泥石流滑坡研究进展

② 颗粒流模型 19世纪末，Heim和Buss率先推断固体颗粒物质之间 的碰撞是碎屑流之所以呈流态化运动的原因。 Hsu发展了这一理论 ,他引入了 Bagnold的无黏性颗 粒流理论, 认为高速远程滑坡 —碎屑流是纯固相碎屑流 体 ,在运动的过程中 , 受到了来自地面的剪应力 ,如果碎 屑流运动速度足够大, 则剪应力足够大 ,底部颗粒便会 对上部碎屑颗粒施加向上的碰撞力,碎屑流体积膨胀 , 体内涌入大量的流体使颗粒间的有效应力减弱, 导致颗 粒流与地表面的有效正应力减小,摩擦阻力降低,所以碎 屑流能够高速运动很长的距离。
③ 能量传递模型 最早是由Eisbacher提出的，滑坡体崩落下降与平坦 地面碰撞后 , 会在碰撞点形成一个倾向运动方向的陡 坎 ,以陡坎为界 , 陡坎后面停留着约 2 /3的碎屑堆积物 , 而其余 1 /3 的碎屑堆积物则呈流态化的特征向前伸展 。 他认为陡坎为这两部分碎屑流的能量交换点 ,当滑 体整体在此与坡面碰撞破碎时 ,后部的碎屑物质把能量 传递给前部碎屑 , 停止运动 ,而前部接受能量的碎屑物 质继续向前运动 , 因此比滑体作为一个整体时运动更长 的距离 。
一、泥石流颗粒的标度分布
2、研究内容
图为云南蒋家沟几个不同密度的泥石流样本的颗粒分布曲线
尽管大致可以看到粗颗粒随泥石流密 度的增大而增多，但不同粒径的峰值 是很随机的，很难用某个简单的数学 函数来进行描述。
一、泥石流颗粒的标度分布
而其累积曲线则体现了较好的一致性，可以粗略地用指数函数表示。
P( D) = Cexp( － kD) k 为一个表示颗粒性质的系数； D 为颗粒直径； P( D) 为大于粒径D 的颗粒百分比。
一、泥石流颗粒的标度分布
3、应用
1、不同土体的分布差异只是表现为参数μ 和Dc的不同，而这恰好说明 不同的泥石流可以通过这2 个参数来进行刻画和区分。 参数μ反映土体的孔隙度，即土体的松散程度，μ值大对应于低密度泥 石流，μ 值小则对应于高密度泥石流。Dc反映颗粒组成的范围，值越大， 对应于颗粒变化的范围也越大，粗颗粒含量越多，泥石流密度越大， 泥石流的输移能力越强。 2、样本分析发现，泥石流大都发生于μ ＜ 0． 1 的情况下，而对于高容 重泥石流，μ ＜ 0． 05，所以可将0． 1作为泥石流发生的阈值。 可在对潜在泥石流区的颗粒物质进行调查分析的基础上，通过μ 与Dc两 个参数对可能发生的泥石流进行预测性评价。 3、由于土颗粒大都满足区域一致的性质，则可通过对各流域颗粒的分 析，进而对各流域可能发生的泥石流情况进行评估。
3.鱼脊型水石分离结构简要介绍
4.结构对比
5.该结构的工程意义
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
1.设计背景
通常，泥石流固相物质的粒度分布较为广泛，并包含许多粗颗粒，甚至是 巨砾。这些粗颗粒的存在，大大增强了泥石流的冲击破坏能力。因此，通 过水石分离方法对粗颗粒进行调控，减少其含量，能够有效减小泥石流的 规模和破坏力，降低泥石流的危害，从而达到减灾目的，目前具有水石分 离功能的泥石流减灾工程主要为各种透水型拦挡坝，然而，这些结构存在 一个普遍问题，即结构开口易被分离出的固体颗粒堵塞并造成淤积，从而 导致结构的水石分离功能不能持续发挥，并失去减灾功能。
尽管上述分布对高密度泥石流有 很好的拟合程度，但对低密度泥 石流颗粒的描述却还不够准。
一、泥石流颗粒的标度分布
考虑同时用幂函数和指数函数 对颗粒粒径分布进行描述。 假定:P( D) = CD－μexp( － D/Dc) 通过对云南蒋家沟泥石流样本 的分析，发现这种分布对各种 密度的土颗粒都具有很高的符 合程度。 幂指数μ与土体结构( 特别是孔 隙度) 有关。 同时，密度ρ与幂系数μ同样满 足幂函数的对应关系。是一个 能反映泥石流颗粒整体性特征 的指标，同样具有一定的普适 性。
2.具有水石分离功能的透水型拦挡坝分类
目前的泥石流减灾工程中，用于调控粗颗粒的措施主要为各种透水型拦挡 坝，根据其结构型式、受力特点以及选用的建筑材料，可以将其分为混凝 土立式刚性结构( 缝隙坝、切口坝、梳子坝等) 、钢制立式刚性结构( 钢 管格子坝、梁式格栅坝等) 、卧式刚性结构( 水平透水格栅) 、立式柔性 结构( 柔性网格坝) 。
3.鱼脊型水石分离结构简要介绍
该结构由引流坝、水石分离格 栅、泄流槽、停积场4 部分组 成。当泥石流从引流口流到水 石分离格栅后，大部分粒径大 于格栅开口宽度的固体颗粒被 分离出来，并沿着格栅表面滑 落到两侧的停积场，而其余泥 石流透过格栅落入泄流槽，并 继续沿着沟道排向下游。
鱼脊型水石分离结构示意图
（一）高速远程滑坡—碎屑流定义及其特征 （二）经典的运动机理模型 （三）运动机理的继续探索 （四）主要研究方法 （五）研究的难点
（六）研究新进展—运动过程特征的揭示
高速远程滑坡- 碎屑流的运动机理，即高速远程效 应机理一直是国内外学者研究的热点，但是至今还没
有公认的理论能解释它的高速度和超远距离位移。
鱼脊水石分离结构：该结构不仅能有分选地将粗颗粒分离出来，而且分
离出的粗颗粒在重力作用下自动滑落到两侧停积场，不堵塞格栅开口，使结构 的水石分离功能可以持续发挥。
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
5.该结构的工程意义
通过模型试验研究验证，该水石分离结构可以广泛应用于山洪和密度小 于1.90t/m3的泥石流。在山洪和泥石流流域内配置不同分离参数的多级 结构，可以进行多级水石分离，对山洪和泥石流运动过程中的物质和能 量进行调控，实现更加有效的减灾目的。
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
1.混凝土立式刚性结构——梳子坝
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
2.钢制立式刚性结构——梁式格栅坝
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
3.卧式刚性结构——透水格栅
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
4.立式柔性结构——柔性网格
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
引入特征粒径Dc = 1 /k，并以此特 征粒径为单位重新标度，则所有的 累积曲线都归结到同一条指数分布 曲线之上。
一、泥石流颗粒的标度分布
同时发现，特征粒径Dc与密度ρ 满足幂函数的对应关系。 说明Dc具有与密度ρ 相同的描述 泥石流性质的作用，也是一个具 有普适性的参数，能够从整体上 反映泥石流颗粒的性质。
一、泥石流颗粒的标度分布
为了检验标度分布的普适性，考察了国内不同地区不同流域的大量泥石流 ( 堆积) 的土体( 泥沙)样本，发现了同样的分布形式，只是分布参数变化。表 4 为2010 年舟曲特大泥石流和相关土体的标度分布参数，表5 为全国其它地 区的泥石流颗粒的标度分布参数。这就证明标度分布式不但具有极高的拟合 度，也有很好的普适性，能满足不同区域不同背景和不同性质的泥石流颗粒 分布。
③ 在运动过程中呈明显的“流态化 ”特征。这也是 它能高速远程的主要原因之一。 ④ “尺寸效应 ”。当滑体的体积小于 1 ×106 m3 时, 碎屑物质没有明显的流态化特征 ,不属于高速 远程的范围。 ⑤ 层序保持现象。堆积物的岩性层序与滑坡发生 前滑体中的岩层层序是一致的。 ⑥ 反序现象。高速远程滑坡—碎屑流的堆积物表层 聚集着大的块石或漂石颗粒, 而越往下, 颗粒逐渐 变细 ,到了一定的埋深,碎屑全部由细粒物质组成。 因为超乎寻常的高速度和远距离位移 ,高速远程滑 坡 —碎屑流往往能够引发灾难性事故 ,造成严重的生命 财产损失 。
（一）高速远程滑坡—碎屑流定义及其特征 （二）经典的运动机理模型 （三）运动机理的继续探索 （四）主要研究方法 （五）研究的难点
（六）研究新进展—运动过程特征的揭示
定义：
高速远程滑坡—碎屑流，是指高速远程滑坡或崩 塌在运动过程中转化而成的碎屑流体。
特征：
① 具有极高的运动速度，其运动速度一般在 30m/s 以上。目前已知速度最高的为加拿大西部 Mack enzie 山的 Avalanche Lake滑坡 —碎屑流, 达到了 213m/s ,攀越了对面 640m的高山。 ② 具有超远距离的位移。目前已知地球上位移最大 的碎屑流是发生于 30万年前的美国Mount Shasta 滑坡 —碎屑流 , 它在近乎水平的地面上运动了约 43km。
试 验 装 置 布 置
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
4.结构对比
传统的结构：在运行初期，这些结构均能较好发挥水石分离功能，将粗颗粒从 泥石流中分离出来，其余泥石流体透过结构开口，继续沿着沟道运动，实现水 石分离，从而达到减少泥石流中的粗颗粒含量的目的。但是，由于分离出的粗 颗粒直接停留在结构体前或结构体上，随着被分离的粗颗粒不断增多，分离结 构的开口被淤积堵塞，最终失去水石分离功能。其优点是应用范围广。
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
水石分离格栅坡度θ 和肋梁与脊梁夹角γ 是两个影响水石分 离效果的关键参数，通过试验研究表明: 当格栅坡度θ 为 35° ～ 38． 7°（泥石流固体颗粒的天然休止角）、肋梁与 脊梁夹角γ 为70° ～ 80°时，不仅结构能有分选地将粗颗粒 分离出来，而且被分离的粗颗粒在重力下自动滑落到停积场， 不堵塞格栅开口。
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
由成都山地所韦方强 研究员带领的研究小 组研发，这是一种新 型泥石流防治结构， 该结构能有效解决现 有水石分离结构不能 持续发挥水石分离功 能的问题。
鱼脊型水石分离结构模型
二、泥石流防治新结构—鱼脊型水石分离结构
目录 1.设计背景
2.具有水石分离功能的透水型拦挡坝分类
在关于运动机理的研究中，产生重要影响的理论主 要有以下 4种运动机理模型 :
① 空气润滑模型 最早是由 Kent提出来的，他认为在滑坡体剪出下落 的过程中,下部与地面之间圈闭了大量的空气 , 当与山 体碰撞破碎以后 ,碎屑流的底部颗粒与圈闭空气充分地 混合而形成 “流化床”气体与固体颗粒之间的作用取 代了固体颗粒的粒间碰撞而成为力的主要传导方式 因 此 ,碎屑流受到的地面摩擦阻力几乎为零 ,碎屑流能高 速前进;而当 “流化床”中的气体逐渐排出低于临界值 时, 碎屑流底部的摩擦阻力剧增,碎屑流迅速 “固结”, 停止运动。