采矿废渣颗粒粒径对矿渣型泥石流起动的控制作用——以小秦岭金矿区为例

泥石流物源的颗粒级配大小对于泥石流的起动具有重要的控制作用,亦是泥石流防治工程设计的重要参数。采矿废石渣构成的矿渣型泥石流,物源特性不同于一般的泥石流。通过对小秦岭金矿区采矿废石渣、尾矿沙、残坡积土的颗粒级配、孔隙度、透水性能的研究,与其他地区泥石流物源级配进行了差异对比,探讨了采矿废渣颗粒级配对泥石流起动的制约影响。研究表明,采矿废石渣松散无联结,粒径变化于0.075~470mm之间,其中大于2mm的砾级含量占总渣量的93.33%,平均粒径为61.2mm,以卵石级为主,粘粒物质几乎没有。粒径小于5mm的废石渣的渗透系数是选矿尾矿渣的103.5陪、残坡积土的2倍、蒋家沟泥石流物源的4.9倍,实际上采矿废石渣堆的渗透系数比试验测试的数据更大。废石渣的松散无联接、高孔隙率及极高渗透性的特点,决定了常遇降水难以导致废石渣堆起动。结合研究区历史上发生的泥石流,构建了堵溃型矿渣型泥石流起动模式,据此提出了清理占据行洪通道的废渣、疏浚行洪通道、修建拦渣挡墙的泥石流防治理念,避免拦沟修筑重力坝。     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

基于BP神经网络的泥石流平均流速预测

泥石流平均流速是泥石流防治工程中不可缺少的重要参数,准确地预测泥石流平均流速对于泥石流防治工程的设计是至关重要的。将BP神经网络应用于泥石流平均流速的预测:将泥石流平均流速的影响因素--泥沙平均粒径、泥深、沟床比降和泥石流密度作为BP神经网络的输入单元,通过对云南东川蒋家沟泥石流观测数据的训练与预测建立了泥石流平均流速的BP神经网络预测模型。将预测结果与东川公式和曼宁修正公式的计算结果进行对比:曼宁修正公式和东川公式预测结果最大误差分别为27%和7.3%,BP神经网络的预测结果最大误差仅为3.2%,BP神经网络的预测精度是最高的,可见此方法对泥石流平均流速预测具有适用性和准确性。最后应用此方法预测了乌东德水电站近坝库区内的3条泥石流的平均流速分别为12.8 m/s、11.3 m/s和13.0 m/s,为库区泥石流防治工程提供了可靠的参考数据。     

小秦岭金矿区7·23蒿岔峪泥石流成灾模式及启示

矿山泥石流是山地矿山最主要、危害最严重的地质灾害类型。小秦岭金矿区是中国矿渣型泥石流灾害及其隐患的典型矿区,研究其成灾模式对于科学防治具有重要的指导作用。通过2010年7月23日泥石流沟的勘查、泥石流泥位与颗粒级配测量、降雨参数分析等,表明短历时、高强度大暴雨(142.9mm/6.42h、雨强52.6mm/h、4.6mm/10min)是7·23泥石流形成的直接激发因素。沟道内挤占行洪通道的人工残存坡地及选矿尾渣为泥石流提供了66.7%的物源。泥石流堆积扇粗颗粒(粒径≥2mm)含量高达92.4%,泥石流最大流速为9.61m/s,最大流量455.05m~3/s,推算泥石流历时112.5s,系一次性、中型规模的水石流,但却造成了8死4伤的灾难。其致灾模式是强暴雨的片蚀作用导致沟源高陡斜坡上的残坡积物形成梳状浅层滑坡群,下滑至沟底,在坡面迅速汇集的山洪作用下转化成沟谷稀性泥石流。沿程通过冲蚀、侧蚀、底蚀作用,不断加大了泥石流规模,沟口残缺的浆砌水泥挡墙堵溃放大了泥石流的灾害效应。固渣、排水、疏浚沟道是治理堵溃型矿山泥石流的有效方法。     

粘性泥石流体应力过冲特征与阵性流形成机理初探

本文应用最新研制的大型平板旋转式泥石流流变仪,对粘性泥石流体的应力应变特性进行测定,发现含有砾石的粘性泥石流体启动时具有明显的应力过冲现象.这种应力过冲特征(Ty3＞Ty2)是与粘性介质阻力形成初期的剪切稀化和高浓度粗细颗粒组合形成的挤压内摩擦力共同组成的泥石流体应力滞后特征(抗剪强度)有关.根据这种应力过冲特征,通过剪切面上粘性泥石流体启动高度的推导,以及粘性泥石流体准静摩擦角,正压力,动摩擦系数的测定和演算,对比其粘性泥石流体阵性流计算值和观察值,基本相似,平均相对误差为-5.43×10-3.该项研究为进一步进行粘性泥石流体的模糊研究奠定了基础.     

基于熵值-理想点法的泥石流危险度研究

泥石流危险度的划分是泥石流研究中的重点与难点,泥石流危险度的确定对于泥石流整体特征的把握具有十分重要的作用。采用熵值-理想点法建立了泥石流危险度划分模型,选取流域面积、主沟长度与泥石流沟相对最大高差等10个评价指标。利用现场3条泥石流沟作为工程评价对象,通过熵值法确定各评价指标的权重系数,并采用理想点法进行泥石流危险度的划分研究。根据模型分析结果,泥石流沟2与3属于高危险度(贴近度为0.79与0.83),泥石流沟1属于中危险度(贴近度为0.82)。泥石流危险度与现场情况及已有研究资料基本一致,证明了该法在泥石流危险度划分中的合理性与有效性。     

支持向量机在泥石流危险度评价中的应用研究

为改善传统泥石流危险度评价方法存在的缺陷,提出了基于支持向量机的泥石流危险度评价方法,并建立了支持向量机评价模型。研究选取泥石流一次(可能)最大冲出量(L1)、泥石流发生频率(L2)、流域面积(S1)、主沟长度(S2)、流域最大相对高差(S3)、流域切割密度(S6)和泥沙补给段长度比(S9)7个因子作为泥石流沟谷危险度评价因子,运用支持向量机理论,选用径向基(RBF)核函数,采取"试错法"进行参数优选;确定参数C=8,γ=2。以云南省37条泥石流沟的259个基础数据为样本进行学习训练和测试,建立了泥石流危险度评价的支持向量机模型。并将该模型应用于黄河积石峡水电站库区的泥石流危险性评价中进行验证。将模型评判结果和模糊数学方法的评价结果进行对比分析,结果的一致性达到73.33%。研究认为支持向量机方法能够成功地应用到泥石流危险度评价中,且具有较高的精度及很强的泛化能力,应用前景广阔。     

根据泥石流沉积物计算泥石流容重的方法研究

泥石流的容重是泥石流的最重要的参数之一,用简单易行的方法获得泥石流的容重因泥石流灾害的评估和泥石流的防治的需要显得日益重要。分析了泥石流的组成颗粒中3个分别代表粗颗粒,细颗粒和粘粒颗粒的颗粒粒径,即2 mm、0.05 mm和0.005 mm,及它们的百分含量与泥石流容重的关系。在对泥石流的组成颗粒的研究中发现泥石流中的粗颗粒,细颗粒和粘粒颗粒的百分含量与泥石流容重都有一定的关系,但因地区的差异这种关系不是唯一的。粘性泥石流中的粘粒含量与物源区的粘粒含量相当,稀性泥石流的粘粒含量远大于物源区的粘粒含量。用粗颗粒和细颗粒百分含量计算的泥石流的容重与泥石流观测样和沉积样对比有较好的一致性。根据泥石流沉积物计算的泥石流容重应服从根据沉积物的特征判断的泥石流类型和框定的泥石流容重范围。     

基于子流域特征的泥石流易发性评价

文章以云南省迪庆藏族自治州金沙江河谷金江镇—林当可为例,研究了基于子流域单元的泥石流易发性评价模型。首先,将研究区划分为1 570个子流域单元,其中70%(1 090个)用于模型建立,30%(480个)作为模型测试样本。然后,采用9种子流域单元特征因子（melton比率、流域平均径流侵蚀力指数、平均地形湿度指数、流域延伸率、流域平均高程、流域水系密度、流域平均植被覆盖度、流域平均坡度、流域高差率）的归一化值作为自变量,泥石流是否发育作为因变量,运用逻辑回归建立泥石流易发性评价模型,将易发性划分为5个等级。最后,通过独立的测试样本验证,易发性评价模型预测性能(AUC=0.821)良好;且随着易发性等级提高,泥石流绝对和相对发育比例逐级增加,模型满足合理性要求,适用于研究区的泥石流易发性评价。     

宽级配砾石土缩尺强度特性试验研究

宽级配砾石土广泛分布于泥石流易发区,其强度特性是正确评价泥石流启动和防治设计的关键性问题。为探讨宽级配砾石土强度参数与最大颗粒粒径和颗粒级配的关系,针对3种不同颗粒级配缩尺处理后最大粒径分别为30mm、20mm、10mm和5mm的宽级配砾石土进行三轴固结不排水强度试验。结果表明,宽级配砾石土具有液化特性,试验曲线表现为应变软化、应变硬化和应变软化-硬化3种形态;对于出现液化的土体,有效内摩擦角随着最大粒径的增大而线性增大;有效内摩擦角随着不均匀系数的增大而增大,两者呈二次函数关系;随着特征粒径的增大呈分段线性增大。研究结果为泥石流启动预测和防治工程设计的参数选取提供一定参考支持。     

Flow Characteristics of Cemented Paste Backfill

Cemented paste backfill (CPB) is primarily used for backfilling underground voids at George Fisher Mine (Mount Isa, Australia). The objective of this paper is to summarise the geotechnical characterisation of the tailings and the rheological properties of the CPB as determined from a laboratory testing program undertaken at James Cook University. Two binders were examined [a General Purpose cement and a slag blend cement] over a range of dosages from 0 to 6% and CPB mix solids content in the range of 72–78%. The slump tests were carried out using the standard cone (ASTM C 143) used for concrete and a cylinder with 110 mm (diameter) × 110 mm (height), whereas the yield stress was measured using a shear vane (Brookfield vane spindle V-73). The index characteristics of the tailings including the grain size distribution, liquid limit, plastic limit, specific gravity were determined as per ASTM standards. This paper will then discuss the interrelationships among the solid content, slump, saturated density and the yield stress of the CPB. It is shown that there is strong correlation between the two different slump test devices used in this study. The smaller cylindrical device appears to have good potential for slurries like mine tailings or dredged mud that have high water content for slump test. There is also strong inter-relationship among solid content, slump, yield stress, and bulk density. Increasing the solid content increases the bulk density and yield stress, but reduces the slump. While there is hardly any difference between the two binder types used in this study in terms of flow parameters, namely the yield stress and slump, the binder dosage has an effect. At any specific solid content, higher binder dosages lead to a drop in the slump and increase in the yield stress. The difference is more pronounced in dense slurries. It is also strongly believed that the trends and relationships developed in this study may be valuable for the other mining operations using CPB.     

泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构

泥石流堆积物主要由砾石、砂砾、粉粒和粘粒组成,组成泥石流堆积物的颗粒级配变幅很大,从直径大于数十米的巨砾到肉眼难以看见的几微米的胶体微粒均有分布,大小颗粒粒径之比可达106—107。泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间。本文以小江流域多处泥石流堆积物为研究对象,采用图解法全面分析了泥石流堆积物的粒度组成特征,根据分形理论计算了泥石流堆积物颗粒的分维值,对泥石流堆积物的分形特征进行探讨,并与泥石流堆积物粒度特征相联系,发现分维很好的反映了泥石流堆积物颗粒组成及其粒度分布特征。将泥石流堆积物颗粒分维与泥石流的粘性、形成年代等性质相联系,以找出它们彼此之间的关系。     

鄂尔多斯盆地陇东地区延长组重力流沉积特征及其模式

利用岩心、测井资料和重力流沉积理论,系统研究了鄂尔多斯盆地陇东地区延长组重力流沉积特征及其沉积模式。该区重力流沉积物可分为浊积岩、砂质碎屑流沉积物、泥质碎屑流沉积物和滑塌岩。其中,浊积岩发育正粒序;砂质碎屑流沉积物以冻结块状沉积为特征;泥质碎屑流沉积物以泥质为主,内部含少量砂质颗粒和砂质团块;滑塌岩发育包卷层理等液化构造。不同重力流沉积物发育程度差异明显,浊积岩和砂质碎屑流沉积物的钻遇井数最多,泥质碎屑流沉积物最少。在重力流单期沉积厚度方面,砂质碎屑流沉积物单期沉积厚度平均为0.986m,明显高于其他类型;浊流沉积厚度最低,平均厚度为0.414m。本区重力流是由三角洲前缘沉积物失稳滑塌所致,砂质碎屑流沉积物和浊积岩是主要的重力流沉积类型,其次为滑塌岩和泥质碎屑流沉积物。砂质碎屑流沉积物主要发育于北东向曲流河三角洲前缘前方的深水区;浊积岩主要发育于西部、西南部和南部物源形成的辫状河三角洲前缘前方的深水区域;泥质碎屑流沉积物和富含泥砾砂质碎屑流沉积物在平面分布极少,且规律不明显。     

Rainfall duration and debris-flow initiated studies for real-time monitoring

A rainfall-induced debris flow warning is implemented employing real-time rain gauge data. The pre-warning for the time of landslide triggering derives the threshold or critical rainfall from historical events involving regional rainfall patterns and geological conditions. In cases of debris flow, the time taken cumulative runoff, to yield abundant water for debris triggering, is an important index that needs monitoring. In gathered historical cases, rainfall time history data from the nearest rain gauge stations to debris-flow sites connected to debris flow are used to define relationships between the rainfall intensity and duration. The effects by which the regional rainfall patterns (antecedent rainfall, duration, intensity, cumulative rainfall) and geological settings combine together to trigger a debris-flow are analyzed for real-time monitoring. The analyses focused on 61 historical hazard events with the timing of debris flow initiation and rainfall duration to burst debris-flow characteristics recorded. A combination of averaged rainfall intensity and duration is a more practical index for debris-flow monitoring than critical or threshold rainfall intensity. Because, the outburst timing of debris flows correlates closely to the peak hourly rainfall and the forecasting of peak hourly rainfall reached in a meteorological event could be a valuable index for real-time debris-flow warning.     

基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟

本构模型是描述泥石流流变特性的关键,也是决定其动力过程数值模拟准确性的核心问题之一。泥石流流体属多相混合物,现有的研究已证实其存在剪切增稠或剪切变稀的现象,传统基于Bingham及Cross线性本构关系的数值模型难以准确描述泥石流流变特性。文中探讨了Bingham模型在低剪应变率下的数值发散问题,在光滑粒子流体动力学（SPH）方法框架上建立了整合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP）本构关系的稀性泥石流动力过程三维数值模型。相比传统基于浅水波假设的二维数值模型,所述方法从三维尺度建立SPH形式下的泥石流浆体纳维?斯托克斯方程并进行数值求解,可获取泥石流速度场时空分布及堆积形态,同时采用HBP本构关系描述泥石流流变特性,能在确保数值收敛的前提下反映泥石流流体在塑性屈服过渡段及大变形状态下应力?应变的非线性变化。为验证提出方法的合理性,结合小型模型槽实验观测进行了对比,结果表明数值模拟与实测结果基本吻合。     

鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组深水重力流沉积特征及其石油地质意义*

通过大量岩心观察、钻测井资料分析及野外露头观察,对鄂尔多斯盆地南部延长组长6—长7深水重力流沉积特征、触发机制、沉积过程、沉积模式及石油地质意义进行了系统分析。研究结果表明:研究区共存在滑动岩体、滑塌沉积、砂质碎屑流沉积、浊流沉积及泥质碎屑流沉积5种类型的重力流沉积物,各类型的沉积物特征明显。不同类型重力流沉积物垂向组合可分为5类,研究区重力流的形成过程可分为5个阶段:三角洲前缘沉积阶段、滑动阶段、滑塌变形阶段、砂质碎屑流及泥质碎屑流形成阶段以及浊流形成阶段。滑动、滑塌砂体多呈孤立透镜体状,砂质碎屑流砂体多以扇沟道的形式展现出来,浊流砂体多分布在扇沟道的前端或侧翼,呈席状砂展布。深水重力流砂体垂向叠置厚度大,可形成规模大的油藏,大大扩展了深湖的勘探范围。研究区长6、长7油层组砂质碎屑流砂体储集层物性较好,含油性好,是重点勘探层位。     

Dominant particle support mechanisms in debris flows at Mt Thomas, New Zealand, and implications for flow mobility

Within zones of little or no deformation by internal shearing in debris flows at Mt Thomas, about two-thirds of the weight of large particles is supported by buoyancy and about one-third by static grain to-grain contact. In boundary shear zones of low velocity flows and in high velocity, turbulent debris flow, grain-to grain contact is replaced by turbulence and dispersive pressure. Cohesive strength of the clay + silt + water interstitial fluid provides less than 2 % of the force keeping particles larger than 1 cm gravel in suspension. Excess pore pressure is generated in the interstitial fluid by the weight of coarse particles suspended in the slurry. According to Coulomb strength theory, pore pressures measured in these debris-flow slurries reduce the shear strength of the material to less than 10 % of what it is in the unsaturated state. The excess pore pressures are slow to dissipate because of the small connections between pore spaces that result from the extremely poor sorting of the debris and the presence of silt and clay in the pore fluid. Maintenance of sufficient pore space to trap fluid and facilitate flow on low-gradient slopes may be accomplished by dilatancy and subsequent partial liquefaction of the debris during shear.     

沾化凹陷孤岛西部斜坡带沙三段重力流沉积特征与源-汇体系

以岩芯观察、粒度分析、薄片鉴定、测井资料和地震资料解释等为主要手段,研究渤海湾盆地沾化凹陷孤岛西部斜坡带沙三段主要沉积物重力流类型及其沉积特征,探讨不同触发机制下的沉积物重力流演化过程和构造活动对重力流沉积过程及砂体展布的控制,总结源-汇耦合体系,建立斜坡带重力流砂体发育模式。结果表明:研究区沙三段沉积时期发育异重流、碎屑流、浊流、液化流和滑动-滑塌五种沉积物重力流,具有洪水型和滑塌型两种触发机制,流体演变总体处于碎屑流向浊流演化的早期阶段,推测研究区以北深水区仍发育碎屑流沉积且开始广泛发育浊流沉积。构造作用对研究区沙三段流体性质与演化、同生变形构造和重力流成因砂体的发育与分布具有明显的控制作用。总体上,研究区具有断槽沟谷、断裂坡折、断裂走向斜坡及缓坡沟谷等4种主要的源-汇耦合体系。纵向上,研究区沙三段自下而上由（半）深湖、近岸水下扇、滑塌扇沉积演变为滨浅湖、辫状河三角洲以及扇三角洲沉积;平面上,研究区东部主要发育来自孤岛凸起的扇三角洲前缘和近岸水下扇,西部主要发育来自陈家庄凸起的辫状河三角洲前缘,中部主要发育串珠状滑塌扇体。     

泥石流堆积物粒度分布特征影响因素分析及分形维数预测

泥石流堆积物作为泥石流发育最终的产物,含有大量与泥石流发生过程和发育特征相关的信息,能够反映泥石流灾害程度和活动强度。研究表明,泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间,运用分形理论,计算泥石流堆积物颗粒分布的分维数。分析分维数与主沟长度、泥砂补给段长度比、主沟平均比降、流域最大相对高差和松散物源量的关系,结果表明分维数与各因素之间存在较强的非线性响应关系。以乌东德库区泥石流实测数据为例,以上述的5个因素作为输入单元,建立了泥石流堆积物分维数支持向量机预测模型,并对分维数进行了预测,其预测结果的最大误差为1.25%,说明预测值与实测值吻合度较高。综合表明支持向量机预测模型能够较好地模拟和泛化数据,是一种行之有效的泥石流堆积物分形维数预测方法,可用于不具备筛析条件的泥石流堆积物粒度分布特征的预测与研究,进而可为研究泥石流的形成机理、类型、危险度和堆积物的形成演化特征及物理力学性质提供一个新思路。     

Fractal-statistical analysis of grain-size distributions of debris-flow deposits and its geological implications

Breakage models and particle analyses have been widely used as tools for describing and interpreting various deposits and providing parameters for assessing the particle-size distribution of the deposits. Debris flows can be seen as a two-phase rheological fluid with a clay-fluid composition, and debris-flow deposits comprise mud, silt, sand, and boulders, with grain sizes ranging from less than one μm to more than several meters. As a consequence, according to fractal theory, the particles in debris-flow deposits have self-similarity in geometrical shape and scale invariance in size. In this paper, the fractal dimensions of particles in various debris-flow deposits are calculated and corresponding fractal features are determined based on fractal-statistical theory. The aims of the study are: to provide a quantitative grain parameter that reflects both the grain composition and grain-size distribution in debris-flow deposits; to compare the fractal dimensions of grains in different types of debris-flow deposits and the degree of self-organization of debris flows; as well as to discuss the geological implications of fractal dimensions and fractal features of particles in debris-flow deposits.