第七章泥石流工程地质研究

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泥石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,因此在流域内形成二种汇流现象,一是水的汇流;二是沙的汇流。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,上复松散土体饱水后,由于土体中C、Φ值降低和有压地下水底作用,也可能形成坡面泥石流。简言之,泥石流就是发生在山区的一种含有大量泥砂和石块的暂时性急水流。泥石流的定义第七章泥石流工程地质研究第一节概述中国泥石流易发分图区中国泥石流易发分区在第一阶梯内青藏高原山区,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,故属于泥石流轻度易发区。在第三阶梯内的山区,暴雨形成强度和总量均较大,但地表植被好,物源条件不很稳定,故为暴雨泥石流中度易发区。在第二阶梯内山区,主要受纬向因素决定,大体可分为三区秦岭以南广大山地,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。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易发区相间的过度区。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。泥石流活动进程与一般山洪活动的根本区别:1.这种流体中固体物质含量很大,有时可超过水体量;2.在一个地段上往往突然爆发,能量巨大,来势凶猛,历时短暂,复发频繁。第二节泥石流的的形成条件泥石流的形成,必须同时具备三个基本条件:1.地形条件2.地质条件3.气象水文条件一、地形条件泥石流总是发生在陡峭的山岳地区,一般是顺着纵坡降狭窄沟谷活动。每一处泥石流自成一个流域。典型的泥石流流域可划分为三个区:泥石流活动三过程:形成——输移——堆积,是地表一次破坏和塑造过程平面呈一不对称的哑铃形成区和堆积区的形态极不稳定。形成区由条带状向树枝状发展。流通区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,进逼下游大河变形。1、泥石流形成区(上游)①.多为三面环山、一面出口的圆形宽阔地段,周围山坡陡峭多为30°-60°的陡坡,其面积可达数平方公里-数百平方公里;②.坡体往往光秃破碎,无植被覆盖;③.斜坡常被冲沟切割,且有崩塌、滑坡发育;2、泥石流流通区(中游)多为狭窄而深切的峡谷或冲沟,谷壁陡峻而纵坡降大;3、泥石流堆积区(下游)多为山口外或山间盆地边缘,地形较平缓二、地质条件地质条件决定了松散固体物质来源,也为泥石流活动提供动能优势。泥石流强烈活动的山区,都是地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、地震频发、崩滑灾害丛生的地区。三、气象水文条件泥石流形成必须有强烈的地表径流,它为爆发泥石流提供动力条件。据地表径流来源:暴雨、冰雪融化、水体溃决。降雨流域环境地形植被松散堆积物(人为的、自然的)集中补给分散补给泥沙汇流洪水汇流河沟或坡面洪水泥石流块体运动崩塌滑坡洪水淘蚀泥石流形成过程框图第三节泥石流特征泥石流的特征取决于它的形成条件,对其特征的研究,有利于搞清泥石流的活动规律,进行预测、预报并采取有效的防治措施。一、泥石流的密度取决于水体和固体物质含量的相对比例以及固体物质中细颗粒成分的多少,一般1.2—2.4t/m3。固体物质百分含量愈高和细颗粒成分愈多,则泥石流密度愈大。二、泥石流的结构泥石流体最主要的结构,是由石块、砂粒和泥浆体所共同组成的格架结构。格架结构据石块含量和粒径变化分为:1.星悬型2.支承型3.叠置型4.镶嵌型三、泥石流的流态泥石流的流态主要受水体量与固体物质的比值以及固体物质的粒径级配所制约。泥石流体大多属似宾体系(泥浆体系宾汉体),故流动理论多以宾汉方程为基础,当泥石流体中固体物质较少,且以粗大砂砾为主时,则与牛顿体紊流和流变方程相同。(一)、据研究泥石流主要流态有:紊动流、扰动流、蠕动流。1.紊动流:它是稀性泥石流所具有的流态,与挟沙水流的紊流类同,它的流变方程为:τ=ρd*l2(dVd/dy)2其中:τ-切应力;ρd-泥石流体密度(dVd/dy)-流速梯度l-混合长度(紊流体单位体积横向平均移动的距离)Vd-泥石流体中距床底y处的流速2.扰动流:它是粘性泥石流最常见的一种流态,它的流变方程是以宾汉方程为基础:τ=K0τβ+KωηddVd/dy+ρd(Kcl)m(dVd/dy)2其中:K0、KωKc分别为泥石流运动时与结构变化和扰动强度有关的修正系数;m-指数,一般取2;τβ-宾汉极限切力;ηd-流体粘度3.蠕动流(似层流):当粘性流流速较小、流速梯度也较小、流体中的石块移动和转动缓慢时为蠕动流,其流变方程为:τ=K0τβ+ηddVd/dy≈τβ+ηddVd/dy(τβ+ηddVd/dy--宾汉流体方程)(二)、泥石流流速确定1.铁一院推荐的稀性泥石流流速计算式:Vd=1.53/α×Rd2/3×I3/8Vd-泥石流断面平均流速(m/s);I-泥体纵坡降(%);αd-泥石流密度Rd-泥石流体的水力半径(m);α-阻力系数,α=(φ*ρs+1)1/2,其中φ为泥石流修正纯系数φ=(ρd-1)/(ρs-ρd);ρs-泥石流固体物质的密度(t/m3)2.陈光曦等据川东n条典型粘泥石流沟观察同料等推荐粘性泥石流流速计算公式:Vd=K*H2/3*I1/5H--泥石流泥深;I--泥位纵坡;K--流速系数(可查表)四、泥石流的直进性一般情况下,泥石流流体愈粘稠,直进性愈强,冲击力也就愈大。五、泥石流的脉动性由于泥石流具有宾汉性质和运动的阻塞特性,故流动不均匀,往往形成阵流----脉动性。脉动性是泥石流运动过程区别于洪水流动过程的又一特性,一般洪流过程是单峰型,而泥石流过程成为的正弦曲线,几乎以相等的时间间隔一阵一阵地流动。第四节泥石流的分类一、按泥石流流域形态分类1.标准型泥石流:为典型的泥石流,流域呈扇形,流域面积较大,能明显地划分出形成区、流通区和堆积区。2.河谷型泥石流:流域呈狭长条形,其形成区多为河流上游的沟谷,固体物质来源分散,沟谷中有时常年有水,水源丰富,流通区与堆积区往往不能明显分出。3.山坡型泥石流:流域呈斗状,其面积一般小于1km2,无明显流通区,形成区与堆积区直接相连。二、按泥石流物质组成分类1.水石流型泥石流2.泥石流型泥石流3.泥水流型泥石流坡面型泥石流沟谷型泥石流水石型泥流型泥石型三、按泥石流流体性质分类1.粘性泥石流(1).细粘粒多,固体物质达40—60%以上(2).具有很大的粘性(3).密度大(1.6—2.4t/m3),浮托力强(4).堆积区不发生散流现象(5).堆积物无分选性2.稀性泥石流(1).水较多,固体物质占10—40%,且细粒物质少(2).水泥浆速度石块的运动速度(3).堆积区呈扇状散流(4).堆积物结构松散,层次不明显,沿流途的停积物一定的分选性第五节泥石流成灾类型及特点图灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状1.破坏自然生态环境灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状2.冲毁灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状2.冲毁灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状2.冲毁灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状3.淤埋灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状3.淤埋灾害沿泥石流通过地区展布,随地形变化成带状和片状4.堵塞第六节泥石流的防治措施一、防治1.防治原则:避强制弱、局部防护、重点处理、以防为主、综合防治2.防治措施:1).水土保持措施:平整山坡、植树造林、修建谷坊、坡面排水等;→泥石流形成区2).拦挡措施:各种拦挡坝与坝群;→泥石流流通区3).排导措施:排洪道、导流堤、停淤场。→泥石流堆积区泥石流防治实例泥石流防治实例泥石流防治实例泥石流防治实例泥石流防治实例泥石流防治实例拦档建筑物的主要作用1.控制泥石流的强度拦截泥沙,降低泥石流的密度,改变输沙条件,减少输沙粒径,调节输沙量,使泥沙输移形态由泥石流向水流输沙转化。2.降低河床坡降,减缓泥石流运动速度并防止河道纵向侵蚀和横向侵蚀。3.充分利用回淤效益、稳坡稳谷。4.调整流向。拦档建筑物的使用条件1.中上游或下游大河没有排沙或停淤的地形条件,必需控制上游产沙的河道。2.流域来沙量大,沟内崩塌、滑坡体较多。3.要求短期内生效的。4.上游有一定的筑坝地形(较大的库容和狭窄的坝址)。5.地方部门能协同治理。格栏坝排导工程排导工程作用1.控制灾害的位置将可能堆积在生产生活设施附近,并危及安全的泥沙设法安排到远离被防护区的适当地区。2.利用泥石流自身的力量提高或改变自然情况下沟槽的搬运能力。增大输沙粒径。3.维持沟槽坡度,限制纵向和横向变形,防止沟岸、沟床变形引起的崩塌、滑坡。4.调整流路,使泥石流按人们指定的方向运动。排导工程使用条件1.有排沙的地形条件。2.未端有较高的地形差在大河主流一侧。3.需要改变现有流路,要求短期生效的。4.坡度较小的地方也可采用拦排结合,先拦后排。排导工程栏排工程

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