泥石流治理工程防災能力的動態變化與優化措施分析
——以大地溝泥石流治理工程為例

魏萬鴻，宿 星，劉興榮，楊 濤，張國信，劉 迪，張麗娟，安亞鵬

(甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

泥石流是山區常見的自然災害現象，具有突發性及流速快、流量大、破壞力強等特點。隨著大量泥石流治理工程的實踐，目前已形成一套完整的以工程措施和生物措施為主[1]，“穩、攔、排、停”相互結合的泥石流災害治理模式[2]，取得了顯著的效益。

“穩”指通過穩固坡面及溝道固體松散物質，減少泥石流固體物質補充來源，結合引導水流和截水等工程手段，達到減災的目的；“攔”指在溝道中設置攔擋壩，攔蓄泥石流，截留固體物質，防止泥石流下泄后致災；“排”則是通過建設排導堤等工程，使泥石流安全通過保護區向下游排泄；“停”則是在一定區域設置停淤場，疏散泥石流流體，達到削減泥石流規模的效果。

通常情況下，泥石流治理工程的防災減災能力，是在治理工程與泥石流發育過程的相互作用中逐漸降低的。一方面，由于主體工程的破損[3]及工程使用壽命的問題，其防護能力會逐年下降，“穩、攔、排”能力會隨之降低；另一方面，經過多次泥石流過程，攔擋壩內會逐漸淤積固體物質甚至淤滿，最后失去攔蓄能力，致使減災能力降低甚至消失。因此，如何使泥石流防治工程發揮長期效益，是治理工程較關鍵的任務之一。我們以大地溝泥石流治理工程為例，對泥石流治理工程效果的實現及防災能力的變化進行分析和探討，進而提出工程優化措施建議，以期為泥石流防治工程發揮長期效益提供技術參考。

1 大地溝泥石流概況

大地溝位于甘肅省宕昌縣城北部，屬岷江一級支流，主溝流域面積4.35 km2，呈葫蘆狀，流域內滑坡、崩塌和不穩定斜坡較發育。主溝道長3.2 km，平均比降為17.5%，切割深度500～700 m，在溝口形成了長0.7 km、面積約0.24 km2的洪積扇地貌。流域松散固體物質約570萬m3，單位面積補給量130萬m3/km2，為泥石流的發育提供了豐富的固體物質來源。區內多年平均降水量633.8 mm，6—9月份降水量占全年降水量的61%，24 h最大降雨量73.2 mm，1 h最大降雨量56 mm，30 min最大降雨量49.7 mm，10 min最大降雨量26.9 mm，具有降水集中、暴雨多、強度大等特點。這種高強度的降水為泥石流的形成提供了充沛的水源和足夠的水動力條件[4]。

治理前大地溝泥石流重度為18.0 kN/m3，100年一遇泥石流流量為152 m3/s，屬黏性泥石流，災害發生頻率較大，20世紀80—90年代發生過6次嚴重的泥石流災害，傷亡30余人[5]。大地溝是一典型致災性泥石流溝道，溝口正對宕昌城區，并穿城而過，溝道沿線人口密集，泥石流直接威脅著宕昌縣城的安全，嚴重制約著宕昌縣的社會穩定和經濟發展。

2 大地溝泥石流治理過程及工程效果分析

2.1 大地溝泥石流治理過程

宕昌縣是甘肅省開展泥石流治理工作較早的地區之一，20世紀80年代就在溝道內修建了多道泥石流攔擋壩，但均在歷次泥石流暴發過程中被沖毀。

1997年開始進行了較為系統的綜合治理。1997年一期治理工程采取了以攔為主、以排導和生物措施為輔的綜合治理措施，修建了攔擋壩18道(總庫容49.02萬m3)、排導渠1 288 m、停淤場5 780 m2、涵洞8道，實施坡改梯、育林種草面積2.53 km2[6]；2009年二期治理工程對壩體進行了維修及加高處理，并增加1道攔擋壩(新增庫容20.2萬m3)[6]；2014年三期治理工程又對部分攔擋壩進行了加高和修復，新增2道攔擋壩(新增庫容2.46萬m3)[7](圖1)。

圖1 大地溝泥石流治理工程平面圖

2.2 泥石流治理工程效果分析

大地溝泥石流治理工程實施20多年來，通過修建攔擋壩、排導渠、停淤場及實施綠化工程，“穩、攔、排、停”相結合，取得了明顯的治理效益，大地溝沒有再出現致災性泥石流，保護了工程區人民群眾的生命財產安全，達到了治理目的。

大地溝一期工程實施前泥石流重度為18.0 kN/m3，治理工程實施后穩固了溝床及坡面，大量減少了泥石流固體補給物質，泥石流重度降至16.7 kN/m3，泥石流性質也相應地發生了改變，由原來的黏性向稀性過渡[4]。二期、三期工程在維修加固原攔擋壩的基礎上，采取加高壩體、新增攔擋壩的措施，增加了攔蓄庫容，鞏固了治理成果。

大地溝泥石流治理工程之所以產生較好的效果，主要是通過治理工程，有效穩固了溝床及坡面，攔蓄了大量泥石流固體物質，降低了下泄泥石流重度。治理工程實施以來，溝道內攔擋壩持續保持著一定的有效攔蓄庫容，至2020年底，總攔蓄固體物質69.63萬m3(見表1)。不難發現，“穩、攔”在大地溝泥石流治理中起關鍵作用。其中“穩”由于攔擋壩的存在，是一個持續發揮效益的過程，效益保持靜態；而“攔”由于攔擋壩的逐漸淤積，有效庫容減少，其防災減災的能力逐漸衰減，一旦庫容淤滿，其“攔”的功能將消失，新形成的泥石流將無阻礙地下泄，超過排導渠排泄能力時，將形成泥石流災害。大地溝泥石流治理二期工程開始時，溝道內剩余庫容不足1萬m3，三期工程開始時，剩余庫容僅0.54萬m3，二期、三期工程上馬的一個主要原因就是攔擋壩剩余庫容不足，工程實施后也取得了良好的防災減災效益。

表1 大地溝攔蓄庫容調查統計 萬m3

3 大地溝泥石流治理后的危險性評價及工程優化措施

3.1 大地溝泥石流治理后的危險性評價

攔擋壩的“穩、攔”在大地溝泥石流治理中起關鍵作用，但2020年底剩余庫容僅2.05萬m3左右，因此對大地溝泥石流治理工程的防災能力及危險性進行分析刻不容緩。

大地溝現狀泥石流以稀性為主，泥石流重度為16.7 kN/m3，隨著庫容的淤滿，未來泥石流重度降低勢頭急劇減弱，將基本維持在16.7 kN/m3左右。大地溝泥石流在1%、2%、5%的發生頻率下(分別為100年一遇、50年一遇、20年一遇)下泄流量分別為80.4、66.7、45.8 m3/s[7]，而城區排導溝最大過流能力僅為40 m3/s[5]，加之原設計停淤場由于種種原因，其停淤面積已由原設計的5 780 m2減少至300 m2，停淤量僅為360 m3[7]，“停”的作用有限，因此出現20年一遇以上泥石流時，將不可避免地發生泥石流災害。

從表1可以看出，1998—2009年間，大地溝泥石流攔擋壩平均年攔蓄固體物質量為4.37萬m3，2009—2015年間平均年攔蓄固體物質量為3.44萬m3，2015—2020年間為0.19萬m3，全部22年間平均年攔蓄固體物質為3.17萬m3，總的攔蓄量達到69.63萬m3。未來10年內大地溝泥石流攔擋庫容全部淤滿后，發生泥石流災害的可能性較大，由于溝口區域為宕昌縣主城區，人口密集，因此對大地溝泥石流的危險性應加以重視。

3.2 大地溝泥石流治理工程優化措施

大地溝泥石流治理工程通過實施“穩、攔、排、停”及綠化工程措施，取得了明顯的效益。但由于“停”的作用有限，“排”的能力不足，隨著其未來“攔”的功能消失，僅僅依靠“穩、排”的作用難以有效防止泥石流災害的發生。因此，對泥石流治理工程進行優化整改，是當務之急。

對大地溝泥石流溝道，仍需按“穩、攔、排、停”及綠化工程措施進行優化整改。大地溝泥石流溝道穿過宕昌縣主城區，對城區排導溝進行改道或拓寬以增加排導能力的可能性較小，解決“排”的能力不足的問題較為困難，且周期較長。因此，在保持綠化工程措施的情況下，增加攔擋庫容，恢復、加強“攔”的功能，是解決當前問題的措施之一。

3.2.1 防災有效庫容及安全流量的確定

大地溝泥石流治理前重度為18.0 kN/m3，治理后為16.7 kN/m3，據此計算出大地溝泥石流流量后，按下列公式計算一次泥石流過程總量[8]，計算結果見表2。

表2 大地溝一次泥石流過程總量統計

Q=0.202TQc

(1)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(2)

式中：Q為一次泥石流過程總量，m3；T為泥石流歷時，取3 000 s；Qc為泥石流最大流量，m3/s；QH為一次泥石流沖出固體物質總量，m3；γc為泥石流重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；γH為泥石流固體物質的重度，kN/m3。

由表2可知，當大地溝內攔擋壩有效攔擋庫容為2.78萬～9.21萬m3時，可有效攔截20～100年一遇規模泥石流；當大地溝內攔擋壩有效攔擋庫容為1.24萬～4.11萬m3時，可有效攔蓄20～100年一遇規模泥石流中的固體物質。治理后不同發生頻率下一次泥石流過程總量為2.78萬～4.87萬m3，因此當攔蓄庫容達到3萬～5萬m3時，可基本滿足防災減災的要求。治理工程實施20多年來，溝道內攔擋壩群庫容長期處于有效攔截及攔蓄狀態，實現了治理工程目的。

目前大地溝排導渠仍為1997年一期工程所建，原設計最大過流能力僅為40 m3/s，因此泥石流安全流量應小于40 m3/s,以35 m3/s為宜。

3.2.2 治理工程優化措施

(1)可通過新建攔擋壩或加高攔擋壩的方法增加有效庫容，這也是二、三期工程的首選方法。經過三期治理工程，溝道內已有21道攔擋壩，其中7道攔擋壩在二、三期工程中已經加高，大部分壩體加高的可能性小。受溝道內地形地質條件的制約，可供選定的壩址較少，新設或加高攔擋壩以增加庫容困難較大。

(2)加強攔擋壩清淤工作。大地溝泥石流治理三期工程增設了部分清淤道路，具備清淤條件，可對溝內下游的15、16、17號等攔擋壩進行清淤作業，使有效庫容維持在安全合理的范圍內。

(3)保持攔擋壩防災庫容，保證泥石流安全下泄的第三個方法是設置過流式攔擋壩[9]。過流式攔擋壩由主壩體、溢流堰、泄流洞組成，并滿足以下三個條件：①溢流堰及泄流洞過流能力滿足保證攔擋壩安全的泥石流最大流量；②泄流洞下泄流量小于保證下游防護區安全的最大下泄安全流量；③攔擋壩及壩群總庫容能有效攔擋設防標準下泥石流最大一次總沖出量(圖2)。泥石流發生時，通過泄流洞以安全流量下泄，大量泥石流被暫時攔擋滯留于過流式攔擋壩庫區并限制下泄流量，延長了泥石流下泄時間，從而保證下游安全，實現防災減災目的。泥石流結束后，各庫區暫時攔蓄的泥石流絕大部分通過泄流洞下泄，剩余少量淤積物可通過后期洪水或小規模泥石流沖刷攜帶自然清理，進一步清空庫容，從而實現有效庫容的重復利用。

圖2 過流式泥石流攔擋壩及壩群結構示意

就大地溝泥石流的治理工程而言，可選擇庫壩區地形地質條件較好、固床作用較小、便于實施的已建攔擋壩(如6、11、17號壩)，改造為過流式攔擋壩；也可在適當位置新建，滿足總體庫容3萬～5萬m3、下泄流量小于35 m3/s，即可產生防災減災效果。

當然，前述三種措施并不是孤立的，將清淤、新建攔擋壩和設置過流式攔擋壩三種方法結合起來，才能實現治理工程長期防災減災的目的。

4 結 論

我們在分析大地溝泥石流的治理過程、治理效益發揮及防災能力動態變化過程的基礎上，結合大地溝實際，對泥石流治理后的危險性及今后工程優化措施進行了探討，主要結論如下：

(1)大地溝泥石流治理工程采用“穩、攔、排、停”及綠化工程等綜合措施，取得了較好的防災減災效益。

(2)攔擋壩的“穩、攔”功能在大地溝泥石流治理中起關鍵作用，三次治理工程的實施均抓住了這個關鍵點，治理效果明顯。

(3)隨著泥石流固體物質的淤積，有效庫容減少或淤滿，攔擋壩“穩”的作用持續發揮，但“攔”的功能將減小或消失，“排、停”能力不足，工程防災減災能力減弱。若不采取措施，未來大地溝發生泥石流災害的可能性較大。

(4)針對大地溝治理工程現狀，在保持綠化工程措施的情況下，以增加攔擋庫容、保證泥石流安全下泄為重點，提出利用過流式攔擋壩“滯”的作用，通過增加泥石流下泄時間，限制下泄流量，保證泥石流以安全流量下泄，并通過后期洪水或小規模泥石流沖刷，進一步清空庫容，從而實現有效庫容的重復利用。