泥石流單雙邊防護堤防治效果對比
——以曾達溝為例

王天健，胡桂勝，陳寧生*，侯儒寧，陳思華

（1.西藏大學，西藏 拉薩 850000；2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；3.高原科學與可持續發展研究院，青海 西寧 810016；4.四川省華地建設工程有限責任公司，四川 成都 610081；）

0 引言

我國對泥石流的工程防治措施主要有預防、預警預報和治理三大類[1]。其中，泥石流的排導是治理泥石流災害的重要工程措施之一，通過設計導流堤、急流槽、束流堤和排導槽等，減弱和引導泥石流流勢，使泥石流按設計意圖順利排泄，從而減輕泥石流對目標工程的危害。但目前對泥石流排導工程的研究主要集中在排導槽尺寸的設計或溝床比降等措施上，對于排導槽防護堤的選型研究并不十分深入[2]。而且，在排導槽防護堤的選擇上大多為單邊防護堤。如四川省壤塘縣石吾隴溝治理方案為在宗科河左岸設置單邊防護堤，并加寬自然溝道，在堆積扇進行清淤工程[3]。四川省壤塘縣茸郎溝泥石流治理方案為攔擋壩加單邊防護堤[4]。所以現有研究未能認識到排導槽中單邊防護堤和雙邊防護堤的優劣，使得在現有的泥石流工程防治過程中，存在一些不恰當的防治措施。

此次泥石流災害中大量房屋、農田、道路和橋梁受損，造成直接經濟損失1.52億元。筆者認為，正是因為本次泥石流防治過程中存在一些不恰當的防治措施，使得泥石流災害進一步加重與擴大。這將為以后泥石流的防治工程設計提供警醒與借鑒。

1 研究區概況

曾達溝位于成都市西北部，阿壩藏族羌族自治州西南部的金川縣境內。溝口坐標N31°12′3.21″、E102°0′41.31″。東鄰小金縣，西南與甘孜州的道孚、丹巴兩縣接壤，西北和壤塘縣毗鄰，東北與馬爾康縣隔河相望（圖1）。曾達溝距金川縣城約48公里，S211省道從溝口通過，溝域內分布有曾達鄉的6個行政村。

曾達溝位于四川盆地與青藏高原東南緣的過渡地帶，地貌為高山峽谷地貌，地形切割劇烈，地形特征主要為高山、坡陡、谷深。境內北高南低，山脈為南北走向，河流由南向北流入大金川河。曾達溝為大金川河一級支流，匯流面積125.53km2，常年流水溝道，多年平均流量約5～8m3/s，汛期最大流量可達50m3/s。其主要補給源為大氣降水、冰雪融水和地下水。

曾達溝區域氣候屬大陸性高原季風氣候，日溫差大，年溫差小，冬不嚴寒，夏無酷暑，干濕分明，四季不明顯。多年平均氣溫12.8℃，最冷月（1月）均溫2.5℃，最熱月（7月）均溫20.7℃，無霜期多年平均184天。每年從11月至翌年4月為冬半年，日溫差大，降水稀少（占年降水量的9%）；5月到10月為夏半年，降水顯著增加（占年降水量的91%），且多以大雨、暴雨或連陰雨的形式出現。

曾達溝平面形態呈“梨”型，溝口至主溝分水嶺長16.9km，溝域最高點高程4720m，溝口最低點高程2056m，相對高差2664m。全流域平均縱坡降約126‰，溝道下游總體較寬，向上游逐漸變窄變陡，局部寬窄相間。溝域內支溝發育，多呈“V”型。其上游為主溝溝源到張家溝段，支溝發育在主溝右側，為張家溝，該段為清水區；中游為張家溝到四卡溝段，支溝有干海子溝、雙海子溝、水卡子溝、倪家坪干溝、龍古溝、波巖溝、艾爾羅溝、壇罐窯溝、單雞溝共9條支溝，該段沖淤結合，以沖為主，為流通區；下游為四卡溝到溝口段，支溝分別為四卡溝、卡子溝、白臘溝、龍燈溝、代都溝、小代都溝共6條支溝，為堆積區（圖2）。

圖2 曾達溝溝域圖及排導槽分布圖Fig.2 Domain map and drainage channel distribution map of Zengda Gully

曾達溝溝域內分布有三疊系中、上統區域淺變質巖，主要巖性為變質砂巖、板巖，屬淺、濱海相碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積建造；以及新生界第四系松散堆積和冰水堆積層。構造不發育，無斷層穿過。曾達溝位于鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，按照“中國地震動參數區劃圖GB18306-2015”，抗震設防烈度為Ⅶ度，地震加速度為0.10g。

2 曾達溝單、雙邊防護堤災后特征分析

本次曾達溝泥石流防治工程共有針對主溝兩側保護對象布置的排導槽防護堤共9段（1號防護堤到9號防護堤），總長度為2579.5m，其中：1號雙邊防護堤、2號單邊防護堤、3號單邊防護堤、4號雙邊防護堤、5號單邊防護堤和6號單邊防護堤建于主溝下游河谷，該段溝道呈“U”型谷，主溝自上而下逐漸變寬，寬度為164～260m，針對沿途道路、耕地和民房進行保護。7號單邊防護、8號雙邊防護堤位于卡子溝到壇罐窯溝段的主溝河谷內。該段溝道相對下游較窄，成“V”字型。其中7號單邊防護堤保護左側道路和農戶居住區。8號防護堤用于保護左側公路和集體養豬場。9號單邊防護堤位于波巖溝與主溝交匯處，該段溝道成“V”字型，谷底寬66.7m，底部發育曾達溝主河，河道位于谷底右側，平均寬度8.6m，河道左側為道路和民房。其分布如圖2所示，其參數具體情況如表1所示。

表1 排導槽參數情況表

經實地勘察發現，曾達溝“6.27”泥石流災害后，現存單邊防護堤4處，其余2處均未發現。這4處單邊防護堤所防護的建筑物、道路等工程，大多被破壞。3處雙邊防護堤則較好的保護了其防護的工程與建筑，且溝道內淤積物較少。其中2號單邊防護堤溝道內有大量礫石，堤壩上有少部分石頭，右側地面明顯有沖擊痕跡；5號單邊防護堤溝道內被淤滿了，泥石流淤積物沖毀堤壩，沖上公路，沖毀房屋，并使得河道與目前公路互換位置（圖3）。6號單邊防護堤的溝道內有大量物質被沖出來堆積到公路上，河道左側樹林被沖刷；9號單邊防護堤的溝槽內完全被泥石流的固體物質淤滿了，左側公路上也堆滿了固體物質，使得河水改道到右側（圖4）。1號雙邊防護堤完全沒有被破壞，僅堤壩上有部分淤痕，河道里有少量礫狀巖石；4號雙邊防護堤部分被破壞，但溝道內淤積物極少，僅堤壩兩側有部分淤痕（圖5）。8號雙邊防護堤左側的道路被完好的保留下來了，雖然堤壩有部分損壞，但對路基沒有太大影響。溝道內物質也極少，大部分都被沖走了；肋底槽中淤積物質較多，但大多為小塊的淤積物質，其左側公路稍有損毀（圖6）。其具體受災情況描述如表2所示。

圖3 泥石流單邊防護堤防護情況1Fig.3 Protection case1 of unilateral debris flow breakwater

圖4 泥石流單邊防護堤防護情況2Fig.4 Protection case 2 of unilateral debris flow breakwater

圖5 泥石流雙邊防護堤防護情況1Fig.5 Protection case1 of bilateral debris flow breakwater

圖6 泥石流雙邊防護堤防護情況2Fig.6 Protection case2 of bilateral debris flow breakwater

表2 堤壩受災情況

出現上述情況的原因是，單邊防護堤無法把泥石流淤積物限制在排導槽內部，使得泥石流淤積物向沒有防護堤的一側擴張，增加泥石流的攜帶物質和破壞力。增加了威力的泥石流破壞防護堤堤壩，讓防護堤工程徹底失去其導流和排導的功能，繼而毀壞其被防護的工程。所以單邊防護堤溝道內及其兩側淤滿了泥石流淤積物。而雙邊防護堤可以較好的把泥石流淤積物限制在其排導槽內，使得淤積物得以排出，故保護了排導槽所防護的莊稼、道路和建筑物，使得雙邊防護堤溝道內泥石流淤積物較少存留。

3 曾達溝單、雙邊防護堤阻力及淤積計算

泥石流單邊防護堤會使得泥石流物質無法排出，是因為泥石流運動的阻力出現了變化，所以要確定泥石流運動阻力的大小。

泥石流運動是一種復雜的兩相體運動。它的運動形式和阻力規律與泥石流的物質組成有關，因而不能簡單地搬用計算水流阻力的曼寧公式或其修改公式。目前國內對于泥石流的研究結果表明[5]，泥石流在運動過程中存在兩種阻力：一是泥石流具有非牛頓體的流變特性而產生的阻力；二是泥石流粗顆粒物質運動時受到離散的切應力而產生的阻力。所以根據阻力要素的組成情況不同，將泥石流運動劃分為三種類型，即偽一相泥流、稀性泥石流和粘性泥石流。

其中偽一相泥流為細顆粒泥沙懸液，即泥石流中的泥流，是一種以細顆粒泥沙為主的流體，一般采用賓漢體的流變方程計算其阻力。粘性泥石流阻力的計算公式有拜格洛方程、康志成和熊剛提出的方程以及周必凡提出的的方程。稀性泥石流阻力的計算則采用和粘性泥石流相同的公式進行計算。因為稀性泥石流容重小，其泥石流內泥沙顆粒可分為三部分：由流體結構力支持的細顆粒懸浮質；以滾動、跳躍形式運動的粗顆粒推移質；以及介于二者間靠紊流支持的泥沙顆粒懸移質。隨著含沙量的增大，泥石流粘性隨之增加，而紊動不斷減弱，顆粒接觸碰撞的越來越嚴重，因而泥石流因剪切運動產生的離散力變得越來越重要。當含沙量增加到相當于容重1.8kg/m3后，泥石流紊動消失，就變成了粘性泥石流[6]。因此稀性泥石流是粘性泥石流的一種弱化狀態。

本次曾達溝“6.27”特大型泥石流的容重可達1.684kg/m3，為稀性泥石流；所以采用粘性泥石流的公式計算稀性泥石流。

拜格洛認為泥石流為固液兩相流[7]，他通過對泥石流流體顆粒間的作用力作了系統試驗和測定，提出了拜格洛方程。但他所提出的方程中，認為泥石流流體是牛頓流體，這顯然是錯誤的，所以筆者舍棄拜格洛方程不用。康志成和熊剛認為泥石流近似賓漢姆流體[8]，并按賓漢姆流體阻力方程導出勻速運動參數方程，通過實驗確定流變參數，而提出了方程。但賓漢姆流體是一種純粘性流體，顯然也與稀性泥石流不一樣，稀性泥石流是粘彈性的非牛頓流體，所以筆者舍棄康志成和熊剛提出的方程不用。周必凡認為泥石流為固體顆粒散體重力流[9]，具有基本符合庫倫公式的剪切強度，并按固體顆粒散體重力流的觀點建立的阻力運動的參數方程，通過實驗確定其相應參數，提出了相應的泥石流阻力方程。筆者認為固體顆粒散體重力流理論十分符合稀性泥石流的運動問題[10]。所以本次稀性泥石流采用周必凡提出的泥石流運動阻力公式進行泥石流阻力計算。

通過引用周必凡泥石流運動阻力公式[11-12]式（1），計算本次泥石流防治工程中各防護堤處泥石流發生前后的泥石流運動阻力變化值：

其中：τh為泥石流運動阻力；τf為河床表層土體剪切強度；τ0為泥石流靜剪切強度；fp為河床表層土體以上泥石流土體壓力；φi為溝床土體飽和狀態下的內摩擦角（室內剪切實驗獲得，取25°）；CΨ為泥石流土體的體積濃度；Cv0為泥石流土體的極限體積濃度；HC為泥石流平均泥深（現場實測，見表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況第2列）；γi為泥石流容重（室內篩分實驗獲得）；γ為水的容重；γy為溝床土體容重，取20kg/m3；θb為河床坡腳（現場實測，取15°）；A為Hamaker常數，取5×10-12；a為泥石流沙礫層數，取2；λ為泥石流流體線性濃度，取1.1；Pi為粒徑級配每一級對應的質量；di為粒徑級配每一級對應的粒徑。

經計算得知泥石流運動阻力的確變大了（如表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況前4列數據所示）。但泥石流運動表現為沖刷溝床還是淤積在溝床上，則取決于泥石流運動剪切力與泥石流運動阻力的差的大小[11]，當泥石流的運動剪切力τc，克服其阻力τh后的余值，大于溝床質的抗剪強度τf時，溝床質產生運動，而形成沖刷。即當出現“τc-τh＞τf”時，泥石流運動表現為沖刷溝床；而出現“τc-τh＜τf”時，泥石流運動表現為淤積在溝床上。泥石流溝是否被侵蝕，使用泥石流侵蝕公式[11]式（2）進行計算：

其中：M為泥石流淤積參數；φm為泥石流土體動摩擦角（室內剪切實驗獲得，取25°）。若出現“tanθb＞M”時，泥石流運動表現為侵蝕溝床；若出現“tanθb＜M”時，泥石流運動表現為淤積在溝床上；若出現“tanθb=M”時，泥石流運動表現為正常排出。把各工程測量點數據代入泥石流侵蝕公式（2）中計算得出，結果均大于tanθb的值（0.27），所以泥石流運動表現為淤積在溝道內（如表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況后2列數據所示）。

表3 泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況

總結上述計算結果，泥石流運動到單、雙邊防護堤后均表現為阻力增大的特征，但是單邊防護堤的阻力遠遠大于雙邊防護堤，是雙邊防護堤溝床所提供的阻力的1.51倍，所以其最終淤積情況明顯嚴重于雙邊防護堤。

4 結論與建議

（1）在本次泥石流災害防護工程中，隨著泥石流的運動，防治工程被破壞，使得溝道旁大部分建筑物被損壞，造成了巨大的損失。其中，單邊防護堤無法把泥石流淤積物限制在排導槽內部，使得排導槽內淤積了大量的泥石流物質，堵塞其溝道，破壞其排導槽防護堤，毀壞周邊建筑物，造成災害。雙邊防護堤可以較好的把泥石流淤積物限制在其排導槽內，所以其排導槽內泥石流淤積物特別少，少有排導槽防護堤被破壞，僅部分被損壞，其防護的民房、莊稼或道路，都未被破壞。

（2）在泥石流運動過程中，隨著溝道的變寬與攜帶物質的增多，泥石流的物質組成不斷變化。其中，水和泥石流淤積物形成的兩相流體—非牛頓體的流變特性產生了巨大的阻力；而且隨著泥石流流體的粗顆粒物質增多，使得泥石流運動時受到離散的切應力增大，故其產生的阻力也越來越大。綜上所述，泥石流運動過程中所產生的運動阻力是增大的。

據泥石流阻力計算可知，泥石流單邊防護堤溝床所提供的阻力是雙邊防護堤溝床所提供阻力的1.51倍。

（3）在泥石流防護工程中，排導槽選用雙邊防護堤可以有效減小泥石流運動阻力，使得排導槽內泥石流淤積物有效排出，從而減少泥石流防護工程中由于泥石流淤積物堵塞排導槽而造成的災害。