1、泥石流的力學特征 容重泥石流靜力學特征主要指泥石流體或漿體的容重、含水量、物質組成、流變特征、化學性 質及其靜力特征等。在一般地區出于泥石流的突發性、沖擊力大等條件所限，難以直接測 得天然泥石流容重。一般采用現場調查試驗法進行泥石流容重的測定，即在現場請當地親 眼看見泥石流暴發的居民多人，在需要測試的溝段，選取有代表性的堆積物攪拌成暴發時 泥石流流體狀態，進行樣品鑒定，然后分別測出樣品的總質量和總體積，求出泥石流流體 容重。在無法取得代表性樣品時，根據規范中泥石流溝易發程度數量化評分標準，對 某泥石流溝進行泥石流溝易發程度數量化評分（詳見表4-3）,按照規范中附表“數量化評分（ND與重度、（1

2、 +）關系”，可以得到泥石流的容重。本報告采用后一種方法， 查表得到泥石流的容重為m3（2）泥石流流速泥石流的流量是泥石流重要的特征值之一。 它不僅反映了泥石流的強度，規模和流體性質, 而且決定著防治泥石流工程建筑物的類型、結構和尺寸。因此，泥石流的洪峰流量是泥石 流研究和防治工程中不可缺少的參數。流速VC按照鐵道部推薦的稀性泥石流的計算公式進行計算 ：10.51-式中：a泥石流中含沙量變化引起的流速修正系數，aR水力半徑（m）, 2.5m；IC 泥石流水力坡度（為），用溝床縱坡代替;1n清水河床糙率系數;泥石流泥沙修正系數,c 泥石流容重（t/m3 ），為m3;w 清水容重（t/m3）, m

3、3h 泥石流中固體物質重度（t/m3）根據以上計算公式，泥石流的平均流速為s。（3）泥石流流量泥石流流量計算，目前主要有兩種方法,是雨洪法；二是形態調查法。雨洪法 假設泥石流與暴雨同頻率、且同步發生，先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴 雨洪峰流量（計算方法查閱四川省水文手冊），然后選用堵塞系數，按下式計算泥石流流量: 式中：Qc 頻率為P的泥石流洪峰值流量（m3/s）;Qp 頻率為P的暴雨洪水設計流量（m3/s）;泥石流泥沙修正系數，查規范附表，值為;c 泥石流容重（t/m3 ），為m3;w 清水白重度(t/m3),為;H 泥石流中固體物質重度；DC 泥石流堵塞系數(見表 3-8),可

4、查經驗表為。表3-8 泥石流陣流堵塞系數DC值表堵塞程序嚴重堵塞中等嚴重堵塞輕微堵塞無堵塞Dc值按照雨洪法，利用泥石流流量公式計算所得的泥石流最大流量如下表(表 3-9)所示:表3-9雨洪法計算最大流量溝名項目某泥石流溝流域回積F (km2)35溝長L(km)平均坡降J( %o)222泥沙修正系數設計頻率p(%)25暴雨洪峰流量QP(m3/s)流峰值流S Qc (m3/s)形態調查法在泥石流溝道中選擇 2-3 個測流斷面，仔細查找泥石流過境后留下的痕跡，然后測量這些斷面上的泥石流流面比降（若不能由泥痕確定，則用溝床比降代替）、泥位高度Hc （或水力半徑）和泥石流過流斷面面積等參數。用相應的泥石

5、流流速計算公式，求出平均流速Vc后，即用下式求泥石流斷面峰值流量Qc：式中： Qc 泥石流斷面峰值流量（ m3/s） ；Wc泥石流過流斷面面積（m2,取流通區平均溝道寬 8 m,水力半徑為2.5 m,過流斷面面積為20 m2；Vc泥石流斷面平均流速（m/s）,為8.28m/s。用上式計算的泥石流斷面峰值流量Qc為m3/s。一次泥石流過程總量計算一次泥石流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但因往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算。計算法根據泥石流歷時T（ s ）和最大流量Qc（ m3/s） ，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，按下式計算 Q （m3,泥石流歷時T取12

6、00 s：Q = =KTQc一次泥石流沖出的固體物質總量QH（ m3） ：根據該公式， 在計算頻率為 20 年一遇的情況下， 某泥石流溝一次泥石流沖出的最大固體物質總量為41850m3在計算頻率為50年一遇的情況下，一次泥石流沖出的最大固體物質總 量為 50480m3。泥石流整體沖壓力泥石流沖擊力是泥石流防治工程設計的重要參數。采用規范推薦的泥石流體整體沖壓力計算公式：式中： 泥石流整體沖壓力；c 泥石流容重，m3；Vc 泥石流流速，8.28m/s ；a 建筑物受力面與泥石流沖擊壓力方向的夾角，取90o；G 重力加速度；建筑物形狀系數，圓形建筑物取，矩形建筑物取，方形建筑物取。本次建筑物主要

7、以矩形為主，入取。通過該公式的計算，泥石流的整體沖壓力約X104Pa。泥石流體中大石塊的最大流速按照規范，用以下經驗公式計算：式中： Vs 泥石流中大石塊的移動速度( m/s) ；全面考慮摩擦系數、泥石流容重、石塊比重、石塊形狀系數、溝床比降等因素的參 數。 a 55 (5075)直，河寬順，溝床縱坡 30山坡坡度150。逐漸擴 展，斷面 較規則， 水流通砂、土質河床，河底/、 很平順，溝床縱坡 3060。平順的土岸，略有坍塌，溝岸 山坡坡度15250。50 (4055)暢，沒有卵、礫石河床，河底較有坍塌的土岸或巖質溝岸，溝45 (3550)堵塞。平順，溝床縱坡30岸山坡坡度15250。60。

8、卵、礫石河床,河底/、有坍塌的土岸或巖質溝岸，坍40 (3045)平順，溝床縱坡60塌較發育，溝岸山坡坡度251200320。卵、碎、塊石河床，河崩、坡積物或巖質溝岸，溝岸35 (2540)底/、平順，溝床縱坡。山坡坡度25320。坍塌發育，60120。有堵塞痕跡。卵、碎、塊石河床，河崩、坡積物或巖質溝岸，溝岸25 (1535)底松散堆積，很/、平山坡坡度320。，坍塌很發育，順，溝床縱坡120。有明顯堵塞痕跡。山區峽谷河段、彎曲河段、砂、園礫石河床，邊灘沙州犬牙交錯人工堤防強制彎曲者35 (3040)有磯石或丁壩挑流者30 (2535)阻塞的復式斷面河卵石、園右河床，河底 起/、平，或長有水

9、生植 物的溝床。參差不齊的卵石、園右河岸，或長中密灌叢的河岸25 (2030)儀參差不齊的巖岸，或長灌木叢生的河岸20 (1525)卵石、塊石、大漂后河床，石梁、跌水、孤石交錯、或水生植物稠密，阻水嚴重的溝床00參差不齊的巖岸，或長灌木叢生的河岸15 (1220)兩岸時有巖咀突出，很/、平順，形成強烈斜流、回水、死水的河岸12 (1015)b、粘性泥石流流速計算公式表 222nc 粘性泥石流的河床糙率，用內插法由表 222查得。序號泥石流體特征溝床狀況糙率值粘性泥石流河床糙率nc1流體呈整體運動；石塊粒徑大 小懸殊，一般在3050cmi 25m粒徑的石塊約占20%;龍 頭由大石塊組成，在彎道或

10、河 床展寬處易停積，后續流可超 越而過，龍頭流速小于龍身流 速、堆積呈壟崗狀河床極粗糙，溝內有巨石 和挾帶的樹木堆積，多彎 道和大跌水，溝內不能通 行，人跡罕見，溝床流通 段縱坡在100%150%, 阻力特征屬圖阻型平均值Hc 2m 時,流體呈整體運動，石塊較大，河床比較粗糙，凹凸/、平，Hc 1.5m 時，烈，有黑色煙霧及火花；龍頭10 20和龍身流速基本一致；停積后15呈壟崗狀堆積平均流體攪廿分均勻；石塊粒徑溝床較穩定，河床物質較0.1m Hc 一般在10cm左右，挾后個別均勻，粒徑10cm左右；受0.5m23m的大石塊；龍頭和龍身洪水沖刷溝底不平而且粗23物質組成差別不大；在運動過糙，流

11、水溝兩側較平順，3程中龍頭紊動十分強烈，浪花但十而粗糙；流通段溝底0.5m Hc 13飛濺；停積后漿體與石塊不分縱坡55%70%,阻力特2.0m10離，向四周擴散呈葉片狀征屬中阻型或高阻型2.0m Hc 4.0m泥石流鋪床后原河床粘附H c 0.5m流體攪廿分均勻；石塊粒徑一層泥漿體，使十而粗糙一般在10cm左右，挾后個別23m的大石塊；龍頭和龍身的河床變得光滑平順，利 于泥石流體運動，阻力特Hc2.0m464物質組成差別不大；在運動過征屬低阻型26程中龍頭紊動十分強烈，浪花 飛濺；停積后漿體與石塊不分 離，向四周擴散呈葉片狀Hc中等溝槽較順直，溝段寬窄較均勻，陡坎、卡口不多。主支溝交角多小于

12、60 ,形成區不太集中。河床堵塞情 況一般，流體多呈稠漿一稀粥狀輕微溝槽順直均勻，主支溝交匯角小，基本無卡口、陡 坎，形成區分散。物質組成粘度小，陣流的間隔時間短 而少無一次泥石流過程總量計算一次泥石流總量Q可通過計算法和實測法確定。實測法精度高，但因往往不具備測量條件，只是一個粗略的概算。計算法根據泥石流歷時 T (s)和最大流量Qc (m3/s),按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，按式計(226)Q = = K TQc式中K值的變化隨流域面積(F)的大小而變化: 當 F 5 (km2 ) 時:F = 5 10 (km2 )時:F = 10 100 （km2 ）時： K =;泥

13、石流體中的固體物質流量QH（ m3） ：Q+ Q C - yVV / H - T W （2 27）沖擊力計算：可用附錄I 中公式計算泥石流整體沖擊力、泥石流中大石塊沖擊力。泥石流中大石塊沖擊力的計算方法較多，計算結果可信度較低。a） 泥石流體整體沖擊壓力計算公式F =（ Y 丫 c /g Vc2 sin a） 人（228）式中：F泥石流體整體沖擊壓力（Pa）;g重力加速度（m/s2）,取 g = 9.8m/s2; 建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角（ ）;入一一建筑物形狀系數：圓形建筑物入=,矩形建筑物入=,方形建筑物：入=。彎道超高與沖高計算：泥石流流動在彎曲溝道外側產生的超高值和泥石流正

14、面遇阻的沖起高度。a） 、泥石流的彎道超高由于泥石流流速快，慣性大，故在彎道凹岸處有比水流更加顯著的彎道超高現象 根據彎道泥面橫比降動力平衡條件，推導出計算彎道超高的公式：Vc2 ,R2h 2.3lg gR1 .（229）式中：A h 彎道超圖（m）;R2 凹岸曲率半徑（m）;R1 凸岸曲率半徑（m ;b）、泥石流最大沖起高度Vc2H 2g （2210）c）泥石流在爬高過程中由于受到溝床阻力的影響，其爬高A H:bVc22g0.8g (2211)（4）泥石流的形成區、流通區和堆積區測繪。a ）工程治理區實測剖面至少按一縱三橫控制;b ）重點區應有1-3個探槽或探坑（井）控制;5）、對各類防治工

15、程提供以下主要設計參數（1）各類攔擋壩：覆蓋層和基巖的重度、承載力標準值、抗剪強度，基面摩擦系數，泥石 流的性質與類型，發生頻次，泥石流體的重度和物質組成，泥石流體的流速、流量和設計 暴雨洪水頻率，泥石流回淤坡度和固體物質顆粒成分，溝床清水沖刷線。（2）其它工程：樁林著重于其錨固段基巖深度、風化程度和力學性質；排導槽、渡槽著重 于泥石流運動的最小坡度、沖擊力、彎道超高和沖高；導流堤、護岸堤和防沖墩著重于基 巖的埋藏深度和性質、泥石流沖擊力和彎道超高、墻背摩擦角；停淤場著重于淤積總量、 淤積總高度和分期淤積高度。2泥石流流體重度（Y c）的確定泥石流流體重度（YC）的確定，目前測試手段還不能解決

16、，因此暫時的替代辦法有：1）、根據數量化評分法確定重度：根據數量化評分（N）建立與重度（Y C）的線性關系，制成備查表直接查找，參見表2-3-12）制現場仿制：可靠性很難保證?，F場請當地曾親眼看見過該溝泥石流暴發的老居民多人次，在需要測試的溝段，選取有代 表性的堆積物攪拌成暴發時的泥石流流體狀態，進行樣品仿制，然后分別測出樣品的總質 量和總體積，按下式求出泥石流流體重度。GcY c V .（23-1 ）式中：Y c泥石流流體重度，t /m3;Gc 樣品的總質量，t ；V 樣品的總體積，m33）、現場評估在泥石流溝現場，請多人次當地親自目睹過該溝泥石流暴發或受過災害的村民，描述泥石流流體特征和流

17、體運動狀況。然后按表 23-2的特征確定泥石流流體重度。表232泥石流流體稠度特征表稠度特征稀漿狀稠漿狀稀粥狀稠粥狀重度丫 C (t/m3)表231數量化評分（N）與重度、（1 + ?）關系對照表（?h=評分重度?c(t/m3)1 + ?1/a評分重度?c(t/m3)1 + ?1/a評分重度?c(t/m3)1 + ?1/a447310245741034675104477610548771064978107507910851801095281110538211154831125584113568511457861155887116598811760891186190119629112063921

18、2164931226594123669512467961256897126699812770991287110012972101130注：？-為泥石流中含沙量的修正好系數3、泥沙級配取樣分析1)、體積法在需要試驗的溝段，選擇有代表性的試驗點，取樣坑的邊長取23倍最大粒徑、深取12個最大粒徑，清除表層雜質，取出其全部土、砂、石，從中挑出粒徑大于200mmz上的石塊單個分別稱重，其余按粒徑分別按 200150mm 150100mm 10050mm 5020mm20mmz下分成若干級，每級分組稱重，計算分組粒徑，并繪制顆粒級配曲線。按粒徑與重量關系的理論公式：D(cm)= 3，G(kg)(232)求

19、算泥砂粒徑(也可以直接查表)，然后求得所需特征值。2)、方格網法 在取樣地段，選出代表性溝段畫出100個1mK 1m的小方格，取每個小方格交點上的一石塊（剔除個別大孤石）來作統計。量取每個石塊的三軸向尺寸（長、寬、高） ，計算三邊尺寸 的幾何均值dcp vLbh或算術平均值dcp L b 外,作為該石塊的平均直徑。然后按粒 徑大小分成若干個粒徑組，稱出各粒徑組的質量與總質量之比，繪制顆粒級配曲線，求算 顆粒級配曲線并求得所需特征值。取泥石流漿體，使用標準粘度計或旋轉粘度計和泥漿靜切力計測試。1.形態調查法形態調查法指根據溝床內以往發生過的泥石流痕跡，測量泥位高和過流斷面面積，計 算平均流速和流

20、量，再根據其發生的日期，確定其經驗頻率，推算設計流量的方法。這種 方法在無或少資料區經常采用，在有資料區也是作為相互效核驗證的主要方法。其流量計 算式和經驗頻率計算式如下：Qc=Uc式中：Qc為調查斷面的泥石流流量（米3/秒）；Uc為通過查斷面的泥石流平均流速（米/秒）；。為調查斷面的過程面積（米2）。P=ni/（n+1）*100%（這個式子在這里起什么作用？）式中:P為本次泥石流出現的經驗頻率（） ;n為調查期的總年數；ni為n年中按泥石流流量 大小排列所得到的本次泥石流的序號。在有比較清晰泥痕和比較好斷面的情況下，這種方法的計算結果是最可靠的。2.配方法配方法是在清水流量中配上土體含量，使

21、其成為泥石流流量的方法。但需假定土體是在水體產流和匯流過程中通過沖刷同步加入，泥石流的頻率和洪水的頻率一致，洪水全部變成泥石流。這種方法的計算步驟是，先按水文方法計算出斷面的不同頻率的小流域暴雨洪峰流量，再根據不同情況計算泥石流流量。不考慮泥石流土體的天然含水量，其計算公式如下 :QC = (1+ 6 c)Qw6 c= ( 丫 c-w 丫)( Y s- Y c)式中:Qw為某一頻率的暴雨洪峰設計流量(米3/秒)。Qc為Qw同頻率的泥石流流量(米 3/秒)；小為泥石流流量增加系數;rc為泥石流體容重(克/厘米3;噸/米3);Yw為清水容重 (克/厘米 3; 噸/米 3);Ys 為土體實體容重(克

22、/厘米 3; 噸/米 3考慮泥石流土體的天然含水量，其計算公式為 :QC = (1+ OQw6 c / = ( 丫 c-1 ) / 丫 S(1+Pw)- 丫 c(1+ Y s Pw)式中：小c /為考慮泥石流土體的天然含水量的流量增加系數，Pw為泥石流土體的天然含水量 (%): 其它符號同前?？紤]堵塞，其計算公式為 :QC = (1+ 6 c)QwDwQC = (1+ 小 c，)QwDw3 ，地區性經驗公式式中 :D ，為泥石流堵塞系數，其它符號同前。前人根據對某一地區泥石流流量觀測資料的統計分析，建立了一些地區經驗性公式，這些公式大多也是在配方法的基礎上建立起來的，適合于該地區同類型泥石流溝

23、的泥石流流量計算，也可作為類似地區的參考。4. 實測法在經常暴發泥石流的溝谷，對泥石流流量進行實地觀測，同時進行雨量觀測，利用流量與降雨的關系，并以降雨的頻率作為這次泥石流出現的頻率進行統計分析，來求算設計泥石流流量。但是，這些間接計算方法都不能算是可靠的，也不能推廣到各種類型的泥石流和各個泥石流形成流域中，因此，在選用這些公式時，應當考慮不同地區、不同類型、不同性質的泥石流特點， 其計算結果與現場調查和歷史資料進行比較， 然后確定應選用的數據。泥石流及其綜合治理1. 流量泥石流峰值流量是泥石流重要的特征值之一它不僅反映了泥石流的強度、規程和流體的性質，而且決定著防治泥石流工程建筑物的類型、結

24、構和尺寸因此，泥石流峰值流量是泥石流研究和防治工程中不可缺少的參數，故引起國內外泥石流專家所關注本世紀50 年代我國大量采用蘇聯學者的計算方法以適應公路和鐵路建設的迫切需要當時一般采用配方法和形態調查法進行峰值流量的估算但這些方法之間誤差很大，通過修改參比改進了一些，但其計算結果偏差仍顧大確定泥石流最大流量Qc 最可靠的方法是直接測量自然界里奔流著的泥石流或泥石流遺留的痕跡可是這樣確定泥石流最大流量時，首先，要確定泥石流最高泥位時的斷面面積和相應的平均流速斷面與流速的測定又受泥石流頻率的影響，要取得其參數比較困難配方法：此法根據泥石流體中水和固體物質的比例，用在一定設計標準下可能出現的洪水流量

25、加上按比例所需的團體物質體積配合而成的泥石流流量此法的基木表達式為：Qc=Qb(1+小).1Qc為泥石流流量Qb為清水設計流量小為泥石流修正系數，6=(y c- y b) / (y + yc)Y c為泥石流容重丫 b為水的容重丫 h泥石流中泥沙比重配方法是目前泥石流流量計算的基本方法采用配方法進行泥石流流量計算，對于稀性泥石流來說，與實際結果差別不大，對于粘性泥石流來說，特別是塑性泥石流，推求值遠小于實測值因此國內外許多學者都在配方法的基礎上，再乘上一個系數，來表示某種原因而引起的站性泥石流流量的增值(1) 考慮補給沙石體含水量的配方法，Q（c= Qb （1 十 P）2式中， P 為考慮補給固

26、體物質含水量的泥石流流量修正系致P=(1-Cvb)/ C VB - (1- C VB)C/E= ( Y H- Y c) / ( H- H-1 )e為泥石流補給區中固體物質的體積比原始水量或天然含水量，可以實測也可以采用當地水文氣象站資料。該法是假定在給定的設計容重下，水在形成泥石流的過程中起決定性的作用因此，其缺點未能考慮到固體物質的補給規律以及泥石流形成過程中水和固體物質遭遇的情況，所以計算結果偏小但此法比式(1) 要精確，因為式(2) 不僅考慮了固體的補給量，而旦還考慮了補給沙石體中的水的含量(2 )考慮堵塞條件下的配力法泥石流在通過卡口、急彎、縱坡突然變緩的情況下的溝段，常常發生泥石流停

27、積堵塞、加積增大而又開始流動，成為泥石流流量增大的重要原因一殷表達式為：Qc=Q (1 + 小)q式中， q 為泥石流堵塞系數( 其值為 l 一) ，其中微弱堵塞1，一殷堵塞1 5 一 1 9，較嚴重堵塞2 0 一 2 5，嚴重堵塞2 6) 據云南東川大白泥溝19601952 年觀測資料的分析， 求得帖性泥石流的堵塞修正系數q 與堵塞時間 t 的經驗關系q = O.式中， t 為堵塞時間，即陣性泥石流之間的斷流時間根據上述資隊求得泥石流堵塞系數q與產生泥石流流量Qc的經驗關系為：q =5. 8/適用于粘性陣流.關于泥石流堵塞現象的成因很多它與泥石流漿體的性質、組成、規模和固體物質來源的方式及數

28、量等因素有關由于泥石流堵塞后又潰決，使泥石流流量值增大，其變化的大小隨泥石流堵塞的時間長短而定，其堵塞程度隨泥石流流量大小而變泥石流流量與堵塞系數之間的關系反映了泥石流流體堵塞加積， 最后潰決的基本規律：即泥石流流量小、堵塞加積大時才可能達到潰決的流量，流量大、堵塞加積小時，即堵塞系數小，泥石流體潰決便開始運動，當流量達到某種程度時，不需要加積增大，就可能在河床中順暢通過2形態調查法（ 又稱泥鷹調查法）從形態調查求算泥石流峰值流里的方法，系按照泥石流在河槽岸邊上遺留的最高痕跡，測該處河床橫斷面積，乘上選用適合的泥石流流速公式計算的相應的流速值其表達式如下：Qc =Wc*Vc式中，Wc為泥石流過

29、流斷面面積：Vc為泥石流流速.泥石流形態調查法與洪水調查相同泥石流過流斷面最好選擇在沖淤變化不大的順直河段一般說來，泥石流河段沖淤變化很大，計算過流斷面時，必須考慮沖淤的影 M向，否則誤差偏大.泥石流流速計算方法的選擇見下節.3. 綜合成因法綜合成因法， 是 70 年代中期蘇聯和中國首先提出的一種泥石流峰值流量計算法 本 法的優點，是從成因上綜合分斬暴雨泥石流的各要素，采用泥石流綜合系數或累積系數以修正雨洪清水流量，比較符合實際或接近所發生的泥石流最大峰值流量C. M弗萊施曼的綜合成因法（1973年）系分析了當時采用泥石流流量計算法發現其結 果部小于實測值.例如，當泥石流的容重丫c為1. 5t/m3阻塞系數取最高值q = 5時，據式（66）求出的泥石流流量Qc大于清水設計流里QB約7倍，而實際的峰值流量遠大于 上述數果 （表 6 1） TOC o 1-5 h z 根據 1966 年蔣家溝泥石流的觀測果同形成泥石流的清水計算流量的比果，也部在12 33 之間，比按堵塞嚴重情況下的泥石流峰果流量