山區(qū)河流泥石流災害防治技術研究

陳野鷹 ，王俊杰

（1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；

2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074）

我國是世界上泥石流較發(fā)育的國家之一，我國的泥石流主要分布于西南地區(qū)與新疆等地［1］。根據泥石流的運動特點，山區(qū)河流泥石流主要可分為坡面型（簡稱“坡面流”）與溝谷型（簡稱“溝谷流”）。在流動過程中，泥石流體內的高濃度水沙礫復合異相混合的固相物質主要按滾動或躍動狀態(tài)遷移［2］。在流域內，無論是坡面流還是溝谷流，滑坡和泥石流通常相伴而生、互為因果，具有強烈的沖擊、破壞作用［3］。能量巨大的泥石流體是沖毀土地、毀損交通設施與防治結構物的重要外在動力［4-7］，沖出谷口堆積在岸邊的泥石流固相物質也是形成礙航險灘的主要物源。泥石流是山區(qū)河流形成礙航灘險、影響船舶安全航行的主要地質災害之一。

堆積在岸邊的泥石流沖積扇中的粘性物質受雨水再次浸泡后，發(fā)生軟化、泥化，堆積物的穩(wěn)定性降低。在動水壓力與新生泥石流撞擊力的聯合作用下，沖積扇的沉積物再次失穩(wěn)蠕動，沖積扇前沿向河心延伸，進一步惡化淺灘河段的通航條件。枯水季節(jié)甚至會造成河道斷航，破壞當地正常的客貨水運交通秩序。

本文通過山區(qū)河流泥石流形成機理、運動規(guī)律和成災機制的研究，提出了生態(tài)修復、規(guī)范人為行為與工程結構相結合的泥石流綜合防治技術，以期對山區(qū)河流泥石流災害防治研究及治理提供參考。

1 山區(qū)河流泥石流生態(tài)防治

植被茂盛地區(qū)的巖土層能得到樹葉與草本的庇護，弱化雨水特別是暴雨的沖擊破壞效應，減少土粒受雨水沖擊流動形成泥石流固相物源的幾率。覆蓋地面的落葉能阻擋雨水直接沖擊土體、分散地表徑流。不僅如此，植被根系伸入巖土層，層層交織呈網狀（圖1）［8］。在同一層土體中，根系猶如纖維，能夠牢固土塊，阻止裂縫發(fā)生。受植被根系固結的土體，土塊的穩(wěn)定含水能力顯著增強，從而增加了土層的蓄水量。且受表面張力的作用，部分雨水滯留在枝葉或草叢上，每顆樹木或小草形同一個小水庫儲蓄雨水，延長其在土層中的滲流過程，減緩滲透壓力強度，提高土塊的穩(wěn)定能力，進而防止泥石流發(fā)生。

為了有效抑制降雨特別是暴雨對土層的沖擊破壞，增強生態(tài)防治效果，提高控制泥石流的能力，可采取封山育林與人工造林相結合，交錯種植喬木、灌木與草本植物，建立三級植被空間防護體系（圖1）。

2 規(guī)范人類工程行為

受地形的限制，山區(qū)公路等基礎工程建設需要切山削坡、改變環(huán)境、破壞地形地貌結構，大量棄倒土石形成了松散邊坡（圖2）。

降雨特別是暴雨時，松散土層快速吸水飽和導致基質吸力減弱，土體強度降低［3］，斜坡上的棄土吸水沉陷造成松散土層液化。相對于松散的棄土覆蓋層，天然沉積層土體密實、孔隙率小、透水性差。通過松散棄土層滲透的雨水很快滯留在天然沉積層土體和松散棄土覆蓋層的交界面上，形成軟弱夾層，致使飽和松散棄土失穩(wěn)沿軟弱層滑動。在滑動過程中撞擊、切割流動帶上的穩(wěn)定土塊，使其解體失穩(wěn)融入到流動體中。固相物質不斷解體泥化形成泥石流，并沿坡面或溝槽沖下山坡、流入河道、堆積形成礙航險灘，影響船舶安全通行或降低河流航道等級。這類泥石流的主要固相物源是人類工程

活動制造的松散棄土，因而防治此類泥石流災害、維護航道等級、保障船舶安全通行的根本是規(guī)范人類工程行為。研究分析發(fā)現，降雨特別是暴雨是松散棄土液化失穩(wěn)滑動的主要因素，此外棄土直接傾倒在斜坡上和表面松散裸露也是造成土體失穩(wěn)滑動形成泥石流的重要因素。當棄土坡面傾角大于10°～15°時，應先將自然邊坡整治成寬度大于1.0 m的臺階型人工邊坡（圖3），然后才能傾倒棄土。

由于松散棄土被放置在臺階型邊坡的水平面上，消除了土體自重下滑力，避免了雨水浸泡泥化的棄土沿傾斜軟弱層滑動，進而增強了棄土的穩(wěn)定性。同時可在松散的棄土上種植根壯葉茂類草本植物，利用草本茂盛枝葉的庇護，避免雨水直接沖擊地表土體。利用伸入土層的根系團聚松散棄土，使其形成整體，增強自身的凝聚力、剪切強度和穩(wěn)定性能，防止棄土失穩(wěn)隨雨水流動形成泥石流。

3 工程防治技術研究

根據山區(qū)河流泥石流形成機理、運動規(guī)律及制災特點，可將其分為坡面流與溝谷流兩種類型，不同類型的泥石流需要采用不同的工程措施。在多年試驗研究的基礎上，總結歸納出截流排水、攔粗排細、轉向導流等幾種典型的工程防治措施。

3.1 截流排水防治技術

坡面流流通距離短，從產流地到坡腳岸邊堆積的流通距離不過百余

米。在流動過程中，泥石流流路分散、形如瀑布在斜坡上流動，且流動分布范圍廣，難以采用工程防治結構直接改變泥石流的流通路徑。泥石流沖積扇易堆積于河岸，阻礙水流，在航道上形成淺灘急流，危及船舶航行安全。

首先，應在易發(fā)生雨水沖刷的地方，由上至下在不同高程沿山坡等高線方向設置截水溝。將雨水按高程分段截斷匯入截水溝內，防止地表徑流由山峰沿山坡連續(xù)流至山谷，降低雨水徑流動能，減少或消除水流沖刷切割土塊、破壞其整體性的能力；其次，在地質結構牢固、穩(wěn)定性好的巖層上修建連接截水溝的縱向排水盲溝，形成橫向截流和縱向排水相結合的截流式排水系統（圖4）。

通過排水盲溝，將積蓄在截流溝內的雨水快速排入河流，由此可縮短雨水停留時間，減少巖土層中的滲流水量和滲透水壓力，改善土質的物理力學指標，增強土體的整體性和抗滑穩(wěn)定能力，阻止泥石流的產生。進而減少或消除山區(qū)通航河流泥石流災害，確保水路運輸暢通有序。

3.2 攔粗排細防治技術

山區(qū)河流除受坡面型泥石流影響外，溝谷型泥石流也是阻礙水流暢通、影響船舶安全航行的主要地質災害類型。溝谷型泥石流匯流面積大，泥石流形成區(qū)物源豐富，流通距離相對較長。泥石流在流通過程中不斷沖刷、切割溝岸、匯集物源，洪流量隨泥石流流動逐漸增加。顆粒粗大、破壞力極強的沙礫塊石容易集中于洪流前端形成明顯的流動龍頭。龍頭能力巨大、沖出山谷流入河槽后會將大量的沙礫塊石堆積在河岸。在外力反復作用下，堆積的沙礫塊石重新失穩(wěn)蠕滑伸入河中，形成礙航灘險，影響船舶的正常航行。溝谷流多分布在地質結構和地形地貌復雜、氣候條件惡劣的地區(qū)，難于從泥石流形成的源頭上實施控制防治工程。需根據泥石流流通區(qū)的特點，結合流通溝谷的地形地質條件，在流通區(qū)上不同位置、逐級修建既能攔截泥石流中粗顆粒固相物質、又能排泄細小粒徑物質和液相漿體的攔渣壩（圖5）。

當泥石流爆發(fā)后，位于流通區(qū)上游的攔渣壩攔截粗大的塊礫石、下游的攔渣壩則負責攔截顆粒稍小的碎石，形成泥石流庫，降低泥石流運動能量，調節(jié)泥石流洪量、固相物質粒徑及總量，削弱泥石流的破壞力。攔渣壩還能抬高溝床，提高侵蝕基準面，對不良地質坡腳起掩埋與支護作用，增強山坡與溝床的穩(wěn)定性，防止溝床切蝕，減少泥石流固體物質補給量，抑制泥石流的發(fā)育。受攔渣壩的制約，壩上游溝床縱坡減小，洪流流速降低，泥石流下泄物質粒徑細化，抑制壩下游泥石流溝道的淤積演變［9］。從而實現攔粗排細、減少河岸泥石流固相物質堆積和細化堆積物粒徑的目的。

3.3 轉向導流防治技術

當泥石流沖出山谷后橫向或大角度流入河道時，在岸邊將形成泥石流沖積扇。沖積扇內固相物質堆積集中，在重力作用下堆積物中的自由水逐漸流失，固相物質固結密實，河水洪流沖擊力也難將其沖散。受新生泥石流撞擊力和動水壓力的反復作用，固相物質會產生蠕動滑移，泥石流沖積扇緩慢向河中延伸，擠壓河道形成礙航險灘（圖6）。

在山區(qū)，泥石流爆發(fā)前必定先有降雨過程，雨水快速匯入河道形成山洪。為了利用洪水沖擊流入河道內的泥石流固相物體，防治泥石流沖積扇集中堆積形成災害，可在泥石流流通溝谷出口與河岸之間修建能抵抗泥石流沖擊、改變洪流流向的弧形擋護導流結構（圖7）。

利用弧形擋護導流結構的轉向導流功能，調整出溝泥石流的運動方向，讓其與水流方向一致，流動過程中逐漸脫離轉向導流結構，泥石流中的固相物沿河岸分散滯留。再次洪流時沖向下游，形成河道泥沙的組成部分。流入河道中的固相物質未完成失水固結前，受到自身慣性與洪水沖擊力的聯合作用，能將固相物質進一步沖散、解體、不斷細化，并隨洪流帶向下游。避免泥石流固相物質集中堆積、擠占河道、形成險灘、改變航道水流條件的災害發(fā)生，維護了航道等級，能有效保障船舶安全通行。

4 結語

通過對山區(qū)河流泥石流的形成機理、運動規(guī)律、成災機制等的研究分析，結合山區(qū)河岸地形地貌特征，將山區(qū)河流泥石流劃分為坡面型與溝谷型，有利于泥石流災害的預防與治理，符合山區(qū)河流泥石流實際。

基于土質結構原理與巖土穩(wěn)定理論，建立了修復植被、規(guī)范人類工程行為與工程結構相結合的山區(qū)河流泥石流災害綜合防治措施。提出的截流排水方法，從源頭上阻止了泥石流的形成和災害的發(fā)生，是防治山區(qū)河流坡面型泥石流災害的治本方法；山區(qū)河流泥石流攔粗排細災害防治技術不僅能攔截泥石流中能量巨大、破壞力極強的粗大沙礫塊石，同時減少了泥石流對溝岸的沖蝕與切割破壞，增強了岸坡的穩(wěn)定，從根本上減少了泥石流洪流量，消除或弱化了泥石流災害；導流轉向泥石流防治結構能有效控制沖出溝口泥石流運動路徑，改變了洪流流通軌跡，避免泥石流洪流直接沖入河道，能有效防止固相物堆積形成礙航險灘。

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