特征第4節(jié) 泥石流分類第5節(jié) 泥石流預測預報第6節(jié) 泥石流防治對策第7節(jié) 泥石流治理措施,基礎工程地質學第五章 泥石流工程地質研究,第1節(jié) 概述,問題,泥石流特性？研究的必要性？如何決策？,基礎工程地質學第五章 泥石流工程地質研究,第1節(jié) 概述泥石流-發(fā)生在山區(qū)的一種含有大量泥沙和石塊的暫時性急水流

2、。泥石流特性固體物含量高；能量大、爆發(fā)突然、來勢兇猛、歷時短、復發(fā)頻繁、危害大對環(huán)境破壞嚴重，往往是不可逆的。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第1節(jié) 概述泥石流特性 爆發(fā)突然，復發(fā)頻繁，危害巨大，對環(huán)境破壞嚴重，往往是不可逆的。 研究必要性 對于線路工程和山區(qū)城市的安全，構成嚴重的威脅。,秘魯，火山噴發(fā)-冰雪融化-泥石流，造成5萬人亡，80萬人無家可歸，有2萬居民的云蓋城被掩埋，1970年。美國洛杉

3、磯，1938年爆發(fā)泥石流，流量2000m3/S,固體物達1100萬立方，造成2000人喪生。阿拉木圖，高山冰雪融化，加暴雨，形成間隔30~60S的波浪式泥石流，街道成了深河床，400人喪生，500所房被毀，1921年。1981年，成昆線利子達依溝一次泥石流將開出隧道的火車車廂，連同橋梁沖入大渡河，275人喪生，經濟損失達200萬元。,甘川交界的關家溝，泥石流長期為害，歷史上四次對文縣構成滅頂之災，1852年縣城盡成廢墟。小江流域是

4、泥石流多發(fā)區(qū)，被戲稱為“座座山頭走蛟龍，條條溝口吹喇叭”，1985年夏，東川地區(qū)泥石流災害空前，鐵路多處被埋，東川市被泥石流包圍，處于癱瘓狀態(tài)。1989年7月，華鎣山地區(qū)暴雨引起山體滑坡，導致泥石流災害，沖毀廠礦、村莊，死亡215人。1981年7月，遼寧復縣老帽山地區(qū)災害性暴雨導致泥石流，造成610人喪生。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第1節(jié) 概述據統(tǒng)計，我國20世紀后40年造成死亡約3700人；鐵路沿線泥石流溝達

5、千余條，危及鐵路3000km以上，危及橋涵200km。對策 以防為主、 標本兼治，全流域規(guī)劃。,,,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第1節(jié) 概述,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第2節(jié) 泥石流形成基本條件地形地貌條件－　　　　　　　　固體物來源、徑流條件地質構造條件－　　　　　　　　固體物來源、運動勢能氣象水文條件－　　　　　　　　液體量、徑流強度,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,

6、第2節(jié) 泥石流形成基本條件一、地形地貌—縱比降大、坡面多、流域面積大、匯流迅速，提供固體物、勢能、加大徑流強度。1、地形--相對高差大于200m的地區(qū)有泥石流分布，相對高差大于1000m的地區(qū)為泥石流高頻區(qū)。2、地貌--我國第一地貌階梯青藏高原≥4000m，第二階梯云貴、黃土高原、隴南山區(qū)1000~2000m，第三階梯四川盆地300~700m，其過渡地帶高差大、切割劇烈，為泥石流活躍地帶（滇東北、川西、隴南)。,,,,基礎工程地

7、質學第五章泥石流工程地質研究,第2節(jié) 泥石流形成基本條件二、地質構造條件：為泥石流的形成提供豐富的固體物源及強大的動能。1、構造復雜→巖性破碎；地震頻發(fā)→崩、滑多發(fā)，為泥石流提供豐富的固體物質。2、新構造運動活躍→地應力值高、地形陡峻，為泥石流提供勢能儲備。小江流域發(fā)育在著名的小江深大斷裂帶上，新老構造錯綜復雜，巖層破碎，不足90km江段上便發(fā)育了107條泥石流溝。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第2節(jié) 泥石

8、流形成基本條件三、氣象水文條件— 集中降雨、高溫天氣產生強烈的地表徑流，地表強徑流使泥石流具備啟動、攜運能力。1、水體量決定于氣候條件（暴雨型、冰雪融化型)。2、徑流強度決定于氣候（雨量、雨強）及地形條件（匯流速度）。小江流域年雨量700~1200mm，多暴雨，最大雨強108mm/h；遼寧老帽山：6小時395mm，116.5mm/h。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征密度－決定了泥石流的

9、流態(tài)和運動特征；　結構－使泥石流具有的破壞力不同；流態(tài)－對溝床的改造能力不同；直進性－粘性泥石流具有，破壞力強；脈動性－蓄能再動，前峰破壞力極強。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征一、泥石流物理特征：1、密度—固體物機械堆積、分選差、粒度成分懸殊，密度值達1.2~2.4t/m3，浮托力大。密度值取決于固體物與水體的比例，取決于固體物中細粒成分所占比例。密度值沿程變化。,,基礎工程地質學第

10、五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征一、泥石流物理特征：2、結構--主要為石塊、砂礫、泥漿體共同組成的格架結構。石塊在漿體中呈懸浮、支撐、沉底狀態(tài)，主要有星懸、支撐、疊置、鑲嵌等結構 。泥石流沖擊力依次漸強。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征二、泥石流流動特性：1、流態(tài)--受水體與固體量比值及固體粒徑級配制約紊動流：稀性泥石流常見流態(tài)，與挾沙水流流態(tài)類同。擾動流：粘性泥石流常見流態(tài)

11、，流變方程以賓漢方程為基礎。蠕動流：粘性泥石流，流速梯度很小時對應的流態(tài)。三種流態(tài)隨溝床變化可相互轉換、沿程變化。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征二、泥石流流動特性：2、直進性流體運動中受阻，所攜固體物堆積，填平、抬升溝床，后陣流體便可前進，超高爬高、截彎取直、沖向下游。 流體越粘直進性越強、沖擊力越大。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第3節(jié) 泥石流特征二、泥石流流動特性：

12、3、脈動性呈陣性運動。其過程線似正弦曲線，上漲曲線較下落曲線陡些，以相等的時間間隔流動（陣發(fā)），陣的前鋒為高大的泥石流龍頭，具極強的沖擊力。一場泥石流常出現幾十至上百陣。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第4節(jié) 泥石流分類單指標分類：按物質組成—泥水流、水石流、泥石流。按流體性質—粘性泥石流、稀性泥石流。按流域形態(tài)—標準型、河谷型、山坡型。多指標綜合分類：成因、物質組成、流域特征、流體性質、危害程度等因

13、素綜合考慮。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第4節(jié) 泥石流分類一、流體性質1、粘性泥石流固體物含量高（40%~60%）、細粒多；密度大（1.6~2.4）、浮托力強，具直進性；堆積不散流、無分選。此類泥石流破壞力極強。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第4節(jié) 泥石流分類一、流體性質2、稀性泥石流固體物含量低（＜40%）、細粒少、密度值中等（1.2~1.6）；水泥漿速度大于石塊速度，具極強沖刷力；堆

14、積散流、有分選。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第4節(jié) 泥石流分類二、流域形態(tài)1、標準型—典型泥石流，流域呈扇形，面積較大，能明顯分出形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)。2、河谷型—流域呈狹長形，形成區(qū)為河流上游溝谷，物源分散、水源豐富，流通、堆積區(qū)不能明顯分開。3、山坡型—流域呈漏斗狀，面積較小，無明顯的流通區(qū)，形成與堆積區(qū)相連?！懊婷婢愕健?、“源遠流長”、“直截了當”。,,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第

15、5節(jié) 泥石流預測預報空間預測—確定泥石流危險區(qū)的分布（大、中、小比例尺）。時間預報—泥石流爆發(fā)的可能性，時間上定量?；咎卣髦怠嗍鬟\動的參數，定量評價、預測預報、防治設計必不可少的數據。危險度判定—發(fā)生的可能性及危害的嚴重程度。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報---空間預測小比例尺—確定危險區(qū)分布狀況（全國、?。壤邽?：100萬。中比例尺—查明區(qū)內泥石流的一般規(guī)律及形成條件，確

16、定泥石流發(fā)生的危險度。比例尺為1：10~50萬。具體內容：地層巖性、構造、地形切割情況，泥石流活躍度、危險度。大比例尺—分析流域泥石流發(fā)育特征，擬定防治對策。比例尺為1：1~5萬。分析圖上應反映泥石流形成的各項因素及定量指標。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報--時間預報泥石流爆發(fā)取決于強烈的地表徑流。與災害暴雨相關季節(jié)指標—災害暴雨型、冰雪融化型泥石流發(fā)生季節(jié)有規(guī)律。中長期和短期預報均用此指

17、標。天氣尺度—控制災害暴雨的天氣尺度系統(tǒng)各地不同。沿海：熱帶風暴；西南、西北地區(qū)：低渦和切變線。日暴雨量—決定泥石流發(fā)生的幾率和規(guī)模。東南沿海、西南地區(qū)，＞200；西北地區(qū)，25~50小時雨強—直接影響泥石流發(fā)生的危險性。,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報--特征值分析密度—用于流速、流量、方量計算與防治工程設計。 實測典型剖面，土、石分別按體積百分量計算。流速—經驗公式計算。流量

18、—雨洪修正法、泥痕調查法。泥位—反映流速、流量，并與泥石流規(guī)模、危險度相關。超出危險泥位，可能成災。實測。方量—表征泥石流危險度的重要指標。 用泥石流過程曲線直接求；據泥石流過境痕跡推測。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報--特征值分析流速—粘性（陳光曦）： --稀性（鐵一院）： --（北大地理系）：,,,,,,,,,,,,,,,時間-1964~1966；地點-東

19、川蔣家溝,時間-2002；地點-蔣家溝,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報--特征值分析流量--,,,,,,,,,,,,,,,Q w-清水流量；φ-修正系數；Dd--堵塞系數；Wd-過流斷面面積；Vd-流速；,a, 雨洪修正法：,b, 泥痕調查法：,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第5節(jié) 泥石流預測預報--危險度判定單因子判定—以一次泥石流沖出物最大方量判定。多因子綜合評判—是否為泥

20、石流溝、活動度如何。參評因子：規(guī)模、流域面積、地形高差及切割程度、溝床特點、物源豐度、降雨及雨強、危害類型及發(fā)展趨勢。評價方法：確定主因素→分項給級差→賦值→列參評因子反應矩陣→求危險度。分級：嚴重、中等、輕微、非。,,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第6節(jié) 泥石流防治對策總原則：全流域規(guī)劃、統(tǒng)籌兼顧；大流域著眼、小流域入手；突出重點、抓住要害。危險區(qū)建立警戒避難體制。三區(qū)防治重點：形成區(qū)—蓄水、固沙、護坡。

21、流通區(qū)—減速、削能。堆積區(qū)—合理疏導。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第6節(jié) 泥石流防治對策--形成區(qū)防治思路：從泥石流產生基本條件（固體物、水體）和觸發(fā)條件（地表徑流強度）兩方面考慮。護坡：減少松散固體物來源；開發(fā)性治理水土流失：控制地形切割程度，減小地表徑流強度；排洪：使水沙分離，減小地表徑流強度，降低聚流水動條件，從根本上扼制產生泥石流的動因。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第6節(jié) 泥石流

22、防治對策--流通區(qū)防治思路： 控制固體物來源、減小地表徑流強度。保護溝床：截斷固體物補充源；攔擋：攔截固體、排液體，調整溝道形狀，減小縱比降，降低流體速度，削弱運動能量。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第6節(jié) 泥石流防治對策--堆積區(qū)防治思路：合理疏導保暢通，固留液走。排導：導向堆積場所，不與人類工程產生矛盾，不阻滯后續(xù)流體；固物堆積于適當的位置，不排向江河主流。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第

23、7節(jié) 泥石流治理措施一、生物措施：水源涵養(yǎng)林--削減固物、調節(jié)氣候、降低雨強（形成區(qū)）。水土保持林—調節(jié)徑流、穩(wěn)坡減固蓄水（形成區(qū)、流通區(qū)）。防沖林—護溝床、防（減）對下游沖擊（流通區(qū)）。固灘林—防風固沙護堤，改良環(huán)境（堆積區(qū)）。長遠、根本、見效慢。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,第7節(jié) 泥石流治理措施二、工程措施治水—調洪水庫、截水溝、蓄水池、泄洪洞、引水渠，攔洪削峰減動能。治土—攔擋（攔沙壩、谷坊）

24、：攔固（粗）、放水、減坡降、減流速、削能（阿拉木圖：壩高145m）；支擋：護坡防沖。排導—明硐、導流堤、排導溝：調流向、防漫流。儲淤—攔泥庫、儲淤場：攔固（細）削能、使流體順暢。全面、應急、治標不治本。,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,思考題：1、泥石流形成的三個基本條件是什么？2、泥石流的運動特征表現在哪些方面，針對其直進行特征防治時應如何考慮？3、泥石流按物質組成分類依據為何？4、稀性泥石流與粘性泥石流存在哪

25、些方面的差異?5、泥石流的特征值有哪些，其對泥石流預測預報及防治的意義為何？,泥石流排導措施,1-壩和堤防；2-導流堤,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,泥石流防治措施,,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,,典型泥石流流域示意圖,,泥石流流域形態(tài)分類,,標準型泥石流,坡面型泥石流,坡面泥石流景觀,溝谷型泥石流,泥石流運動示意,,泥石型,水石型,泥流型,泥石流類型,,泥石流

26、過程線,基礎工程地質學第五章泥石流工程地質研究,,,中國泥石流分布,,,,,小江流域泥石流,小江泥石流停淤景觀。該流域泥石流一年內爆發(fā)數十次，堆積量可達數十至數百萬立方。,小江流域泥石流--蔣家溝,蔣家溝泥石流年均爆發(fā)16~20次，一次固體物沖出量31.6萬立方，450萬立方/年，多次堵江，最長達半年，水位上升10米，圖為泥石流爆發(fā)時的龍頭景觀。,小江流域泥石流--大白泥溝,大白泥溝泥石流淤埋鐵路隧洞。,寶天鐵路泥石流--伯陽,泥石流

27、淤埋了伯陽車站，并堵塞了渭河，災害損失巨大，1978年7月。,,泥石流危害城鎮(zhèn),泥石流危害城鎮(zhèn),成昆線--太平溝,泥石流淤埋房屋。固體物總量10萬方，龍頭高8米，毀民房，中斷行車，1988年7月。,泥石流危害村莊,黃河流域—西高莊泥石流,泥石流危害村莊,關中地區(qū)泥—蘭田,泥石流沖毀房屋。,泥石流危害村莊,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,成昆線--利子達依溝,1981年7月 ，特大型

28、泥石流，最大流量3200方/秒，固體物總量70萬方，沖毀大橋，顛覆列車，造成人員傷亡。,泥石流危害道路,成昆線--利子達依溝,搶修、架橋、臨時通車。成昆線北段，甘洛附近。,泥石流危害道路,成昆線--太平溝,清理后的車站和泥石流一角。,泥石流危害道路,成昆線泥石流,水渠潰決形成泥石流，列車被泥石流推翻，1984年6月。,泥石流危害道路,小江流域--姑海,姑海泥石流沖毀鐵路路基，鐵軌懸空。,泥石流危害道路,寶天鐵路—顏加河,暴雨泥石流，體積

29、3000立方，毀橋埋路，堵塞隧道，中斷行車，1981年8月。,泥石流危害道路,,泥石流形成的地質背景分析,,,,,東川泥石流觀測研究站的泥石流觀測,,,川藏公路--古鄉(xiāng),,三峽庫區(qū)的人工棄渣與泥石流,巴東新城區(qū)黃家大溝,3.31中環(huán)路下方泥石流造成公路堵塞,鏡向S,,主溝,黃家大溝人工棄渣沖入長江，形成半島,鏡向NW,,,泥石流防治,大秦鐵路上莊站泥石流涵洞模型試驗,泥石流防治,蘭新線高橋跨越泥石流，橋墩前建造護墩工程,泥石流防治,泥石

30、流防治,,預測預報預警,中國科學院-水利部成都山地災害與環(huán)境研究所,泥石流,東川泥石流觀測研究站的觀測系統(tǒng),發(fā)展趨勢預測,泥石流暴發(fā)因素反饋環(huán)圖,,規(guī)模預測,I. 固體物質物源 與供給方式,,滑坡、崩塌坡面、溝谷侵蝕人類活動作用,水源及供給 方式,,暴雨泥石流冰川泥石流潰決泥石流,區(qū)域性預測：,直接指標預測方法間接指標預測方法,直接指標與間接指標相結合的模糊信息模型,單溝預測：,地貌分析法

31、泥痕調查法要素統(tǒng)計法,泥石流運動數值模擬法,1. 活動性預測 2. 危險范圍預測,活動歷史分析法形成要素分析法 形成機理分析法,泥石流預報的思路,區(qū)域泥石流預報,物元模型,預報結果表述,泥石流發(fā)生概率等級：0.9, 0.6, 0.3, 0.0,因素選取,地形相對高差(E) 地質(G)預報降水量(J),溝谷泥石流預報,物元模型,預報結果表述,泥石流發(fā)生概率等級：0.9, 0.7, 0.

32、5, 0.3, 0.1,因素選取,流域面積(A)溝床比降(S) 地質(G)預報降水量(J),,降雨泥石流預報的時間尺度,接觸式警報器(第一代）,報警裝置,超聲波泥位警報器（第二代）,超聲波泥位報警：考慮到泥石流泥深能直觀地反映泥石流規(guī)模大小和可能危害程度的因素，利用回聲測距的原理，測得傳感器斷面的泥石流泥深h2， 式中：h1和h2-分別為上下兩

33、個斷面泥石流泥深;nc1和nc2-分別為上下兩個斷面的泥石流糙率密度系數;b1和b2-分別為上下兩個斷面寬度;Ｉ1和Ｉ2分別為上下游斷面的溝床縱比降。 泥石流預報時間，即由發(fā)報到泥石流到達下游斷面的時間，由下式確定。 T＝Ｓ／V， 式中：T-預報時間；S-兩斷面間的距離，V-泥石流流速。,報警裝置,蔣家溝泥石流泥位警報區(qū)和非警報區(qū)實測值,地聲警報

34、器（第三代）,報警裝置,泥石流地聲波形圖,次聲警報器（第四代）,根據泥石流次聲音頻特征，利用次聲原理研制了泥石流次聲警報系統(tǒng)。該系統(tǒng)靈敏度為55cmv/pa，主機部分由濾波器、放大鏡、聲光警報器和數據傳輸口構成。外圍設備主要是數據采集器，數據采集器可與計算機相連，采集的數據供數據分析研究使用。該系統(tǒng)共制作4套，在中國科學院東川泥石流觀測研究站實測實驗。經過4場泥石流的實測證明，該系統(tǒng)運行正常，可提前30分鐘至40分鐘發(fā)出泥石流警報，達到

35、了預期的效果。,報警裝置,預報模型－I—— 成昆鐵路沿線模型,預報模型,預報模型－II(單溝）—— 蔣家溝模型,預報模型,蔣家溝泥石流預報模型,城鎮(zhèn)泥石流減災決策支持系統(tǒng)的結構,基礎數據庫模塊,數學模型模塊,減災決策應用模塊,,泥石流溝基本資料,雨量資料,,數字地形圖,城市總體規(guī)劃圖,,,,,泥石流的預報,危險范圍預測,,災情預估,臨災方案,,,,,降雨量的統(tǒng)計分析,月雨量的直方圖,,臨界雨量的計算,,泥石流預報模型,危險范圍預測模型