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泥石流
來源:互聯網

泥石流(Debris flow),地質災害的一種,是形成于山區、溝谷深壑或其他地形險峻的地區,由暴雨、暴雪或其他自然災害引起的山體滑坡并挾帶大量泥沙及石塊在重力作用下沿斜坡或溝谷流動的一種特殊洪流。

泥石流是介于流水和滑坡之間的一種地質作用,常發生于山間小流域地區,具有突發性、流速快、流量大、物質容量大、破壞力強等特點,常造成沖毀公路、鐵路等交通設施、摧毀房屋村莊等,還會引發河流堵塞、沖毀堤壩或形成堰塞湖等次生災害影響,造成生命財產的重大損失。

泥石流一般從地貌上分為形成區、流通區和堆積區三部分組成,具有土體的結構性、水體的流動性和較大的流動坡降三個基本性質。其運動機理和徑流特征受其物質構成和地形地勢有關。

定義

泥石流是一種快速移動的山體滑坡,多存在于山區溝谷中,由暴雨、冰雪融水等水源激發,含有大量的泥砂、石塊的特殊洪流。黏性泥石流流體呈黏稠泥漿狀,水是組成物,巨大巖塊可浮托運動,流態為半紊流至似層流,具有巨大的侵蝕和搬運能力。

主要結構

標準型泥石流一般從地貌上分為形成區、流通區和堆積區三部分組成,但并非所有的泥石流都如一般泥石流地貌特征,不同的地形導致泥石流的地貌特點也并不相同。

形成區

泥石流的形成區一般位于山谷或山坡上部,也被稱為泥石流上游,形成區多為三面環山、一面出口的半圓形寬闊地段周圍的山坡陡峭,山坡表面的巖土體破碎、松散、植被稀少。

流通區

流通區是泥石流流經的溝段,也被稱為泥石流中游,流通區多為狹窄和深度很大的峽谷或沖溝,峽谷或沖溝的兩壁陡峻、有較多的陡坎。

堆積區

堆積區是泥石流堆積的地段,也被稱為泥石流的下游。堆積區一般位于開闊平坦的山口外或者山間盆地邊緣,常形成扇形、錐形或帶形的堆積地貌。泥石流沉積物是在堆積區形成的泥石流堆積體,主要由泥石流運動中攜帶的泥沙、石塊、碎屑等物質組成,其沉積物特征為分選性差,層次不明顯,整個剖面仍保持泥石流流動時的結構,大石塊主要停積在堆積體的前緣或兩側,在大石塊上可見粗大毛糙、多呈斑狀或紡錘狀的擦痕。泥石流沉積物常呈扇形堆積或形成平行于流動方向的舌狀、堤狀、島狀泥礫堆,其成因多受地質構造和地形地貌的影響,受泥石流強烈的沖刷侵蝕作用,整個堆積區崎嶇不平,與由洪水或冰水作用形成的山麓堆積扇有顯著不同。

形成原因

孕災環境

形成條件

泥石流現象幾乎在所有的山區都有可能發生,尤其以新地殼運動時期隆起的山系最為活躍,這些地區是地球表面動力過程最活躍的區域,地形復雜,地質條件差,常引發泥石流災害。泥石流的形成條件大體包括物源條件、水源條件和地形條件三個方面。

物源條件

物源條件是指泥石流形成的物質來源,主要為泥石流形成區的土體和石體。包括土石體的分布、類型、結構、性狀、儲備量、補給的方式、速度、距離等,其土石體的來源主要受地層巖性風化作用和氣候條件等因素影響。

泥石流多發地區的巖石巖性軟弱,地質構造復雜,多為褶皺、斷裂發育地帶,地震活動頻繁,因而易發生崩塌、滑坡等地質災害現象,為泥石流的形成提供了豐富的固體物質來源;一些人為的活動因素,如濫伐森林造成水土流失、開山采礦、采石棄渣等也可以為泥石流提供大量的固體物質來源。

形成泥石流的固體物質一般分為碎石土砂質土粉質土粘質土四種類型,分別形成不同狀態的泥石流,砂質土主要分布在沙漠地區,缺少水源狀態多形成風沙流;粉質土多分布于泥土堆積的山谷地區,在水流作用下多形成泥流;粘質土多為細土顆粒,以紅色黏土為代表,多形成以細粒土為主的泥石流;礫石土多為板巖千枚巖片巖變質巖和凝灰巖形成的巖石,易受風化影響而變得松散、破碎,形成的泥石流多為塊狀固體物泥石流。

水源條件

水不僅是泥石流的主要組成部分,還是泥石流中固體物質的搬運介質。泥石流形成的水源主要由暴雨、冰雪融水、水庫(水塘)堤壩潰決等原因形成。

地形條件

泥石流多形成于山高谷深、地形陡峻、溝床坡度大的地方,高落差一方面可以加快地表水的徑流速度導致地面受侵蝕速度加快,另一方面也可以提高泥石流的沖擊力和水流的搬運能力。從地形上看其上游多為三面環山、一面出口呈漏斗形的圈谷,這樣的地形便于水流匯集形成徑流,也容易存儲周圍山坡的固體物質形成泥石流的物源。

致災因子

泥石流的致災因子主要分為自然原因和人為原因兩個方面。

自然原因

人為原因

前兆和形成過程

來臨前兆

泥石流形成過程

泥石流的形成過程分為兩類,分別是土力型泥石流形成和水力型泥石流,也稱為搬運型泥石流形成過程和滑移型泥石流形成過程。二者的形成過程大體相當,主要區別是形成的泥石流類型不同。土力類泥石流形成過程是山坡上或溝谷不穩定土體的液化過程;水力類泥石流形成是在暴雨、冰雪強烈消融、阻塞或攔擋物突然潰決導致水體猛增沖刷不穩定土體造成結構失衡,流體夾雜砂石形成泥石流。其泥石流形成的一般過程如下:

泥石流運動機理與徑流特征

運動機理

泥石流是介于液體和固體之間的非均質流體,其運動狀態介于水流的紊流狀態和滑坡的塊體運動狀態之間,形成的運動模式主要取決于物質組成,黏粒的性質與含量決定泥漿的 結構、濃度、強度、黏性和運動狀態,按泥石流的運動模式劃分可將其大體劃分為塑性蠕動流、黏性陣流、陣性連續流和稀性連續流四種。

徑流特征

流態特征

泥石流是固態、液相的混合流體,其流態受物質組成及稠度不同而呈現不同的變化。稀泥性泥石流的流體密度低,黏度小,浮托力弱,石塊呈翻滾、躍移的狀態運動,其流向多不固定,易改道漫流;黏性大的泥石流,流體密度高,黏度大,浮托力強,呈等速整體運動的特征及陣流性流動的特點,石塊在泥石流中呈懸浮狀態或滾動狀態運動,其流向集中不易分散,呈整體性運動。

流速特征

泥石流的流速受地形和流體內外阻力的影響,泥石流因含固體物質導致消耗動能大,整體流速小于洪水速度。稀性泥石流的搬運能力弱,其流速偏小,黏性泥石流石塊含量較高,粘聚力高,整體性強,形成的慣性作用大,其流速也相對較大。

流量特征

泥石流的流量與降水量和地形有關,常呈現多峰型。降水量越高,泥石流的流量越大;泥石流在溝槽彎曲處很容易發生堵塞現象形成固體物堆積,在崩潰后形成的陣流流量增大。泥石流在形成區、流通區和堆積區也呈現出不同的流量特點,形成區的流量逐步增大,流通區較為穩定,堆積區逐步降低。

其他特征

泥石流分類

泥石流分類的方法有很多,分類依據包括泥石流的形成環境、集水區地貌特征、物質組成、流體性質、暴發規模等,分別從不同側面反應泥石流的某些特征。

泥石流按水源和物源成因分類

集水區地貌特征的泥石流分類

物質組成的泥石流分類

流體性質的泥石流分類

暴發規模的泥石流分類

泥石流分布

全球分布概況

泥石流的活動和危害幾乎遍及全球的各個山區,全球除了南極洲以外的各大洲均有泥石流分布,其多發地區主要集中在北回歸線至北緯50°之間的山區,如環太平洋山系、阿爾卑斯山脈喜馬拉雅山系、斯堪迪納維亞、美洲的科迪勒拉山系安第斯山脈山系、阿帕拉契亞山系以及歐洲大陸內部的一些褶皺斷層山脈,多分布于中國、俄羅斯、美國、日本奧地利瑞士、印度尼西亞、意大利新西蘭、印度、尼泊爾巴基斯坦法國英國秘魯智利羅馬尼亞等。

中國分布概況

中國的泥石流主要分布在山地的地震帶和地質構造斷裂帶發育的地區、沿河流兩岸及山間盆地的山前,主要是半干旱和溫帶的山區,以西藏自治區東南部山區、川滇山區、西北山區、黃土高原、冀西遼西山區等水土流失嚴重、暴雨和融雪水充沛的地區為高發地區。

從山脈、地形上看,中國泥石流大體以大興安嶺燕山一太行山山脈一巫山山脈一雪峰山山脈一線為界,該線為中國第二、第三階梯的分界線,該線以東為低山、丘陵、平原地貌,泥石流零星分布,該線以西為中國第一、第二階梯地貌,高原、高山廣布,是泥石流最發育最集中的地區,泥石流呈呈帶狀或零星分布。

從成因類型看,冰川型泥石流主要分布于西藏自治區東南部地區;暴雨型泥石流主要分布于中國西南地區西北華北地區東北地區零星分布。

從泥石流的物質組成看,西南、西北、東北的山區多為泥石流;華北地區多為水石流。黃土高原地區多為泥流

泥石流危害

危害特點

泥石流的主要危害特征表現為爆發突然、來勢兇猛、沖擊力強、沖淤變幅大、溝道擺動速度和寬幅大等幾方面。泥石流從形成到爆發往往可以在短時間內形成,難以進行預測和預報,泥石流在沖擊過程中攜帶了大量的砂石石塊等固體物質,有著規模大、流速快、沖擊力強的特點,往往造成嚴重的破壞。

危害方式

泥石流的危害方式主要有沖刷、沖擊、磨蝕和淤埋四種。

沖刷

泥石流的沖刷危害是泥石流的振動和攜沙能力對溝底、溝岸和溝源地區的侵蝕作用,將地表層的物質帶走,造成建筑物、構筑物、農田與環境造成損壞。

沖擊

泥石流的沖擊危害是泥石流在行進過程中具有強大的動壓力和撞擊力,其造成的沖擊作用很容易使河流改道,沖毀堤壩、橋梁、公路、建筑物等。

磨蝕

泥石流的磨蝕危害是泥石流中的泥沙石塊在流經公路、排水溝、堤壩等地方,可以對路面、排水溝、堤壩等造成嚴重的磨蝕。

淤埋

泥石流的淤埋危害也稱堆積、淤積危害,主要出現于泥石流的下游溝堆積扇上,泥石流在下游遇阻后發生堆積,在堆積過程中埋沒交通干線、建筑物、構筑物、農田等造成危害,還可以導致河道堵塞繼而造成各種次生災害。

其他

泥石流還具有振動、氣浪、砸擊等次要危害方式,主要受泥石流的規模、流態、溝床條件等因素影響。

主要危害

泥石流的危害主要分為直接危害和間接危害兩種,直接危害是泥石流的沖擊、沖刷、淤埋和堵塞等作用直接造成的危害和泥石流掀起的巨大氣浪所造成的非接觸式危害;間接危害是泥石流形成的次生災害所形成的危害。

直接危害

間接危害

災害案例

泥石流監測與預警

監測

對泥石流的監測主要分為形成條件監測、運動特征監測、流體特征監測三部分組成,其監測方法一般基于遙感和GIS技術,通過構建相關目視解譯標志進行泥石流的有效識別。

形成條件監測

形成條件監測主要包括物源、水源等形成條件的監測,其監測方向包括地質環境、固體物質的性質與類型、固體物質的空間分布及規模,尤其以物源區坡面、溝道內堆積體(不穩定斜坡)的空間分布、積聚速度以及位移情況,如地表變形監測、深部位移監測等,其他監測還包括降雨過程中、 薄層徑流條件下的物理性質變化情況,如松散土體含水量、孔隙水壓力變化過程等。

運動特征監測

運動特征監測主要包括對流動動態要素、動力要素和輸移沖淤的監測,其監測方向包括降雨量、降雨強度和降雨歷時時間的監測,還包括針對降雨量對其滲漏、潰決的危險性進行評估等。

流體特征監測

流體特征監測主要包括對泥石流物質組成、結構特性及相關物理化學性質等運動特征進行監測,其監測方向主要包括泥石流的礦物組成、化學成分、孔隙率、漿體微觀結構、流體容重、黏度、爆發時間、歷時、運動過程、流態和流速、寬度、爬高、陣流次數、溝床縱橫坡度變化、 輸移沖淤變化和堆積情況等,通過監測計算出泥石流的深度、輸砂量或泥石流流量、總徑流量、固體總徑流量等要素。

預警系統

泥石流監測預警儀器的廣泛應用,可以在泥石流防災減災中發揮重要作用。根據與泥石流接觸與否可將監測儀器分為接觸式預警儀和非接觸式預警儀,根據人工參與程度分為人工監測預警和自動監測預警。

接觸式預警儀。接觸式預警儀是通過預警儀器與泥石流直接接觸時觸動感應裝置而發出警報的預警儀。主要包括高精度GPS位移監測儀、各種傳感器、地下水位計、斷面鋼索監測儀及沖擊力監測器等。主要通過埋設監測儀器對流域內測點位移量、方向、速率等進行直接量測,根據其物理量的變化進行泥石流預警。

非接觸式預警儀 。非接觸式預警儀是通過監測儀器在不與泥石流(物源、水源、流體)直接接觸的情況下獲取泥石流影像、聲音、泥位等信息,對泥石流是否發生進行判別后發布不同級別預警。主要包括天氣雷達、紅外視頻監測儀(夜視儀)、超聲波泥位計、地聲、次聲報警器、自計雨量計等。

人工監測預警,是通過人工干預的方式進行監測預警,通過監測員對泥石流流域內固體物源、水源分布、坡體堆積物的移動性等進行監測判別,在泥石流可能發生的時候進行預警,該預警手段直觀、可信,但是會花費大量人力、物力,且監測員需要具有較高的臨災判別能力。

自動監測預警,是通過綜控中心(控制臺)、雨量遙測、GPS位移、地聲遙測、泥/水位遙測等子系統共同作用對泥石流活動進行監測。自動檢測預警系統在監測中設定預警值,在超過閾值時觸發警報進行預警,該預警手段可靠性高于人工監測預警,但成本較高。

泥石流遇險自救與防范治理

遇險自救

防范治理

泥石流研究方向

近年來的泥石流研究主要集中在泥石流發生機理、預警技術、治理技術、風險評估幾個方面。

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