我國(guó)泥石流災(zāi)害的成因和起動(dòng)及相關(guān)防治措施研究

劉瑞強(qiáng)

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

我國(guó)泥石流災(zāi)害的成因和起動(dòng)及相關(guān)防治措施研究

劉瑞強(qiáng)

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

我國(guó)是一個(gè)泥石流災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，泥石流災(zāi)害的發(fā)生嚴(yán)重?fù)p害了人類(lèi)的利益、威脅人類(lèi)的生存和可持續(xù)發(fā)展，對(duì)我國(guó)泥石流的分布特點(diǎn)、形成條件、活動(dòng)特點(diǎn)以及危害進(jìn)行了分析，對(duì)泥石流的起動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究，尤其是水石流的起動(dòng)機(jī)理，最后綜合提出了泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)防、工程防治措施和生物防治措施，以及一些設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要點(diǎn)，泥石流的防治應(yīng)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(zāi)害；起動(dòng)機(jī)理；預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；工程防治；生物防治

1 我國(guó)泥石流的分布特點(diǎn)

1.1 我國(guó)泥石流在空間上的分布

泥石流是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)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(zhì)、降水量和人類(lèi)活動(dòng)的影響，我國(guó)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(zhì)構(gòu)造的影響，構(gòu)成了許多潛在發(fā)生泥石流的條件，我國(guó)泥石流的發(fā)生地大多集中西部區(qū)域，如西南、西北等地，青藏高原與次一級(jí)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(fā)的河道河谷的兩側(cè)是發(fā)生泥石流的主要地區(qū)，對(duì)人類(lèi)的生命安全所造成的危害也最為嚴(yán)重，另外，在一些山體中，若片巖、板巖或易于風(fēng)化的巖系含量較多，發(fā)生泥石流的潛在可能性便會(huì)加大，泥石流的分布特點(diǎn)還與當(dāng)?shù)亟邓⒈┤诨韧獠織l件有關(guān)。

1.2 我國(guó)泥石流在時(shí)間上的分布

泥石流的發(fā)生于氣候條件密不可分，我國(guó)由于受獨(dú)特的季風(fēng)氣候影響，泥石流的發(fā)生具有明顯的季節(jié)性，多雨的夏季是泥石流發(fā)生的主要時(shí)期，一般在每年的6、7、8、9這幾個(gè)月份比較集中，西北地區(qū)在7、8兩月的降水量尤為集中，激發(fā)泥石流災(zāi)害的可能性也最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約90%左右的泥石流災(zāi)害均發(fā)生在6、7、8月份，因而泥石流的發(fā)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(guó)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(tài)上，泥石流從上游到下游存在著形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，其流域面積的大小，形狀和溝床比降引發(fā)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(fā)的泥石流卻不同于上述分類(lèi)，如汶川地震區(qū)文家溝泥石流，它是一種由強(qiáng)烈地震所引發(fā)的特殊泥石流成因模式。一般情況下，發(fā)生泥石流的流域面積不會(huì)太大，因?yàn)殡S著流域面積的增大，單位面積的固體物質(zhì)補(bǔ)給量和流水匯集量都會(huì)減少，據(jù)甘肅省泥石流溝的統(tǒng)計(jì)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(jiàn)表1：

表1 甘肅省219條泥石流溝的流域面積統(tǒng)計(jì)

2.2 松散固體物質(zhì)的補(bǔ)給

泥石流中固體物質(zhì)是必不可少的部分，其來(lái)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(zhì)現(xiàn)象，地震所引發(fā)的滑坡、崩塌和山體的松動(dòng)為泥石流提供了先前的準(zhǔn)備，如2001年1月15日在薩爾瓦多發(fā)生的地震，引發(fā)了大量的泥石流次生災(zāi)害，使得數(shù)百戶(hù)人家和約1200人遇難，再如2010年8月7日發(fā)生的舟曲泥石流自然災(zāi)害，造成1557人遇難，流經(jīng)區(qū)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(dòng)了舟曲山體，出現(xiàn)了裂縫，變得極易垮塌，為泥石流的發(fā)生提供了潛在物質(zhì)條件，加之不斷的強(qiáng)降雨，形成了災(zāi)難性的泥石流。

2.3 水源條件

水既是泥石流的構(gòu)成成分，又是其引發(fā)條件和搬運(yùn)固體物質(zhì)的介質(zhì)，泥石流災(zāi)害一般發(fā)生在一次強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨的之后，水的存在能夠降低河谷周?chē)鷰r體的抗剪強(qiáng)度，而且還增加了巖體的重度，一般來(lái)說(shuō)，某地區(qū)雖已具備陡峭的地形地貌和松散固體物質(zhì)來(lái)源，但若沒(méi)有一定的暴雨或長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)降雨，泥石流災(zāi)害是很難發(fā)生的。

2.4 人為因素

泥石流的形成不僅與自然因素有關(guān)，也人與人為因素有很大關(guān)系，由于人們?cè)谛藿ü?、鐵路、橋梁、隧道和采礦等不合理的開(kāi)挖以及隨意堆積，破壞了山體固有的自然穩(wěn)定形態(tài)，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(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，最終引發(fā)了泥石流災(zāi)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(fā)生了泥石流災(zāi)害，使得15座橋涵被淤塞，還有亂砍亂伐和過(guò)度放牧對(duì)自然不合理的開(kāi)發(fā)和利用，造成植被和地表結(jié)構(gòu)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(huán)境良好，但由于人類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)度砍伐和開(kāi)墾，如今不僅失去了原有的風(fēng)貌，而且還變成了我國(guó)泥石流的多發(fā)區(qū)域。

3 泥石流的活動(dòng)特點(diǎn)及危害

泥石流的發(fā)生具有明顯的突然性，在一場(chǎng)強(qiáng)暴雨或持續(xù)降雨中其隨時(shí)都可能會(huì)被起動(dòng)，其流速可達(dá)30m/s，若我們不及早采取相應(yīng)的預(yù)防預(yù)測(cè)和防治措施，突然爆發(fā)的泥石流對(duì)山腳下的人和建筑物所造成的災(zāi)難是非常巨大的。泥石流的活動(dòng)也存在著一定的季節(jié)性和準(zhǔn)周期性，我國(guó)泥石流多發(fā)生于降雨量較多的夏季，同時(shí)地震和暴雨的發(fā)生也常伴隨有泥石流，但一次泥石流發(fā)生過(guò)后，由于之前在溝內(nèi)富集的松散固體物質(zhì)被搬運(yùn)到了山腳處，所以一般不會(huì)再發(fā)生較大的泥石流，但由于流水的再次不斷沖刷，該溝又會(huì)重新積累新的松散固體物質(zhì)，若再次遇到大量水源，則又會(huì)引發(fā)泥石流災(zāi)害，在這種情況下，人們對(duì)泥石流災(zāi)害的警惕性和預(yù)防意識(shí)會(huì)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(xiǎn)的。

泥石流的發(fā)生常常是成群的、大面積的，這是由于同一地區(qū)的地形地貌具有很大的相似性決定的，泥石流爆發(fā)時(shí)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(huì)夷為平地。泥石流對(duì)交通設(shè)施的毀壞也很?chē)?yán)重，可致運(yùn)輸中斷，線(xiàn)路癱瘓，例如四川省曾發(fā)生的一次泥石流，造成成昆鐵路利子依達(dá)溝的一座鐵路沖毀，其時(shí)正值夜間，駛來(lái)的火車(chē)不知前面已經(jīng)發(fā)生了泥石流，造成了很大的人員傷亡。泥石流也常常會(huì)淹沒(méi)大量的農(nóng)田和礦場(chǎng)。泥石流對(duì)山區(qū)的風(fēng)景名勝區(qū)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(dòng)機(jī)理

泥石流的起動(dòng)機(jī)理的研究是泥石流研究中最為核心的內(nèi)容，泥石流起動(dòng)機(jī)理的研究是一個(gè)艱難的過(guò)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(dòng)的因素極其復(fù)雜，且存在著很大的不確定因素，試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯颗c實(shí)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(dòng)

水石流的特點(diǎn)是含有的固體物質(zhì)數(shù)量不多，大多由不均勻的是石塊和砂礫構(gòu)成，一般黏土質(zhì)細(xì)粒含量小于10%左右，在我國(guó)的陜西華山、山西太行山等地分布較多，水石流的運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，為推移式運(yùn)動(dòng)。

相關(guān)研究表明，一般假定在水石流中完全沒(méi)有參與懸移運(yùn)動(dòng)的細(xì)顆粒，則水、沙和石的混合物的運(yùn)動(dòng)圖如圖1所示：

圖1 水石流的起動(dòng)原理圖

在穩(wěn)流下，驅(qū)動(dòng)松散物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的剪應(yīng)力為

式中：θ為泥石流溝道傾角；h′為粗顆粒進(jìn)行層移運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)的阻力：

其中tanθ為水石流起動(dòng)的臨界坡度。

通過(guò)上式可知，當(dāng)S′vm和確定后，tanθ只與h/h′有關(guān)，其中tanα值與顆粒的形狀和濃度有關(guān)，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(guò)同心轉(zhuǎn)筒試驗(yàn)測(cè)得的范圍大致在0.32～0.75之間。

對(duì)于含有一些細(xì)顆粒水石流的起動(dòng)條件為：

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

泥石流的分類(lèi)方案很多，除過(guò)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(dòng)形態(tài)有所差異，模型的簡(jiǎn)化與建立也各異，因而起動(dòng)條件和方程也各自不同，在這些方面的理論研究仍需進(jìn)一步深入。

4.2 泥石流的流量

衡量泥石流發(fā)生的大小和強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)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(gòu)成，泥石流流動(dòng)過(guò)程中的流量會(huì)隨沿途沖淤和地形的變化而變化，在泥石流的流動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷的卷入溝谷中散集的固體物質(zhì)，固體物質(zhì)的流量會(huì)不斷增大，若到達(dá)下游時(shí)沒(méi)有發(fā)生淤積，此時(shí)泥石流的流量可能會(huì)增大到清水流量的幾倍之多，這對(duì)下游建筑物的破壞是非常巨大的；若下游發(fā)生了淤積，由于固體物質(zhì)的不斷淤積，沿途流量反而會(huì)減少，因此流量的研究和控制對(duì)泥石流的防治工程至關(guān)重要。

第二，借助本土特點(diǎn)豐富課堂活動(dòng)。比如泰國(guó)的節(jié)日非常多，教師可以在重要的節(jié)日設(shè)計(jì)課堂活動(dòng)。像宋干節(jié)（即中國(guó)人說(shuō)的潑水節(jié)），可以讓高年級(jí)的學(xué)生看視頻，用中文介紹宋干節(jié)，也可以讓學(xué)生分成小組用漢語(yǔ)表演跟宋干節(jié)相關(guān)的節(jié)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(guò)有關(guān)水文手冊(cè)查算。

有時(shí)候僅知道泥石流的平均流量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楫?dāng)泥石流的流量不能繼續(xù)克服流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的阻力時(shí)，泥石流便會(huì)不斷積累下來(lái)，此過(guò)程稱(chēng)為陣流，當(dāng)泥石流積累的一定程度時(shí)會(huì)突然向下流動(dòng)，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(shù)。

5 泥石流工程防治措施與設(shè)計(jì)

5.1 泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是減災(zāi)的重要舉措，做到“治病與未亂，治亂與未亂”是很難的，但同時(shí)安全和經(jīng)濟(jì)效果又是最佳的，判斷法是一種較為簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)方法，在崔鵬等人的研究中，可以看到，將起動(dòng)條件曲面Sc投影到θ—C平面，如圖2所示，據(jù)此圖可以大致地判斷出一個(gè)溝谷能否形成泥石流，如圖所標(biāo)A、B、C三個(gè)區(qū)域，處在A(yíng)區(qū)域，不滿(mǎn)足泥石流起動(dòng)的條件；B區(qū)域具備引發(fā)泥石流的條件；C區(qū)域無(wú)泥石流的起動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于一些溝谷還需經(jīng)過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)，在計(jì)算之前首先應(yīng)調(diào)查溝谷泥石流的有關(guān)地形、地貌和水量的參數(shù)，對(duì)其建立數(shù)字化的管理，盡量做好對(duì)泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

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(yīng)明確防治對(duì)象屬于哪一類(lèi)，如對(duì)風(fēng)景區(qū)泥石流防治會(huì)不同于一般的泥石流治理，因?yàn)轱L(fēng)景區(qū)不僅要保障旅游設(shè)施和人員生命的安全，同時(shí)也應(yīng)盡可能的地確保景觀(guān)的原貌不

變，以及周?chē)坝^(guān)的協(xié)調(diào)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(zhì)，同時(shí)具有排泄細(xì)沙和水的能力，以減少泥石流對(duì)下游的危害。攔擋工程的設(shè)立位置和庫(kù)容要合理，吳積善等人曾提出一種經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)確定，見(jiàn)表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)折算系數(shù)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(jié)構(gòu)，如攔沙壩、格欄壩等，格欄壩相比傳統(tǒng)的攔沙壩，具有攔排兼?zhèn)涞淖饔?，不僅攔截了大塊石頭，減輕了泥石流對(duì)下游的危害，而且還增加了對(duì)泥石流攔擋的頻次。格欄壩設(shè)計(jì)中最重要的就是確定梁間間隙，因?yàn)殚g隙太大，則對(duì)大石塊的攔擋作用不佳，而間隙太小，對(duì)排疏細(xì)顆粒的能力不強(qiáng)，相似于攔沙壩，在有關(guān)研究中有：h=(1.5～2.0)d，此中h為梁間間隙，d為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)之后的攔擋石塊的粒徑，一般可取40cm，鄭國(guó)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(huì)明顯減少，約為3/4左右，具有良好的抗沖擊效果，并且試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)前壩被破壞，但后壩卻基本保持完好，能夠正常發(fā)揮對(duì)泥石流的攔擋作用，故對(duì)攔擋壩結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)是減少泥石流災(zāi)害的一種有效途徑。

5.3 泥石流排導(dǎo)工程

排導(dǎo)工程按照不同的治理類(lèi)型，有相應(yīng)的工程措施，如排導(dǎo)槽、防沖肋板、明洞、導(dǎo)流堤、丁壩等，其中排導(dǎo)槽是應(yīng)用最多的，排導(dǎo)槽一般經(jīng)常設(shè)置在下游區(qū)段的堆積段，如武都地區(qū)火燒溝是泥石流災(zāi)害的常發(fā)區(qū)，通過(guò)布置在堆積扇上的排導(dǎo)槽，有效地保護(hù)了甘川公路。在排導(dǎo)槽的設(shè)計(jì)應(yīng)注意保證其有足夠的過(guò)流斷面和縱坡，而且縱坡對(duì)其沖刷淤積的影響較為嚴(yán)重，鐵路調(diào)查部門(mén)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(shí)，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(jié)合，合理地實(shí)施泥石流的治理，對(duì)流域面積比較大的泥石流地域，常采取“攔、移、排”相結(jié)合的綜合治理方案，力求達(dá)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(guò)種植一定量的植被，充分發(fā)揮植物的滯留降水、調(diào)節(jié)徑流、保持水土等作用來(lái)達(dá)到防治或減少泥石流災(zāi)害，要依據(jù)泥石流災(zāi)害發(fā)生的溝谷條件，成因和特點(diǎn)等，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹脖簧鷳B(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，做出符合實(shí)際的治理措施，其應(yīng)量保持與當(dāng)?shù)刂車(chē)h(huán)境相互協(xié)調(diào)一致。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)對(duì)泥石流的研究和防治已經(jīng)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(xiàn)象，存在著許多的不確定因素，大多時(shí)候仍是處于半理論半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)階段，這必然導(dǎo)致了對(duì)泥石流的防治上會(huì)存在許多的不足和疏漏，不同區(qū)域的泥石流形成條件和起動(dòng)機(jī)理差別會(huì)很大，不同的防治對(duì)象應(yīng)采取不同的防治措施，在泥石流的防治中應(yīng)做到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為先，工程防治措施與生物防治措施相互結(jié)合、協(xié)調(diào)統(tǒng)一地實(shí)施，做好泥石流的防災(zāi)減災(zāi)工作，為人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全等做好保障。

[1]中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川動(dòng)土研究所，甘肅省交通科學(xué)研究所.甘肅泥石流[M].北京：人民交通出版社,1982.

[2]吳積善，康志成等.云南蔣家溝泥石流觀(guān)測(cè)研究[M].北京：科學(xué)出版社,1990.

[3]錢(qián)寧，王兆印.泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理的初步探討[J].地理學(xué)報(bào),1984.

[4]費(fèi)祥俊，舒安平著.泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理與災(zāi)害防治[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[5]崔鵬.我國(guó)泥石流防治進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2009.

[6]崔鵬，柳素清，唐邦興等著.風(fēng)景區(qū)泥石流研究與防治[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[7]鄭國(guó)足，王秀麗，張守麗.帶彈簧支撐的新型泥石流攔擋壩抗沖擊性能研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2014.

[8]Bagnold R A.Experiments on a gravity-free dispersion of large solid sphere in a Newtonian fluid under shear.Proc R Soc.London,Ser A.1954

[9]吳積善，田連權(quán)，康志成,等.泥石流及綜合治理.北京：科學(xué)出版社[M].1993.

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