基础工程地质学
第五章 泥石流工程地质研究
第1节 概述
第2节 泥石流形成基本条件
第3节 泥石流特征
第4节 泥石流分类
第5节 泥石流预测预报
第6节 泥石流防治对策
第7节 泥石流治理措施
基础工程地质学
第五章 泥石流工程地质研究
第1节 概述
问题
泥石流特性？
研究的必要性？
如何决策？
基础工程地质学
第五章 泥石流工程地质研究
第1节 概述
泥石流-发生在山区的一种含有大量泥沙和石块的暂时性急水流。
泥石流特性
固体物含量高；
能量大、爆发突然、来势凶猛、历时短、复发频繁、危害大
对环境破坏严重，往往是不可逆的。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第1节 概述
泥石流特性
爆发突然，复发频繁，危害巨大，对环境破坏严重，往往是不可逆的。
研究必要性
对于线路工程和山区城市的安全，构成严重的威胁。
秘鲁，火山喷发-冰雪融化-泥石流，造成5万人亡，80万人无家可归，有2万居民的云盖城被掩埋，1970年。
美国洛杉矶，1938年爆发泥石流，流量2000m3/S,固体物达1100万立方，造成2000人丧生。
阿拉木图，高山冰雪融化，加暴雨，形成间隔30~60S的波浪式泥石流，街道成了深河床，400人丧生，500所房被毁，1921年。
1981年，成昆线利子达依沟一次泥石流将开出隧道的火车车厢，连同桥梁冲入大渡河，275人丧生，经济损失达200万元。
甘川交界的关家沟，泥石流长期为害，历史上四次对文县构成灭顶之灾，1852年县城尽成废墟。
小江流域是泥石流多发区，被戏称为“座座山头走蛟龙，条条沟口吹喇叭”，1985年夏，东川地区泥石流灾害空前，铁路多处被埋，东川市被泥石流包围，处于瘫痪状态。
1989年7月，华蓥山地区暴雨引起山体滑坡，导致泥石流灾害，冲毁厂矿、村庄，死亡215人。
1981年7月，辽宁复县老帽山地区灾害性暴雨导致泥石流，造成610人丧生。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第1节 概述
据统计，我国20世纪后40年造成死亡约3700人；铁路沿线泥石流沟达千余条，危及铁路3000km以上，危及桥涵200km。
对策
以防为主、 标本兼治，全流域规划。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第1节 概述
形成基本条件
特征—物理、运动
分类—单指标、多因素
预测预报—空间、时间
特征值分析、危险度判定
防治—对策、措施
研究内容
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第2节 泥石流形成基本条件
地形地貌条件－
固体物来源、径流条件
地质构造条件－
固体物来源、运动势能
气象水文条件－
液体量、径流强度
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第2节 泥石流形成基本条件
一、地形地貌—纵比降大、坡面多、流域面积大、汇流迅速，提供固体物、势能、加大径流强度。
1、地形--相对高差大于200m的地区有泥石流分布，相对高差大于1000m的地区为泥石流高频区。
2、地貌--我国第一地貌阶梯青藏高原≥4000m，第二阶梯云贵、黄土高原、陇南山区1000~2000m，第三阶梯四川盆地300~700m，其过渡地带高差大、切割剧烈，为泥石流活跃地带（滇东北、川西、陇南)。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第2节 泥石流形成基本条件
二、地质构造条件：为泥石流的形成提供丰富的固体物源及强大的动能。
1、构造复杂→岩性破碎；地震频发→崩、滑多发，为泥石流提供丰富的固体物质。
2、新构造运动活跃→地应力值高、地形陡峻，为泥石流提供势能储备。
小江流域发育在著名的小江深大断裂带上，新老构造错综复杂，岩层破碎，不足90km江段上便发育了107条泥石流沟。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第2节 泥石流形成基本条件
三、气象水文条件—
集中降雨、高温天气产生强烈的地表径流，地表强径流使泥石流具备启动、携运能力。
1、水体量决定于气候条件（暴雨型、冰雪融化型)。
2、径流强度决定于气候（雨量、雨强）及地形条件（汇流速度）。
小江流域年雨量700~1200mm，多暴雨，最大雨强108mm/h；辽宁老帽山：6小时395mm，
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
密度－决定了泥石流的流态和运动特征；
结构－使泥石流具有的破坏力不同；
流态－对沟床的改造能力不同；
直进性－粘性泥石流具有，破坏力强；
脉动性－蓄能再动，前峰破坏力极强。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
一、泥石流物理特征：
1、密度—固体物机械堆积、分选差、粒度成分悬殊，密度值达~
密度值取决于固体物与水体的比例，
取决于固体物中细粒成分所占比例。
密度值沿程变化。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
一、泥石流物理特征：
2、结构--主要为石块、砂砾、泥浆体共同组成的格架结构。
石块在浆体中呈悬浮、支撑、沉底状态，
主要有星悬、支撑、叠置、镶嵌等结构 。
泥石流冲击力依次渐强。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
二、泥石流流动特性：
1、流态--受水体与固体量比值及固体粒径级配制约
紊动流：稀性泥石流常见流态，与挟沙水流流态类同。
扰动流：粘性泥石流常见流态，流变方程以宾汉方程为基础。
蠕动流：粘性泥石流，流速梯度很小时对应的流态。
三种流态随沟床变化可相互转换、沿程变化。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
二、泥石流流动特性：
2、直进性
流体运动中受阻，所携固体物堆积，填平、抬升沟床，后阵流体便可前进，
超高爬高、截弯取直、冲向下游。
流体越粘直进性越强、冲击力越大。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第3节 泥石流特征
二、泥石流流动特性：
3、脉动性
呈阵性运动。其过程线似正弦曲线，上涨曲线较下落曲线陡些，以相等的时间间隔流动（阵发），
阵的前锋为高大的泥石流龙头，具极强的冲击力。
一场泥石流常出现几十至上百阵。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第4节 泥石流分类
单指标分类：
按物质组成—泥水流、水石流、泥石流。
按流体性质—粘性泥石流、稀性泥石流。
按流域形态—标准型、河谷型、山坡型。
多指标综合分类：
成因、物质组成、流域特征、流体性质、危害程度等因素综合考虑。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第4节 泥石流分类
一、流体性质
1、粘性泥石流
固体物含量高（40%~60%）、细粒多；密度大（~）、浮托力强，具直进性；堆积不散流、无分选。
此类泥石流破坏力极强。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第4节 泥石流分类
一、流体性质
2、稀性泥石流
固体物含量低（＜40%）、细粒少、密度值中等（~）；水泥浆速度大于石块速度，具极强冲刷力；堆积散流、有分选。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第4节 泥石流分类
二、流域形态
1、标准型—典型泥石流，流域呈扇形，面积较大，能明显分出形成区、流通区、堆积区。
2、河谷型—流域呈狭长形，形成区为河流上游沟谷，物源分散、水源丰富，流通、堆积区不能明显分开。
3、山坡型—流域呈漏斗状，面积较小，无明显的流通区，形成与堆积区相连。
“面面俱到”、“源远流长”、“直截了当”。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报
空间预测—确定泥石流危险区的分布（大、中、小比例尺）。
时间预报—泥石流爆发的可能性，时间上定量。
基本特征值—泥石流运动的参数，定量评价、预测预报、防治设计必不可少的数据。
危险度判定—发生的可能性及危害的严重程度。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报---空间预测
小比例尺—确定危险区分布状况（全国、省），比例尺为1：100万。
中比例尺—查明区内泥石流的一般规律及形成条件，确定泥石流发生的危险度。比例尺为1：10~50万。
具体内容：地层岩性、构造、地形切割情况，泥石流活跃度、危险度。
大比例尺—分析流域泥石流发育特征，拟定防治对策。比例尺为1：1~5万。
分析图上应反映泥石流形成的各项因素及定量指标。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报--时间预报
泥石流爆发取决于强烈的地表径流。与灾害暴雨相关
季节指标—灾害暴雨型、冰雪融化型泥石流发生季节有规律。中长期和短期预报均用此指标。
天气尺度—控制灾害暴雨的天气尺度系统各地不同。沿海：热带风暴；西南、西北地区：低涡和切变线。
日暴雨量—决定泥石流发生的几率和规模。东南沿海、西南地区，＞200；西北地区，25~50
小时雨强—直接影响泥石流发生的危险性。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报--特征值分析
密度—用于流速、流量、方量计算与防治工程设计。
实测典型剖面，土、石分别按体积百分量计算。
流速—经验公式计算。
流量—雨洪修正法、泥痕调查法。
泥位—反映流速、流量，并与泥石流规模、危险度相关。超出危险泥位，可能成灾。实测。
方量—表征泥石流危险度的重要指标。
用泥石流过程曲线直接求；据泥石流过境痕迹推测。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报--特征值分析
流速—粘性（陈光曦）：
--稀性（铁一院）：
--（北大地理系）：
时间-1964~1966；
地点-东川蒋家沟
时间-2002；
地点-蒋家沟
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报--特征值分析
流量--
Q w-清水流量；φ-修正系数；Dd--堵塞系数；Wd-过流断面面积；Vd-流速；
a, 雨洪修正法：
b, 泥痕调查法：
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第5节 泥石流预测预报--危险度判定
单因子判定—以一次泥石流冲出物最大方量判定。
多因子综合评判—是否为泥石流沟、活动度如何。
参评因子：规模、流域面积、地形高差及切割程度、沟床特点、物源丰度、降雨及雨强、危害类型及发展趋势。
评价方法：确定主因素→分项给级差→赋值→列参评因子反应矩阵→求危险度。
分级：严重、中等、轻微、非。
大
中等
小
危险度
105 ~ 106
104 ~105
<104
泥石流方量
（m3)
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第6节 泥石流防治对策
总原则：全流域规划、统筹兼顾；大流域着眼、小流域入手；突出重点、抓住要害。
危险区建立警戒避难体制。
三区防治重点：
形成区—蓄水、固沙、护坡。
流通区—减速、削能。
堆积区—合理疏导。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第6节 泥石流防治对策--形成区
防治思路：
从泥石流产生基本条件（固体物、水体）和触发条件（地表径流强度）两方面考虑。
护坡：减少松散固体物来源；
开发性治理水土流失：控制地形切割程度，减小地表径流强度；
排洪：使水沙分离，减小地表径流强度，降低聚流水动条件，从根本上扼制产生泥石流的动因。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第6节 泥石流防治对策--流通区
防治思路：
控制固体物来源、减小地表径流强度。
保护沟床：截断固体物补充源；
拦挡：拦截固体、排液体，调整沟道形状，减小纵比降，降低流体速度，削弱运动能量。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第6节 泥石流防治对策--堆积区
防治思路：
合理疏导保畅通，固留液走。
排导：导向堆积场所，不与人类工程产生矛盾，不阻滞后续流体；固物堆积于适当的位置，不排向江河主流。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第7节 泥石流治理措施
一、生物措施：
水源涵养林--削减固物、调节气候、降低雨强（形成区）。
水土保持林—调节径流、稳坡减固蓄水（形成区、流通区）。
防冲林—护沟床、防（减）对下游冲击（流通区）。
固滩林—防风固沙护堤，改良环境（堆积区）。
长远、根本、见效慢。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
第7节 泥石流治理措施
二、工程措施
治水—调洪水库、截水沟、蓄水池、泄洪洞、引水渠，拦洪削峰减动能。
治土—拦挡（拦沙坝、谷坊）：拦固（粗）、放水、减坡降、减流速、削能（阿拉木图：坝高145m）；支挡：护坡防冲。
排导—明硐、导流堤、排导沟：调流向、防漫流。
储淤—拦泥库、储淤场：拦固（细）削能、使流体顺畅。
全面、应急、治标不治本。
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
思考题：
1、泥石流形成的三个基本条件是什么？
2、泥石流的运动特征表现在哪些方面，针对其直进行特征防治时应如何考虑？
3、泥石流按物质组成分类依据为何？
4、稀性泥石流与粘性泥石流存在哪些方面的差异?
5、泥石流的特征值有哪些，其对泥石流预测预报及防治的意义为何？
泥石流
排导
措施
1-坝和堤防；
2-导流堤
基础工程地质学 第五章泥石流工程地质研究
泥石流防治措施
护路明洞
护路廊道
基础工程地质学 第五章泥石流工程地质研究
基础工程地质学
第五章泥石流工程地质研究
泥石流选线方案
-成昆铁路安宁河
1-选定的扇身通过方案；2-扇前绕避一方案；3-扇前绕避二方案；4-扇后绕避方案
典型泥石流流域示意图
Ⅰ-泥石流形成区；Ⅱ-泥石流流通区；Ⅲ-泥石流堆积区；Ⅳ-泥石流堵塞河流形成的湖泊；
1-峡谷；2-有水沟床；3-无水沟床；4-分区界线；5-流域界线
泥石流流域形态分类
河谷型泥石流流域
山坡型泥石流流域
标准型泥石流
坡面型泥石流
坡面泥石流景观
沟谷型泥石流
泥石流运动示意
泥石型
水石型
泥流型
泥石流类型
泥石流过程线
基础工程地质学 第五章泥石流工程地质研究
中国泥石流分布
受危害城镇
省份
34
四川
45
甘肃
23
云南
5
新疆
13
西藏
2
重庆
2
青海
2
内蒙古
1
贵州
1
辽宁
2
河南
1
北京
1
湖北
1
广西
九龙,大屿山
香港
小江流域泥石流
小江泥石流停淤景观。该流域泥石流一年内爆发数十次，堆积量可达数十至数百万立方。
小江流域泥石流--蒋家沟
蒋家沟泥石流年均爆发16~20次，一次固体物冲出量万立方，450万立方/年，多次堵江，最长达半年，水位上升10米，图为泥石流爆发时的龙头景观。
小江流域泥石流--大白泥沟
大白泥沟泥石流淤埋铁路隧洞。
宝天铁路泥石流--伯阳
泥石流淤埋了伯阳车站，并堵塞了渭河，灾害损失巨大，1978年7月。
泥石流危害城镇
泥石流危害城镇
成昆线--太平沟
泥石流淤埋房屋。固体物总量10万方，龙头高
8米，毁民房，中断行车，1988年7月。
泥石流危害村庄
黄河流域—西高庄泥石流
a.泥石流冲毁的房屋、遗留的大块石；b.沟口泥石流堆积区。 1989年7月。
因北方罕见泥石流，村民在沟内修了梯田，沟口盖了房屋。
b
a
泥石流危害村庄
关中地区泥—兰田
泥石流冲毁房屋。
泥石流危害村庄
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
雅砻江盐源县金河乡段泥石流扇
泥石流危害江河
泥石流危害道路
上格达泥石流，危及铁路，1981年。
泥石流危害道路
成昆线--利子达依沟
1981年7月 ，特大型泥石流，最大流量3200方/秒，固体物总量70万方，冲毁大桥，颠覆列车，造成人员伤亡。
泥石流危害道路
成昆线--利子达依沟
抢修、架桥、临时通车。成昆线北段，甘洛附近。
泥石流危害道路
成昆线--太平沟
清理后的车站和泥石流一角。
泥石流危害道路
成昆线泥石流
水渠溃决形成泥石流，列车被泥石流推翻，1984年6月。
泥石流危害道路
小江流域--姑海
姑海泥石流冲毁铁路路基，铁轨悬空。
泥石流危害道路
宝天铁路—颜加河
暴雨泥石流，体积3000立方，毁桥埋路，堵塞隧道，中断行车，1981年8月。
泥石流危害道路
泥石流形成的地质背景分析
近观泥石流
泥石流物质组成
泥石流动态
泥石流冲击力
东川泥石流观测研究站的泥石流观测
米堆沟泥石流
泥石流堆积特征
泥石流固体物质均为风化卸荷、冻融和冰川等外动力作用和滑坡、崩塌堆积作用形成的土石混合体松散堆积体。
川藏公路--古乡
泥石流堆积扇，该处20年间爆发泥石流600余次，最大一次，1953年7月29日午夜，爆发冰川泥石流，冲出固体物达1100余万方，龙头高达40米，出沟后阻河成湖。
泥石流堆积特征
三峡库区的人工弃渣与泥石流
巴东新城区黄家大沟
中环路下方泥石流造成公路堵塞
镜向S
主沟
黄家大沟人工弃渣冲入长江，形成半岛
镜向NW
中国山区灾害性降雨泥石流发生临界雨量阈值(mm)
预测指标
泥石流防治
大秦铁路上庄站泥石流涵洞模型试验
泥石流防治
兰新线高桥跨越泥石流，桥墩前建造护墩工程
泥石流防治
a.防治盐井沟5号泥石流的垂面隔栏坝
b.兰新线防治宣家沟泥石流的立体格栏坝
b
a
泥石流防治
a.兰青线防治泥石流的斜面格栏坝
b.防治八步里沟泥石流的拦沙坝
a.
b
预测
预报
预警
中国科学院-水利部
成都山地灾害与环境研究所
泥石流
东川泥石流观测研究站的观测系统
发展趋势预测
+
+
+
+
+
+
+
+
+
人类活动
地质因素
松散固体物质积 dep
植被覆盖 Veg
年降雨量
危险度积累 BC
泥石流暴发 dS
地形因素
暴雨 RS
偶然因素
泥石流暴发因素反馈环图
规模预测
I. 固体物质物源
与供给方式
滑坡、崩塌
坡面、沟谷侵蚀
人类活动作用
水源及供给
方式
暴雨泥石流
冰川泥石流
溃决泥石流
区域性预测：
直接指标预测方法
间接指标预测方法
直接指标与间接指标相结合的模糊信息模型
单沟预测：
地貌分析法
泥痕调查法
要素统计法
泥石流运动数值模拟法
1. 活动性预测 2. 危险范围预测
活动历史分析法
形成要素分析法
形成机理分析法
泥石流预报的思路
泥石流发育的区域环境背景
降水预报
区域泥石流预报
指导区域泥石流减灾
泥石流流域的环境背景分析
单沟泥石流预报
确定减灾重点
区域泥石流预报
物元模型
预报结果表述
泥石流发生概率等级：, , ,
因素选取
地形相对高差(E)
地质(G)
预报降水量(J)
沟谷泥石流预报
物元模型
预报结果表述
泥石流发生概率等级：, , , ,
因素选取
流域面积(A)
沟床比降(S)
地质(G)
预报降水量(J)
降雨泥石流预报的时间尺度
接触式警报器(第一代）
报警装置
超声波泥位警报器（第二代）
超声波泥位报警：考虑到泥石流泥深能直观地反映泥石流规模大小和可能危害程度的因素，利用回声测距的原理，测得传感器断面的泥石流泥深h2，
式中：h1和h2-分别为上下两个断面泥石流泥深;nc1和nc2-分别为上下两个断面的泥石流糙率密度系数;b1和b2-分别为上下两个断面宽度;Ｉ1和Ｉ2分别为上下游断面的沟床纵比降。
泥石流预报时间，即由发报到泥石流到达下游断面的时间，由下式确定。
T＝Ｓ／V，
式中：T-预报时间；S-两断面间的距离，V-泥石流流速。
报警装置
蒋家沟泥石流泥位警报区和非警报区实测值
地声警报器（第三代）
报警装置
泥石流地声波形图
次声警报器（第四代）
根据泥石流次声音频特征，利用次声原理研制了泥石流次声警报系统。该系统灵敏度为55cmv/pa，主机部分由滤波器、放大镜、声光警报器和数据传输口构成。外围设备主要是数据采集器，数据采集器可与计算机相连，采集的数据供数据分析研究使用。该系统共制作4套，在中国科学院东川泥石流观测研究站实测实验。经过4场泥石流的实测证明，该系统运行正常，可提前30分钟至40分钟发出泥石流警报，达到了预期的效果。
报警装置
预报模型－I—— 成昆铁路沿线模型
预报模型
预报模型－II(单沟）—— 蒋家沟模型
预报模型
蒋家沟泥石流预报模型
城镇泥石流减灾决策支持系统的结构
基础数据库模块
数学模型模块
减灾决策应用模块
泥石流沟基本资料
雨量资料
数字地形图
城市总体规划图
泥石流的预报
危险范围预测
灾情预估
临灾方案
降雨量的统计分析
月雨量的直方图
临界雨量的计算
泥石流预报模型
危险范围预测
模型
城镇基础数据库
泥石流泛滥范围和危险性分区
救灾范围的确定与救灾对象的选择
安全区划定与临灾撤离路线的选定
医疗救护最佳路径的选择
城市致灾设施的分布与控制
GIS分析工具
城镇泥石流减灾预案的基本框架
