中国公路泥石流研究

同的固相颗粒) 。基本假定: 第一 泥石流在运动过程中, 包括沿着泥石流沟
的向前流动和泥石流体内的竖向紊动, 但是, 从分析 泥石流流速尤其是针对泥石流对岸坡及防治结构的 冲击、磨蚀机理出发, 主要考虑泥石流体沿沟向前的 运动问题, 因此, 本文假定泥石流体为一维两相流运 动体系( 流动方向设定为 x 方向) 。
20 世纪 90 年代以来, 陈洪凯等致力于公路泥石 流研究, 在公路泥石流形成环境、发育机理、流速及冲
击力计算、泥石流磨蚀作用及治理技术等方面作了大 量开创性工作[ 1,2] [ 22~ 33] , 初步建立了公路泥石流理论 及技术体系。本文是作者从事公路泥石流研究及工 程实践的简要总结, 为进一步实施相关研究提供指导 借鉴。
第三、泥石流在运动过程中, 不考虑外部质量源, 即不考虑岸坡对泥石流体的物源补给, 泥石流在沟槽 内冲淤平衡。
第四、把冲击坑和冲蚀槽等冲击形迹概化为半椭
球体。
运用牛顿第二定律, 分别建立固相颗粒的冲击力 和液相浆体的冲击强度, 构成泥石流固- 液两相冲击 力表达式为
式中: P K0
qf
P = K 0 ( qf + Ps )
体平均表面力( 包括控制体外浆体对控制体浆体的阻 力、控制体外固相对控制体浆体的阻力、控制体外浆
体对控制体固相的牵引力和控制体外固相对控制体
表面固相的相互作用力等 4 个方面) 的计算, 求解获 得
vf = Mv s
( 1)
M = ( 1- )- 4
( 2)
vs = Ax [ ( 1- ) s - M2 f ]
文章编号: 1003- 8035( 2008) 01- 0001- 05
中图分类号: P642 23; U418 5+ 6
文献标识码: A
0 引言
公路泥石流是指发育于公路沿线并对公路桥涵、 路基路面及相应防护结构具有冲击毁损和淤埋破坏 的病害类型, 包括桥台水毁、上部结构毁损、桥涵基础 掏蚀、桥涵 淤埋、道路 毁损等 类型[1~ 2] 。由 滇北、川 西、藏东南、西秦岭山地共同构成的横断山区是我国 泥石流强烈发育的地带, 制约着境内国道 108 线、212 线、318 线、319 线及 10 余条省级干 线公路的正常营 运; 新疆独山子至乔尔玛段的北天山是我国西北泥石 流集中发育的地区, 制约着国道 217 线的正常运行。 不完全统计资料表明, 我国公路沿线存在典型的泥石 流 6000 余条, 泥石流毁损公路构建筑物, 导致中断交 通总时间占公路可通行时间的 30% ~ 40% 。我国公 路每年因泥石流造成的直接经济损失数十亿元[ 1] 。
第 19 卷 第 1 期 2008 年 3 月
中国地质灾害与防治学报 T he Chinese Journal of Geological Hazard and Control
Vol. 19 No. 1 M ar. 2008
中国公路泥石流研究
陈洪凯, 唐红梅, 叶四桥
( 重庆交通大学岩土工程研究 所, 重庆 400074)
迄今, 国内外学者从泥石流形 成机理及试验观 测[ 3~ 9] 、泥石流物理学[10] 、泥石流运动[ 11~ 13] 、沉积作 用[ 14, 15] 、泥石流两相流模型[16, 17] 和防治技术[ 18,19] 等方 面较全面地构建了泥石流研究体系。然而, 从防治公 路泥石流而言, 关键是如何在公路建构筑物附近通过 建造防治工程有效排泄泥石流体, 确保公路结构的安 全, 进而使公路交通有序进行。现有研究成果及相关 部颁规范[ 20, 21] 防治公路泥石流的针对性较差, 因此, 系统实施公路泥石流研究具有必要性、紧迫性。
值得指出的是, 若冲击形迹是由一次泥石流冲击 所产生, 则由 11) 式计算的时间即为一次泥石流冲击 时间, 若冲击形迹由多次泥石流冲击形成, 则由( 11) 式计算的时间即为泥石流累计冲击时间。
( 3)
A = 2{ [ ( 1- ) s - ( 2- ) f ] g cos -
( B+
b) d0 +
3
( 1- 2 2de
)P}
( 4)
G = vs vs
( 5)
G = G( , L, h )
( 6)
vs = vs G
( 7)
vf = Mv s
( 8)
式中: vs 和 vf 分别表 示固相 和液相的 平均速度 ( m
墩汇流结构等 10 余种防治技术, 集成了拦- 汇- 排等多种综合治理模式。据此撰写了 公路泥石流防治工程设计 、施 工指南 。实施了 60 余个防治工程。效果显著。研究成果初步构建了公路泥石流理论及技术体系。 关键词: 公路泥石流; 泥石流动力学核心理论; 防治技术体 系; 公路设计和施工指南; 中国
收稿日期: 2006- 09- 22; 修回日期: 2007- 07- 16 基金项目: 高校博士点基金项目( 20060618001) ; 交通部 跨世纪 人才专项基金项 目( 95050508) 。 作者简介: 陈洪 凯 ( 1964 ) , 男, 教 授, 博 士 后; 博 士 生 导 师。
从事泥石流与边坡力学机理及工程控制研究, 国际 WSEAS 研究团队成员。
1 公路泥石流形成条件
第一 丰富的泥石流物源。由于公路作为线状 构筑物, 需要穿越不同的地质、地貌区, 公路沿线涉及 种类齐全、储量丰富但分布不均的泥石流物源。如在 海拔超过 1000m 的高寒地区, 物源类型主要有寒冻风 化物、第四纪冰碛物及冰水沉积物等。根据对新疆天 山公路沿线 198l~ 1990 年寒冻风化碎屑的统计, 海拔 3300~ 3500m 之间 坡地 平均碎 屑产出 率为 0 006 ~ 0 008 m3 ( m2 a) , 在山体坡前地 带则存在大量 冰碛 物, 呈现典型的混杂堆积, 仅在北天山哈希勒根地区 便有冰碛垄 3~ 6 道, 紧紧围绕在现 代冰川下方, 在 K631 泥石流沟内发育 5 道古冰碛垄并呈 5 级物源台 地, 最厚的 T 5 台地厚可及 100m; 在海拔 1800~ 2000m 之间的河谷两岸冰水阶地发育, 一般 3~ 5 级, 每级阶
中国地质灾害与防治学报
2
ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO
2008 年
地厚 20~ 30m[ 22] 。 在西南山区, 泥石流物源以破碎岩体及第四系松
散堆积物为主, 如四川省大凉山的美姑河流域, 破碎 岩体主要为雷口坡组岩层和白果湾组地层, 残坡积物 一般厚 0 5~ 10m, 由强风化砂岩、粉砂岩、泥岩等未 固结的块碎石土组成, 粒径一般 3~ 12cm, 棱角状, 粒 间充填细小颗粒及粘土, 透水性较好[ 23] 。基于现场 调查并通过对泥石流 沟进行 3D 数 值模拟建立了泥 石流物源稳定性分区方法, 将泥石流沟内的物源分为 稳定物源区、基本稳定物源区和不稳定物源区。据此 可求出每个区的物源储量[ 23] 。
( 9)
泥石流固- 液两相冲击力( Pa) ;
冲击力显示系数( 一般取 500~ 550, 泥石
流体粘度愈高取值愈大) ;
泥石流浆体冲击强度( Pa) ;
Ps 单位承冲面积上泥石流固相颗粒的冲击
力( Pa) 。 以冲击形迹为分析对象, 运用极限平衡理论建立
冲击形迹的力平衡方程并据此获得泥石流冲击时间。
第二 泥石流在 运动过程中, 不考虑外 部质量 源, 即不考虑岸坡对泥石流体的物源补给, 泥石流在 沟槽内冲淤平衡。
第三 考虑两相流体中固相颗粒之间的相互作
用、浆体内部的作用以及固相颗粒与液相浆体之间的
相互作用, 不考虑固液两相的相变即固相颗粒和液相 浆体之间的相互转换。
通过建立固、液两相的守恒方程, 包括连续方程 和动量方程。通过对泥石流平均压力、彻体力和控制
s) ; M
理论固液分相流速比; 固相颗粒的平均容积浓度;
第1期
陈洪凯, 等: 中国公路泥石流研究
3
s 和 f 分别 表示 固相 和液 相 的平 均 密度 ( g cm3 ) ,
g 重力加速度( 9 8m s2) ; 泥石流沟床的平均坡角( ) ;
B 浆体的宾汉极限屈服应力( Pa) ; 浆体的刚度系数( Pa s) , 为待定系数;
2 泥石流动力学核心理论
公路泥石流防治中, 泥石流冲击荷载是防治结构 设计必需的基础资料, 关系到防治结构选址、结构尺 寸拟定、结构内力计算等, 提高防治工程的针对性、有 效性; 而泥石流冲击力、磨蚀力则是分析泥石流沟内 沿河公路路基毁损的重要力源, 是进行防治结构耐久 性设计、提高结构使用寿命的重要依据。因此, 泥石 流流速尤其是固- 液分相流速计算方法、泥石流冲击 力计算方法以及泥石流磨蚀力、磨蚀速度及磨蚀量计 算方法等便构成泥石流动力学核心理论[24~ 27] 。
( 1) 泥石流固- 液分相流速计算方法[ 25] 由于泥石流综合治理方案中, 通常要在泥石流流 通区适当部位建造 1~ 2 道拦渣坝, 拦截泥石流体中 粒径较大的块石, 因此, 可将泥石流沟中下游的泥石 流体中固相物质按照固相物质的体积进行等效, 即将 实际泥石流体中不同粒径的固相物质简化为粒径相
或泥石流沟岸产生大量的冲击坑及冲蚀槽等冲击形 迹, 因此, 可以基于冲击形迹建立反求泥石流冲击力 的计算方法。基本假定:
第一、把泥石流体概化为由等效均质浆体和粒径
相同的固相颗粒组成的两相流体。
第二、把泥石流体视为与沟床平行的一维两相流 运动体系, 固、液两相的运动速度分别为 vs 和 vf , 并 且固相、液相以相同的角度冲击防治结构或岸坡。
摘要: 公路泥石流是指发育于公路沿线并对公 路桥涵、路 基路面 及相应防 护结构 具有冲 击毁损 和淤埋 破坏的 病害类
型。丰富的物源、具有焚风效应的气象条件以及泥石流沟 轴线与区域新构造 应力场主 压应力方向 一致等是 形成大型
泥石流的宏观背景。将泥石流概化为固、液两相流体, 运用两相流理论、泥沙运动力学、Bingham 流变方程 和 Bagnold 颗 粒相互作用试 验结果等, 初步建立了泥石流固 - 液分 相流速 计算方 法、基 于泥石 流在防 治结构 表面及 泥石流 沟岸产 生的 冲击形迹建立的反求泥石流冲击力计算方法以及泥石流磨蚀 力计算方法。 开发了速流 结构、泥石流隧 道及翼型
第三 具有焚风效应的气象条件。降雨条件是 诱发泥石流的主要动力因子。高寒地区尚有因温度 变化融化冰雪产生大量地表流水而诱发泥石流。如 果泥石流沟位于局部大气环流下沉区, 由于焚风效应 的作用, 地表植被覆盖度通常较差, 物源在水的作用 下自稳性能较差。如北天山高山深谷区, 便处于向西 敞开的伊犁盆地背风坡, 属于干热气流控制区, 地表 植被覆盖度不及 0 6% , 是天山公路泥石流集中发育 的区域[ 22] 。四川省普格县 的茨达泥石流、西昌 - 木 里公路沿线的平川泥石流、小关沟泥石流等均具有类 似特性。
d0 控制体等效半径( m) ; de 固相颗粒等效半径( m) ; P 泥石流平均压强( kPa) ; G 泥石流实际固相流速和 理论固相流速的
比例系数; vs 固相实际流速( m s) ;
vf 液相实际流速( m s) ;
L 流通区长度( m) ; h 泥石流体厚度( m) 。 ( 2) 基于冲击形迹的泥石流冲击力计算方法[ 26] 由于泥石流冲击作用下通常要在防治结构表面
第二 轴线方向与区域新构造应力场主压应力 方向一致的泥石流沟, 是地表岩体比较破坏、抗御动 力地貌过程能力薄弱的部位, 沟谷地貌稳定性较差, 容易演变为泥石流沟。如美姑河流域, 区域新构造应 力场主压应力方向 T 方位 43 、两个剪切带 Max1 和 Max2 方向分别为 73 和 347 , 而美姑河流域内公路泥 石流沟轴线存在两个优势分布方向, 即方位角 160 5 和 78 2 , 前者与新构造应力场 Max2 相近, 相差 6 5 ; 后者与新构造应力场 Max1 相近, 相差 5 2 [ 23] 。
Kr P A kT sin = Sk k
( 10)
式中: T
T
=
Sk k KrP Ak sin
百度文库
( 11)
冲击形迹的形成时间即泥石流冲击时间
( s) ; K r 材料承冲系数( 表 1) , 为冲击形迹 抗剪
强度( kPa) ; A k 冲击形迹坑口面积( m2 ) ; Sk 坑内表面积( m2 ) 。