人工階梯－深潭防治地震區(qū)泥石流的探索

漆力健，王兆印，黃華東，陳社鴻

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川雅安 625014;2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084;3.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

汶川地震引發(fā)了龍門山斷裂帶范圍內(nèi)大量的崩塌、滑坡、堰塞湖等次生山地災(zāi)害，給震區(qū)人民帶來慘重的災(zāi)難。在河谷、山坡上形成大量的松散堆積物，估算震區(qū)地震侵蝕總量超過50×108m3［1-4］;在震后的這幾年，在地震重災(zāi)區(qū)普遍暴發(fā)了泥石流，造成了新的人員傷亡和重建的基礎(chǔ)設(shè)施被毀，加重了災(zāi)情。汶川地震重災(zāi)區(qū)的泥石流活動(dòng)在震后5 a內(nèi)進(jìn)入極度活躍期，在今后10 a內(nèi)將處于高度活躍期，而且持續(xù)時(shí)間將達(dá)20～30 a［1-3］。在重災(zāi)區(qū)因?yàn)榈匦味盖停降叵∩?，無論現(xiàn)在還是將來，溝口兩側(cè)都是生產(chǎn)建設(shè)的首要選擇，而這些地方往往又是泥石流威脅最大的區(qū)域。2008年至今，重災(zāi)區(qū)許多建在溝口的居民安置點(diǎn)都面臨泥石流的威脅，如綿竹清平、安縣高川的多處安置點(diǎn)多次遭受泥石流破壞。為了保障震區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和重要設(shè)施的安全，對(duì)泥石流進(jìn)行及時(shí)防治是非常必要的，地震泥石流需要比一般情況下的泥石流治理投入十倍以上的資金。文家溝泥石流在2010年第一次按照常規(guī)方法治理時(shí)投入2000萬元，當(dāng)年治理工程就完全損毀，后投入2.6億元進(jìn)行高強(qiáng)度治理才見成效。對(duì)于危害性一般的眾多泥石流溝，如果都進(jìn)行高強(qiáng)度治理，一方面需要投入巨額資金，再者治理工程的修建時(shí)間也要很長，兩方面的困難就需要尋找新的快速防治泥石流的方法。

階梯-深潭系統(tǒng)是山區(qū)河流常見的一種微地貌形態(tài)，階梯與深潭交替出現(xiàn)，河床縱向呈現(xiàn)一系列階梯狀。階梯由大石塊構(gòu)成，高度從20cm到幾米不等。階梯-深潭系統(tǒng)在四川的山區(qū)河流中分布很普遍。階梯-深潭的形成是河床在水流的強(qiáng)烈沖刷下，在縱向上的不斷調(diào)整形態(tài)以增大水流阻力、消耗水流能量的目的，最終達(dá)到穩(wěn)定的過程。研究發(fā)現(xiàn)階梯-深潭系統(tǒng)有助于加劇水流漩滾和紊動(dòng)，對(duì)水流消能起很好的作用［5-6］。人工階梯-深潭系統(tǒng)在國外已被應(yīng)用于控制山區(qū)河流的侵蝕下切，在維持河床穩(wěn)定和改善生態(tài)上取得了顯著成效［7-10］，但還沒有應(yīng)用于泥石流治理，尤其是地震區(qū)泥石流的防治。本文選擇5.12地震極重災(zāi)區(qū)的綿竹文家溝巨型滑坡體上進(jìn)行人工階梯-深潭治理泥石流的野外實(shí)驗(yàn)，希望能為震區(qū)泥石流治理提供一種新思路。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)

文家溝位于“5.12”地震極重災(zāi)區(qū)綿竹清平鄉(xiāng)境內(nèi)，是綿遠(yuǎn)河左岸的一條支溝，總長2.9 km，流域面積7.8 km2(圖1)。流域范圍屬構(gòu)造侵蝕低—中山地貌、斜坡沖溝地形。溝口最低點(diǎn)海拔890 m，源頭分水嶺處最高點(diǎn)頂子崖的海拔標(biāo)高2402m，相對(duì)高差超過1500m。該地區(qū)處于四川著名的鹿頭山暴雨中心區(qū)，多年平均降雨量1514 mm，多年24 h最大降雨量平均值160 mm，最大日降雨量496.5mm，小時(shí)最大降雨量49.8mm。降雨集中在6～9月，降雨量占全年80%以上。震前流域內(nèi)植被茂密，景色秀麗，是一處原生態(tài)的旅游勝地，從未發(fā)生過泥石流。

滑坡發(fā)生區(qū)的構(gòu)造位置位于龍門山斷裂帶之中央斷裂(映秀-北川斷裂)的南東側(cè)(下盤)3.5km處。區(qū)內(nèi)出露地層主要為古生界細(xì)碎屑巖、碳酸鹽巖?；麦w為石炭系總長溝組上部的厚大碳酸鹽巖巖層，巖性較為單一。

圖1 文家溝滑坡體及地震前后的溝谷變化Fig.1 Wenjiagou landslide deposit and old and new Wenjiagou channels

“5.12”地震主震發(fā)生期間，文家溝溝源頂內(nèi)，滑行的水平距離約1 300 m，滑坡體落地后以彈躍步進(jìn)的方式迅速運(yùn)行到溝口，總體運(yùn)行距離超過3 000 m，在溝谷內(nèi)形成的堆積體呈臺(tái)階狀展布?；滦纬傻乃缮⒍逊e物方量約8160×104m3，將文家溝由源頭到溝口溝床填高20～180 m不等(圖2)。滑坡堆積體的物質(zhì)組成主要為石炭系總長溝組的生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，夾少量細(xì)碎屑巖，巖性較為單一。文家溝大型滑坡體堆積物的粒度垂向分布具有上粗下細(xì)的特征，地表以粒徑為0.5～1 m的巖塊為主。

圖2 文家溝地震前后深泓線及堆積體縱剖面Fig.2 Bed profiles of the old and new Wenjiagou channels and the landslide deposit in 2008

2008年震后至當(dāng)年9月中旬，文家溝在日降雨量超過30 mm/d時(shí)就會(huì)發(fā)生泥石流。9月24日降雨量達(dá)88mm，暴發(fā)大規(guī)模的泥石流，在松散堆積體右側(cè)形成一條貫穿滑坡體的沖溝，約有90×104m3的泥石流將綿遠(yuǎn)河完全堵塞，將河床抬高3～10 m。新發(fā)育的沖溝匯水面積約4.50 km2、長度1.80 km;溝床平均坡降為188‰，溝內(nèi)平時(shí)沒有水流。溝谷呈V型，下切最深超過50 m(圖3)。上游段溝床平均坡降約311‰，沖溝邊坡坡度多在40°～50°，最陡處超過80°。

圖3 文家溝滑坡體上游深切的泥石流溝Fig.3 New Wengjiagou gully developed during debris flows on the landslide deposit

根據(jù)2008年9月24日泥石流目擊者的描述，泥石流發(fā)生時(shí)在較遠(yuǎn)處都能感覺到震動(dòng)很大，龍頭流速在1～2 m/s。當(dāng)泥石流在地勢(shì)較平處停止時(shí)，水流會(huì)以約5 m/s的速度流出?？梢娨合嗪凸滔嘀g存在明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，泥石流頭部運(yùn)動(dòng)阻力很大。取泥石流堆積物配制四個(gè)泥石流樣品，并請(qǐng)泥石流目擊者判定，測(cè)得泥石流容重為2.10～2.27×103t/m3。泥石流的固體物質(zhì)以石塊為主，粒徑0.5 mm以下的黏土和砂土不到6%。從以上的調(diào)查結(jié)果表明，文家溝的泥石流在地震后的初期具有高容重、慢速、兩相流的特點(diǎn)［10］。這種泥石流一般情況下對(duì)人畜危害不大，但因?qū)涤陱?qiáng)度要求很低，發(fā)生頻率高。

2 野外實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇文家溝滑坡體主沖溝上游段，長約450 m。選擇此段的目的是從源頭抑制泥石流形成。泥石流起動(dòng)之初的規(guī)模小，破壞性不強(qiáng)，若在起動(dòng)階段將觸發(fā)泥石流的水流能量消耗，則可以避免泥石流災(zāi)害［11］。

人工階梯-深潭系統(tǒng)構(gòu)筑簡單，所需材料較少，自重小，結(jié)構(gòu)上具有一定的自我調(diào)整能力，能夠適應(yīng)松散堆積體的沉降密實(shí)過程。階梯按疊瓦形式布置，在平面形態(tài)上布置成反拱形以提高整體的穩(wěn)定性(圖4)。人工階梯高度和階梯間距參照經(jīng)驗(yàn)式布置［12］:

式中:H——階梯高度;

L——階梯之間的距離;

J——河床坡降。

圖4 階梯－深潭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch map of step-pool systems

2009年05月進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的施工，以溝谷原有的散布大石頭和從兩側(cè)堆積體頂部人工撬落的大石頭為主，根據(jù)溝谷地形構(gòu)筑階梯，共布置33級(jí)階梯結(jié)構(gòu)(圖5(a))，階梯高度一般在1～2.5m，階梯間距離在10～15m，并在彎道處壘了高1m多的石塊護(hù)坡避免邊坡底部淘蝕，溝床床質(zhì)顆粒較細(xì)位置設(shè)置鐵石籠護(hù)坦。采用電子經(jīng)緯儀對(duì)修筑人工階梯前后及汛期前后的縱剖面和橫斷面進(jìn)行測(cè)量。精度為0.1mm的自記雨量計(jì)(JFZ-01)安放在文家溝溝口左側(cè)的居民樓頂。

圖5 文家溝的階梯－深潭結(jié)構(gòu)Fig.5 Artificial step-pool systems construction in wenjiagou

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在2009年6月28日43 mm的降雨和其后另外兩次20mm左右的降雨，上游來水的能量被階梯-深潭系統(tǒng)耗散，速度降低，攜帶的沙石沉積在深潭段(圖5(b))。7月17日和9月8日日降雨量大于90 mm，均超過2008年9月24日發(fā)生大型泥石流的最大降雨量。7月17日在試驗(yàn)段右側(cè)山體與滑坡體交界處的支溝暴發(fā)小規(guī)模泥石流沖入實(shí)驗(yàn)段的中游位置，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)段下游近一半階梯結(jié)構(gòu)被破壞，溝谷溯源下切，引起邊坡垮塌，溝谷擴(kuò)寬。而上游的階梯-深潭結(jié)構(gòu)基本上保持穩(wěn)定，而且邊坡沒有受到影響。這表明穩(wěn)固的階梯-深潭系統(tǒng)能夠有效阻止溝床下切，從而穩(wěn)定溝谷邊坡，并且提升了泥石流暴發(fā)的降雨量臨界值。

經(jīng)歷2009年各次降雨后，第12級(jí)以上階梯-深潭結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，溝谷的變化主要為淤積(圖6(a))。在第22級(jí)下游的部分則在失去階梯結(jié)構(gòu)的保護(hù)后，每次25 mm/d以上的降雨都會(huì)引起明顯的沖淤變化(圖6(b))，溝床在整體上表現(xiàn)為下切。雖然在下游河道內(nèi)也還有一些1～2m粒徑大石頭，但是沒有形成階梯結(jié)構(gòu)，孤立石頭難以對(duì)水流起到足夠的消能抗沖刷作用。這些情況表明階梯-深潭作為一個(gè)整體性的消能結(jié)構(gòu)有利于溝床穩(wěn)定。

圖6 階梯－深潭系統(tǒng)的溝段縱剖面變化圖Fig.6 Comparison of bed profile in different periods after the artificial step-pools finished in 2009

震后2008年期間文家溝暴發(fā)的幾次泥石流，以9月24日(降雨量88mm/d)的泥石流規(guī)模為最大，導(dǎo)致清平鄉(xiāng)再次受災(zāi)。而在2009年，只在7月17日(降雨量91.2 mm/d)出現(xiàn)一次小規(guī)模的泥石流，約1×104m3，停留在溝內(nèi)，對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳钌a(chǎn)沒有產(chǎn)生不利影響。下游段階梯結(jié)構(gòu)的毀壞，在強(qiáng)降雨時(shí)此區(qū)域已難以抑制泥石流的形成。上游段的階梯則是起到了增阻消能的作用，上游區(qū)域泥石流暴發(fā)的可能性得以抑制。后來對(duì)損壞的階梯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)加固，在2009年9月8日降雨量達(dá)到96 mm時(shí)，沒有暴發(fā)泥石流。在文家溝，2008年幾乎在降雨量超過30mm/d時(shí)都會(huì)暴發(fā)泥石流。理論分析也表明:在階梯-深潭系統(tǒng)構(gòu)筑后，文家溝激發(fā)泥石流的降雨量需提高到原來的3倍以上［13］。

而對(duì)文家溝附近區(qū)域的調(diào)查顯示:在距離文家溝7 km的范圍內(nèi)，有5條2008年發(fā)生規(guī)模較大的泥石流的沖溝，其中4條均在2009年暴發(fā)了泥石流，沒有暴發(fā)泥石流的南天門溝主要原因是在溝內(nèi)已自然發(fā)育出穩(wěn)固的階梯-深潭結(jié)構(gòu)。文家溝下游的小崗劍泥石流在2009年3次長時(shí)間阻斷清平鄉(xiāng)與外界聯(lián)系的唯一通道，至今仍然每年在汛期多次堵斷交通。上游的黑洞巖、雍家溝均在2009年7月、9月間暴發(fā)泥石流，每次出溝的物質(zhì)均在10×104m3以上，阻斷公路和綿遠(yuǎn)河，致使當(dāng)?shù)貏倓偦謴?fù)生產(chǎn)的礦井陷入停頓。從時(shí)間還是空間上對(duì)比都表明:階梯-深潭系統(tǒng)控制泥石流和維護(hù)河道穩(wěn)定的作用非常明顯。

在野外試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)文家溝的右支溝內(nèi)天然形成的階梯-深潭系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查，以更深入了解階梯-深潭的特性。根據(jù)對(duì)典型天然階梯-深潭的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同流量下的數(shù)值模擬。模擬采用κ-ε紊流模型，用有限體積法對(duì)偏微分方程組進(jìn)行離散，壓力和速度的耦合采用收斂性較好的SIMPLE法;對(duì)于水氣交界自由面采用VOF方法追蹤模擬。上游的邊界條件根據(jù)實(shí)測(cè)值給定，在出流邊界上給定壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮旱某隽鳁l件，在固壁上給定法向的速度為零和無滑移條件，近壁的黏性底層采用壁函數(shù)法處理。

實(shí)測(cè)流量為Q=0.02m3/s。還模擬了其他三種工況的情況，即Q=0.10m3/s，Q=0.20m3/s以及Q=0.40m3/s。模擬結(jié)果顯示(圖7)，水流觸潭區(qū)有明顯的水躍漩滾出現(xiàn)。小流量情形下水平面和縱剖面上環(huán)流非常明顯，環(huán)流幾乎涉及整個(gè)深潭的范圍，使得來流與潭內(nèi)水體充分接觸，極大的提高了消能效率。天然階梯-深潭結(jié)構(gòu)是在某一次洪水過程中形成，在形成后的相對(duì)小流量條件下，有一定自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，從而使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，流速分布合理，保證高效的能量耗散及河床的進(jìn)一步穩(wěn)定。階梯深潭的出現(xiàn)使河床的縱剖面上變得更加曲折，促進(jìn)了河床阻力升高［13］。

單位時(shí)間內(nèi)單位重量水體的勢(shì)能耗散率可以用下式表達(dá)［14］:

圖7 水平剖面流速矢量圖Fig.7 Velocity vector of horizontal cross section

式中:y——河段高差(圖4);

t——時(shí)間;

x——河段長度;

V——平均流速;

J——河流比降。

相比于沒有形成河床結(jié)構(gòu)的同一河道，階梯-深潭系統(tǒng)發(fā)育的河道中的河段長度會(huì)有明顯的增加，大者可達(dá)30%以上［13］，而且水流在深潭內(nèi)形成水躍，此過程中水體混摻進(jìn)入大量的氣泡，水流的劇烈紊動(dòng)以及環(huán)流作用，大量的水流能量得以耗散，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果表明消能率最高可達(dá)97%，即使在大流量時(shí)也在83%以上。同時(shí)增大了水流滯留潭內(nèi)的時(shí)間，使得出潭的水流流速與入潭流速相比顯著降低，也使得整個(gè)河段的平均流速下降。這樣，式(2)中的V和J都會(huì)大幅減小，使得階梯-深潭系統(tǒng)發(fā)育良好的河流系統(tǒng)能夠接近甚至達(dá)到最小單位能量耗散率V·J=min的條件;即階梯深潭發(fā)育的情況下河流系統(tǒng)將更易趨于或達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，可以提升河流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在“5.12”地震前，震區(qū)內(nèi)的河流大多處于或接近于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，地震的強(qiáng)烈破壞帶來大量的松散物質(zhì)，河流系統(tǒng)的原有穩(wěn)定性失去。從這種新的不穩(wěn)定狀態(tài)重新達(dá)到穩(wěn)定，如果完全依靠河流系統(tǒng)的自我調(diào)整可能需要很長的時(shí)間。許多侵蝕下切的山區(qū)河流沒有發(fā)育或者需要很長時(shí)間才能發(fā)育出良好的階梯-深潭系統(tǒng)。在震區(qū)河流重新穩(wěn)定的過程中，通過構(gòu)筑人工階梯-深潭系統(tǒng)加速其穩(wěn)定的進(jìn)程，對(duì)減少災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。

另一方面，通過四個(gè)工況的數(shù)值模擬結(jié)果看到，隨著流量的增大，階梯-深潭的水流消能率出現(xiàn)明顯下降(圖8)。同時(shí)由圖7看到，在同一深潭內(nèi)大流量時(shí)的流態(tài)與小流量時(shí)有較大的不同，小流量時(shí)的流場具有多個(gè)完整的漩渦存在，充分混摻消能后出口水流流態(tài)平順;大流量時(shí)，雖然水體的混摻表現(xiàn)更為強(qiáng)烈，但是水流的余能較大，出口水流流速和紊動(dòng)較大。雖然階梯-深潭保持著很高的消能率(圖8)，但當(dāng)流量增加至最小流量的20倍時(shí)，相應(yīng)的出口余能的比例也相應(yīng)增加6倍，將對(duì)下游河道穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。流量增加，水流平均流速增大，單位重量水體的能耗率(V·J)值將隨之增大，偏離平衡狀態(tài)越遠(yuǎn);當(dāng)偏離穩(wěn)定值太多，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)失去穩(wěn)定性質(zhì)，過渡到一個(gè)完全不同的狀態(tài)［15］。對(duì)于階梯-深潭系統(tǒng)來說，就相當(dāng)于大量的水流能量難以耗散時(shí)，出口流速增大，最終會(huì)導(dǎo)致階梯-深潭的破壞;而結(jié)構(gòu)破壞后，河道的消能率進(jìn)一步降低，進(jìn)入下游的水流能量增加，整個(gè)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)也會(huì)打破。當(dāng)消能率降低到一定程度時(shí)，可能引起下游連續(xù)性沖刷破壞，河床阻力隨之減小很多，甚至溯源下切導(dǎo)致階梯深潭系統(tǒng)的整體破壞(圖6(b))，最后階梯-深潭系統(tǒng)遭受嚴(yán)重沖刷而消失，更嚴(yán)重可能引起泥石流的暴發(fā)。2009年7月文家溝人工階梯-深潭系統(tǒng)的下游部分被破壞即是如此。

圖8 階梯深潭消能率與流量關(guān)系Fig.8 The relationship between energy dissipation ratio and discharge in step-pool

本次實(shí)驗(yàn)的歷時(shí)較短，實(shí)驗(yàn)治理范圍僅限于溝道的上游，當(dāng)受到其他區(qū)域的水流能量匯入影響或發(fā)生高強(qiáng)度降雨，超出階梯-深潭結(jié)構(gòu)所能夠承受的能力時(shí)，可能導(dǎo)致下游段部分的階梯-深潭被破壞，這對(duì)利用人工階梯-深潭系統(tǒng)治理震區(qū)泥石流方法提出了值得探討的問題。由于治理的溝道還可能會(huì)受到流域內(nèi)其他無防治措施區(qū)域的不利影響，因而需從流域整體上治理泥石流才可能獲得最好的效果。在很多地方廣泛運(yùn)用攔擋壩防治泥石流，作為整體性和堅(jiān)固性更高的攔擋壩可以攔淤部分泥沙，抬高侵蝕基準(zhǔn)面，減少邊坡的垮塌，而階梯-深潭則將水流能量耗散以保護(hù)溝床不被下切。將階梯-深潭系統(tǒng)與壩高較低的攔擋壩綜合運(yùn)用，在流域內(nèi)將二者合理的布置，提升防治工程的減災(zāi)能力和自身的穩(wěn)定性，將會(huì)更有效的發(fā)揮階梯-深潭控制泥石流的作用。

基于消能的思路防治泥石流，是一種有效的減災(zāi)措施［13，16-18］。在這一方面的研究尚少，如何量化階梯-深潭結(jié)構(gòu)各參數(shù)，將人工階梯-深潭系統(tǒng)治理泥石流溝的方法運(yùn)用于實(shí)際工程治理中，還需要進(jìn)行更多的野外試驗(yàn)以及增加試驗(yàn)時(shí)間的跨度，繼續(xù)深入探索。

4 結(jié)論

2009年文家溝野外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:模擬山區(qū)河流中自然發(fā)育的階梯-深潭結(jié)構(gòu)治理震區(qū)泥石流，所需材料較少，施工時(shí)間短，結(jié)構(gòu)上具有一定的自我調(diào)整能力，對(duì)控制和減輕泥石流災(zāi)害的效果明顯，人工階梯-深潭系統(tǒng)是一種值得繼續(xù)探索的治理震區(qū)泥石流的新方法。階梯-深潭的出現(xiàn)增加了河床阻力，具有高效的消能作用，人工階梯-深潭系統(tǒng)可以有效阻止河床下切侵蝕并穩(wěn)定滑坡堆積體。階梯-深潭系統(tǒng)發(fā)育的河流可以提升河流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在震區(qū)小流域恢復(fù)穩(wěn)定的過程中，通過構(gòu)筑人工階梯-深潭系統(tǒng)加速泥石流溝谷穩(wěn)定的進(jìn)程，對(duì)減少災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。階梯-深潭系統(tǒng)高效消能，但相對(duì)松散，堅(jiān)固的攔擋壩可固床護(hù)坡，將二者綜合運(yùn)用于受到地震影響的泥石流溝可能會(huì)具有更好的防治效果。

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