我國泥石流災害的成因和起動及相關防治措施研究

劉瑞強

（蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國泥石流災害的成因和起動及相關防治措施研究

劉瑞強

（蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國是一個泥石流災害頻發的國家，泥石流災害的發生嚴重損害了人類的利益、威脅人類的生存和可持續發展，對我國泥石流的分布特點、形成條件、活動特點以及危害進行了分析，對泥石流的起動機理進行了研究，尤其是水石流的起動機理，最后綜合提出了泥石流的預測預防、工程防治措施和生物防治措施，以及一些設計過程中的重要點，泥石流的防治應綜合考慮多方面的因素，才能做出更為合理的防治措施。

泥石流；災害；起動機理；預測預報；工程防治；生物防治

1 我國泥石流的分布特點

1.1 我國泥石流在空間上的分布

泥石流是一種常見的自然災害，普遍地分布于世界各地，泥石流的分布情況受地貌、地形、地質、降水量和人類活動的影響，我國的山地面大約占總面積的2/3，受較多山地面積和巖層斷裂等地質構造的影響，構成了許多潛在發生泥石流的條件，我國泥石流的發生地大多集中西部區域，如西南、西北等地，青藏高原與次一級的高原和盆地之間的接觸帶，以及在一些大斷裂帶、深大斷裂帶或地震頻發的河道河谷的兩側是發生泥石流的主要地區，對人類的生命安全所造成的危害也最為嚴重，另外，在一些山體中，若片巖、板巖或易于風化的巖系含量較多，發生泥石流的潛在可能性便會加大，泥石流的分布特點還與當地降水、冰雪融化等外部條件有關。

1.2 我國泥石流在時間上的分布

泥石流的發生于氣候條件密不可分，我國由于受獨特的季風氣候影響，泥石流的發生具有明顯的季節性，多雨的夏季是泥石流發生的主要時期，一般在每年的6、7、8、9這幾個月份比較集中，西北地區在7、8兩月的降水量尤為集中，激發泥石流災害的可能性也最大。據統計，我國約90%左右的泥石流災害均發生在6、7、8月份，因而泥石流的發生具有一定的周期性。

2 泥石流的形成條件及成因

2.1 地形與地貌條件

我國的地形呈明顯的西高東低階梯狀分布，山高溝深、溝床比降大、積水面積和流域面積便于水流的匯集。在地貌形態上，泥石流從上游到下游存在著形成區、流通區和堆積區，其流域面積的大小，形狀和溝床比降引發泥石流的成因，一般有山坡型和溝谷型泥石流溝，但一些由于地震引發的泥石流卻不同于上述分類，如汶川地震區文家溝泥石流，它是一種由強烈地震所引發的特殊泥石流成因模式。一般情況下，發生泥石流的流域面積不會太大，因為隨著流域面積的增大，單位面積的固體物質補給量和流水匯集量都會減少，據甘肅省泥石流溝的統計資料表明，粘性泥石流溝的流域面積多在50以下，而稀性泥石流溝的流域面積多小于400km，見表1：

表1 甘肅省219條泥石流溝的流域面積統計

2.2 松散固體物質的補給

泥石流中固體物質是必不可少的部分，其來源主要是地表巖層破碎、破面侵蝕、地震、滑坡和崩塌等不良的地質現象，地震所引發的滑坡、崩塌和山體的松動為泥石流提供了先前的準備，如2001年1月15日在薩爾瓦多發生的地震，引發了大量的泥石流次生災害，使得數百戶人家和約1200人遇難，再如2010年8月7日發生的舟曲泥石流自然災害，造成1557人遇難，流經區域被夷為平地，造成此次泥石流的有一部分原因是因“5.12”大地震后松

動了舟曲山體，出現了裂縫，變得極易垮塌，為泥石流的發生提供了潛在物質條件，加之不斷的強降雨，形成了災難性的泥石流。

2.3 水源條件

水既是泥石流的構成成分，又是其引發條件和搬運固體物質的介質，泥石流災害一般發生在一次強降雨或持續降雨的之后，水的存在能夠降低河谷周圍巖體的抗剪強度，而且還增加了巖體的重度，一般來說，某地區雖已具備陡峭的地形地貌和松散固體物質來源，但若沒有一定的暴雨或長時間的連續降雨，泥石流災害是很難發生的。

2.4 人為因素

泥石流的形成不僅與自然因素有關，也人與人為因素有很大關系，由于人們在修建公路、鐵路、橋梁、隧道和采礦等不合理的開挖以及隨意堆積，破壞了山體固有的自然穩定形態，造成了泥石流，如云南省的東川至昆明公路的老干溝，由于修建公路，破壞了山體的固結穩定狀態，最終引發了泥石流災害，另有甘川公路的西水附近因不合理的堆集棄土、棄渣和石料等，在1974年7月18日發生了泥石流災害，使得15座橋涵被淤塞，還有亂砍亂伐和過度放牧對自然不合理的開發和利用，造成植被和地表結構被破壞，加劇了水土流失，如甘肅省的白龍江河谷，原先植被茂盛、環境良好，但由于人類長時間的過度砍伐和開墾，如今不僅失去了原有的風貌，而且還變成了我國泥石流的多發區域。

3 泥石流的活動特點及危害

泥石流的發生具有明顯的突然性，在一場強暴雨或持續降雨中其隨時都可能會被起動，其流速可達30m/s，若我們不及早采取相應的預防預測和防治措施，突然爆發的泥石流對山腳下的人和建筑物所造成的災難是非常巨大的。泥石流的活動也存在著一定的季節性和準周期性，我國泥石流多發生于降雨量較多的夏季，同時地震和暴雨的發生也常伴隨有泥石流，但一次泥石流發生過后，由于之前在溝內富集的松散固體物質被搬運到了山腳處，所以一般不會再發生較大的泥石流，但由于流水的再次不斷沖刷，該溝又會重新積累新的松散固體物質，若再次遇到大量水源，則又會引發泥石流災害，在這種情況下，人們對泥石流災害的警惕性和預防意識會逐漸降低，若未采取合理的防治措施就搬回入住，是極其危險的。

泥石流的發生常常是成群的、大面積的，這是由于同一地區的地形地貌具有很大的相似性決定的，泥石流爆發時能夠攜帶大量的泥沙、巨大的石塊和泥沙球，具有的能量非常巨大，所到之處常常會夷為平地。泥石流對交通設施的毀壞也很嚴重，可致運輸中斷，線路癱瘓，例如四川省曾發生的一次泥石流，造成成昆鐵路利子依達溝的一座鐵路沖毀，其時正值夜間，駛來的火車不知前面已經發生了泥石流，造成了很大的人員傷亡。泥石流也常常會淹沒大量的農田和礦場。泥石流對山區的風景名勝區的危害，主要有九寨溝、華山、四姑娘山和崆峒山等。

4 泥石流的起動機理

泥石流的起動機理的研究是泥石流研究中最為核心的內容，泥石流起動機理的研究是一個艱難的過程，但隨著研究的不斷深入，人們建立了許多的理論模型，但由于影響泥石流起動的因素極其復雜，且存在著很大的不確定因素，試驗模型研究與實際情況要做到一致還需要再不斷地完善。

4.1 水石流的形成與起動

水石流的特點是含有的固體物質數量不多，大多由不均勻的是石塊和砂礫構成，一般黏土質細粒含量小于10%左右，在我國的陜西華山、山西太行山等地分布較多，水石流的運動形式簡單，為推移式運動。

相關研究表明，一般假定在水石流中完全沒有參與懸移運動的細顆粒，則水、沙和石的混合物的運動圖如圖1所示：

圖1 水石流的起動原理圖

在穩流下，驅動松散物質運動的剪應力為

式中：θ為泥石流溝道傾角；h′為粗顆粒進行層移運動時的層移層厚度；h為流深；S′vm為層移層的平均

體積比濃度；Ys為固體容重；γ為清水容重。

層移運動的阻力：

其中tanθ為水石流起動的臨界坡度。

通過上式可知，當S′vm和確定后，tanθ只與h/h′有關，其中tanα值與顆粒的形狀和濃度有關，濃度越高，則顆粒間接觸面積越大，其值也就越大，反之亦然。Bagnold通過同心轉筒試驗測得的范圍大致在0.32～0.75之間。

對于含有一些細顆粒水石流的起動條件為：

式中：yf為水與細顆粒組成的懸液容重；tanα′為有含有細顆粒的摩擦系數；其余意義同前。

泥石流的分類方案很多，除過水石流型泥石流以外，還有泥石流型泥石流以及泥流型泥石流，由于它們各自的組成成分，顆粒含量以及流動形態有所差異，模型的簡化與建立也各異，因而起動條件和方程也各自不同，在這些方面的理論研究仍需進一步深入。

4.2 泥石流的流量

衡量泥石流發生的大小和強度的一個重要指標就是它的流量，泥石流的流量是由清水流量和固體顆粒流量構成，泥石流流動過程中的流量會隨沿途沖淤和地形的變化而變化，在泥石流的流動過程中會不斷的卷入溝谷中散集的固體物質，固體物質的流量會不斷增大，若到達下游時沒有發生淤積，此時泥石流的流量可能會增大到清水流量的幾倍之多，這對下游建筑物的破壞是非常巨大的；若下游發生了淤積，由于固體物質的不斷淤積，沿途流量反而會減少，因此流量的研究和控制對泥石流的防治工程至關重要。

第二，借助本土特點豐富課堂活動。比如泰國的節日非常多，教師可以在重要的節日設計課堂活動。像宋干節（即中國人說的潑水節），可以讓高年級的學生看視頻，用中文介紹宋干節，也可以讓學生分成小組用漢語表演跟宋干節相關的節目等。

泥石流的平均流量：QC=QB+QS

式中：Qb為清水流量；QS為固體顆粒流量。

SV為固體體積比濃度；Qb可通過有關水文手冊查算。

有時候僅知道泥石流的平均流量是遠遠不夠的，因為當泥石流的流量不能繼續克服流動過程中產生的阻力時，泥石流便會不斷積累下來，此過程稱為陣流，當泥石流積累的一定程度時會突然向下流動，即為最大流量：

式中：Q′c為泥石流的最大流量；Dc為阻塞系數。

5 泥石流工程防治措施與設計

5.1 泥石流的預測預報

泥石流的預測預報是減災的重要舉措，做到“治病與未亂，治亂與未亂”是很難的，但同時安全和經濟效果又是最佳的，判斷法是一種較為簡單的預測方法，在崔鵬等人的研究中，可以看到，將起動條件曲面Sc投影到θ—C平面，如圖2所示，據此圖可以大致地判斷出一個溝谷能否形成泥石流，如圖所標A、B、C三個區域，處在A區域，不滿足泥石流起動的條件；B區域具備引發泥石流的條件；C區域無泥石流的起動問題，對于一些溝谷還需經過計算預測，在計算之前首先應調查溝谷泥石流的有關地形、地貌和水量的參數，對其建立數字化的管理，盡量做好對泥石流災害的預測預報。

圖2 Sc投影到θ-c平面

5.2 泥石流治理的攔擋工程

泥石流的防治首先應明確防治對象屬于哪一類，如對風景區泥石流防治會不同于一般的泥石流治理，因為風景區不僅要保障旅游設施和人員生命的安全，同時也應盡可能的地確保景觀的原貌不

變，以及周圍景觀的協調一致。

攔擋工程一般的作用是攔蓄山洪，以及泥石流攜帶的粗顆粒固體物質，同時具有排泄細沙和水的能力，以減少泥石流對下游的危害。攔擋工程的設立位置和庫容要合理，吳積善等人曾提出一種經驗的方法來確定，見表2。

表2 經驗折算系數K的取值范圍

泥石流的攔擋回淤縱坡坡降:Ik=KJ：

式中：Ik為攔擋回淤縱坡坡降；J為溝床原始縱坡坡降。泥石流攔擋工程有許多結構，如攔沙壩、格欄壩等，格欄壩相比傳統的攔沙壩，具有攔排兼備的作用，不僅攔截了大塊石頭，減輕了泥石流對下游的危害，而且還增加了對泥石流攔擋的頻次。格欄壩設計中最重要的就是確定梁間間隙，因為間隙太大，則對大石塊的攔擋作用不佳，而間隙太小，對排疏細顆粒的能力不強，相似于攔沙壩，在有關研究中有：h=(1.5～2.0)d，此中h為梁間間隙，d為現場進行調查和統計之后的攔擋石塊的粒徑，一般可取40cm，鄭國足、王秀麗等研究出了一種帶彈簧支撐的新型泥石流攔擋壩，由于彈簧的耗能作用，它與普通的壩相比，其支座反力會明顯減少，約為3/4左右，具有良好的抗沖擊效果，并且試驗過程中發現前壩被破壞，但后壩卻基本保持完好，能夠正常發揮對泥石流的攔擋作用，故對攔擋壩結構的研究和設計是減少泥石流災害的一種有效途徑。

5.3 泥石流排導工程

排導工程按照不同的治理類型，有相應的工程措施，如排導槽、防沖肋板、明洞、導流堤、丁壩等，其中排導槽是應用最多的，排導槽一般經常設置在下游區段的堆積段，如武都地區火燒溝是泥石流災害的常發區，通過布置在堆積扇上的排導槽，有效地保護了甘川公路。在排導槽的設計應注意保證其有足夠的過流斷面和縱坡，而且縱坡對其沖刷淤積的影響較為嚴重，鐵路調查部門表明，一般工程治理效果最佳的縱坡范圍為大于流通段縱坡的80%左右。

5.4 泥石流工程措施的綜合治理

泥石流的治理選擇方案時，往往不是單一地選取一種工程措施，而是與其他措施相互結合，合理地實施泥石流的治理，對流域面積比較大的泥石流地域，常采取“攔、移、排”相結合的綜合治理方案，力求達到防治的最佳效果。

6 泥石流防治的生物措施

泥石流防治的生物措施是通過種植一定量的植被，充分發揮植物的滯留降水、調節徑流、保持水土等作用來達到防治或減少泥石流災害，要依據泥石流災害發生的溝谷條件，成因和特點等，并結合當地的植被生態和社會經濟情況，做出符合實際的治理措施，其應量保持與當地周圍環境相互協調一致。

7 結束語

目前，我國對泥石流的研究和防治已經具備了一定的水平，形成了良好的綜合治理模式，但是由于泥石流作為一種自然現象，存在著許多的不確定因素，大多時候仍是處于半理論半經驗的設計階段，這必然導致了對泥石流的防治上會存在許多的不足和疏漏，不同區域的泥石流形成條件和起動機理差別會很大，不同的防治對象應采取不同的防治措施，在泥石流的防治中應做到預測預報為先，工程防治措施與生物防治措施相互結合、協調統一地實施，做好泥石流的防災減災工作，為人類的生命財產安全等做好保障。

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