泥石流消能防治工程研究

張 猛

(黑龍江省樁基礎工程公司，哈爾濱 150036)

泥石流消能防治工程研究

張 猛

(黑龍江省樁基礎工程公司，哈爾濱 150036)

文章以跌落式和滑落式兩種典型泥石流形態為主要研究對象,分析了泥石流龍頭的運動特征、減阻現象、龍頭的控制作用、形成條件，初步總結了和消能理論有關的泥石流形成機理、泥石流水力特征及能量傳遞機理。提出了建立涵蓋穩定性、地質地貌、生態、景觀的檢測評價機制,完善并且拓展人工階梯-深潭功能。并將階梯-深潭系統消能功能和顯著生態景觀效應作為常用工程措施的重要補充加以利用，在廣大的河流溝谷具有比較好的應用前景。

階梯-深潭；泥石流；消能；山區河流

1 泥石流運動特征

經過野外觀測和調查自然界有兩種動力學特征和運動機理不相同的泥石流。具有“鋪床過程”作用非牛頓體、彎道超高、無分選沉積物的黏滯性、多層間歇振流泥石流，由黏土、沙、礫石組成，減小粗糙河床阻力，可以減阻約30%。具有牛頓體性質的兩相泥石流龍頭由大石塊組成形態陡峭高大，內部液體物質和固體物質相對運動，氣泡不能溢出，產生氣墊作用達到約25%的減阻效果。

1.1 泥石流龍頭

在自然環境下,泥漿沖擊大塊卵石形成泥石流龍頭，前鋒高高隆起出現在坡降較大且流量較大區域。龍頭具有存儲能量和控制作用。泥石流運動過程中裹挾越來越多的固體物質，勢能中得到的能量大于消耗的能量，高速運動水流同龍頭一起運動并傳遞較大的動能，大顆粒物質向龍頭部移動越來越高，直到泥石流龍頭能量平衡。龍頭形成之初，水流可以經過龍頭，落到岸床上能量進一步消耗，速度降低落在龍頭后。小顆粒速度快將能量傳遞給大顆粒，時間長了在岸坡上形成小顆粒層。整體慣性推動龍頭運動相當長距離，直至衰減沉積。泥漿流中紊動使泥漿和卵石不流散。

1.2 泥石流的形成條件

觀測發現泥石流固體物質補給來源絕大部分是崩塌滑坡的泥漿對岸床卵石的沖刷。形成泥石流因素是流體對卵石堆積層沖刷和液相流內部能量的傳遞強度。適當濃度的黏土泥漿有利于泥石流形成，也有利于泥石流的長距離運動。在自然環境下，泥石流液相黏土濃度在0.04-0.1之間。

2 階梯—深潭消能機理及穩定性

階梯-深潭系統在山區河流廣泛分布，從濕潤區常年河流到半干旱區河流均有分布。

自然條件下，階梯—深潭是山區河床常見的三種結構之一,由一段陡坡和一段緩坡河床交替連接深潭形成。階梯段由卵石和巨石組成。深潭里含有細沙、粗沙、少量礫石。許多山區河道溝谷沒有自然發育或者需要相當長時期才能發育階梯—深潭。在我國的四川、貴州、云南的河流中均存在發育良好的大比降河段控制結構的階梯—深潭，河道含沙量都為零。其具有消耗泥石流能量和控制河床下切、垂向自動調節作用。文章僅研究階梯—深潭最普遍的形態和流量情況。選取跌落式和滑落式兩種典型形態。在野外實地選取10個樣本，5個為滑落式，5個為跌落式。

2.1 階梯—深潭消能機理

階梯—深潭分為兩種類型。①滑流式，水流運動緊貼階梯，進入深潭。②類似小瀑布跌落方式進入深潭。階梯—深潭對泥石流的消能機理是溝谷兩側的巨大石塊對河流運行產生巨大的阻力降低流速，河流經過出水口排泄而出，河流中淤積的泥沙也能經過出水口排出，實現整個系統自動調整；河流經過階梯形成類似的跌水狀態，在深潭形成類似水躍狀態，水沙分離，使作為泥石流一部分的水流能量消耗，進而達到消能。有資料顯示，由圓木構成階梯的階梯—深潭結構所攔擋的泥沙達到年均泥沙量的123%。利用天然或人工階梯-深潭系統可以穩定山區河流河床，減輕甚至抵御部分山洪泥石流災害。

圖1 階梯—深潭示意圖

2.2 階梯—深潭穩定性

單個階梯—深潭是連續階梯—深潭發揮作用的基礎。關鍵石塊在沖刷的作用下有失穩的可能，進而破壞單個階梯。關鍵石塊發揮固定作用，對整個階梯—深潭系統的穩定也有關系。防止階梯—深潭失穩損毀關鍵是確定河流的最大洪峰流量，同時深潭的沖刷也對失穩產生一定影響。

3 泥石流防治工程設計與人工階梯—深潭設計比較

3.1 常用工程措施的不足

漏窗壩、梳形壩、縫隙壩、柳樁壩等傳統工程措施，在流通區域或堆積區域通過排導槽將泥石流排放到河谷、停淤場。攔擋措施和排導槽措施的缺點是壩體結構亟待優化，合理設置泄流口有效減小壩前沖擊，提高抗沖擊力，增加攔擋工程壩體高度、增加基礎；填土工程的質量要求比較高，要夯實穩固。

3.2 人工階梯—深潭工程對常用工程措施重要補充

復雜的泥石流運動機理及排導工程設計標準與實際情況差異，使有限容量攔排工程存在失穩可能，生物作用沒有發揮之前，工程措施對恢復自然景觀作用有限。山區階梯-深潭縱向上保持完整形態,提高溝谷阻力、消耗泥石流能量，減小泥石流對下游破壞，有比較廣泛的應用前景。用巨型漂石作為關鍵石塊，大塊卵石和漂石填充在關鍵石塊周圍互鎖穩固。泥石流在階梯呈現速度較低“舌”狀淤積。在工程設計上攔沙壩、排導槽之間修建的或者自然環境形成的階梯—深潭不是直接阻止泥石流，而是用跌水和水躍消耗其能量。如果深潭比較深面積比較大可將大石頭和泥沙攔阻，客觀上可以起到停淤場作用。

關鍵石塊的直徑、河道坡道、汛情流量影響單個階梯—深潭。階梯—深潭設計需要根據小流域水文情況計算，確定抵御洪水的最大洪峰值。單個階梯—深潭的穩定穩定性受到上游來量的影響和關鍵石塊的上游沖刷角決定。也就是階梯—深潭失穩定往往是由于洪峰量過大和階梯下游的深潭沖刷兩者共同決定的。階梯-深潭系統由于在水流沖刷的過程中形成，是河床阻力結構達到最大的形式。階梯—深潭修建材料要能滿足力學強度的要求，構建階梯—深潭要求在穩定的溝谷內修建。利用階梯-深潭系統的消能作用對泥石流溝進行治理，是一種主動的防御工事，通過建設消能結構來治理和正確管理可以減少甚至杜絕泥石流 災害。

3.3 階梯—深潭的生態景觀效應

天然環境下河流沖刷，水體滯留在階梯、深潭，形成多樣化可持續水文環境。淤泥層在深潭階段緩流區由泥沙顆粒沉積構成，多種生物在階梯階段將大小卵石作為棲息環境。河流經過階梯—深潭形成不同的底質、不同流速、不同深淺的水生物棲息地和產卵地，而在此階段形成紊流使內部溫度和氧氣分布均勻利于生物生存，棲息動物比相同氣候條件下沒有發育階梯—深潭高出600-1000倍。在深溝、九寨溝階梯—深潭發育比較良好的地區野外取樣測算結果：深潭底棲息動物密度達552個/m2，生物量達5.96g/ m2，而臨近的階梯—深潭發育不良好的地區河底棲息動物的密度僅0.75個m2，生物量不到0.006g/ m2。

4 結 語

人工階梯—深潭工程形成泥石流上游區，將地質地貌、能增加溝槽斷面的蜿蜒的S型轉彎結合起來和常規工程措施結合運用，實現泥石流治理工程的穩固。今后可建立人工階梯—深潭穩定性、地質地貌、生態、景觀的檢測評價體系。當條件超過界限時，階梯—深潭系統將發生改變，以其對地質地貌、坡度、河流水流強度、來沙過程、植物植樹影響，可以確定該地區是否具有階梯—深潭，及能否促進發育形成階梯—深潭，使泥石流治理在理論和實踐上取得長足發展。

[1]王兆印，漆力健，王旭昭.消能結構防治泥沙研究-以文家溝為例[J].水利學報，2012，43(03)：253-263 .

1007-7596(2017)10-0051-02

P642.23

B

2017-09-23

張猛(1979- )，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。