泥石流滑坡研究進展

1、泥石流滑坡研究進展泥石流滑坡研究進展組員組員朱秦朱秦趙偉趙偉胡洪森胡洪森劉洋劉洋胡雨豪胡雨豪蔣德旺蔣德旺目錄目錄一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布二、泥石流防治的新結構二、泥石流防治的新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構三、三、速遠程滑坡速遠程滑坡碎屑流及其新研究進展碎屑流及其新研究進展運動運動過程過程特征的揭示特征的揭示一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布目錄目錄1、研究背景、研究背景2、研究內容、研究內容3、應用、應用該標度分布是由成都山地所李泳研究員提出的一種普適性的泥該標度分布是由成都山地所李泳研究員提出的一種普適性的泥石流顆粒分布曲線，其分布參數對泥石

2、流的研究評價有著重要石流顆粒分布曲線，其分布參數對泥石流的研究評價有著重要作用。作用。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布1、研究背景、研究背景泥石流顆粒組成泥石流顆粒組成揭示了泥石流堆積物的分散度分散度，是泥石流結構的一個重要特征，也是決定泥石流堆積物工程地質性質的一個重要指標; 同時，反映了泥石流的形成機制形成機制與動力學動力學、運動學特征運動學特征。因此，對泥石流堆積物粒度構成的研究一直是泥石流研究的重要內容之一。土力學中人們通過繪制粒徑級配曲線粒徑級配曲線來描述顆粒大小的分布情況，并引入一些特殊粒徑特殊粒徑和組合組合( 如不均勻系數Cu和曲率系數Cc等) 來反映顆粒分布的整

3、體情況，但這些都帶有強烈的經驗性，不具有理論支持不具有理論支持。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布2、研究內容、研究內容圖為云南蔣家溝幾個不同密度的泥石流樣本的顆粒分布曲線 盡管大致可以看到粗顆粒隨泥石流密度的增大而增多，但不同粒徑的峰值是很隨機很隨機的，很難用某個簡單的數學函數來進行描述。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布而其累積曲線則體現了較好的一致性，可以粗略地用指數函數指數函數表示。P( D) = Cexp( kD)k 為一個表示顆粒性質的系數；D 為顆粒直徑；P( D) 為大于粒徑D 的顆粒百分比。引入特征粒徑Dc = 1 /k，并以此特征粒徑為單位重新標

4、度，則所有的累積曲線都歸結到同一條指數分布曲線之上。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布同時發(fā)現，特征粒徑Dc與密度 滿足冪函數的對應關系。說明說明Dc具有與密度具有與密度 相同的描述相同的描述泥石流性質的作用泥石流性質的作用，也是一個具有普適性的參數，能夠從整體上反映泥石流顆粒的性質。盡管上述分布對高密度泥石流有很好的擬合程度，但對低密度泥石流顆粒的描述卻還不夠準確。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布考慮同時用冪函數和指數函數對顆粒粒徑分布進行描述。假定:P( D) = CDexp( D/Dc)通過對云南蔣家溝泥石流樣本的分析，發(fā)現這種分布對各種密度的土顆粒都具有很

5、高的符合程度。冪指數與土體結構( 特別是孔隙度) 有關。同時，密度密度與冪系數與冪系數同樣滿同樣滿足冪函數的對應關系足冪函數的對應關系。是一個能反映泥石流顆粒整體性特征的指標，同樣具有一定的普適性。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布為了檢驗標度分布的普適性，考察了國內不同地區(qū)不同流域的大量泥石流( 堆積) 的土體( 泥沙)樣本，發(fā)現了同樣的分布形式，只是分布參數變化。表4 為2010 年舟曲特大泥石流和相關土體的標度分布參數，表5 為全國其它地區(qū)的泥石流顆粒的標度分布參數。這就證明標度分布式不但具有極高的擬合極高的擬合度度，也有很好的普適性很好的普適性，能滿足不同區(qū)域不同背景和不

6、同性質的泥石流顆粒分布。3、應用、應用1、不同土體的分布差異只是表現為參數 和Dc的不同，而這恰好說明不同的泥石流可以通過這2 個參數來進行刻畫和區(qū)分。參數反映土體的孔隙度，即土體的松散程度，值大對應于低密度泥石流， 值小則對應于高密度泥石流。Dc反映顆粒組成的范圍，值越大，對應于顆粒變化的范圍也越大，粗顆粒含量越多，泥石流密度越大，泥石流的輸移能力越強。2、樣本分析發(fā)現，泥石流大都發(fā)生于 0 1 的情況下，而對于高容重泥石流， 0 05，所以可將0 1作為泥石流發(fā)生的閾值?？稍趯撛谀嗍鲄^(qū)的顆粒物質進行調查分析的基礎上，通過 與Dc兩個參數對可能發(fā)生的泥石流進行預測性評價。3、由于土顆粒大

7、都滿足區(qū)域一致的性質，則可通過對各流域顆粒的分析，進而對各流域可能發(fā)生的泥石流情況進行評估。一、泥石流顆粒的標度分布一、泥石流顆粒的標度分布二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構由成都山地所韋方強韋方強研究員帶領的研究小組研發(fā)，這是一種新型泥石流防治結構，該結構能有效解決現有水石分離結構不能持續(xù)發(fā)揮水石分離功能的問題。魚脊型水石分離結構模型魚脊型水石分離結構模型目錄目錄1.1.設計背景設計背景2 2. .具有水石分離功能的透水型攔擋壩分類具有水石分離功能的透水型攔擋壩分類3 3. .魚脊型水石分離結構簡要介紹魚脊型水石分離結構簡要介紹4 4. .結構對比結

8、構對比5.5.該結構的工程意義該結構的工程意義二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構通常，泥石流固相物質的粒度分布較為廣泛，并包含許多粗顆粒，甚至是巨礫。這些粗顆粒的存在，大大增強了泥石流的沖擊破壞能力。因此，通過水石分離方法水石分離方法對粗顆粒粗顆粒進行調控，減少其含量，能夠有效減小泥石流的規(guī)模和破壞力，降低泥石流的危害，從而達到減災目的，目前具有水石分離功能的泥石流減災工程主要為各種透水型攔擋壩，然而，這些結構存在一個普遍問題普遍問題，即結構開口易被分離出的固體顆粒堵塞并造成淤積，從而結構開口易被分離出的固體顆粒堵塞并造成淤積，從而導致結構的水石分離功

9、能不能持續(xù)發(fā)揮導致結構的水石分離功能不能持續(xù)發(fā)揮，并失去減災功能。1.設計背景設計背景目前的泥石流減災工程中，用于調控粗顆粒的措施調控粗顆粒的措施主要為各種透水型攔擋透水型攔擋壩壩，根據其結構型式、受力特點以及選用的建筑材料，可以將其分為混凝混凝土立式剛性結構土立式剛性結構( 縫隙壩、切口壩、梳子壩等) 、鋼制立式剛性結構鋼制立式剛性結構( 鋼管格子壩、梁式格柵壩等) 、臥式剛性結構臥式剛性結構( 水平透水格柵) 、立式柔性立式柔性結構結構( 柔性網格壩) 。2.具有水石分離功能的透水型攔擋壩分類具有水石分離功能的透水型攔擋壩分類二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型

10、水石分離結構1.1.混凝土立式剛性結構混凝土立式剛性結構梳子壩梳子壩二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構2.2.鋼制立式剛性結構鋼制立式剛性結構梁式格柵壩梁式格柵壩二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構3.3.臥式剛性結構臥式剛性結構透水格柵透水格柵二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構4.4.立式柔性結構立式柔性結構柔性網格柔性網格二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構3.3.魚脊型水石分離結構簡要介紹魚脊型水石分離結構簡要介紹魚脊型水石分

11、離結構示意圖魚脊型水石分離結構示意圖該結構由引流壩、水石分離格引流壩、水石分離格柵、泄流槽、停積場柵、泄流槽、停積場4 部分組成。當泥石流從引流口流到水石分離格柵后，大部分粒徑大于格柵開口寬度的固體顆粒被分離出來，并沿著格柵表面滑落到兩側的停積場，而其余泥石流透過格柵落入泄流槽，并繼續(xù)沿著溝道排向下游。二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構水石分離格柵坡度水石分離格柵坡度 和肋梁與脊梁夾角肋梁與脊梁夾角 是兩個影響水石分離效果的關鍵參數，通過試驗研究表明: 當格柵坡度 為35 38 7（泥石流固體顆粒的天然休止角）泥石流固體顆粒的天然休止角）、肋梁與脊梁夾

12、角 為70 80時，不僅結構能有分選地將粗顆粒分離出來，而且被分離的粗顆粒在重力下自動滑落到停積場，不堵塞格柵開口。試驗裝置布置試驗裝置布置二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構4.4.結構對比結構對比傳統(tǒng)的結構：傳統(tǒng)的結構：在運行初期，這些結構均能較好發(fā)揮水石分離功能，將粗顆粒從泥石流中分離出來，其余泥石流體透過結構開口，繼續(xù)沿著溝道運動，實現水石分離，從而達到減少泥石流中的粗顆粒含量的目的。但是，由于分離出的粗由于分離出的粗顆粒直接停留在結構體前或結構體上，隨著被分離的粗顆粒不斷增多，分離結顆粒直接停留在結構體前或結構體上，隨著被分離的粗顆粒不斷增多，

13、分離結構的開口被淤積堵塞，最終失去水石分離功能構的開口被淤積堵塞，最終失去水石分離功能。其優(yōu)點是應用范圍廣。魚脊水石分離結構：魚脊水石分離結構：該結構不僅能有分選地將粗顆粒分離出來，而且分該結構不僅能有分選地將粗顆粒分離出來，而且分離出的粗顆粒在重力作用下自動滑落到兩側停積場，不堵塞格柵開口，使結構離出的粗顆粒在重力作用下自動滑落到兩側停積場，不堵塞格柵開口，使結構的水石分離功能可以持續(xù)發(fā)揮。的水石分離功能可以持續(xù)發(fā)揮。二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構5.5.該結構的工程意義該結構的工程意義通過模型試驗研究驗證，該水石分離結構可以廣泛應用于山洪和密度

14、小山洪和密度小于于1.90t/m31.90t/m3的泥石流的泥石流。在山洪和泥石流流域內配置不同分離參數的多級結構，可以進行多級水石分離，對山洪和泥石流運動過程中的物質和能量進行調控，實現更加有效的減災目的。二、泥石流防治新結構二、泥石流防治新結構魚脊型水石分離結構魚脊型水石分離結構高速遠程滑坡碎屑流及其新研究進展 運動過程特征的揭示（一）高速遠程滑坡碎屑流定義及其特征（二）經典的運動機理模型（五）研究的難點（三）運動機理的繼續(xù)探索（四）主要研究方法（六）研究新進展運動過程特征的揭示定義：高速遠程滑坡碎屑流，是指高速遠程滑坡或崩塌在運動過程中轉化而成的碎屑流體。特征： 具有極高的運動速度，其運

15、動速度一般在 30m/s以上。目前已知速度最高的為加拿大西部 Mack -enzie 山的 Avalanche Lake滑坡 碎屑流, 達到了213m/s ,攀越了對面 640m的高山。 具有超遠距離的位移。目前已知地球上位移最大的碎屑流是發(fā)生于 30萬年前的美國Mount Shasta 滑坡 碎屑流 , 它在近乎水平的地面上運動了約 43km。 在運動過程中呈明顯的“流態(tài)化 ”特征。這也是它能高速遠程的主要原因之一。 “尺寸效應 ”。當滑體的體積小于 1 106 m3 時, 碎屑物質沒有明顯的流態(tài)化特征 ,不屬于高速遠程的范圍。 層序保持現象。堆積物的巖性層序與滑坡發(fā)生前滑體中的巖層層序是一

16、致的。 反序現象。高速遠程滑坡碎屑流的堆積物表層聚集著大的塊石或漂石顆粒, 而越往下, 顆粒逐漸變細 ,到了一定的埋深,碎屑全部由細粒物質組成。（一）高速遠程滑坡碎屑流定義及其特征（二）經典的運動機理模型（五）研究的難點（三）運動機理的繼續(xù)探索（四）主要研究方法（六）研究新進展運動過程特征的揭示高速遠程滑坡- 碎屑流的運動機理，即高速遠程效應機理一直是國內外學者研究的熱點，但是至今還沒有公認的理論能解釋它的高速度和超遠距離位移。在關于運動機理的研究中，產生重要影響的理論主要有以下 4種運動機理模型 : 空氣潤滑模型最早是由 Kent提出來的，他認為在滑坡體剪出下落的過程中,下部與地面之間圈閉了

17、大量的空氣圈閉了大量的空氣 , 當與山體碰撞破碎以后 ,碎屑流的底部顆粒與圈閉空氣充分地碎屑流的底部顆粒與圈閉空氣充分地混合而形成混合而形成 “流化床流化床”氣體與固體顆粒之間的作用取代了固體顆粒的粒間碰撞而成為力的主要傳導方式 因此 ,碎屑流受到的地面摩擦阻力幾乎為零摩擦阻力幾乎為零 ,碎屑流能高速前進;而當 “流化床”中的氣體逐漸排出低于臨界值時, 碎屑流底部的摩擦阻力劇增,碎屑流迅速 “固結”, 停止運動。Shreve也認為空氣是碎屑流高速遠程效應的主要原因，但他認為, 空氣流化不只是發(fā)生在碎屑流底部 ,而是整個碎屑流體中整個碎屑流體中。碎屑流內部圈閉并壓縮著大量的空氣, 當碎屑流中每一

18、點的空氣壓強能夠平衡該點的固體顆粒的重量時, 就稱碎屑物質被完全流化,這時, 碎屑流施加給地面的有效正應力幾乎為零 ,因此摩擦力也為零。 顆粒流模型19世紀末，Heim和Buss率先推斷固體顆粒物質之間的碰撞是碎屑流之所以呈流態(tài)化運動的原因。Hsu發(fā)展了這一理論 ,他引入了 Bagnold的無黏性顆粒流理論, 認為高速遠程滑坡 碎屑流是純固相碎屑流體 ,在運動的過程中 , 受到了來自地面的剪應力 ,如果碎屑流運動速度足夠大, 則剪應力足夠大 ,底部顆粒便會對上部碎屑顆粒施加向上的碰撞力,碎屑流體積膨脹 , 體內涌入大量的流體使顆粒間的有效應力減弱, 導致顆粒流與地表面的有效正應力減小,摩擦阻力

19、降低,所以碎屑流能夠高速運動很長的距離。T . R. H. Davies進一步發(fā)展了顆粒流理論, 認為粒間流體不是碎屑流高速遠程的必要條件, 高速遠程效應是碎屑流在底部剪應力和自身重力共同作用的結果 。碎屑流運動時, 底部顆粒受到地面的強烈剪切, 能夠施加給上部顆粒向上的碰撞力 ,當碎屑流的運動速度最夠大時,底部的顆粒向上施加的碰撞力足夠大 , 能平衡上部顆粒重量, 則碎屑流受到地面的摩擦力大大減小。T . R . H. Davis 稱這種狀態(tài)為力學液化,發(fā)生力學液化的顆粒流能高速向前運動。 能量傳遞模型 最早是由Eisbacher提出的，滑坡體崩落下降與平坦地面碰撞后 , 會在碰撞點形成一個

20、傾向運動方向的陡坎 ,以陡坎為界 , 陡坎后面停留著約 2 /3的碎屑堆積物 , 而其余 1 /3 的碎屑堆積物則呈流態(tài)化的特征向前伸展 。他認為陡坎為這兩部分碎屑流的能量交換點 ,當滑體整體在此與坡面碰撞破碎時 ,后部的碎屑物質把能量傳遞給前部碎屑 , 停止運動 ,而前部接受能量的碎屑物質繼續(xù)向前運動 , 因此比滑體作為一個整體時運動更長的距離 。T .R . Davies發(fā)展了Eisbacher的理論 , 他認為 ,能量傳遞不僅發(fā)生在坡腳滑體與地面碰撞處 ,而是發(fā)生在整個發(fā)生在整個碎屑流的運動過程中碎屑流的運動過程中 。當碎屑流高速運動時 ,其中的碎屑顆粒受到來自周圍的剪應力 ,當剪應力超

21、過其剪切強度時 ,顆粒便會破裂 ,一部分停止運動并把動能傳遞給另外一部分 , 接受能量的部分會高速向前運動 , 這個過程的原理和巖爆的原理相似 。因此碎屑流的流動是一個邊運動邊堆積的過程 。Yoichi等進一步通過模型試驗和數值模擬證明了能量傳遞模型 ,并且得出結論 : 高速遠程滑坡的滑體體積越大 ,破碎越徹底 ,則前部顆粒受到的碰撞越頻繁 ,接受的動能越多 , 碎屑流運動距離也就越遠 ,但是由于碰撞耗費了大量的動能 ,碎屑流的重心運動距離減小 。這個理論能合理地解釋高速遠程滑坡碎屑流的 “尺寸效應 ” 。 底部超孔隙水壓力模型以日本的 Sassa教授為首的學者提出的 ,他認為 , 當碎屑流在

22、沖積層 、淤積層或者冰川上流動時 ,會鏟刮這些物質而在底部形成一層飽和或者近飽和的淤泥層 ,這些淤泥層由于受到上部碎屑流的加載剪切作用 ,且由于其滲透系數很低 , 這個過程相當于加載不排水剪切 ,因而在淤泥層內產生超孔隙水壓力 ,使碎屑流施加給地面的有效應力降低 ,摩擦阻力減小 。Shaller、P.Deline等在研究相關的實例后認為底部不底部不排水剪切產生的超孔隙水壓力排水剪切產生的超孔隙水壓力是高速遠程滑坡 碎屑流能夠高速遠程的主要原因 ?？諝鉂櫥Ｐ?除了極少數外 , 大多數高速遠程滑坡 碎屑流的堆積物中并沒有發(fā)現氣孔等空氣作用特征；在沒有空氣的月球和火星上,同樣有高速遠程滑坡碎屑流發(fā)

23、生。 顆粒流模型它不能解釋高速遠程滑坡碎屑流的 “尺寸效應 ”, 也不能合理解釋碎屑流運動過程中動摩擦系數的減小,因此,也受到很多學者的質疑 。以上四種模型的不足之處： 能量傳遞模型 是通過對高速遠程滑坡碎屑流發(fā)生后的現象統(tǒng)計得出來的結論，沒有實驗數據作為支撐。 底部超孔隙水壓力模型局限性在于不是每個高速遠程滑坡 碎屑流的流通路徑上都有淤泥層或者冰川。小小感想：從上面的運動機理模型的發(fā)展過程中可以看出，一個理論模型的提出，并不是一蹴而就的，而是不斷經過改進完善的。（一）高速遠程滑坡碎屑流定義及其特征（二）經典的運動機理模型（五）研究的難點（三）運動機理的繼續(xù)探索（四）主要研究方法（六）研究新進

24、展運動過程特征的揭示1. 有些科學家把近年來的新型學科 非連續(xù)介質力學非連續(xù)介質力學引入引入到高速遠程滑坡 碎屑流的研究中 ,試圖從力學角度找到突破口。2. A .Dubovskoy 等通過對不同級配的顆粒物質的壓縮試驗證明 , 高速遠程滑坡 碎屑流的物質破碎來自于周圍顆粒有序的靜壓力靜壓力 ,而不是凌亂的碰撞 ,這個觀點相當于否認了前述的空氣潤滑模型 、顆粒流模型 。這些研究思路和方法都為高速遠程滑坡碎屑流的研究提供了新的方向 ,但是 ,要想取得突破性的進展 ,還有很長的路要走 。（一）高速遠程滑坡碎屑流定義及其特征（二）經典的運動機理模型（五）研究的難點（三）運動機理的繼續(xù)探索（四）主要研

25、究方法（六）研究新進展運動過程特征的揭示1、堆積物現場考察及試驗分析由于高速遠程滑坡 碎屑流自身的復雜性 ,現場監(jiān)測到高速遠程滑坡 碎屑流觸發(fā)并流通的過程幾乎是不可能的 。因此 ,目前的野外工作 ,主要是通過研究高要是通過研究高速遠程滑坡速遠程滑坡 碎屑流的堆積物完成碎屑流的堆積物完成 。2、統(tǒng)計方法利用統(tǒng)計方法分析高速遠程滑坡 碎屑流的致災范圍與各個影響因素之間的統(tǒng)計關系 , 從而分析各個因素對致災范圍的影響機理和影響趨勢 。主要的研究方法有以下四種：3、數值模擬它能夠在節(jié)省大量人力物力的基礎上對高速遠程滑坡 碎屑流的運動機理進行定量的分析 。4、模型試驗于測試手段的限制,早期的模型試驗中,碎屑流運動過程中的各項參數 ( 如顆粒的運動速度 、位移、顆粒之間的作用力及碰撞情況 ) 難以監(jiān)測, 模型試驗成為再現高速遠程滑坡 碎屑流運動及堆積過程的重要手段之一（一）高速遠程滑坡碎屑流定義及其特征（二）經典的運動機理模型（五）研究的難點（三）運動機理的繼續(xù)探索（四）主要研究方法（六）研究新進展運動過程特征的揭示高速遠程滑坡 碎屑流的體積巨大 , 伴隨著巨大