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1、陕北典型黄土泥流发育规律及其防治对策,报告人：王家鼎教授单 位：西北大学时 间：2009.07,报告提纲,项目研究意义项目研究的现状及国内外动态,拟研究内容,技术路线,项目研究意义,泥流是黄土高原常见的一种地质灾害，它爆发突然，来势凶猛而迅速，破坏力强，对黄土高原区的工农业生产和人民生活带来了很大的麻烦并造成严重的危害。在陕北地区泥流往往冲进村庄和城镇，毁坏房屋、工厂、企事业单位及各种设备和设施，还掩埋人畜和农田，甚者造成村毁人亡。,危害,1971、7、23：清涧县普降暴雨，清涧河暴发特大粘性泥流，容重高达2t/m3，冲毁房屋400余间，农田2400余亩，造成严重经济损失。1977、7、56：
2、延河流域于发生大面积特大暴雨，延河暴发泥流，延安城严重受害，摧毁房屋5000多间，掩埋农田12.01Km2,死亡134人。1957-1982，神木县共出现大暴雨70次，平均每年2-3次。大暴雨期间，各河流一般均出现泥流。神府煤田多是露天开采，矿坑多修建在河流的高河漫滩或I级阶地上，泥流暴发，矿坑常被冲毁或淹埋，泥流还将大量煤炭冲走，最大煤块可达5000kg以上。1971、7、25：神木县突降大暴雨，窟野河流域暴发特大泥流，冲毁公路71km。1976年窟野河暴发泥流，将县城公路大桥摧毁。,对农业的危害,造成极其严重的水土流失。对7条沟道在8年期间的土壤流失总量的统计结果显示，泥流就占了62.9，
3、其中最大一次泥流就占了31.4。由于泥流产生了大量的水土流失，从而造成黄河高含沙水流甚至出现泥流。毁坏农田。黄土高原每年约有数万亩耕地遭受泥流袭击，对农业生产造成严重损失。1993年8月3日延安市突降大暴雨，延河流域暴发泥流，毁坏农田21306亩。冲毁淤地坝。1977年7月5日，1978年7月23日，1993年8月3日，曾在陕西省的子长县、绥德县、安塞县、清涧县、子洲县、延安市，发生了大暴雨和特大暴雨，许多沟谷暴发泥流冲毁淤地坝其中以绥德和清涧两县最为严重，80以上的淤地坝被泥流毁坏。,2006年月11日凌晨，受号超强台风带来的强降雨影响，石磨下村附近山体多处发生浅表层土质滑坡，并由这些滑坡作
4、为起动条件形成了泥石流，共造成人死亡，经济损失达158万元。,浙江省庆元县荷地镇石磨下村泥石流灾害,控制房屋建设规模，禁止挤占行洪通道,村庄挤占沟口，泥石流爆发时冲毁房屋，11人死亡（四川盐源，2006）,泥石流排导槽被建筑垃圾堆填，排洪能力减弱。,避免在冲沟内排放垃圾,注意访问和实地调查泥石流的发生历史,四川泸定杵尼乡泥石流灾害毁坏房屋和土地,通过正常洪水水位线来观测泥石流,测定泥石流堆积和泥位高度,宝天铁路泥石流,姑海泥石流,因此，深入调查陕北地区泥石流的形成条件、分布规律、分类、研究泥流的机理及其运动规律，并提出相应的防治对策对该区的防灾工作和促进地方经济建设发展具有重大的减灾现实意义，
5、是非常必要的。,项目研究的现状及国内外动态,一、泥石流分类 1、按山地地貌形态坡面型泥石流、沟谷型泥石流、河谷型泥石流。2、按泥石流固体物质组成泥流、水石流、泥石流。3、按物质状态粘性泥石流、稀性泥石流。4、按诱发因素暴雨型泥石流、溃决型泥石流、冰雪融水型泥石流、地震泥石流。5、按泥石流流域大小大型泥石流，中型泥石流和小型泥石流。6、按泥石流发展阶段 发展期泥石流，旺盛期泥石流和衰退期泥石流。,沟谷型泥石流,坡面型泥石流,河谷型泥石流,冻融泥流,华山水石流,9.24泥石流后的北川县城,二、泥石流的形成条件 泥石流的形成必须同时具备以下3个条件：陡峻的便于集水、集物的地形、地貌；有丰富的松散物质
6、；短时间内有大量的水源。,（一）地形地貌条件（二）松散物质来源条件（三）水源条件,项目研究的现状及国内外动态,但是,泥石流沟内的植被条件及人类工程活动均只能通过强化或弱化泥石流形成的三个基本因子来体现对泥石流的影响。,崩滑流物源,采矿弃渣及尾矿库,三、泥石流模型 20世纪90年代前,宾汉体模型、膨胀体模型、粘塑体模型、颗粒流模型和两相流模型是多年来进行粘性泥石流和稀性泥石流研究过程中主要采用的力学模型.1、宾汉体模型:=B+adu/dy(1)式中,切应力(kPa);B屈服应力(kPa);a刚度系数;du/dy剪切速率.B和a由流变试验确定,由一定数量的粒径D 0.01mm的粘粒决定。无粘性的粗
7、颗粒通常不会增大B,但却可增大a.,项目研究的现状及国内外动态,2、膨胀体模型:将泥石流体视为膨胀体，其主要依据是Bagnold对高浓度粗颗粒中性悬浮液在同心圆筒间所作的剪切试验，即 Pyy=aiP(D)2(du/dy)2cos(2)Pxy=Pyytg(2a)式中,Pyy,Pxy颗粒间碰撞产生的正应力和切应力(亦称离散应力);Ai试验常数;P颗粒浓度;D颗粒粒径;颗粒间动内摩擦角;颗粒线浓度.在颗粒惯性区内,粒间碰撞作用占优势,可忽略粒间流体的粘性作用;颗粒惯性区外称颗粒粘性区,粒间流体的粘性作用占优势,颗粒增大了悬浮液的有效粘性,应力与剪切速率呈线性关系.,3、粘塑体模型:将泥石流体视为粘塑
8、性体,其剪切粘塑性泥石流流变模型为 Pxy=Scos+Psin+1(du/dy)(3)Pyy=-P+2(du/dy)(4)式中,Pyy、Pxy正应力和切应力;S凝聚力;内摩擦角;P压力;1,2泥石流体的稠度指标和横向稠度指标;流变指标。对均匀颗粒而言,S和均为常数.屈服应力(Scos+Psin)随着颗粒浓度的增大而加大,流变指标一般为1 2.,4、颗粒流模型:将泥石流体概化为颗粒流,以粒间碰撞作用为主,忽略粒间气、水的作用.颗粒流的应力为：P=Pf+Pd+Pc(5)式中,P总应力;Pf摩擦应力;Pd弥散应力;Pc碰撞应力.对极慢速运动的高浓度颗粒流而言,Pf占主导地位,Pd和Pc可忽略不计.而
9、对快速运动的颗粒流,情况则相反,但其中Pd和Pc的消长关系主要视颗粒浓度不同而定,颗粒浓度较低时(C0.04),Pd为主,可忽略Pc;而颗粒浓度较高时(C0.35),Pc为主,可忽略Pd;颗粒浓度0.04C0.35时,Pd和Pc的影响处于同样的数量级.,5、两相流模型:将泥石流体概化为固相和液相,前者为粒径较大的沙和块石,后者为由细颗粒与水混合形成的均质浆体.据此将泥石流体内的作用力简化为固相和液相、固相颗粒间的作用力.组成液相和固相的临界颗粒粒径界限判别式有下述式子 vI(6)K0v*(7)D0K1B/(p-f)g(8)式中,颗粒沉降速度;D0颗粒临界粒径;I泥石流沟床比降;v泥石流平均流速
10、;v*泥石流与沟床的摩阻速度;B液相屈服应力;g重力加速度;p,f颗粒密度和液相密度;K0,K1常数,取值范围:K0=0.251.0,K1=1020.组成液相的最大颗粒粒径取计算结果的最大值.该模型中固液两相各用一组运动方程描述,两相之间则用相间作用力相耦合来描述.。,四、泥石流运动及冲击作用 泥石流计算理论包括流速计算、冲击力计算、流量计算、粗颗粒启动速度计算、冲淤计算、弯道超高及冲击爬高计算等,但最主要的应是流速计算和对防治结构的冲击力计算.在此方面,目前我国多从观测资料出发建立起一些地区性的经验公式,这些公式均以满宁公式为基础修正而成,具有鲜明的地区性,项目研究的现状及国内外动态,泥石流
11、流速是决定泥石流动力性质的最重要的参数，也是一个解决众多泥石流工程防治问题的主要参数之一,同时也是泥石流危害程度的表征。,1、泥石流流速,泥石流流速公式表,泥石流粗糙率系数取值表,2、泥石流流量,(1)汇水面积法；按同一汇水面积内的清水流量乘以沟谷形态和粗糙率修正系数求。QC：泥石流的流量 Qb：清水流量：修正系数，q河床阻塞附加流量。（2)形态调查法：以过流断面面积与流速的乘积计算。Fc-泥石流流体横断面面积 Vc-泥石流流速,五、泥石流灾害的评估与预测 韦方强等根据总平均损失最小原则,建立了不同损失条件下的泥石流预报模型,据此构建了云南蒋家沟泥石流漏报和误报概率,泥石流预报条件强调了当日降
12、雨量、前期降雨量和当地人口密度、经济水平及泥石流威胁对象确定的K值。刘希林等确定泥石流的6个主要危险因子,即一次泥石流(可能)最大冲出量、历次泥石流堆积总量、泥石流最大容重、泥石流最大漂砾粒径、泥石流最大流量和泥石流最大流速。运用主因子关联度法及专家系统法建立了泥石流危险度判定方法,构建了一次泥石流危险范围预测模型、泥石流最大危险范围预测模型,建立了泥石流堆积区危险度数学模型,将泥石流堆积区危险度分为极度危险区、高度危险区、中度危险区、轻度危险区和无危险区5级,建立了泥石流危险区划分理论。,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,六、泥石流防治工程,2.防治措施：(1)
13、跨越工程一是指修建桥梁、涵洞，从泥石流沟的上方跨越通过，让泥石流在其下方排泄，用以避防泥石流。(2)穿过工程指修隧道、明硐或渡槽，从泥石流的下方通过，而让泥石流从其上方排泄。(3)防护工程指对泥石流地区的桥梁、隧道、路基及泥石流集中的山区变迁型河流的沿河线路或其它主要工程措施，作一定的防护建筑物，用以抵御或消除泥石流对主体建筑物的冲刷、冲击、侧蚀和淤埋等的危害。防护工程主要有：护坡、挡墙、顺坝和丁坝等。(4)排导工程其作用是改善泥石流流势，增大桥梁等建筑物的排泄能力，使泥石流按设计意图顺利排泄。排导工程，包括导流堤、急流槽、束流堤等。(5)栏挡工程用以控制泥石流的固体物质和暴雨、洪水径流，削弱
14、泥石流的流量、下泄量和能量，以减少泥石流对下游建筑工程的冲刷、撞击和淤埋等危害的工程措施。拦挡措施有：栏渣坝、储淤场、支挡工程、截洪工程等。,绕避,明硐渡槽,高桥跨越及护墩工程,导排槽工程,立体格栏坝,斜面格栏坝,拦沙坝,拟研究内容,此次研究的主要目的是调查陕北地区的主要泥流沟固体物质堆积、沟床比及暴雨情况，查明诱发因素，根据其动、静力学特征结合各种方法分析泥流形成机理，并对其进行分类，总结该区泥流分布规律；在此基础上构建泥石流危险性评价方程，对每条泥流沟进行评价。最后，针对不同类型泥流提出防治对策。,具体研究内容,1）选择陕北地区典型泥流沟进行泥流固体物质、沟床比、降雨条件、地形地貌、地层岩
15、性、构造等的野外调查，收集第一手现场资料。查明人为诱发因素，获得每条泥石流沟基础数据；流域面积、沟长、高差、大于30%坡度面积等;获得各泥石流沟流域内崩塌滑坡体面积;2）针对泥流的分布特征、沉积特征、流动特性和活动特点对泥流总结泥流发育规律，并根据物理力学性质特征、泥流的作用强度及规模和泥流发育期对泥流进行分类；3）分析泥流形成机制及其形成过程；4）根据泥流的动、静运动特征结合各种方法对其进行分析；5）构建泥石流危险性评价方程,对每条泥石流沟进行评价；6）针对不同类型泥流提出防治对策。,陕北泥石流分布,陕北黄土高原泥流与泥河区：北界风沙区，南至关中盆地。海拔10001500m地面覆盖百余米厚层
16、第四纪黄土，地貌类型有塬、梁、峁等是黄土泥流与泥河发育最典型的地区。1神府泥流泥河极强度活动区：分布于本省东北部的神木、府谷和佳县一带。地形破碎，沟谷纵横，植被稀少，土质疏松，多暴雨，流水侵蚀很强。泥流沟分布最广泛，几乎每条沟谷都是泥流沟。各条河流都是泥流河，诸如黄甫川、孤山川、窟野河和佳芦河等，全是著名的泥河。该区年侵蚀模数高达1000030000tkm2，容重17tm3。2延绥泥流泥河强度活动区：分布在延安、绥德、米脂、榆林、横山、子长、清涧、安塞、志丹、靖边、吴旗等县(市)，该区在洛河、延河上游和无定河流域，是我国典型的黄土丘陵区，地貌以梁细为主，沟壑密度一般为46km/m2，年侵蚀模数
17、500015000t/m2，根据实测观测资料，本区泥流与泥河都较发育。3洛宜泥流中度活动区：分布在洛川、宜君、宜川、甘泉、黄陵和延长等县，地貌类型是黄土塬和破碎塬。4铜彬泥流弱度活动区：分布在铜川、彬县、韩城、合阳、澄城、白水、耀县、淳化、旬邑、长武、永寿、磷游、千阳等县(市)，黄土连续堆积，受断裂构造控制，从北向南呈阶梯状降低，地形变化较复杂，以西部泥流较活跃。5子午岭弱泥石流活动区：子午岭也称桥山，由石炭二迭系煤系及部分下侏罗统或白垩系地层组成。一般海拔12001600m，最高蜂双庙梁海拔1763m，植被较好，侵蚀模数较小。6黄龙山弱泥石流活动区：黄龙山亦称梁山，由二迭三迭系砂岩及石炭二迭系煤系构成，海拔16001700m。山区梢林茂密，侵蚀模数较小。,技术路线,泥流现场调查,泥流的形成机理及其静、动力学运动特征,形成机制,滑移型,搬运、滑移型,流变特征,含水量,静力特征,动力学运动特征,流体容重,流体物质组成,流量计算,含水量,流态特征,流速计算,颗粒运动形式,搬运型,防治措施,预防措施,治理措施,保护植被和稳定山坡,生物措施,工程措施,植树,种草,防止工程,拦挡工程,排导工程,治泥,治水,水土隔离,拦挡坝,停淤场,排导沟,改沟,渡槽,明峒,隧道,综合治理,谢 谢,
