暴雨泥石流活动、勘查、危险性评估及其防治.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流暴雨泥石流活动、勘查、危险性评估及其防治.精品文档.暴雨泥石流活动、勘查、危险性评估及其防治谭炳炎铁道部中南科学研究所第一部份 暴雨泥石流活动一、暴雨泥石流的基本概念我国是一个多山之国,山地面积约占2/3,山是江河之源,江河沟谷是地表径流对地表土壤产生侵蚀以后形成输送水和泥沙的通道,是一个天然的输送系统,其形成和发展过程都是地壳运动的必然结果。沟源的侵蚀、水沙输移的强弱是流域特性的综合反映。河流两岸自古以来就是人类活动集中的地方,人类赖以生存又深受其影响,随着人口增加和开发山区矿业以及发展工农业和国防事业的布局,人类活动正向山区发展。近年来山
2、地灾害有日益增长之势。1、泥石流是一种不同于洪水、滑坡的特殊洪流泥石流是山区常见的一种灾害性的泥沙集中搬运现象,属于固、液两相流体运动。泥石流防灾学是研究地表形态演化学科中新独立出来的一个分支,它是直接为国土开发,保证为人类安全生产建设服务的学科之一,它的发生和发展是地理环境、地质背景、气象因素和人类活动综合作用的结果。在泥石流体中的固体物质的颗粒间充满水或泥浆,为松散结构,在运动过程中形成动接触,没有稳定的连接构造,是一种不稳定的流动体,因此和崩塌、滑坡体不同。在这种流动体中固体物质含量和粒度组成大大超过一般洪水的极限含沙量和粒度组成常见范围,以及某些粘性物质含量超过某一限度后出现的特性等,
3、从而使这些流动体又具有某种和洪水不同的特性,这就是我们需要认识既不同于崩塌滑坡,又不同于洪水,而是介于二者之间的泥石流。2、泥石流的形成机理泥石流是一种特殊洪流。是山区汛期常见的一种严重的水土流失(泥沙失稳搬运)现象。它是泥沙在水动力作用下失稳后,集中输移的自然演变过程之一,具有严重的灾害性。某些山区河流在汛期中由于暴雨或其它水动力如溃坝、冰川、融雪等作用于流域内不稳定的地表松散土体上,由于松散土体失稳参与洪流运动,因此水和泥沙在流域内形成二种汇流现象,一是水的汇流;二是泥沙的汇流。这二种不同相的物质在共同的流动空间内混合而形成一种特殊的水,沙混合输移现象。当这种特殊的流体中含沙量超过某一限值
4、后,因其流动特性的变化而形成的一种特殊洪流,它对工程设计及环境的影响与洪水、滑坡不同而称为泥石流。在一些植被较好的陡坡面,下伏基岩或不透水层埋藏较浅、前期降水充分,上覆松散土体饱水后,由于土体中C、值降低和有压地下水的作用,也可能形成坡面泥石流。3、泥石流的组构和运动特性由于流体中所含泥沙来自不同坡面和不同区段上自然或人为的松散的非均质土石堆积体,运动边界很不稳定、变形显著,其粒度的级配变化很大,以及在运动过程中固液相汇流过程的不恒定性和泥沙沿程补给与落淤的随机性而使容重、流量呈高度不稳定性和不均恒性。因为暴发突然,惯性大,运动呈直进性,历时短暂,故搬运能力和破坏能力极大。沿程泥沙的运动和堆积
5、特性,存在三种类型,一是整体搬运整体停积,沙、石、浆体不发生分选,如高浓度的泥流型和泥石型泥石流;二是整体搬运分散堆积,如高浓度的水石型和泥石型泥石流;三是分散搬运,分散堆积,如中、低浓度的水石型和泥石型泥石流。泥石流活动存在形成输移堆积三个发展阶段,是地表一次破坏和塑造过程,其平面呈一不对称的哑铃,形成区和堆积区的形态极不稳定。形成区形态由条带状向树枝状发展,而流通区则在发展过程中相对稳定。堆积区由于流域内来沙量的增长而不断扩展,进入下游大河的泥沙,严重的可以堵塞大河形成壅塞湖,一旦潰决将给沿河上下游造成二次灾害,局部堵塞时易使下游大河河型发生变化,改变河流输水输沙条件。 由于松散物体在失稳
6、过程中释放巨大能量,在运动过程中,惯性大,速度快。因其具有强大的动能和携带大量的泥沙石块,故能冲毁或淤埋沿途中各种建筑物。4、泥石流活动的地域分布泥石流活动的分布特征因地面松散固体物质的形成、输移和堆积环境与地质构造、地层岩性和人类活动有关。故泥石流一般都是发育在新构造活跃地区,构造复合部、局部隆起区以及深大断裂破碎带上。地震和人类活动具有诱发和加剧活动的作用。在抬升区和隆起区内的地形有利于松散地堆积物的起动输移。在国内的第一、二阶梯和第二、三阶梯地形的联接地带、山前断陷地带是泥石流的集中分布区。83%的泥石流沟分布在第二阶梯地形内,。根据我国特殊的地形、地质、气候和人文环境,泥石流活动各区易
7、发(严重)程度可分为:1)、第一阶梯内青藏高原山区:植被稀少,物理风化严重,物源条件充足,但因水源条件不充分,暴雨强度和总量均较低,故属于暴雨泥石流轻度易发区。2)、第三阶梯内的山区:暴雨形成强度和总量均较大,但地表植被好,化学风化为主物源条件不很稳定,南北方差异大,故为暴雨泥石流中度易发区。3)、第二阶梯内山区:主要受纬向因素决定,大体可分为三区:(1)秦岭以南广大山地:属湿润高中山区,地形差异大,雨量丰沛、物源丰富,故为暴雨泥石流极易发区;(2)秦岭以北、阴山以南的第二阶梯中部地区:属半干旱、半湿润地区,有大片黄土和部分沙漠覆盖,物源丰富,暴雨强度大而总量不足,是暴雨泥石流的极易发区和中等
8、易发区相间的过渡区;(3)广大的新疆,内蒙及甘、宁一部分等第二阶梯的北部:属半干旱和干旱的高中山区,有大片沙漠黄土、戈壁,植被稀少,物源丰富而水源不足,故为泥石流轻度易发区。二、泥石流与洪水、滑坡的区别泥石流是一种特殊洪流,由于流体属性、流型、泥沙补给条件、含沙量和形成条件等的特殊性而有别于洪水、滑坡。三者的主要区别见表12-1表121 泥石流与洪水、滑坡的区别泥石流判别条件洪水水石流泥石流泥流滑坡重度(tf/m31.31.31.31.62.1流体属性牛顿体(一相)牛顿体(二相)牛顿体(二相)牛顿体(二相)牛顿体(二相)非流体(一相)流型Fr=V2/gh紊流型Fr1紊流型Fr1紊流型Fr1紊流
9、型Fr1层流型Fr1滑动(沿一定滑面滑动、蠕动动力类型水动力型水动力型水动力型水动力型土体沿剪切面作重力运动粘滞性无粘性无粘性无粘性有粘性有粘性只在剪切面上可能存在运动恒定性非恒定流强非恒定流强非恒定流强非恒定流不存在起始切应力无无无有 很小无有有河床坡降30302503025030250土体结构土体脱离母体后,不存在原有结构,在水体中成自由或半自由状态存在。土体脱离母体后,不存在原有结构,在水体中成自由或半自由状态存在。土体脱离母体后,不存在原有结构,在水体中成自由或半自由状态存在。土体脱离母体后,不存在原有结构,在水体中成自由或半自由状态存在。除滑面附近土体结构破坏外,滑体上的土体结构破坏
10、不太大。泥沙补给与输移分散的面上补给及沟岸和沟底的冲淤变化的沿程补给。两岸崩滑体及沿程大冲、大淤、堵塞溃决的集中补给,以及分散的面上补给。两岸崩滑体及沿程大冲、大淤、堵塞溃决的集中补给,以及分散的面上补给。两岸崩滑体及沿程大冲、大淤、堵塞溃决的集中补给,以及分散的面上补给。泥沙无流动现象。泥沙粒径与级配的变化粒径与级配的变化不大粒径与级配的变化很大粒径与级配的变化很大粒径小、级配的变化较均匀粒径与级配无变化活动边界条件沿一定沟槽流动,流路较稳,微地貌变化小沿一定沟槽流动,但流路不稳定,微地貌变化很大沿一定沟槽流动,但流路不稳定,微地貌变化很大沿一定沟槽流动,但流路不稳定,微地貌变化很大剪切破坏
11、,滑体沿主滑方向滑动形成的制约因素受流域内的产水、产沙控制受流域内暴雨强度及不稳定的物源量与产状控制受流域内暴雨强度及不稳定的物源量与产状控制受流域内暴雨强度及不稳定的物源量与产状控制受地下水和土体剪切作用控制三、泥石流的类型现行泥石流分类方法很多,专家们从不同的角度来认知泥石流,既有深度,也有广度。从现场生产应用和方便考虑,多采用以下几种分类方法。1. 按泥石流的成因分1)自然演变型区域地质环境差,地表松散岩、土体稳定性较低,生态环境脆弱的某些山区,在长期的自然演变过程中,由于水动力作用,发生的一种泥沙(地表松散物)集中搬运现象。2)人类不合理活动型人类活动对环境的干预所造成的负面结果,在一
12、定条件下将形成人为的泥石流,常见的人类不合理活动有:(a)工、矿、交通、城镇建设弃渣不当,环境意识不足,管理水平低。(b)切坡、陡坡开荒、过度放牧。过度砍伐森林等落后生产模式。(c)建筑标准较低的堤、坝、中小水库、水渠,支挡等水工和土工建筑物。(d)陡坡面上植被单一,缺乏科学的多层次立体防护。3)混合型既有自然演变的部分,也有一部分是人类不合理活动造成的。2. 按泥石流活动产出的环境分1)坡面型泥石流主要发生在30度以上的山坡坡面上,不透水层埋藏较浅,表层有较好的植被覆盖,无沟槽水流,水动力为地下水浸泡和有压地下水作用,在同一坡面上可多处同时发生,成梳状排列,突发性强,无固定流路。2)沟谷型泥
13、石流有明显的坡面和沟槽汇流过程,松散物主要来自坡面和沟槽两岸及沟床堆积物的再搬运。泥石流流动除在堆积扇上流路不确定外,在山口以上基本上集中归槽。二者特点见表1-31:表13-1 泥石流按集水区地貌特征分坡面型泥石流沟谷型泥石流1、无恒定地域与明显沟槽,只有活动周界。轮廓呈保龄球形。2、限于300以上斜面,下伏基岩或不透水层浅,物源以地表覆盖层为主,活动规模小,破坏机制更接近于坍滑。3、发生时、空不易识别,成灾规模及损失范围小。4、坡面土体失稳,主要是有压地下水作用和后续强暴雨诱发。暴雨过程中的狂风可能造成林、灌木拔起、倾倒,使坡面局部破坏。5、总量小,重现期长,无后续性,无重复性。6、在同一斜
14、坡面上可以多处发生,呈梳状排列,顶缘距山脊线有一定范围。7、可知性低、防范难。1、以流域为周界,受一定的沟谷制约。泥石流的形成、堆积和流通区较明显。轮廓呈哑铃形。2、以沟槽为中心,物源区松散堆积体分布在沟槽两岸及河床上,崩塌滑坡、沟蚀作用强烈,活动规模大,由洪水、泥沙两种汇流形成,更接近于洪水。3、发生时空有一定规律性,可识别,成灾规模及损失范围大。4、主要是暴雨对松散物源的冲蚀作用和汇流水体的冲蚀作用。5、总量大,重现期短,有后续性,能重复发生。6、构造作用明显,同一地区多呈带状或片状分布,列入流域防灾整治范围。7、有一定的可知性,可防范。3. 按泥石流体中组成物质特性分:1)泥流型:固体物
15、质以细颗粒粘土和泥沙为主,混合较为均匀,浆体流变特性不再属于牛顿体的一种泥石流,其容重的判别指标根据沙玉清和钱宁教授有关黄土浆体流变特性试验,泥流与洪水的容重分界点c=1.6t/m3。2)水石型:固体物质以粗颗粒泥沙、石块为主,水沙呈分离状,浆体流变特性服从牛顿体的一种泥石流。根据模型试验观测到的流动和堆积形态和专家们多次讨论的约定,水石流与洪水的容重判别指标,分界点rc=1.3t/m3。3)泥石型:介于上述两种类型间的一种泥石流类型。固体物质的级配差别很大,细颗粒物质和粘土物质含量视流域内土体贮量产状而异,浆体流变特性则取决于粘土物质含量及性质。泥石流与洪水的容重判别指标,分界点rc=1.3
16、t/m3。其分类主要技术指标见表13-2:表13-2 按泥石流的物质组成分分类指标泥流型泥石型水石(沙)型重 度1.60t/m31.30t/m31.30t/m3物质组成粉沙、粘粒为主,粒度均匀,982.0mm各级粒度,粒度很不均匀(水沙流较均匀)流体属性多为非牛顿体,有粘性,粘度0.30.15 Pa.S多为非牛顿体,少部分也可以是牛顿体。有粘性的,也有无粘性的。为牛顿体,无粘性残留表观有浓泥浆残留表面不干净,表面有泥浆残留表面较干净,无泥浆残留沟槽坡度较缓较陡(105.71o)较陡(10)分布地域多集中分布在黄土及火山灰地区。广见于各类地质体及堆积体中。多见于火成岩及碳酸盐岩地区。4、按暴发的
17、周期、频率分:第三阶梯内的湿润地区的河沟发生泥石流的周期较长规模大,周期短,规模小。第一阶梯及第二阶梯内干旱少雨地区,因松散固体物源充分,只要降雨诱发条件具备便可发生各种规模的泥石流。这些地区泥石流发生受暴雨周期制约,因暴雨少、周期长故同一条沟泥石流发生周期也长。第二阶梯内,物源水源条件均充分,故泥石流发生的周期较短,部分泥石流沟年内可连续多次发生,且规模较大。高频泥石流: 1年多次至5年1次。 中频泥石流: 1次/520年)。低频泥石流: 1次/2050年)。 极低频泥石流: 1次/50年)。5、按流体性质可分为粘性泥石流和稀性泥石流,其分类主要技术指标见表13-3 表13-3 泥石流按流体
18、性质分性 质稀 性 泥 石 流粘 性 泥 石 流流体的组成及特性浆体是由不含或少含粘性物质组成,粘度值0.3Pa.S,不形成网格结构,不会产生屈伏应力,为牛顿体。浆体是由富含粘性物质(粘土、0.3Pa.S,形成网格结构,产生屈伏应力,为非牛顿体。非浆体部份的组成非浆体部份的粗颗粒物质由大小石块、砾石、粗砂及少量粉砂粘土组成。非浆体部份的粗颗粒物质由0.01mm粉砂、砾石、块石等固体物质组成。流动状态紊动强烈,固液两相作不等速运动,有垂直交换,有股流和散流现象,泥石流体中固体物质易出、易纳,表现为冲、淤变化大。无泥浆残留现象。呈伪一相层状流,有时呈整体运动,无垂直交换,浆体浓稠,浮托力大,流体具
19、有明显的辅床减阻作用和阵性运动,流体直进性强,弯道爬高明显,浆体与石块掺混好,石块无易出、易纳特性,沿程冲、淤变化小,由于粘附性能好,沿流程有残留物。堆积特征堆积物有一定分选性,平面上呈龙头状堆积和侧堤式条带状堆积,沉积物以粗粒物质为主,在弯道处可见典型的泥石流凹岸淤、凸岸冲的现象,泥石流过后即可通行。呈无分选泥砾混杂堆积,平面上呈舌状,仍能保留流动时的结构特征,沉积物内部无明显层理,但剖面上可明显分辨不同场次泥石流的沉积层面,沉积物内部有气泡,某些河段可见泥球,沉积物渗水性弱,泥石流过后易干涸。四、泥石流发生与否的综合判别模式山区某一流域在降雨的作用下是否发生泥石流,这是一个极其复杂的问题。
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