“水石分離”在泥石流災(zāi)害防治工程中的應(yīng)用

文聯(lián)勇，謝 宇，李 東，王 勇

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059;2.四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司，成都 610017)

1 研究背景

目前我國對泥石流災(zāi)害的防治手段主要有攔擋工程(攔擋壩、格柵壩、梳齒壩等)、排導(dǎo)工程(排導(dǎo)槽、渡槽)、護(hù)坡固底工程(護(hù)坡?lián)鯄?、谷坊壩群、潛壩或肋板、護(hù)坡導(dǎo)流堤)、生物工程等［1－2］，以上這些防治手段多為針對保護(hù)對象或泥石流松散物源而設(shè)，但鮮有針對泥石流成因三要素之一的地表流水進(jìn)行攔截疏引而采取的防治工程。在地形條件不能改變、松散物源治理難度較大、攔擋停淤不可行的情況下，如能將產(chǎn)生泥石流的地表流水控制住，也能達(dá)到控制泥石流發(fā)生的作用，因此，在上游將地表流水進(jìn)行攔截疏排，以避免在物源區(qū)水石相會(huì)，是泥石流治理工程中的另一種思路。

下面以綿竹文家溝泥石流為例，在上游設(shè)施攔截疏排工程，將來水引到鄰近一號(hào)支溝，從而達(dá)到水石分離防治泥石流發(fā)生的目的。

2 泥石流概況

圖1 文家溝泥石流總平面圖Fig.1 Distribution of Wenjiagou debris flow

文家溝泥石流位于川西龍門山山區(qū)，流域面積約7.81km2，平面形態(tài)呈口袋型，腹大口小、匯水條件極好，主要由主溝和左右2條支溝形成樹枝狀水系(見圖1):主溝長約4.8km、流域面積5.59km2，原為一暴雨型流水沖溝，受2008年汶川“5·12”大地震誘發(fā)的一個(gè)巨型滑坡，經(jīng)過多次撞擊鏟刮山體后形成的滑坡碎屑流在中下游段形成長約2.6km、厚30～180 m、方量約5 900×104m3的松散體堆積，目前僅在溝谷右側(cè)有一深切狹窄的沖溝徑流(見圖2);右側(cè)一號(hào)支溝長約3.18km、流域面積1.65km2，為一常年流水清水溝，在主溝下游匯入;左側(cè)二號(hào)支溝原長0.84km、流域面積0.57km2，因滑坡碎屑流掩埋現(xiàn)已成伏流排泄。

2008年9月24日因區(qū)內(nèi)強(qiáng)降雨導(dǎo)致文家溝發(fā)生了第一次泥石流災(zāi)害。本次泥石流沖出固體物質(zhì)約90×104m3，造成溝口200余m公路被掩埋、綿遠(yuǎn)河河道堵塞致使河水淹沒對岸一個(gè)村莊，并在地震形成的滑坡碎屑流堆積體上形成了一條長約1km、深10～30 m的狹窄沖溝。

為防止松散堆積體上新近形成的深切沖溝再次揭底侵蝕下切形成泥石流災(zāi)害，當(dāng)?shù)卣诖文昃徒M織施工單位在中游深切沖溝內(nèi)修建了19座漿砌塊石谷坊壩和一座攔擋壩。2010年7月31日在文家溝綜合治理工程還未完工之際，當(dāng)?shù)匕l(fā)生了1h降雨量達(dá)51.7mm的強(qiáng)降雨，降雨匯聚的地表流水誘發(fā)深切沖溝兩側(cè)邊坡發(fā)生滑塌造成溝道被堵，進(jìn)而使大量谷坊壩庫容很快被淤積填滿，部分土體在混合流水后形成泥石流向下游沖出，翻壩流體則強(qiáng)烈沖刷尚未設(shè)護(hù)坦的壩下溝道，致使沖溝內(nèi)的9座谷坊壩被泥石流沖毀或掩埋。

圖2 汶川“5.12”地震后文家溝溝谷Fig.2 Wenjiagou gully after the megaquake in Wenchuan

2010年8月12－13日，文家溝再次降下總降雨量達(dá)227.5mm、最大1h降雨量達(dá)70mm的罕見特大暴雨，降雨匯聚的流水傾瀉而下，造成布設(shè)在深切溝道內(nèi)的谷坊工程全部失效破壞并形成潰決型泥石流。此次泥石流規(guī)模極大、破壞力極強(qiáng)，國內(nèi)外罕見。據(jù)調(diào)查，在短短的4h內(nèi)該次泥石流共沖出固體物質(zhì)約450萬m3，并將原溝道向下深切30～50m、向兩側(cè)拓寬100多m，形成一狹窄而陡峻的“V”型溝槽(見圖3);泥石流堆積體形成長約1.6km的壅塞體并將綿遠(yuǎn)河完全堵塞，致使綿遠(yuǎn)河河流改道向右岸推移約300m、清平鄉(xiāng)棋盤村、園包村和清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)被泥石流和洪水掩埋［3］，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過4.3億元［4］，為近幾年來我國罕見的特大型泥石流災(zāi)害。

圖3 文家溝中段深切沖溝Fig.3 Deep downcutting ravine in the mid-stream of Wenjiagou gully

2010年9月18日上午，文家溝因降雨強(qiáng)度達(dá)18.5mm/30 min、12.5mm/5 min 的強(qiáng)降雨再次暴發(fā)泥石流災(zāi)害，泥石流下泄量達(dá)17×104m3，將在溝口進(jìn)行搶險(xiǎn)疏浚和勘查的設(shè)備沖毀或掩埋。

3 泥石流特點(diǎn)及成因

文家溝泥石流為典型的地震次生地質(zhì)災(zāi)害——地震誘發(fā)產(chǎn)生的滑坡堆積體在后期降雨匯聚流水作用下產(chǎn)生泥石流，主要有以下特點(diǎn)。

3.1 拉槽成溝、堵潰現(xiàn)象明顯

文家溝內(nèi)堆積的滑坡碎屑流物質(zhì)密實(shí)度松散、固結(jié)程度差、強(qiáng)度低、透水性好，在流水沖刷作用下很快就在堆積體上沖出一條徑流通道，大量匯聚的流水將通道揭底沖刷下切，并很快拉槽成溝;匯聚的流水在溝道內(nèi)揭底侵蝕下切到一定程度后造成兩側(cè)溝坡高陡，進(jìn)而發(fā)生溝坡滑塌堵塞溝道;當(dāng)堵溝形成的堰塞體不能承受流水或流體壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生潰決現(xiàn)象，潰決產(chǎn)生的強(qiáng)大作用將上游飽水土體快速帶走后在溝谷內(nèi)形成一個(gè)個(gè)寬度較大的“大肚子”。

3.2 發(fā)生泥石流的降雨觸發(fā)點(diǎn)低、發(fā)生頻率高

由于文家溝溝床坡降大、沖溝兩側(cè)邊坡陡、溝內(nèi)堆積物方量大且松散，在流水作用下極易發(fā)生泥石流，泥石流發(fā)生的觸發(fā)點(diǎn)較常規(guī)大大降低。據(jù)已發(fā)生幾次泥石流的降雨資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)10 min降雨量為10～15mm時(shí)該沖溝就會(huì)發(fā)生中－大型泥石流。

3.3 松散物源量多、固源難度大

文家溝內(nèi)堆積的松散物源為2008年“5·12”大地震時(shí)發(fā)生的滑坡碎屑流堆積物，儲(chǔ)量達(dá)5 000多萬m3，物質(zhì)成分為灰?guī)r碎塊石、粉質(zhì)黏土等混雜堆積，堆積層厚且均勻性極差，溝床土質(zhì)較松軟、邊坡穩(wěn)定性低，在該松散體上修建固源工程難度極大。

3.4 溝谷下切快、泥石流規(guī)模大、危害性大

溝內(nèi)堆積物厚且松散、溝床坡降大，在流水經(jīng)過時(shí)，溝谷揭底下切極快、兩側(cè)岸坡也極易坍滑，為泥石流的發(fā)展壯大提供了物源?！?·13”特大泥石流發(fā)生時(shí)在不到4 h的時(shí)間里中游段沖溝就下切了30～50 m，形成了一陡峻的“V”型溝槽。

溝谷快速下切導(dǎo)致大量松散物質(zhì)混入溝道流水中，且兩側(cè)溝坡也極易產(chǎn)生滑塌堵溝潰決，因此文家溝每次發(fā)生泥石流的規(guī)模均較大，一次性泥石流下泄量一般都在10萬m3以上，對溝口及主河道兩側(cè)居民和下游清平場鎮(zhèn)造成極大的危害和威脅。

3.5 各功能區(qū)分界明顯

匯水區(qū)主要為上游1 300 m平臺(tái)以上約4.38km2瓢狀區(qū)域、物源區(qū)則主要為中游長1.3km的條帶狀深切沖溝區(qū)、流通堆積區(qū)為下游溝道及綿遠(yuǎn)河河床，各功能區(qū)之間相互獨(dú)立、分界明顯。

3.6 典型地震次生地質(zhì)災(zāi)害

文家溝泥石流為典型的地震次生地質(zhì)災(zāi)害，受汶川“5·12”大地震影響明顯，如文家溝主溝因溝谷內(nèi)堆積有大地震誘發(fā)文家溝滑坡產(chǎn)生的滑坡碎屑流松散體而發(fā)生了泥石流，而鄰近的一號(hào)支溝因無該滑坡碎屑流堆積物則未發(fā)生泥石流。

根據(jù)對文家溝數(shù)次泥石流發(fā)生時(shí)的影像資料及事后調(diào)查資料分析，文家溝泥石流成因主要為上游降雨匯聚的大量流水在流經(jīng)中游段深切沖溝時(shí)對溝底進(jìn)行揭底沖刷下切、對兩側(cè)岸坡進(jìn)行側(cè)蝕進(jìn)而使沖溝不斷加深加寬，同時(shí)兩側(cè)新形成的邊坡不斷垮塌造成溝道堵塞而后潰決并最終形成泥石流(見圖3、圖4)。

圖4 文家溝中游深切沖溝段主要物源區(qū)典型斷面Fig.4 Typical section of the debris source area in the deep downcutting ravine in the mid-stream of Wenjiagou gully

4 治理思路及方案選擇

文家溝泥石流因其物源豐富、泥石流爆發(fā)頻率高、且規(guī)模大、危害性大、治理難度大而聞名，因中游沖溝內(nèi)溝深坡陡、物源豐富且穩(wěn)定性差、上游匯水面積大，再次爆發(fā)大型甚至特大型泥石流的可能性極大，選用傳統(tǒng)的攔擋排工程不能達(dá)到治理效果，必須用新的思路設(shè)計(jì)泥石流治理方案。

4.1 排導(dǎo)方案

文家溝所在綿遠(yuǎn)河主河道區(qū)為寬緩河谷、河床坡降僅13‰左右，河水疏沙能力較差，泥石流進(jìn)入主河道后將堵塞綿遠(yuǎn)河。2008年的“9·24”泥石流下泄量達(dá)30×104m3，將綿遠(yuǎn)河堵塞形成堰塞湖;2010年“8·13”泥石流下泄量達(dá)450×104m3，將綿遠(yuǎn)河1.6km的河道直接堵塞淤高5～10 m，造成下游清平場鎮(zhèn)被泥石流和洪水淹沒。綿遠(yuǎn)河再也不能承受文家溝再次發(fā)生泥石流，因此文家溝泥石流治理工程不能考慮采用排導(dǎo)工程利用主河流水疏沙的防治方案。

4.2 攔擋停淤方案

若采用攔擋停淤工程，僅能考慮泥石流堆積在從文家溝溝口至深切沖溝溝口一段長約850 m、寬40～150 m、高差約70 m的寬谷區(qū)，但即使在溝口修建高50 m高的攔渣壩，該區(qū)域也僅有200×104m3的庫容，這對溝內(nèi)數(shù)千萬方的松散物源來講簡直就是杯水車薪，何況要在新近堆積的飽水的泥石流堆積體上修建如此高的攔渣壩，無論從技術(shù)還是造價(jià)上來講也是非常困難的。所以要想在溝口修建攔擋停淤工程的防治方案也不可行。

4.3 固底護(hù)坡固源方案

考慮到參與文家溝泥石流的主要物源為中游段長約1.3km的深切沖溝底及兩側(cè)的松散堆積物，該部分堆積物參與泥石流的方式主要為在流體沖刷揭底下切、側(cè)蝕導(dǎo)致下邊坡滑塌后堵塞溝道形成泥石流，因此若能將該段沖溝的松散物質(zhì)固定在原處，即使上游來再多流水也不會(huì)形成泥石流。

要達(dá)到對深切沖溝固床護(hù)坡目的，一般在溝底設(shè)密集谷坊壩群和在溝底設(shè)防沖護(hù)底加兩側(cè)護(hù)坡?lián)鯄?種方案。

前一種方案對于一些溝坡和溝底均較穩(wěn)定的老沖溝可行，但對文家溝這種新近堆積的松散體組成的溝道和邊坡不是很合適。首先，在固結(jié)程度較差的溝底上修建的谷坊工程極易因地基變形而破壞;其次，松散的邊坡在流水作用下極易產(chǎn)生坍滑堵溝;最后，流水易從谷坊壩兩側(cè)或基底新開槽成溝沖出造成谷坊壩失效破壞，這種情況在“8·13”泥石流發(fā)生過程中得到了應(yīng)驗(yàn)(泥石流發(fā)生后溝內(nèi)原修建的谷坊壩無一幸免全部破壞、而且潰壩后產(chǎn)生的潰壩效應(yīng)還加大了泥石流的規(guī)模和破壞性)。

后一種方案可采用圬工結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋石籠、鋼繩網(wǎng)石籠等柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行防沖護(hù)底和護(hù)坡:①由于文家溝深切沖溝段溝坡陡、坡降大、土質(zhì)松軟，采用圬工結(jié)構(gòu)進(jìn)行固底護(hù)坡雖造價(jià)便宜，但存在防治工程因地基變形、流水沖刷等極易破壞失效的風(fēng)險(xiǎn);②采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖可以達(dá)到固底護(hù)坡的功能，但這種剛性結(jié)構(gòu)會(huì)因地基變形后極易在工程結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生變形裂縫，造成工程破壞失效的假象，在1.3km的深切溝道內(nèi)澆筑鋼筋混凝土固底護(hù)坡工程施工難度較大且造價(jià)較高;③采用鋼筋石籠或鋼繩石籠等柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行固底護(hù)坡時(shí)，也存在施工困難、使用壽命較短和造價(jià)高的缺點(diǎn)。

4.4 截水分流方案

據(jù)計(jì)算，文家溝主溝1 300 m平臺(tái)以上匯水區(qū)域在降雨頻率為1%，2%，5%，10%，20%時(shí)匯聚流水的洪峰流量分別為118.82，105.42，87.91，73.83，59.13 m3/s，但在經(jīng)過中游段物源區(qū)到達(dá)深切沖溝口形成泥石流后流量分別為1 019.98，899.89，743.64，618.21，488.10 m3/s，上游匯聚流水在經(jīng)過中游段物源區(qū)1.3km的深切沖溝后大量松散物質(zhì)混入致使流體流量增加了近9倍，所以治理文家溝泥石流的關(guān)鍵是如何避免上游流水沖刷中游深切沖溝的松散體，從而減少或防止邊坡滑塌形成泥石流。由于文家溝泥石流匯水區(qū)和物源區(qū)相互獨(dú)立，若能將上游匯聚的地表水在上游就引離中游段主要物源區(qū)，避免流水沖刷深切沖溝溝底和岸坡，則可以避免因流水沖刷導(dǎo)致溝道下切、岸坡坍塌進(jìn)而產(chǎn)生泥石流。鄰近的一號(hào)支溝基巖裸露、岸坡穩(wěn)定、排泄口位于主溝主要物源區(qū)以下，是理想的排泄通道，若能在物源區(qū)和匯水區(qū)交接區(qū)域(1 300 m平臺(tái))設(shè)攔截引水工程(引水隧洞或引水明渠)將上游匯聚的地表水體引到鄰近的一號(hào)支溝內(nèi)，通過一號(hào)支溝向下排泄流水以繞避主溝內(nèi)的松散物源區(qū)，使得上游來水和中游物源區(qū)的土石達(dá)到“水石分離”(見圖5)，從而可達(dá)到避免因流水通過中游段深切沖溝造成沖刷揭底下切、岸坡側(cè)蝕坍塌堵溝進(jìn)而發(fā)生泥石流的目的。

圖5 文家溝上游分流引水方案平面布設(shè)Fig.5 Layout of flow diversion project in the upstream of Wenjiagou gully

從上面分析可以看出，采用在上游截水分流來控制泥石流發(fā)生的防治方案是可行的，且明顯優(yōu)于其它方案。截水分流工程中隧洞引水方案長435 m的引水隧洞可將匯集水體引排至一號(hào)支溝左側(cè)沖溝、引水明渠方案則需要開挖長780 m的引水明渠繞過主溝和一號(hào)支溝之間的分水山脊將匯集流水引向一號(hào)支溝左側(cè)沖溝，因而隧洞引水工程優(yōu)于明渠引水工程。

5 隧洞引水工程設(shè)計(jì)

隧洞引水工程主要有引水隧洞、集水池、導(dǎo)流堤、底格欄柵等。

5.1 引水隧洞工程

引水隧洞設(shè)計(jì)過流能力按降雨頻率2%、洪峰流量105.42 m3/s進(jìn)行設(shè)計(jì)，按降雨頻率1%、洪峰流量118.82 m3/s校核。引水隧洞總長435 m，明挖襯砌段長80 m、暗挖襯砌段長355 m，隧洞起點(diǎn)高程1 288 m、出口高程1 265.5 m、坡降0.05;隧洞過流斷面采用直墻圓拱型，為方便施工隧洞直墻高3.5～6.5 m、拱高1.75 m、底寬4.5 m，最小過流斷面面積20.56 m2，洞壁采用厚500～800mm的鋼筋混凝土襯砌(見圖6)。經(jīng)驗(yàn)算，在水深1.7 m時(shí)引水隧洞過流流量達(dá)119.6 m3/s，遠(yuǎn)大于降雨頻率為1%時(shí)洪峰流量118.82 m3/s的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 集水池工程

集水池修建在1 300 m平臺(tái)中下部，主要功能為對上游來流水進(jìn)行沉渣降速。集水池采用下沉埋入式，底寬 26 m、長 100 m、深 3 m、頂寬 42 m、長118 m，四周面坡坡比1∶4，設(shè)計(jì)最大集水庫容為1.889×104m3，集水池四壁一底采用鋼筋混凝土襯砌。

5.3 導(dǎo)流堤和底格欄柵

為匯流上游流水，在集水池至左岸基巖斜坡間用開挖集水池基坑土石堆填碾壓形成導(dǎo)流堤，以攔截上游流水進(jìn)入集水池，導(dǎo)流堤長210 m、頂寬2.5 m，迎水側(cè)坡比 1∶2、背水側(cè)坡比1∶3。

為防止碎塊石進(jìn)入引水隧洞，在集水池下游側(cè)設(shè)4道天窗式底格欄柵(見圖7)，每道底格欄柵長70 m、寬2 m、格柵網(wǎng)用Φ20鋼筋焊接形成。底格欄柵透水面積可保證設(shè)計(jì)流量能順利進(jìn)入排水廊道。

6 效果分析

文家溝泥石流主要是因上游4.38km2匯水區(qū)降雨后匯聚的地表水在流經(jīng)主溝中游長1.3km的深切沖溝段時(shí)，對溝底進(jìn)行沖刷揭底下切、對兩側(cè)岸坡側(cè)蝕造成坍塌堵溝潰決進(jìn)而發(fā)生的。因此文家溝泥石流防治工程通過在遠(yuǎn)離物源區(qū)的1 300 m平臺(tái)中部修建攔截引水工程后使得上游來水體大部分通過引水隧洞排向鄰近的一號(hào)支溝、深切沖溝段僅有少量地表徑流甚至僅有地下水徑流，從而有效地避免泥石流再次發(fā)生。2011年汛期的幾場大暴雨對文家溝“水石分離”工程進(jìn)行了檢驗(yàn)，如7月3日的165mm降雨、7月4日的130mm降雨、8月19日的182.4mm，降雨文家溝都未爆發(fā)泥石流，上游來流水均順利從引水隧洞排向鄰近一號(hào)支溝，由此說明“水石分離”治理泥石流的方案是可行的。

圖6 文家溝上游引水隧洞斷面Fig.6 Section of the flow diversion tunnel in the upstream of Wenjiagou gully

圖7 上游引水工程集水池及底格欄柵縱斷面Fig.7 Longitudinal profile of the catch basin and screening grids of the flow diversion project

7 結(jié)論

泥石流治理工程應(yīng)根據(jù)各自的特點(diǎn)制定合適的治理措施，特別要針對泥石流成因三要素地形、物源、水源選擇治理措施，當(dāng)有條件控制上游水源時(shí)盡量針對水源采取控制工程，以達(dá)到在源頭控制泥石流產(chǎn)生的目的，這就是“水石分離”泥石流治理理念。在文家溝若能真正做好上游截水引流工程，達(dá)到“水石分離”，將能切實(shí)保證不再發(fā)生大型泥石流，達(dá)到泥石流治理的效果。

［1］DZ/T0220－2006，泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］.(DZ/T0220－2006，Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization［S］.(in Chinese))

［2］DZ/T0239－2004，泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(DZ/T0239－2004，Specification of Prevention Engineering Designs for Debris Flow［S］.(in Chinese))

［3］四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司.綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝“8·13”特大山洪泥石流災(zāi)害應(yīng)急勘查報(bào)告［R］.成都:四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司，2010.(Sichuan Geological Engineering Group.Report on the Emergent Investigation for the 8·13 Catastrophic Debris Flow at Wenjiagou，Qingping town，Mianzhu City［R］.Chengdu:Sichuan Geological Engineering Group，2010.(in Chinese))

［4］余 斌，馬 煜，吳雨夫.汶川地震后綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝泥石流災(zāi)害調(diào)查研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(6):827－836.(YU Bin，MA Yu，WU Yu-fu.Investigation of Severe Debris Flow Hazards in Wenjia Gully of Sichuan Province after the Wenchuan Earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，2010，18(6):827－836.(in Chinese))