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这是坡面不稳、相对补给增多的缘故。
鉴于暴雨的区域性特点,0.5-10.0km2的集水区是泥石流的多发区,泥石流沟的流域形态以漏斗状和勺状最发育,它的形成区、通过区和堆积区三段明显。
在我国受太平洋季风影响的东坡、南坡高山区能拦截大量降水形成泥石流,相反坡向较差。
二、泥石流发生的特点
(一)突发性和灾变性
泥石流暴发突然,历时短暂,一场泥石流过程一般仅几分钟到几十分钟。
这样给山地环境带来灾变,包括强烈侵蚀和淤积,强大的搬运能力和严重的堵塞,以及与滑坡等活动相促进造成的灾变性和毁灭性。
如1986年9月22-25日云南南涧县城周围9条泥石流沟暴发泥石流,城镇街道淤沙1m多,人民生活环境改变。
(二)波动性和周期性
我国泥石流活动时期时强时弱,具有波浪式变化特点,可划分活动期和平静期。
如怒江自1949年以来,有明显三个活动期,分别是1949-1951年、1961-1966年、1969-1987年。
它的活动周期取决于激发雨量和松散物的补给速度。
周期长的数十年至数百年暴发一次。
如云南东川黑山沟、猛先河重现期为30-50年,四川雅安陆王沟、干溪沟为200年。
(四)群发性和强烈性
由于降雨的区域性和坡体的稳定性,使泥石流发生常具“连锁反应”。
1986年祥云鹿鸣山出现“九十九条破菁”同时出现泥石流。
据成都所东川站实测,一次泥石流侵蚀模数可达20-30万t/km2,最大达50万t/km2,平均侵蚀深10m。
此外,我国泥石流还有夜发性特点。
据统计,云南80%泥石流集中在夏秋季节的傍晚或夜间,西藏也是如此,这显然与阵性降雨和冰雪融化有关。
。
三、影响泥石流发育的因素
(一)地质构造与岩性
我国地质构造复杂,尤其上新世以来多次的整体抬升与沉降,不仅造成3000-4000m的巨大高差,而且形成巨大的褶皱带和断裂构造,并使岩性变质,结构破坏,产生了角砾岩、糜棱岩、碎裂岩等易风化又处于不稳定的岩石。
在诸如安宁河断裂、白龙江断裂、金沙江等断裂带泥石流数量多、规模大、活动强、成灾重。
岩性决定着岩体遭受破坏的难易程度、方式以及泥石流性质。
一般软弱的页岩、泥岩、粉砂岩、粘土岩及片岩、千枚岩地区,易风化成细粒碎屑,形成粘性泥石流;
而坚硬的岩浆岩经温差和寒冻风化,以及冰雪挤压等形成裂隙和巨大块石,而发育成稀性泥石流;
石灰岩的机械风化,加上淋溶的残积红土有利于泥石流形成,如九寨沟。
相反,在淋溶作用强烈的南方喀斯特地区,泥石流难以形成。
(二)地震及新构造运动
地震破坏岩体的完整性并使岩体丧失稳定性,因之,地震带是泥石流活动带,如喜马拉雅山区察隅县1950年发生的8.5级地震,破坏的岩体充填山谷,累累引起泥石流。
波密县石乡沟大规模的冰崩岩崩,导致1953年特大冰川泥石流。
可见,地震是泥石流形成的重要动力和物质基础。
凡Ⅶ级以上烈度区,常是泥石流多发区。
新构造运动强烈上升,引起水流、冰川等的迅速下切,造成极大的地形高差和陡峻的坡面与沟谷,致使崩塌、滑坡产生倒石堆、流沙、滚石频频出现,形成大量的固体碎屑,这些固体碎屑是生成发育泥石流的条件。
(三)人类不合理的经济活动,助长了泥石流活动
如毁林开荒,兴修水利,陡坡垦种,开矿堆放废渣等造成的泥石流年年发生。
这类活动范围一般较小,规模较小,但灾害严重。
若与岩体自然破坏相叠加,灾害规模和损失十分惊人。
如四川冕宁县泸沽盐井沟,因弃渣激发泥石流,年年发生,已造成百余人丧生,还威胁成昆铁路安全,虽投资500余万元进行治理,但仍未有效控制泥石流的发生。
四、泥石流的分类
目前,泥石流分类的依据,指标因不同目的尚未统一,以下介绍主要方案:
(一)按固体物质的组成分类
1、泥石流
泥石流是指由浆体和石块组成的特殊流体,成分从粒径小于0.005mm的粘土粉沙到几米至一二十米的大漂砾。
这种泥石流体的粘粒比例一般不少于3%-5%(重量比),它在泥石流中起着十分重要的作用。
2、泥流
泥流是指发育在黄土高原以细粒泥沙为主要组成物的泥石流。
泥沙中粘粒含量大于石质山区的泥石流,可达15%(重量比)以上,含有少量碎石岩屑,粘度大,呈稠泥状。
在流动过程中,流体表面漂浮有大块土体,泥流体向两则扩散能力较弱,停积时呈扁平的舌状体,无水流外溢,在泥流发育的沟道里或堆积区,可以看到大大小小的泥球或碎屑球。
3、水石流
水石流是指发育在大理岩、白云岩、石灰岩、砾岩和部分花岗岩山区,由水和粗砂、砾石、大漂砾组成的特殊流体,粘粒含量小于泥石流和泥流,其形成和性质类似于山洪。
(二)按泥石流的性质分类
1、稀性泥石流
稀性泥石流的特点是:
①流体内水含量多于固体颗粒含量,固体颗粒含量占总体积的10%-14%,容量为1.3-1.8t/m3;
②运动中浆体是搬运介质,浆体流速较固体颗粒流速快,呈紊动状;
③有冲有淤以冲刷为主,堆积扇上表现为大冲大淤,或集中冲,分散淤;
④不易造成堵塞和阵流现象,亦无明显“龙头”,泥石流体在沟口处停积后,水与泥浆慢慢流失,形成表面比较平整的扇形体。
东川桥沟泥石流是这类的典型。
2、粘性泥石流
粘性泥石流特点为:
①流体内的固体物质含量很高,可达80%以上。
容量为2.0-2.2t/m3;
②流体内含大量粘土和粉砂,形成粘稠的泥浆;
③流动时有明显的阵流,每次阵流时间只有几分钟,但有很大的能量,在泥石流前端,大石块被推挤成高耸的“龙头”;
④侵蚀能力和搬运能力很强,常侵蚀岸坡和铲刮谷底,龙头能推动巨大石块向前移动,泥浆可顶托石块浮动。
推积物保持原有结构,含有大量泥球。
蒋家沟泥石流为这一类代表。
3、过渡性泥石流
过渡性泥石流特点介于以上二者之间。
①固体含量较多,容重在1.8-2.0t/m3;
②运动过程中有层流,也有紊流,或随时间、区段的不同,流态交替出现;
③有时大冲大淤,有时以冲为主,具有较大冲击力和破坏作用。
(三)按形成泥石流的原因或主导因素分类
这种类型的划分是以主导作用条件为依据的。
所谓主导作用条件是指决定泥石流规模大小,控制泥石流发生与否,以及今后泥石流的活动趋势的因素。
由于分类以主导作用来划分,又称成因类型。
1、冰川泥石流
冰川泥石流指分布在高山冰川积雪盘踞的山区,其形成发展与冰川发育过程密切相关,在冰川的前进与后退、冰雪的积累与消融及其所伴生的冰崩、雪崩、冰碛湖溃决等动力作用下发生的一种泥石流。
按其水体和固体物质补给方式的不同,又可分为冰雪消融型、冰雪消融――降雨混合型、冰崩――雪崩型、冰湖溃决型4个亚类。
2、降雨泥石流
降雨泥石流指在非冰川地区,以降雨为水体来源,以其他松散堆积物(如山崩滑坡堆积物、黄土堆积物、风化剥蚀岩屑物等)为固体物质补给来源而形成的泥石流。
这类泥石流又可分为暴雨型、台风雨型、降雨型三个亚类。
前两类是指达到暴雨标准或台风过境才发生泥石流;
而降雨型泥石流是指无须达到暴雨标准亦可发生泥石流。
我国西北、华北和东北山地多有暴雨型泥石流:
台湾、海南岛以及东南沿海山地和东北、华北沿海某些山区多有台风雨型泥石流,西南山区多出现降雨型泥石流。
还有一种共生泥石流、山崩型泥石流、湖库溃决型泥石流、冰崩雪崩型泥石流和地震型泥石流,这种共生泥石流的特点是动能和规模大,历时极短,整个过程只有几分钟,以至人们防不胜防而酿成巨大灾害。
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(1)
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(2)
第二节坡面治理工程规划和设计
一、坡面治理工程规划
(一)规划原则
区域性的水土保持规划应从小流域开始,在规划小流域综合治理时,应当考虑水土保持工程措施与生物措施、农业耕作措施之间的合理配置的原则。
应全面分析坡面工程、沟道工程、山洪导排工程及小型水利工程之间的相互联系,工程与生物相结合,实行沟道、山坡兼治,上、下游治理相配合的原则。
应作到“预防为主、全面规划、综合治理、因地制宜、加强管理、注重效益”的原则。
(二)规划目标
根据指导思想和规划原则,按照小流域的实际情况,因地制宜地采取各种有效治理措施,最终应达到的目标为:
减少水土流失;
恢复地表植被;
合理利用土地资源;
合理利用水资源;
实现经济效益、社会效益、环境效益的协调发展的目标。
(三)规划内容
坡面治理工程规划主要内容为:
土地利用规划、灌溉工程规划、排水工程规划、小型水利工程、支挡工程规划、田间道路工程规划等。
土地利用规划(landuseplan)是根据小流域的自然条件,按当地的社会、经济、环境条件对土地进行合理的分配,即对耕地、林地、城镇、交通、水面等占地进行规划,其中耕地、城镇、交通、人工水面面积在满足社会、经济发展的条件下,应尽可能小,而林地应尽可能的大。
灌溉工程规划(irrigationengineeringplan)是根据耕地灌溉要求来配置的基础设施,规划中应采用节约水资源、节约土地资源、寿命长、管理方便的方法,如山地集水、蓄水、低压管道灌溉的方法,排水工程规划是根据小流域的地形、地质、河流等自然条件,充分利用原有的排水条件,补充不足的区内排水工程,有效的将区内地表径流和洪水引导至承泄区,以减轻因地表径流和洪水对流域内的土地产生侵蚀。
小型水利工程(smallwaterconservancyprojects)是根据小流域的自然条件和耕地灌溉要求进行规划,即以蓄水、引水为主的五小水利工程规划。
支挡工程规划是根据小流域内的工程地质问题,采取相应的工程措施,防止水土流失和土壤侵蚀进一步扩大,即挡墙、护坡等工程规划。
田间道路工程规划是根据小流域的自然条件和农业生产要求进行规划,一般是小型机耕道和生产道的规划。
二、坡面治理工程设计
坡面在山区生产中占有重要地位,同时又是泥沙和径流的策源地,水土保持要坡、沟兼治,其中坡面治理是基础。
坡面治理工程包括斜坡固定工程,山坡截流和沟头防护工程等。
(一)斜坡固定工程
斜坡稳定性直接关系到斜坡上和斜坡附近的工矿、交通设施和房屋建筑等安全。
因此实施必要的工程措施是十分重要的。
斜坡固定工程是指为防止斜坡岩土体的运动,保证斜坡稳定而布置的工程措施,包括挡墙、抗滑桩、削皮、反压填土、排水工程、护坡工程、滑动带加固工程和植物固坡措施等。
(1)挡墙
挡墙(retainingwall)又称挡土墙,可防止崩塌、小规模滑坡及大规模滑坡前缘的再次滑动。
档墙的构造有以下几类:
重力式、半重力式、倒T型或L型、扶壁式、支垛式、棚架扶壁式和框架式等(图3-1)。
重力式
(2)半重力式(3)倒T型(4)支垛式(5)框架扶碧式
图3—1挡墙横断面图
重力式挡墙可以防止滑波和崩塌,适用于坡脚较坚固,允许承载力较大,抗滑稳定较好的情况。
根据建筑材料和形式,重力式挡墙又分为片石垛、浆砌石挡墙、混凝土或钢筋混凝土挡墙和空心挡墙(明洞)等。
片石垛可就地取材,施工简单,透水性好,适用于滑动面在坡脚以下不深的中小型滑坡,不适用于地震区的滑坡。
浅层中小型滑坡的重力式挡墙宜建在滑坡前,若滑动面有几个且滑坡体较薄,可分级支挡。
其他几种类型的挡墙多用于防止斜坡崩塌,一般用钢筋混凝土修建。
倒T型因自重轻,需利用坡体的重量,适用于4-6m的高度;
扶壁式和支垛式因有支挡,适用于5m以上的高度;
棚架扶壁式只用于特殊情况。
框架式也称垛式,是重力式的一个特例,由木材、混凝土构件、钢筋混凝土构件或中空管装配成框架,框架内填片石,它又分叠合式、单倾斜式和双倾斜式。
框架式结构较柔韧,排水性好,滑坡地区采用较多。
加筋土挡墙是由土工合成材料与填土构成的一种新型挡土墙,该种挡土墙不用砂石料和混凝土,对环境有利,施工方便,透水性好,对边坡稳定有利。
(2)抗滑桩
抗滑桩(frictionpile)是穿过滑坡体将其固定在滑床的桩柱。
使用抗滑桩,土方量小,施工需有配套机械设备,工期短,是广泛采用的一种抗滑措施。
根据滑坡体厚度、推力大小、防水要求和施工条件等,选用木桩、钢桩、混凝土桩或钢筋(钢轨)混凝土桩等。
木桩可用于浅层小型土质滑坡或对土体临时拦挡,但强度低,抗水性差,所以滑坡防止中常用钢桩和钢筋混凝土桩。
抗滑桩的材料、规格和布置要能满足抗断、抗弯、抗倾斜、阻止土体从桩间或桩顶滑出的要求,这就要求抗滑桩有一定的强度和锚固深度。
桩的设计和内力计算可参考有关文献。
(3)削坡(scaling)和反压填土
削坡主要用于防止中小规模的土质滑坡和岩质斜坡崩塌。
削坡可减缓坡度,减小滑坡体体积,减少下滑力。
滑坡可分为滑动部分和抗滑部分,滑动部分一般是滑坡体的后部,它产生下滑力;
抗滑部分即滑坡前端的支撑部分,它产生抗滑阻力。
所以削坡的对象是滑动部分,当高而陡的岩质斜坡受节理缝隙切割,比较破碎,有可能崩塌坠石时,可剥除危岩,削缓坡顶部。
当斜坡高度较大时,削坡常分级留出平台。
反压填土是在滑坡体前面的抗滑部分堆土加载,以增加抗滑力。
填土可筑成抗滑土堤,土要分层夯实,外露坡面应干砌片石或种植草皮,堤内侧要修渗沟,土堤和老土间修隔渗层,填土时不能堵住原来的地下水出口,要先做好地下水引排工程。
(4)排水工程
排水工程(drainageworks)可减免地表水和地下水对坡体稳定的不利影响,一方面能提高现有条件下坡体的稳定性,另一方面允许坡度增加而不降低坡体稳定性。
排水工程包括排除地表水工程和排除地下水工程。
①地表水排除工程
地表水排出工程(surfacedrainageworks)的作用:
一是拦截地表水,二是防止地表水大量渗入,并尽快汇集排走。
它包括防渗工程和排水沟工程。
防渗工程包括整平夯实和铺盖阻水,可以防止雨水、泉水和池水的渗透。
当斜坡上有松散土体分布时,应填平坑洼和裂缝并整平夯实。
铺盖阻水是一种大面积防止地表水渗入坡体的措施,铺盖材料有粘土、混凝土和水泥砂浆,粘土一般用于较缓的坡。
排水沟布置在斜坡上,一般呈树枝状,充分利用自然沟谷。
当坡面较平整,或治理标准较高时,需要开集水沟和排水沟,构成排水系统。
排水沟工程可采用砌石、沥青铺面、半圆形钢筋混凝土槽、半圆形波纹管等形式,有时采用不铺砌的沟渠,其渗透和冲刷较强,效果差。
②地下水排出工程
地下水排除工程(undergrounddrainageworks)的作用是排除和截断渗透水。
它包括渗沟、明暗沟、排水孔、排水洞和截水墙等。
渗沟的作用是排除土壤水和支撑局部土体,比如可在滑坡体全前布置渗沟。
有泉眼的斜坡上,渗沟应布置在泉眼附近和潮湿的地方。
渗沟深度一般大于2m,以便充分疏干土壤水。
沟底应置于潮湿带以下较稳定的土层内,并应铺砌防渗。
排除浅层(约3m以上)的地下水可用暗沟和明暗沟。
暗沟分为集水暗沟和排水暗沟。
集水暗沟用来汇集浅层地下水,排水暗沟连接集水暗沟,把汇集的地下水作为地表水排走。
其底部布置有孔的钢筋混凝土管或石笼,底部可铺设不透水的杉皮、聚已烯布或沥青板,面和上部设置树枝及砂砾组成的过滤层,以防淤塞。
明暗沟即在暗沟上同时修明沟,可以排除滑坡区的浅层地下水和地表水。
排水洞的作用是拦截储备疏导深层地下水。
排水洞分截水隧洞和排水隧洞。
截水隧洞修筑在病害斜坡外围,用来拦截旁引补给水;
排水隧洞布置在病害斜坡内,用于排泄地下水。
滑坡的截水隧洞洞底应低于隔水层顶板,或在滑坡后部滑动面之下,开挖顶线必须切穿含水层,其衬砌拱顶又必须低于滑动面,截水隧洞的轴线应大致垂直于水流方向。
排水隧洞洞底应布置在含水层以下,在滑坡区应位于滑动面以下,平行于滑动方向布置在滑坡前部,根据实际情况选择渗井、渗管、分支隧洞和仰斜排水孔等措施进行配合。
排水隧洞边墙及拱圈应留泄水孔和填反滤层。
如果地下水含水层向滑坡区大量流入,可在滑坡以外布置截水墙,将地下水截断,再用仰斜孔排出。
(5)护坡工程
为防止崩塌,可在坡面修筑护坡工程进行加固,这比削坡节省投工,速度快。
常见的护坡工程(worksforprotectingslopes)有:
干砌片石和混凝土砌块护坡、浆砌片石和混凝土护坡、格状框条护坡、喷浆和混凝土护坡、锚固法护坡等。
干砌片石和混凝土砌块护坡用于坡面有涌水,边坡小于1:
1,高度小于3的情况,涌水较大时应设反滤层,涌水很大时最好采用盲沟。
防止没有涌水的软质岩石和密实土斜坡的岩石风化,可用浆砌片石和混凝土护坡。
边坡小于1:
1的用混凝土,边坡1:
0.5-1:
1的用钢筋混凝土。
上文已提到,浆砌片石护坡可以防止岩石风化和水流冲刷,适用于较缓的坡。
格状条护坡是用预制构件的现场直接浇制混凝土和钢筋混凝土,修成格式建筑物,格内可进行植被防护。
有涌水的地方干砌片石。
为防止滑动,应固定框格交叉点或深埋横向框条。
在基岩裂隙小,没有大崩塌发生的地方,为防止基岩风化剥落,进行喷浆或混凝土护坡。
若能就地取材,用可塑胶泥喷涂则较为经济,可塑胶泥也可作喷浆的垫层。
注意不要在有涌水和冻胀严重的坡面喷浆或喷混凝土。
在有裂隙的坚硬的岩质斜坡上,为了增大抗滑力或固定危岩,可用锚固法,所用材料为锚栓或顶应力钢筋。
在危岩土钻孔直达基岩一定深度,将钢筋末端固定后要施加顶应力,为了不把滑面以下的稳定岩体拉裂,事先要进行抗拉试验,使锚固末端达滑面以下一定深度,并且相邻锚固孔的深度不同。
根据坡体稳定计算求得的所需克服的剩余下滑力来确定预应力大小和锚孔数量。
(6)滑动带加固措施
防治沿软弱夹层的滑坡,加固滑动带是一项有效措施。
即采用机械的或物理化学的方法,提高滑动带强度,防止软弱加层进一步恶化,加固方法有普通灌浆法、化学灌浆法和石灰加固法等。
普通灌浆法采用由水泥、粘土等普通材料制成的浆液,用机械方法灌浆。
为较好地充填固结滑动带,对出露的软弱滑动带,可以撬挖掏空,并用高压气水冲洗清除,也可钻孔至滑动面,在孔内用炸药爆破,以增大滑动带和滑床岩土体的裂隙度,然后填入混凝土,或借助一定的压力把浆液灌入裂缝。
这种方法可以增大坡体的抗滑能力,又可防渗阻水。
由于普通灌浆法需要爆破或开清除软弱滑动带,所以化学灌浆法比较省工。
化学灌浆法采用由各种高分子化学材料配制的浆液,借助一定的压力把浆液灌入钻孔。
浆液充满裂隙后不仅可增加滑动带强度,还可以防渗阻水。
我国常采用的化学灌浆材料有水玻璃、铬木素、丙凝、尿醛树脂、丙强等、
石灰加固法是根据阳离子的扩散效应,由浴液中的阳离子交换出土体中阴离子而使土体稳定。
具体方法是在滑坡地区均匀布置一些钻孔,钻孔要达到滑动面下一定深度,将孔内水抽干,加入生石灰小块达滑动带以上,填实后加水,然后用土填满钻孔。
(7)土工网植物固坡工程
坡面铺土工网后,种植植物能防止径流对坡面的冲刷,减小径流速度,增加入渗,在坡度不大于50°
的坡上,能在一定程度上防止崩塌和小规模滑坡。
植物根系有利于控制坡面面蚀、细沟状侵蚀、浅层块体运动及增强土体抗剪强度,增加斜坡稳定性,减缓地表径流,减轻地表侵蚀,保护坡脚。
坡面生物-工程综合措施,即在布置的拦挡工程的坡面或工程措施间隙种植植被,例如,在挡土石墙、石笼墙、铁丝链墙、格栅和格式护墙上加上植物措施,可以增加这些挡墙的强度。
(8)落石防护工程
悬崖和陡坡上的危石对坡下的交通设施、房屋建筑及人身安全生产会有很大威胁,而落石预测很困难,所以要及早进行防护。
常用的落石防治工程有:
防落石棚、挡墙加拦石栅、囊式栅、利用树木设置的铁丝网和金属网覆盖等。
建落石棚,将铁路和公路遮盖起来是最可靠的办法之一,防落石棚可用混凝土和钢材制成。
在挡墙上设置拦石栅是经常采用的一种方法。
囊式栅栏即防止落石坠入线路的金属网。
在距落石发生源不远处,如果落石能量不大,可利用树木设置铁丝网,其效果很好。
在特殊需要的地方,可将坡面覆盖上金属网或全成纤维网,以防石块崩落。
除了上述8种固坡工程之外,护岸工程、拦沙坝、淤地坝也能起到固定斜坡的作用,如在滑坡区的下游沟道修拦沙坝,可以压埋坡脚。
这些工程将在后面介绍。
4、山坡截流沟
山坡截流沟(catchdrain,cut-offdrain)是在斜坡上每隔一定距离,在平行等高线或近平行等高线修筑的水沟。
(1)截流沟的作用
山坡截流沟能截断坡长,阻截径流,减免径流冲刷,将分散的坡面径流集中起来,输送到蓄水工程里或直接输送到农田、草地或林地。
山坡截流沟与等高耕作、梯田、涝池、沟头防护以及引洪漫地等措施相配合,对保护其下部的农田、防止沟头前进,防治滑坡,维护村庄和公路、铁路的安全有重要作用。
(2)截流沟的布置
一般情况下坡地均可修截流沟。
截流沟与纵向布置的排水沟相连,把径流排走。
截流沟在坡面上均匀布置,间距随坡度增大而减小(表3-1)。
实地勘查定线时,要查明蓄水工程的位置和容积、坡面地形、植被等特点,收集降雨资料,先大致确定截流沟的线路,要能将集水区的最大暴雨径流全部输导至蓄水工程。
表3-1山坡截流沟间距
坡度
沟间距(m)
%
(°
)
3
1.7
30
4
2.3
25
5
2.9
22
6
3.4
20
7
4.0
19
8
4.6
18
9-10
5.1-5.7
16.5
11-13
6.3-7.4
15
1
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