透過型泥石流攔砂壩庫內自清淤作用及效果評估

摘要：自清淤作用是透過型泥石流攔砂壩的一個重要特性，這一復雜過程受到庫內泥石流堆積物、壩體開口和降雨強度的共同影響。選取四川省境內154座透過型攔砂壩為考察對象，通過現場調查和無人機航測等工作分析了自清淤作用的表現特征和作用效果。研究結果表明：區域內的梁式格柵壩、縫隙壩和窗口壩的數量分別為22，30座和102座，處于低閉塞率運行狀態的壩比例最高，約41.6%；自清淤作用可減緩庫內堆積縱坡，同時還會導致泥石流堆積體的表面粗化和溝槽侵蝕；通過構建自清淤效果等級識別矩陣將庫內自清淤作用效果共分為了無、輕微、中等、強烈、極強烈5個等級，依次為21，44，61，26座和2座；影響自清淤作用的關鍵因素是回淤縱坡、降雨強度和相對開度，它們與自清淤作用強度均呈明顯的正相關性。

關 鍵 詞：泥石流； 透過型攔砂壩； 自清淤； 效果評估； 現場調查； 無人機航測； 四川省

中圖法分類號： P642.23 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.007

0 引 言

泥石流是一種發生在山區、丘陵或其他陡峭地形地區的自然災害［1］。攔砂壩是中國目前最常見的泥石流防治工程措施［2-4］，按照結構型式可分為透過型和非透過型兩大類。透過型攔砂壩具有調節峰值流量、削減泥石流容重和減小壩下沖刷［5］等功能，目前整體可歸納為3種主要的開口形式：橫向開口的梁式格柵壩、豎向開口的縫隙壩、方形開口的窗口壩。針對不同結構形式的透過型攔砂壩，國內外學者通過模型實驗或數值模擬等方法研究了其攔砂調控［6-8］或抗沖擊［9-10］等功能的差異。另外，Wang等［11］分析了泥石流通過梁式格柵壩時，沖擊力的縱向分布特征和最大沖壓力的計算模型；Li等［12］總結了相對開口寬度對縫隙壩攔截效率的影響，并探討了其與庫內堆積形態的關系；Lyu等［13］研究了溝道坡度、開口尺寸、泥石流容重等參數對梯級窗口壩壩間沖淤特性的影響。

泥石流被透過型攔砂壩部分攔截后，庫內淤積的泥石流可能在后期洪水或溝內常流水等水動力條件的侵蝕沖刷下被輸移至下游，這種現象被稱為自清淤［6，14-15］。自清淤作用是透過型攔砂壩的特有表現，可被認為是在透過型攔砂壩約束下泥石流堆積體的侵蝕過程，泥石流堆積體和透過型攔砂壩的開口分別為這一過程的發展演化提供了物質基礎和通道條件，而降雨和表面徑流則提供了水力侵蝕的動力來源。

自清淤可增加有效庫容，延長工程使用壽命，減少人工清淤工程量和總費用。然而并不是所有透過型攔砂壩均具有良好的自清淤效果，且對于自清淤現象，目前僅有少量學者給予了關注：如Takahashi等［16］提出了一維河床侵蝕模型，描述了柵格壩上游沉積物的自清淤過程；Shrestha等［17］建立了泥石流壩后淤積和侵蝕的數值模型，并結合數值模擬和實驗結果，分析了泥石流固體物質在格子壩上游的淤積和侵蝕過程；Tseng等［18］采用室內水槽實驗對攔砂壩潰決后的河流演變及溝道侵蝕進行了研究。

本文以西南地區松潘縣、北川縣、茂縣、理縣和汶川縣的既有透過型攔砂壩為研究對象，查明了該地區透過型攔砂壩的庫內自清淤作用表現特征，提出了自清淤作用效果識別方法，分析了各關鍵因素對自清淤作用的影響，以期加深對自清淤作用的認識和理解。

1 研究區域及壩體運行狀態

1.1 研究區域環境背景

研究區介于30°26′N～33°16′ N、102°00′E～104°54′ E之間，行政單元包括汶川縣、茂縣、松潘縣、理縣和北川縣（圖1），區域面積23 704.7 km2，境內有G4217、S302、G213等公路穿過，其中G213是境內的主要干道，連接了汶川縣、茂縣和松潘縣。研究區位于成都平原向川西高原的過渡帶上，地處岷江、涪江流域，全境皆為山地，山脈走向為東北—西南，地勢西高東低，大地構造位置處于青藏高原東部的龍門山斷裂構造帶、岷江斷裂帶內。研究區內最活躍的斷層是北川—映秀斷裂，受剪切力的影響，地質環境極其復雜，地表侵蝕劇烈，溝谷縱橫，區域內最大相對高差達5 595 m。區內地層年代分布較為連續，地層種類主要有古生界寒武系、志留系、石炭系、中生界侏羅系、三疊系、第四系松散堆積層等，其中茂縣的千枚巖和板巖是區域內最主要的易滑巖層。研究區位于亞熱帶季風氣候區，且各地區氣候有顯著差異，北部地區為川西北高原氣候區，中部則為干旱河谷氣候區，全年降雨主要集中在5～9月，再加上5·12汶川地震后山體受到重創，地質環境條件極其脆弱，泥石流災害頻發，造成大量的人員傷亡和財產損失。

對研究區內的透過型攔砂壩（154座）進行現場調查（具體位置見圖1），發現橫向開口的梁式格柵壩［19-22］、豎向開口的縫隙壩［10，23-24］、方形開口的窗口壩［25-29］數量分別為22，30，102座，并搜集了相關泥石流災害數據，確定各考察點在3 a內沒有爆發過泥石流。圖2分別展示了研究區內不同結構形式的透過型攔砂壩其開口結構特征。

1.3 透過型攔砂壩閉塞狀況

透過型攔砂壩的主要功能為攔砂截流，回淤緩坡。根據調查結果，從整體上看，由于各條小流域的泥石流溝發育程度、防治工程的結構類型、建造時間不盡相同，泥石流爆發后壩體開口閉塞狀態差異較大，本文以閉塞率表示開口的堵塞程度［30］：

B=S_b/S_a×100% （1）

式中：B為閉塞率；Sb為壩體開口未被堵塞的面積；Sa為壩體開口被大石塊堵塞的面積。

游勇［31］及后續的相關研究［21，28，32］均認為，透過型攔砂壩的閉塞分為3種類型：① 不閉塞，透過型攔砂壩的開口過流順暢，未被堵塞（B=0%）；② 半閉塞，透過型攔砂壩的開口可部分過流，其余部分被堵塞（B=50%）；③ 全閉塞，透過型攔砂壩的開口被全部堵塞（B=100%）。根據調查結果，以閉塞程度來衡量開口處的閉塞表現，目前處于低閉塞、中等閉塞、高閉塞運行狀態的透過型攔砂壩數量分別為64，46，44座（表1），占比分別為41.6%，29.9%和28.6%。不同壩型對應的開口閉塞狀態數量也呈現較大差異，對于梁式格柵壩和縫隙壩，處于低閉塞狀態的壩體數量較少，數量分別為2座和5座，占壩體總數的比例為3.1%和7.8%，進一步分析認為［30］，壩體低閉塞往往是較大的相對開口寬度所致。

2 自清淤作用表現特征

2.1 庫內淤積縱坡

T/CAGHP 021—2018《泥石流防治工程設計規范》中指出：非透過型攔砂壩的回淤縱坡Sdep約為原始堆積縱坡Sini的0.50～0.80倍。而對于透過型攔砂壩，在泥石流沖擊壩體的過程中，開口處形成的相對穩定閉塞體會導致后續泥石流堆積在庫內，繼而在上游形成一個穩定的回淤坡度。因此，庫內的堆積縱坡與開口閉塞密切相關，同時回淤縱坡還受到來流性質、原始溝道條件的影響。相關研究表明，由于透過型攔砂壩特殊的開口結構存在，Sdep/Sini的范圍約0.31～0.89［33-35］。然而，以往的研究均未考慮到壩體運行后期自清淤作用對庫內回淤縱坡的影響。

野外調查結果表明，庫內的回淤縱坡與自清淤作用強度密切相關，根據統計結果，在自清淤作用影響下的透過型攔砂壩其回淤縱坡范圍約為0.22～0.80（圖3）。與以往該地區的調查結果［33-35］相比，Sdep/Sini略微偏小，這是由于在常流水或洪水等水力條件的影響下，自清淤作用會使大量土石顆粒起動而被輸移至下游，因此導致回淤縱坡的范圍Sdep/Sini小于以往的調查結果。由此，可建立起研究區域內在自清淤作用影響下的透過型攔砂壩庫內泥石流堆積物回淤縱坡經驗公式：

Sdep=（0.22～0.80）Sini （2）

2.2 表面顆粒粗化及侵蝕溝槽

洪水的沖刷作用將導致淤積物表面顆粒發生明顯的粗化，以板子溝為例，結合2020年10月和2023年4月的兩次調查結果（期間未爆發泥石流）發現，庫內出現了大量直徑大于0.5 m的巨石，這是由于庫內泥石流堆積物中的細顆粒受到流水侵蝕而起動并被輸移至下游河道，導致板子溝的泥石流堆積物表面形成了堅硬的粗化層，如圖4所示。此外，自清淤導致出現顆粒粗化現象的同時，還伴隨有明顯的侵蝕溝槽，以關門子溝為例，通過2018年7月和2023年4月（期間庫內未爆發泥石流）的兩次調查發現，該溝庫內有一條明顯侵蝕溝槽，通過卷尺測量得到溝槽平均深度×寬度分別為0.5 m×2.9 m和1.4 m×6.1 m，侵蝕溝槽出現明顯的拓寬和加深，如圖5所示。

3 自清淤作用效果評估

通過大量的野外調查，并參考泥石流溝道侵蝕方面的相關研究［1，5，36-38］及現行土壤侵蝕分類分級標準，以相對侵蝕深度比（庫內侵蝕溝槽最大深度/庫內泥石流原始淤積深度）、侵蝕溝槽占庫內泥石流淤積面積比為控制參數，建立了自清淤作用程度等級矩陣，共分為無、輕微、中等、強烈、極強烈共5個等級（圖6），其中，相對侵蝕深度比由卷尺和激光測距儀現場測量得到。溝槽面積與庫內泥石流淤積面積通過無人機獲取的數字表面模型（DSM）處理得到。

結果表明（圖7）：總共有21座壩庫內無自清淤作用（占比13.64%），此類型多因庫內無常流水且未爆發大洪水所致；44座（占比28.57%）自清淤作用輕微，61座（占比39.61%）自清淤作用強度中等，該類型的數量最多，比例最高；26座（占比16.88%）自清淤作用強度強烈；2座自清淤作用極強烈（占比1.30%），此類型壩體數量最少，庫內堆積區存在明顯沖淤痕跡，主溝槽下切侵蝕劇烈，表面堆積物具有明顯的顆粒粗化現象。

表2為部分代表性的庫內自清淤作用野外調查統計結果，在野外調查過程中，除了獲取壩體的結構尺寸特征參數外，還重點調查了徑流流速、庫內回淤縱坡、侵蝕溝槽斷面尺寸等參數。

4 自清淤重要影響因子分析

自清淤作用是多方面因素綜合作用的結果，進一步分析認為，這些影響因素大致可歸納為3種類型：① 庫內地貌環境及泥石流松散堆積物；② 強烈并且長時間的降雨；③ 透過型攔砂壩的尺寸，如壩體的開口寬度等。

庫內回淤縱坡影響水流流速，進而影響水力侵蝕的強度，是決定自清淤作用程度的重要影響因子。根據庫內原始堆積縱坡的調查數據（圖3），不同的庫內自清淤強度等級對應的回淤縱坡區間呈明顯差異。由圖8可知，自清淤強度在無和輕微之間時，回淤縱坡的影響相對較弱，隨著自清淤的強度逐漸增強，對應的回淤縱坡均值也逐漸增大，如輕微、中等和強烈程度的自清淤作用，對應的回淤縱坡均值分別為90.2‰，150.6‰和342.4‰。這表明回淤縱坡越大，徑流對泥石流松散堆積物的沖刷運移能力越強，導致自清淤作用的強度越大。

土體侵蝕量與降雨強度之間存在明顯的非線性關系［39-40］，自清淤是位于透過型攔砂壩庫內的特殊水力侵蝕現象，降雨強度直接決定了上游來流的規模。本文根據調查區的實際情況，從調查點周邊氣象站點收集并統計了2020～2023年各站點的年平均降雨量，并將其作為影響自清淤強度的降雨量指標，自清淤作用強度與年降雨量的關系如圖9所示。整體而言，隨著年降雨量有逐漸增大，自清淤強度有增大的趨勢。這是由于降雨強度越大，泥石流溝道中徑流量的增大幅度就越大，水流的沖刷能力和挾沙能力也有所增強，從而導致自清淤作用的強度逐漸增大。

在自清淤過程中，土石顆粒通過開口的可能性可通過相對開度γ來判斷［6，15］，定義如下：

式中：w表示開口的橫向寬度，m；h表示開口縱向高度，m；dmax為泥石流顆粒的最大粒徑，mm。相對開度不僅反映了泥石流發生時透過型攔砂壩閉塞的可能性，還涵蓋了不同顆粒級配、固結程度的庫內泥石流堆積體對自清淤作用的影響。

本文通過實地調查獲取了透過型攔砂壩的相對開度與自清淤作用強度的關系（圖10）。整體來看，不同的自清淤作用等級對應的相對開度分布區間有所差異，且隨著自清淤強度的增大，對應的相對開度均值有逐漸增大的趨勢。同時注意到，隨著強度的增強，無、輕微、中等、強烈效果對應的相對開度均值分別為0.79，0.90，1.15和1.18，差異較小，而極強烈的效果對應的均值則陡增至1.91。說明要想獲得較為強烈的自清淤效果，工程設計時應當考慮設置較大的相對開度。

5 結 論

本文對研究區域的154座透過型攔砂壩進行了野外調查工作，通過現場調研和數據分析，得出以下結論：

（1） 研究區內透過型攔砂壩總體分為橫形開口的梁式壩、豎形開口的縫隙壩、方形開口的窗口壩3類，數量分別是22，30座和102座。統計了各類壩型的開口閉塞狀況，其中處于低閉塞率運行狀態的壩比例最多，約占41.6%；處于中等閉塞率和高閉塞率的透過型攔砂壩比例相近，分別占比約29.9%和28.6%。

（2） 自清淤作用減緩了庫內回淤縱坡，此外自清淤的沖刷侵蝕作用還導致泥石流松散堆積物的表面形成粗化層，并產生多條深切溝槽。

（3） 以相對侵蝕深度比和侵蝕溝槽占庫內泥石流淤積面積比為控制參數，建立了自清淤效果等級識別矩陣，該方法克服了對自清淤作用程度描述的隨意性。根據統計結果可知，作用強度為中等的壩數量最多（61座），作用強度為極強烈的壩數量最少（2座）。

（4） 影響自清淤作用效果的關鍵因素分別為：地形——回淤縱坡、水文——降雨強度、壩體開口尺寸——相對開度。各項參數均與自清淤作用強度呈明顯的正相關關系。然而，自清淤作用還可能與漂木、植被覆蓋度等因素相關，在未來的工作中還應當分析其它相關因素對自清淤作用效果的影響。

基于對透過型攔砂壩庫內自清淤作用表現特征及效果評估的研究，認為未來的研究中應將攔砂壩的庫容變化作為評價自清淤效果的關鍵指標，且應當結合流域現狀，進一步加強各因素是如何影響自清淤作用效果的研究。

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（編輯：胡旭東）

Effect and evaluation of self-cleaning function in reservoirs of debris flow open check dams

HUANG Diwen YOU Yong1，SUN Hao1

（1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process/Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract： Self-cleaning is a significant characteristic of debris flow open check dams，and this complex process is influenced by a number of factors，including the accumulation of debris flow in the reservoir，the opening of the dam and the intensity of rainfall.A total of 154 open check dams in Sichuan Province were selected to analyze the self-cleaning performance characteristics and effects based on a combination of site inspection and drone aerial survey.The results demonstrated that the number of beam dams，slit dams and slot dams in the study area was 22，30 and 102，respectively.Additionally，the proportion of dams in the low occlusion rate was the largest，at approximately 41.6%.Self-cleaning can slow down the longitudinal slope and result in formation of a coarse surface of debris flow accumulation and the emergence of erosion grooves.A matrix of five levels：none，slight，medium，strong，and very strong，was constructed to evaluate the effects of self-cleaning in the reservoir，corresponding to 21，44，61，26 and 2 dams.The key factors affecting the self-cleaning effect were the longitudinal slope of siltation，rainfall intensity and relative opening，which were significantly positively correlated with the self-cleaning effect.

Key words： debris flow； open check dam； self-cleaning； effect evaluation； site inspection； drone aerial survey； Sichuan Province

收稿日期：2024-06-27 ；接受日期：2024-08-30

基金項目：四川省博士后特別資助項目（TB2023028）；國家自然科學基金青年科學基金項目（42201095）

作者簡介：黃迪文，男，博士研究生，主要從事山地災害綜合防治技術研究。E-mail：diwener@imde.ac.cn

通信作者：游 勇，男，研究員，博士生導師，主要從事泥石流運動機理及綜合防治技術研究。E-mail：yyong@imde.ac.cn