泥石流滑坡研究进展

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。
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确。
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。
目录 1、研究背景 2、研究内容 3、应用
一、泥石流颗粒的标度分布
1、研究背景
泥石流颗粒组成揭示了泥石流堆积物的分散度，是泥石流结构的一个重 要特征，也是决定泥石流堆积物工程地质性质的一个重要指标; 同时，反映了泥石流的形成机制与动力学、运动学特征。因此，对泥石 流堆积物粒度构成的研究一直是泥石流研究的重要内容之一。 土力学中人们通过绘制粒径级配曲线来描述颗粒大小的分布情况，并引 入一些特殊粒径和组合( 如不均匀系数Cu和曲率系数Cc等) 来反映颗粒分 布的整体情况，但这些都带有强烈的经验性，不具有理论支持。
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。
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。
泥石流滑坡研究进展
组 员 蒋胡刘胡赵朱 德雨洋洪伟秦 旺豪 森
目录 一、泥石流颗粒的标度分布 二、泥石流防治的新结构——鱼脊型水石分离结构 三、速远程滑坡—碎屑流及其新研究进展——运动 过程特征的揭示
一、泥石流颗粒的标度分布
该标度分布是由成都山地所李泳研究员提出的一种普适性的泥 石流颗粒分布曲线，其分布参数对泥石流的研究评价有着重要 作用。
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。
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。
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
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 。
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 。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类
（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。
（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。
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。
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) 。
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。
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
Shreve也认为空气是碎屑流高速远程效应的主要原 因，但他认为, 空气流化不只是发生在碎屑流底部 ,而
是整个碎屑流体中。碎屑流内部圈闭并压缩着大量的
空气, 当碎屑流中每一点的空气压强能够平衡该点的固 体颗粒的重量时, 就称碎屑物质被完全流化,这时, 碎屑 流施加给地面的有效正应力几乎为零 ,因此摩擦力也为 零。
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。
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。
T . R. H. Davies进一步发展了颗粒流理论, 认为粒间 流体不是碎屑流高速远程的必要条件, 高速远程效应是 碎屑流在底部剪应力和自身重力共同作用的结果 。 碎屑流运动时, 底部颗粒受到地面的强烈剪切, 能够 施加给上部颗粒向上的碰撞力 ,当碎屑流的运动速度最 够大时,底部的颗粒向上施加的碰撞力足够大 , 能平衡 上部颗粒重量, 则碎屑流受到地面的摩擦力大大减小。 T . R . H. Davis 称这种状态为力学液化,发生力学液化 的颗粒流能高速向前运动。
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。