混合侵蝕培訓課件

混合侵蝕培訓課件主要教學目標：分析混合侵蝕發(fā)生機制及其發(fā)展規(guī)律，闡述混合侵蝕形式及影響混合侵蝕的自然因素。使掌握防治混合侵蝕的基本原理。教學方法：以教師課堂講授為主，學生自學、參閱課外書及野外實習為輔。主要內容：第一節(jié)泥石流形成、分布及分類第二節(jié)泥石流物質組成第三節(jié)泥石流特征第四節(jié)泥石流輸移和沖淤變化第一節(jié)泥石流形成、分布及分類一、泥石流形成1.形成條件

要有充足的固體碎屑物質固體碎屑物質是泥石流發(fā)育的基礎之一，通常決定于地質構造、巖性、地震、新構造運動和不良的物理地質現(xiàn)象。

在地質構造復雜、斷裂皺褶發(fā)育、新構運動強烈和地震烈度高的地區(qū)，巖體破裂嚴重，穩(wěn)定性差，極易風化、剝蝕，為泥石流提供了固體物質。在泥巖、頁巖、粉沙巖分布區(qū)，巖石容易分散和滑動；巖漿巖等堅硬巖分布區(qū)，會風化成巨礫，成為稀性泥石流的物質來源。在新構造運動活動和地震強烈區(qū)，不僅破壞山巖完整性、穩(wěn)定性，形成碎屑物質，還有激發(fā)泥石泥的作用。不良的物理地質作用包括崩坍（冰崩、雪崩、巖崩、土崩）、滑坡、坍方、巖屑流、面石堆等，是固體碎屑物質的直接來源，也可直接轉變?yōu)槟嗍鳌?/p>

要有充足的水源降雨、冰雪融化、地下水、湖庫潰決等都可形成泥石流，最多的是降雨發(fā)生的泥石流。

我國東部處于季風氣候區(qū)，降水量大而集中，一般中雨、大雨、暴雨和大暴雨均可激發(fā)泥石流發(fā)生，尤其1小時雨強在30mm以上和10分鐘雨強在10mm以上的短歷時暴雨。黃土高原的連陰雨及高強度暴雨泥石流就屬此類。在青藏高原積雪的高山上，若日均溫上升(即與月均溫差為正)，多為無雨日或晴日，冰雪迅速融化，最易發(fā)生泥石流；相反，泥石流頻率降低在20%以下。冰雪融化有時導致冰湖潰決，或其他原因造成水庫潰壩，都會誘發(fā)泥石流。在石灰?guī)r發(fā)育地區(qū)，地表水轉化為地下水，不利于泥石流的形成。

地形條件典型的泥石流溝，從上游到下游可劃分為三個區(qū)，即侵蝕區(qū)、過渡區(qū)、堆積區(qū)。

侵蝕形成區(qū)為以漏斗狀和勺狀地形，易集中徑流。過渡區(qū)為泥石流運動通過區(qū)，需陡直多跌水的地形，以便不斷補充能量和物質。堆積區(qū)為泥石流固體碎屑的停積地，一般平緩開闊。陡峻地形制約它的形成和運動，影響泥石流的規(guī)模和特性。通常決定于溝床比降、溝坡坡度和坡向、集水面積和溝谷形態(tài)等。研究表明，泥石流溝床比降多在50‰～300‰，尤其是100‰～300‰。在平緩溝床中不易發(fā)生泥石流。流域溝坡影響泥石流的規(guī)模和物質補給。統(tǒng)計表明在10°以上即可發(fā)生泥石流，尤以30°～70°為甚，這是坡面不穩(wěn)、相對補給增多的緣故。鑒于暴雨的區(qū)域性特點，0.5～10.0km2的集水區(qū)是泥石流的多發(fā)區(qū)。在我國受太平洋季風影響的東坡、南坡高山區(qū)能攔截大量降水形成泥石流，相反坡向較差。

此外，人類不合理的社會經濟活動，如開礦棄渣、修路切坡、砍伐森林、陡坡開墾和過渡放牧等，都能促使泥石流的形成與發(fā)展。2.形成機理分析

泥石流中水與松散固體物質之間的相互作用，以及由此而產生的作用力與變化，是泥石流形成不同于高含沙水流的本質。泥石流形成的作用力，一是與固體物質濃度和坡度(含坡面和溝床)有關的重力分力；二是流體中流體水相對于固體物質運動的性質所決定的輸移力。前者是泥石流形成和運動的必要條件，后者是不同性質泥石流運動的差異條件。為分析方便，通常依據固體物質參與泥石流運動過程不同，分為兩種類型，即水力侵蝕類型和重力侵蝕類型。

水力侵蝕類型是坡面、溝道中固體風化碎屑物質受坡面和溝道水流的片蝕、沖刷和各種侵蝕作用，固體物質逐漸地不斷地參與泥石流，即水力侵蝕過程。侵蝕的不斷加劇，挾帶的泥沙、石塊數量不斷增加，而且在運動中又不斷攪拌，當固體物質含量達到某一極限值時，且攪拌十分均勻，流體性質發(fā)生變化已不再是牛頓體，不同于挾沙水流，成為具有特殊性質和流態(tài)的流體，這就是泥石流。由此我們看出，這類泥石流形成的條件，必須是水體的流動力Pm要大于固體碎屑顆粒間的總阻力。重力侵蝕類型是坡面和溝道中多種成因的固體碎屑物質主要受重力作用形成的。這些固體碎屑物質受降水、徑流的浸潤滲透和浸泡，含水量逐漸增加，于是自身重力將跟著增大，導致堆積碎屑物的內摩擦角和內聚力不斷減小，逐步出現(xiàn)滲透水流和動水壓力(P動=γJV)，堆積的碎屑物因摩擦角和內聚力減小而出現(xiàn)液化，導致其穩(wěn)定性破壞而沿坡面滑動或流動。經過一段時間和一段距離的混合攪拌，形成具有特定結構的泥石流體。這類情況是水和碎屑物本身重力作用而產生運動和攪拌的。應是固體碎屑的內應力τ大于其極限剪應力才能發(fā)生。即τ＞τ0(6.2)式中：τ0－－固體碎屑極限(或臨界)剪應力?？梢钥闯?，這類型泥石流多為粘性泥石流。應當指出，自然界泥石流形成多呈復合型，即有水力侵蝕作用，也有重力作用，還會出現(xiàn)塞阻后潰決發(fā)生疊加作用。只不過在時、空變化上，以某一作用為主罷了。二、我國泥石流的分布

泥石流在我國分布廣泛，北起黑龍江雙鴨山市，南至海南島石祿縣，東起臺灣的閔林，西到新疆喀什和慕士塔格山麓，廣袤的國土上有26個省(區(qū))分布有幾萬條泥石流溝。大致以大興安嶺——燕山——太行山——巫山——雪峰山一線為界分為兩部分，西部的高原、高山、極高山是泥石流最發(fā)育、分布最集中、災害頻繁而又嚴重的地區(qū)；東部的平原、低山、丘陵，除遼東南山地泥石流密集外，廣大地區(qū)泥石流分布零散，災害較少。因地質構造、地貌和氣候的特點，決定的泥石流活動及其災害具有下列分布規(guī)律。

泥石流分布特點其一為沿斷裂構造帶密集分布；其二在地震活動帶成群分布，主要分布于烈度Ⅶ級以上地震區(qū)；其三分布在深切的中、高山區(qū)，尤其三級階梯間的過渡地帶，普遍有泥石流發(fā)育。常出現(xiàn)在海拔800～2500m，坡面25°～35°，溝床比降100‰～400‰，集水面積0.6～50km2的地區(qū)。在上述地區(qū)內，泥石流多分布于海拔800～2500m高度的山坡和溝谷，坡面泥石流在25°～33°的坡面最常見，溝谷泥石流溝床比降多在100‰～400‰之間，泥石流溝谷集水面積大都在0.6～50km2之間。

冰川型泥石流分布于海拔很高的青藏高原及周圍山地，暴雨型泥石流受季風影響明顯，在季風氣候的山區(qū)，呈片狀帶狀分布，在非季風影響的西北、北部僅在最大降水帶的一定坡向和高度上才會出現(xiàn)。

根據泥石流發(fā)育的自然環(huán)境、災害程度、溝谷的基本特征、發(fā)展趨勢的相對一致性、和區(qū)域范圍的完整性，把全國劃分為西南印度洋流域極大危險泥石流大區(qū)、東南太平洋流域最大危險泥石流大區(qū)、東北太平洋流域危險泥石流大區(qū)和內流及北冰洋流域一般危險或無危險泥石流大區(qū)4個大區(qū)和15個亞區(qū)。三、泥石流分類1.按固體物質組成

泥石質泥石流是指由漿體和石塊組成的特殊流體，成分從粒徑小于0.005mm的粘土粉沙到幾米至一二十米的大漂礫。這種泥石流體的粘粒比例一般不少于3%～5%(重量比)，它在泥石流中起著十分重要的作用。

泥流泥流是指發(fā)育在黃土高原以細粒泥沙為主要組成物的泥質流。泥流中粘粒含量大于石質山區(qū)的泥石流，可達15%(重量比)以上，含有少量碎石巖屑，粘度大，呈稠泥狀。在流動過程中，流體表面漂浮有大塊土體，泥流體向兩側擴散能力較弱，停積時呈扁平的舌狀體，無水流外溢，在泥流發(fā)育的溝道里或堆積區(qū)，可以看到大大小小的泥球或碎屑球。

水石流水石流是指發(fā)育在大理巖、白云巖、石灰?guī)r、礫巖和部分花崗巖山區(qū)，由水和粗砂、礫石、大漂礫組成的特殊流體，粘粒含量小于泥石流和泥流，其形成和性質類似于山洪。2.按泥石流性質

稀性泥石流稀性泥石流的特點是：①流體內水含量多于固體顆粒含量，固體顆粒含量占總體積的10%～14%，容重為1.3～1.8t/m3；②運動中漿體是搬運介質，漿體流速較固體顆粒流速快，呈紊動狀；③有沖有淤以沖刷為主，堆積扇上表現(xiàn)為大沖大淤，或集中沖分散淤；④不易造成堵塞和陣流現(xiàn)象，亦無明顯“龍頭”，泥石流體在溝口處停積后，水與泥漿慢慢流失，形成表面比較平整的扇形體。東川大橋溝泥石流是這類的典型。

粘性泥石流粘性泥石流特點為：①流體內的固體物質含量很高，可達80%以上，容重為2.0～2.2t/m3；②流體內含大量粘土和粉砂，形成粘稠的泥漿；③流動時有明顯的陣流，每次陣流時間只有幾分鐘，但有很大的能量，在泥石流前端，大石塊被推擠成高聳的“龍頭”；④侵蝕能力和搬運能力很強，常侵蝕岸坡和鏟刮谷底，龍頭能推動巨大石塊向前移動，泥漿可頂托石塊浮動。堆積物保持原有結構，含有大量泥球。蔣家溝泥石流為這一類代表。

過渡性泥石流過渡性泥石流特點介于以上二者之間。①固體含量較多，容重在1.8～2.0t/m3；②運動過程中有層流，也有紊流，或隨時間、區(qū)段的不同，流態(tài)交替出現(xiàn)；③有時大沖大淤，有時以沖為主，具有較大沖擊力和破壞作用。3.按主導因素

這種類型的劃分是以主導作用條件為依據的。所謂主導作用條件是指決定泥石流規(guī)模大小，控制泥石流發(fā)生與否，以及今后泥石流的活動趨勢和因素。由于分類以主導作用來劃分，又稱為成因類型。

冰川泥石流冰川泥石流指分布在高山冰川積雪盤踞的山區(qū)，其形成發(fā)展與冰川發(fā)育過程密切相關，在冰川的前進與后退，冰雪的積累與消融及其所伴生的冰崩、雪崩、冰磧湖潰決等動力作用下所發(fā)生的一種泥石流。按其水體和固體物質補給方式的不同，又可分為冰雪消融型、冰雪消融—降雨混合型、冰崩—雪崩型、冰湖潰決型4個亞類。

降雨泥石流降雨泥石流指在非冰川地區(qū)，以降雨為水體來源，以其他松散堆積(如山崩滑坡堆積物、黃土堆積物、風化剝蝕巖屑物等)為固體物質補給來源而形成的泥石流。這類泥石流又可分為暴雨型、臺風雨型、降雨型三個亞類。第二節(jié)泥石流物質組成一、容重及粒度組成1.容重

泥石流容重是單位體積泥石流流體的重量，單位為t/m3。其容重大小反映了泥石流結構，影響泥石流的物理力學性質，從而造成不同的侵蝕、輸移和堆積。

一般稀性泥石流容重1.3～1.8t/m3，粘性泥石流容重＞2.0t/m3，過渡性泥石流在1.8～2.0t/m3之間。不同容重其含沙量不同，一般含沙量在1000kg/m3以上，最高可達2180.3kg/m3。泥石流容重受固液相組成、固體物質特性及土體特性影響（見表6.1）。通常固體物、大顆粒含量高和比重大的顆粒多容重大；反之，容重小。泥石流容重在同一陣次中隨時空不同而變化。一般從上游到下游，容重隨固體顆粒的加入而增大；同一流域不同次泥石流，因降水不同和固體物質供給的差異，表現(xiàn)不同的容重；對同一陣而言，通?！褒堫^”容重較高，此后逐漸降低。2.粒度組成

泥石流流體中固體顆粒粒度范圍很寬，從幾微米到幾米，但限于取樣的困難，以下表中反映的粒度組成限在80～100mm以下，從實測到的最小粒徑為0.0013mm，占固體顆?？傊氐?%～14%左右。

一般挾沙洪水和稀性泥石流的粒度組成較均一，粒度范圍窄，顆粒離散度小(離散度為未加分散劑與加入分散劑的粘粒累積百分數相比值)。99%以上是小于2mm的泥沙，其中粗沙占14%～37%、粉沙和粘粒占82%～62%。

粘性泥石流粒度組成范圍寬，離散度大。其中＞2mm的石塊占固體物質重量的65%以上，沙粒占18%左右，粉粘粒占18%左右（表6.2）。二、粘土礦物與泥石流的關系1.粘土礦物組成

粒徑小于1.0mm的顆粒為粘土礦物，呈現(xiàn)出懸浮膠液性質，對泥石流性質影響頗大。主要的粘土礦物有水云母(伊利石)、綠泥石、蒙脫石、高嶺石、蛭石、埃洛石和海泡石等。此外還有非粘土礦物赤鐵礦、針鐵礦、白云母、滑石、石英、長石、硅藻等礦物。

由于粘土礦物的親水特性，加之比表面十分巨大和扁平的晶形特征，使泥石流性質各異。一般粘粒含量＜3%時，為稀性泥流；＞5%時為粘性泥石流，介于3%～5%間的為過渡性泥石流。2.粘土礦物的影響

粘土礦物顆粒呈薄片狀具有親水特性。由于水化膜厚度在顆粒表面的邊緣處最薄，相互間產生很大吸引力，形成所謂網格結構。泥石流體中含有較多粘土礦物時，網格結構愈緊密，強度也愈大，從而形成粘性泥石流。當流體中粘土礦物含量較少時，因粘粒間接觸的點(或面)相對少，從而形成松馳的鏈條式結構，該結構強度低，稍受擾動即被破壞，而成流動性大的稀性泥石流。過渡性泥石流的粘土礦物既可形成網格結構，也有鏈條結構，處于不斷地變動中，故性質居中。

網格結構的性質和強度，除受流體中固體物質濃度影響外，還與粘土礦物類型有關。一般蒙脫石形成的網格結構遠比伊利石、高嶺石所形成的網格結構緊密，且強度大得多。故流體的剪切強度、粘滯系數高。相反，以伊利石形成的網格結構、綠泥石等形成的網格結構較之松馳，強度小。從而得出，泥石流的性質除與固體物質多少、粘粒含量有關外，還與泥石流產地巖性有關，這就使泥石流性質變得十分復雜。3.粘土礦物與泥石流關系

粘土礦物總含量雖不高，但比表面積大，可將比它大數萬倍的沙、礫石塊包裹起來，在一定的含水量和其他條件下，使源地土石體結構松散，摩擦力和凝聚力降低，極易流失，形成泥石流。

粘土礦物的親水特性，使源地土石體增重，易于發(fā)生重力侵蝕，并使泥石流在發(fā)展中易于獲得大量固體物質，使其不斷發(fā)展擴大。

綠泥石、蛭石等吸水膨脹性強的礦物，一旦吸水后促進土巖體崩解、崩坍和滑動，因此，雖然流域面積不大，卻可產生驚人的固體物質，而由一般侵蝕轉化為泥石流侵蝕。第三節(jié)泥石流特征一、發(fā)生特征1.突發(fā)性和災變性泥石流

突發(fā)性和災變性泥石流暴發(fā)突然，歷時短暫，一場泥石流過程一般僅幾分鐘到幾十分鐘,給山地環(huán)境帶來災變。如1986年9月22～25日云南南澗縣城周圍9條泥石流溝暴發(fā)泥石流，城鎮(zhèn)街道淤沙1m多，人民生活環(huán)境改變。2.波動性和周期性泥石流

波動性和周期性泥石流活動時期時強時弱，具有波浪式變化特點，可劃分活動期和平靜期。如怒江自1949年以來，有明顯三個活動期，分別是1949～1951年、1961～1966年、1969～1987年。它的活動周期取決于激發(fā)雨量和松散物的補給速度。周期長的數十年至數百年暴發(fā)一次。如云南東川黑山溝、猛先河重現(xiàn)期為30～50年，四川雅安陸王溝、干溪溝為200年。3.群發(fā)性和強烈性泥石流

群發(fā)性和強烈性泥石流由于降雨的區(qū)域性和坡體的穩(wěn)定性，使泥石流發(fā)生常具“連鎖反應”。1986年祥云鹿鳴山出現(xiàn)“九十九條破菁”同時出現(xiàn)泥石流。據成都所東川站實測，一次泥石流侵蝕模數可達20～30萬t/km2，最大達50萬t/km2，平均侵蝕深10m。

此外，我國泥石流還有夜發(fā)性特點。據統(tǒng)計，云南80%泥石流集中在夏秋季節(jié)的傍晚或夜間，西藏也是如此，這顯然與陣性降雨和冰雪融化有關?；氐阶钌厦?/p>

二、泥石流流態(tài)特征

泥石流既不同于一般徑流沖刷，又是在徑流沖刷和重力共同作用下的混合侵蝕。因此泥石流流態(tài)多樣。1.蠕動流泥石流

蠕動流泥石流暴發(fā)時在粗糙的溝床上“鋪床”前進，或上游供給不足似蛇身匍伏緩慢前進，流速一般在0.3～0.5m/s。當溝床縱坡十分開闊平展時，泥石流龍頭也會如此。2.層動泥石流

層動泥石流在溝道平直、坡度不太大的情況下，高濃度的泥石流體呈整體運動，體內無物質的上下交換過程，流速變化從5m/s到15m/s，具有極大浮托力，使巨石像游船一樣漂浮。3.紊動泥石流

紊動泥石流漿體較稀，或溝道比降大而導致流動湍急，漿體中石塊相撞擊、摩擦，發(fā)出轟鳴。4.滑動泥石流

滑動泥石流近似層流的整體運動，是在高粘度泥石流“鋪床”后，依慣性力作用在“潤滑劑”上滑向前進。5.波動泥石流

波動泥石流實質上是一種特殊的自動形態(tài)流，即當溝道泥石流殘留層較厚時，在縱坡影響下，較厚漿體在重力作用下，向下形成一個波狀流動體，并迅速下泄，與因堵塞形成的陣性流十分相似。

泥石流具有很強的侵蝕能力和巨大的侵蝕量，如上疙瘩大橋溝和上疙瘩中橋溝，在1981年暴發(fā)泥石流時，一次下切深度在7～13m，蓮地隧道6號溝(迤布苦溝)也一次下切13m，這樣的下切速度是一般山洪下切速度無法比擬的。又如利子依達溝，在1981年7月9日暴發(fā)泥石流時，在很短時間內將30～50萬m3松散碎屑物質傾瀉在大渡河內，形成短暫的天然堤。當日的泥石流侵蝕模數達1.2～2萬t３/km2，其數量之大，也是一般水土流失所無法比擬的。三、泥石流搬運特征

泥石流是一種獨特的流體，因此，其搬運能力極強。搬運的泥沙、粒度廣泛、濃度大、大致可歸納為兩類，一類是構成泥石流的固相物質和液相物質緊密結合，液相物質已完全失去自由而不再是搬運介質，固相物質已成為流體的組成部分而不再是載體，二者構成一相流體(粘性泥石流)。在這樣的情況下泥石流以蠕動流滑動流成似層流的連續(xù)流或陣性流形態(tài)將流體搬運出溝。另一類是構成泥石流的固相物質和液相物質的結合雖然也使液相物質失去水流的主要特性，但二者未構成一相體，細粒固相物質與液相物質構成的泥漿是搬運介質，而大石塊是載體，搬運介質和載體之間的流速可以有差異(稀性泥石流)。在這樣的條件下，泥石流以紊流連續(xù)流形態(tài)將流體搬運出溝。這兩種搬運形態(tài)相對應的搬運方式是各不相同的。粘性泥石流，泥沙和水構成一相體，流速梯度只在流體與邊界層之間的很薄一層流體內存在，其余流體則以同一速度前進，因此，粘性泥石流以整體方式搬運松散碎屑物質。稀性泥石流，因泥沙和水尚未構成一相體，而是兩相體，因此，不僅整個流體有流速梯度存在，而且粗粒固相物質與液相物質之間也存在流速差別，這就導致稀性泥石流以散體方式搬運松散碎屑物質，而且可以用拜格諾方程加以描述。四、泥石流堆積物宏觀特征1.泥石流堆積類型

泥石流堆積扇或堆積錐，泥石流出山口后，地形突然變得開闊、平坦。若為稀性泥石流，流體便以一定角度或輻射狀散開，形成散流，流面增寬，流層變薄，阻力增大，于是流體發(fā)生扇狀淤積，長此以往，扇體不斷增大、增厚，形成堆積扇，若為粘性泥石流，則流體因整體受阻而發(fā)生壟崗狀淤積，在長期的泥石流活動中，壟崗狀淤積在堆積區(qū)交錯發(fā)生，反復重疊，久而久之，也形成扇狀堆積。隨著時間的推移，扇狀堆積不斷發(fā)展壯大，最后形成完整的堆積扇，對溝谷陡峻，固相物質粗大的泥石流，在堆積區(qū)常發(fā)育成堆積錐。

泥石流堆積物構成的堆積扇縱坡較陡，一般在3°～9°之間，部分可達9°～12°，而洪積物的縱坡一般在3°以下，同時泥石流堆積物構成的堆積扇橫比降也比較大，一般在1°～3°之間，而洪積物的橫比降一般在1°以下。

泥石流堆積階地是發(fā)育在泥石流溝谷內的一種堆積地貌，是泥石流體在運動過程中由于沒有后續(xù)流的推動，因而不能克服來自溝谷底床和邊壁的阻力而在溝谷內發(fā)生淤積，后來又遭洪水沖刷，由于洪水能量有限，只局部下切拉槽，于是在溝床兩岸或一岸留下原有的堆積而形成的。這種泥石流堆積階地通常是一種短暫的泥石流堆積現(xiàn)象。

泥石流側積側積是泥石流在運動過程中由于邊緣部位流層較薄，而邊緣的阻力又較大，因而泥石流邊緣部位流速減緩，部分流體或流體中的松散碎屑物質，在邊緣產生淤積，這種淤積就是側積。這種堆積是流體的橫向環(huán)流所致，因此，流體兩側或一側不受邊壁約束是形成該類型的關鍵條件。

除上述主要堆積形式外，泥石流還可在運動過程中形成超高堆積，拋高堆積和縫隙堆積等。2.泥石流堆積物特征

泥石流堆積物一般能分出若干層次，