混合侵蚀培训课件

混合侵蚀培训课件主要教学目标：分析混合侵蚀发生机制及其发展规律，阐述混合侵蚀形式及影响混合侵蚀的自然因素。使掌握防治混合侵蚀的基本原理。教学方法：以教师课堂讲授为主，学生自学、参阅课外书及野外实习为辅。主要内容：第一节泥石流形成、分布及分类第二节泥石流物质组成第三节泥石流特征第四节泥石流输移和冲淤变化第一节泥石流形成、分布及分类一、泥石流形成1.形成条件

要有充足的固体碎屑物质固体碎屑物质是泥石流发育的基础之一，通常决定于地质构造、岩性、地震、新构造运动和不良的物理地质现象。

在地质构造复杂、断裂皱褶发育、新构运动强烈和地震烈度高的地区，岩体破裂严重，稳定性差，极易风化、剥蚀，为泥石流提供了固体物质。在泥岩、页岩、粉沙岩分布区，岩石容易分散和滑动；岩浆岩等坚硬岩分布区，会风化成巨砾，成为稀性泥石流的物质来源。在新构造运动活动和地震强烈区，不仅破坏山岩完整性、稳定性，形成碎屑物质，还有激发泥石泥的作用。不良的物理地质作用包括崩坍（冰崩、雪崩、岩崩、土崩）、滑坡、坍方、岩屑流、面石堆等，是固体碎屑物质的直接来源，也可直接转变为泥石流。

要有充足的水源降雨、冰雪融化、地下水、湖库溃决等都可形成泥石流，最多的是降雨发生的泥石流。

我国东部处于季风气候区，降水量大而集中，一般中雨、大雨、暴雨和大暴雨均可激发泥石流发生，尤其1小时雨强在30mm以上和10分钟雨强在10mm以上的短历时暴雨。黄土高原的连阴雨及高强度暴雨泥石流就属此类。在青藏高原积雪的高山上，若日均温上升(即与月均温差为正)，多为无雨日或晴日，冰雪迅速融化，最易发生泥石流；相反，泥石流频率降低在20%以下。冰雪融化有时导致冰湖溃决，或其他原因造成水库溃坝，都会诱发泥石流。在石灰岩发育地区，地表水转化为地下水，不利于泥石流的形成。

地形条件典型的泥石流沟，从上游到下游可划分为三个区，即侵蚀区、过渡区、堆积区。

侵蚀形成区为以漏斗状和勺状地形，易集中径流。过渡区为泥石流运动通过区，需陡直多跌水的地形，以便不断补充能量和物质。堆积区为泥石流固体碎屑的停积地，一般平缓开阔。陡峻地形制约它的形成和运动，影响泥石流的规模和特性。通常决定于沟床比降、沟坡坡度和坡向、集水面积和沟谷形态等。研究表明，泥石流沟床比降多在50‰～300‰，尤其是100‰～300‰。在平缓沟床中不易发生泥石流。流域沟坡影响泥石流的规模和物质补给。统计表明在10°以上即可发生泥石流，尤以30°～70°为甚，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。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。

此外，人类不合理的社会经济活动，如开矿弃渣、修路切坡、砍伐森林、陡坡开垦和过渡放牧等，都能促使泥石流的形成与发展。2.形成机理分析

泥石流中水与松散固体物质之间的相互作用，以及由此而产生的作用力与变化，是泥石流形成不同于高含沙水流的本质。泥石流形成的作用力，一是与固体物质浓度和坡度(含坡面和沟床)有关的重力分力；二是流体中流体水相对于固体物质运动的性质所决定的输移力。前者是泥石流形成和运动的必要条件，后者是不同性质泥石流运动的差异条件。为分析方便，通常依据固体物质参与泥石流运动过程不同，分为两种类型，即水力侵蚀类型和重力侵蚀类型。

水力侵蚀类型是坡面、沟道中固体风化碎屑物质受坡面和沟道水流的片蚀、冲刷和各种侵蚀作用，固体物质逐渐地不断地参与泥石流，即水力侵蚀过程。侵蚀的不断加剧，挟带的泥沙、石块数量不断增加，而且在运动中又不断搅拌，当固体物质含量达到某一极限值时，且搅拌十分均匀，流体性质发生变化已不再是牛顿体，不同于挟沙水流，成为具有特殊性质和流态的流体，这就是泥石流。由此我们看出，这类泥石流形成的条件，必须是水体的流动力Pm要大于固体碎屑颗粒间的总阻力。重力侵蚀类型是坡面和沟道中多种成因的固体碎屑物质主要受重力作用形成的。这些固体碎屑物质受降水、径流的浸润渗透和浸泡，含水量逐渐增加，于是自身重力将跟着增大，导致堆积碎屑物的内摩擦角和内聚力不断减小，逐步出现渗透水流和动水压力(P动=γJV)，堆积的碎屑物因摩擦角和内聚力减小而出现液化，导致其稳定性破坏而沿坡面滑动或流动。经过一段时间和一段距离的混合搅拌，形成具有特定结构的泥石流体。这类情况是水和碎屑物本身重力作用而产生运动和搅拌的。应是固体碎屑的内应力τ大于其极限剪应力才能发生。即τ＞τ0(6.2)式中：τ0－－固体碎屑极限(或临界)剪应力。可以看出，这类型泥石流多为粘性泥石流。应当指出，自然界泥石流形成多呈复合型，即有水力侵蚀作用，也有重力作用，还会出现塞阻后溃决发生叠加作用。只不过在时、空变化上，以某一作用为主罢了。二、我国泥石流的分布

泥石流在我国分布广泛，北起黑龙江双鸭山市，南至海南岛石禄县，东起台湾的闵林，西到新疆喀什和慕士塔格山麓，广袤的国土上有26个省(区)分布有几万条泥石流沟。大致以大兴安岭——燕山——太行山——巫山——雪峰山一线为界分为两部分，西部的高原、高山、极高山是泥石流最发育、分布最集中、灾害频繁而又严重的地区；东部的平原、低山、丘陵，除辽东南山地泥石流密集外，广大地区泥石流分布零散，灾害较少。因地质构造、地貌和气候的特点，决定的泥石流活动及其灾害具有下列分布规律。

泥石流分布特点其一为沿断裂构造带密集分布；其二在地震活动带成群分布，主要分布于烈度Ⅶ级以上地震区；其三分布在深切的中、高山区，尤其三级阶梯间的过渡地带，普遍有泥石流发育。常出现在海拔800～2500m，坡面25°～35°，沟床比降100‰～400‰，集水面积0.6～50km2的地区。在上述地区内，泥石流多分布于海拔800～2500m高度的山坡和沟谷，坡面泥石流在25°～33°的坡面最常见，沟谷泥石流沟床比降多在100‰～400‰之间，泥石流沟谷集水面积大都在0.6～50km2之间。

冰川型泥石流分布于海拔很高的青藏高原及周围山地，暴雨型泥石流受季风影响明显，在季风气候的山区，呈片状带状分布，在非季风影响的西北、北部仅在最大降水带的一定坡向和高度上才会出现。

根据泥石流发育的自然环境、灾害程度、沟谷的基本特征、发展趋势的相对一致性、和区域范围的完整性，把全国划分为西南印度洋流域极大危险泥石流大区、东南太平洋流域最大危险泥石流大区、东北太平洋流域危险泥石流大区和内流及北冰洋流域一般危险或无危险泥石流大区4个大区和15个亚区。三、泥石流分类1.按固体物质组成

泥石质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。

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质流。泥流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，泥流体向两侧扩散能力较弱，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。

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。2.按泥石流性质

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%，容重为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。东川大桥沟泥石流是这类的典型。

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，容重为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。堆积物保持原有结构，含有大量泥球。蒋家沟泥石流为这一类代表。

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。3.按主导因素

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和因素。由于分类以主导作用来划分，又称为成因类型。

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所发生的一种泥石流。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。

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(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。第二节泥石流物质组成一、容重及粒度组成1.容重

泥石流容重是单位体积泥石流流体的重量，单位为t/m3。其容重大小反映了泥石流结构，影响泥石流的物理力学性质，从而造成不同的侵蚀、输移和堆积。

一般稀性泥石流容重1.3～1.8t/m3，粘性泥石流容重＞2.0t/m3，过渡性泥石流在1.8～2.0t/m3之间。不同容重其含沙量不同，一般含沙量在1000kg/m3以上，最高可达2180.3kg/m3。泥石流容重受固液相组成、固体物质特性及土体特性影响（见表6.1）。通常固体物、大颗粒含量高和比重大的颗粒多容重大；反之，容重小。泥石流容重在同一阵次中随时空不同而变化。一般从上游到下游，容重随固体颗粒的加入而增大；同一流域不同次泥石流，因降水不同和固体物质供给的差异，表现不同的容重；对同一阵而言，通常“龙头”容重较高，此后逐渐降低。2.粒度组成

泥石流流体中固体颗粒粒度范围很宽，从几微米到几米，但限于取样的困难，以下表中反映的粒度组成限在80～100mm以下，从实测到的最小粒径为0.0013mm，占固体颗粒总重的3%～14%左右。

一般挟沙洪水和稀性泥石流的粒度组成较均一，粒度范围窄，颗粒离散度小(离散度为未加分散剂与加入分散剂的粘粒累积百分数相比值)。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%。

粘性泥石流粒度组成范围宽，离散度大。其中＞2mm的石块占固体物质重量的65%以上，沙粒占18%左右，粉粘粒占18%左右（表6.2）。二、粘土矿物与泥石流的关系1.粘土矿物组成

粒径小于1.0mm的颗粒为粘土矿物，呈现出悬浮胶液性质，对泥石流性质影响颇大。主要的粘土矿物有水云母(伊利石)、绿泥石、蒙脱石、高岭石、蛭石、埃洛石和海泡石等。此外还有非粘土矿物赤铁矿、针铁矿、白云母、滑石、石英、长石、硅藻等矿物。

由于粘土矿物的亲水特性，加之比表面十分巨大和扁平的晶形特征，使泥石流性质各异。一般粘粒含量＜3%时，为稀性泥流；＞5%时为粘性泥石流，介于3%～5%间的为过渡性泥石流。2.粘土矿物的影响

粘土矿物颗粒呈薄片状具有亲水特性。由于水化膜厚度在颗粒表面的边缘处最薄，相互间产生很大吸引力，形成所谓网格结构。泥石流体中含有较多粘土矿物时，网格结构愈紧密，强度也愈大，从而形成粘性泥石流。当流体中粘土矿物含量较少时，因粘粒间接触的点(或面)相对少，从而形成松驰的链条式结构，该结构强度低，稍受扰动即被破坏，而成流动性大的稀性泥石流。过渡性泥石流的粘土矿物既可形成网格结构，也有链条结构，处于不断地变动中，故性质居中。

网格结构的性质和强度，除受流体中固体物质浓度影响外，还与粘土矿物类型有关。一般蒙脱石形成的网格结构远比伊利石、高岭石所形成的网格结构紧密，且强度大得多。故流体的剪切强度、粘滞系数高。相反，以伊利石形成的网格结构、绿泥石等形成的网格结构较之松驰，强度小。从而得出，泥石流的性质除与固体物质多少、粘粒含量有关外，还与泥石流产地岩性有关，这就使泥石流性质变得十分复杂。3.粘土矿物与泥石流关系

粘土矿物总含量虽不高，但比表面积大，可将比它大数万倍的沙、砾石块包裹起来，在一定的含水量和其他条件下，使源地土石体结构松散，摩擦力和凝聚力降低，极易流失，形成泥石流。

粘土矿物的亲水特性，使源地土石体增重，易于发生重力侵蚀，并使泥石流在发展中易于获得大量固体物质，使其不断发展扩大。

绿泥石、蛭石等吸水膨胀性强的矿物，一旦吸水后促进土岩体崩解、崩坍和滑动，因此，虽然流域面积不大，却可产生惊人的固体物质，而由一般侵蚀转化为泥石流侵蚀。第三节泥石流特征一、发生特征1.突发性和灾变性泥石流

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,给山地环境带来灾变。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。2.波动性和周期性泥石流

波动性和周期性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。3.群发性和强烈性泥石流

群发性和强烈性泥石流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。回到最上面

二、泥石流流态特征

泥石流既不同于一般径流冲刷，又是在径流冲刷和重力共同作用下的混合侵蚀。因此泥石流流态多样。1.蠕动流泥石流

蠕动流泥石流暴发时在粗糙的沟床上“铺床”前进，或上游供给不足似蛇身匍伏缓慢前进，流速一般在0.3～0.5m/s。当沟床纵坡十分开阔平展时，泥石流龙头也会如此。2.层动泥石流

层动泥石流在沟道平直、坡度不太大的情况下，高浓度的泥石流体呈整体运动，体内无物质的上下交换过程，流速变化从5m/s到15m/s，具有极大浮托力，使巨石像游船一样漂浮。3.紊动泥石流

紊动泥石流浆体较稀，或沟道比降大而导致流动湍急，浆体中石块相撞击、摩擦，发出轰鸣。4.滑动泥石流

滑动泥石流近似层流的整体运动，是在高粘度泥石流“铺床”后，依惯性力作用在“润滑剂”上滑向前进。5.波动泥石流

波动泥石流实质上是一种特殊的自动形态流，即当沟道泥石流残留层较厚时，在纵坡影响下，较厚浆体在重力作用下，向下形成一个波状流动体，并迅速下泄，与因堵塞形成的阵性流十分相似。

泥石流具有很强的侵蚀能力和巨大的侵蚀量，如上疙瘩大桥沟和上疙瘩中桥沟，在1981年暴发泥石流时，一次下切深度在7～13m，莲地隧道6号沟(迤布苦沟)也一次下切13m，这样的下切速度是一般山洪下切速度无法比拟的。又如利子依达沟，在1981年7月9日暴发泥石流时，在很短时间内将30～50万m3松散碎屑物质倾泻在大渡河内，形成短暂的天然堤。当日的泥石流侵蚀模数达1.2～2万t３/km2，其数量之大，也是一般水土流失所无法比拟的。三、泥石流搬运特征

泥石流是一种独特的流体，因此，其搬运能力极强。搬运的泥沙、粒度广泛、浓度大、大致可归纳为两类，一类是构成泥石流的固相物质和液相物质紧密结合，液相物质已完全失去自由而不再是搬运介质，固相物质已成为流体的组成部分而不再是载体，二者构成一相流体(粘性泥石流)。在这样的情况下泥石流以蠕动流滑动流成似层流的连续流或阵性流形态将流体搬运出沟。另一类是构成泥石流的固相物质和液相物质的结合虽然也使液相物质失去水流的主要特性，但二者未构成一相体，细粒固相物质与液相物质构成的泥浆是搬运介质，而大石块是载体，搬运介质和载体之间的流速可以有差异(稀性泥石流)。在这样的条件下，泥石流以紊流连续流形态将流体搬运出沟。这两种搬运形态相对应的搬运方式是各不相同的。粘性泥石流，泥沙和水构成一相体，流速梯度只在流体与边界层之间的很薄一层流体内存在，其余流体则以同一速度前进，因此，粘性泥石流以整体方式搬运松散碎屑物质。稀性泥石流，因泥沙和水尚未构成一相体，而是两相体，因此，不仅整个流体有流速梯度存在，而且粗粒固相物质与液相物质之间也存在流速差别，这就导致稀性泥石流以散体方式搬运松散碎屑物质，而且可以用拜格诺方程加以描述。四、泥石流堆积物宏观特征1.泥石流堆积类型

泥石流堆积扇或堆积锥，泥石流出山口后，地形突然变得开阔、平坦。若为稀性泥石流，流体便以一定角度或辐射状散开，形成散流，流面增宽，流层变薄，阻力增大，于是流体发生扇状淤积，长此以往，扇体不断增大、增厚，形成堆积扇，若为粘性泥石流，则流体因整体受阻而发生垄岗状淤积，在长期的泥石流活动中，垄岗状淤积在堆积区交错发生，反复重叠，久而久之，也形成扇状堆积。随着时间的推移，扇状堆积不断发展壮大，最后形成完整的堆积扇，对沟谷陡峻，固相物质粗大的泥石流，在堆积区常发育成堆积锥。

泥石流堆积物构成的堆积扇纵坡较陡，一般在3°～9°之间，部分可达9°～12°，而洪积物的纵坡一般在3°以下，同时泥石流堆积物构成的堆积扇横比降也比较大，一般在1°～3°之间，而洪积物的横比降一般在1°以下。

泥石流堆积阶地是发育在泥石流沟谷内的一种堆积地貌，是泥石流体在运动过程中由于没有后续流的推动，因而不能克服来自沟谷底床和边壁的阻力而在沟谷内发生淤积，后来又遭洪水冲刷，由于洪水能量有限，只局部下切拉槽，于是在沟床两岸或一岸留下原有的堆积而形成的。这种泥石流堆积阶地通常是一种短暂的泥石流堆积现象。

泥石流侧积侧积是泥石流在运动过程中由于边缘部位流层较薄，而边缘的阻力又较大，因而泥石流边缘部位流速减缓，部分流体或流体中的松散碎屑物质，在边缘产生淤积，这种淤积就是侧积。这种堆积是流体的横向环流所致，因此，流体两侧或一侧不受边壁约束是形成该类型的关键条件。

除上述主要堆积形式外，泥石流还可在运动过程中形成超高堆积，抛高堆积和缝隙堆积等。2.泥石流堆积物特征

泥石流堆积物一般能分出若干层次，