人工階梯
—深潭對泥石流消能作用研究

張　猛

(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司，哈爾濱 150036)

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人工階梯
—深潭對泥石流消能作用研究

張猛

(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司，哈爾濱 150036)

摘要：大坡度陡峭山谷中發(fā)育的階梯—深潭是一種泥沙成分豐富的常見地質(zhì)地貌形態(tài)，多存在水資源豐富的地區(qū)。國外已經(jīng)開始對階梯—深潭進(jìn)行研究，并且利用其對泥石流進(jìn)行治理，都取得了比較好的治理效果和經(jīng)驗。階梯—深潭在國內(nèi)治理工程和實驗也說明其對泥石流巨大的消能作用，對泥石流治理具有比較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：階梯—深潭；泥石流；消能；工程措施；工程設(shè)計

0引言

目前泥石流治理施工方案中多是基于順理物源通道、降低充足物源積累上。工程設(shè)計整齊劃一使施工工程達(dá)到設(shè)計效果，改變了自然力的河床、河岸狀態(tài)。由于泥石流是復(fù)雜地質(zhì)體，泥石流治理有一定的成功率，同時失敗的情況也存在，多次發(fā)生泥石流治理成功率不高。從根源上講，泥石流現(xiàn)象是水系發(fā)展到一定程度而產(chǎn)生的現(xiàn)象。水系的特征和泥石流的特征具有相似性[1]。研究泥石流的水系情況能夠反映出泥石流的發(fā)育情況和活動狀態(tài)。

1階梯—深潭試驗

1.1國內(nèi)研究成果

中國是階梯—深潭發(fā)育比較良好河流眾多水資源豐沛的國家。山區(qū)河床在暴雨作用下岸坡失穩(wěn)，侵蝕下切，溝坡增大，常常引發(fā)泥石流災(zāi)害。階梯—深潭對河床自發(fā)性調(diào)整，使急流和緩流交替，能減輕對河床的強烈沖擊,對泥石流控制有巨大作用。自2006年開始，清華大學(xué)課題組模仿建造階梯—深潭對泥石流進(jìn)行治理研究，先后開展云南東川市吊嘎河(小江流域支流)人工階梯—深潭試驗，四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝滑坡堆積體泥石流治理試驗，甘肅省禮縣攔山溝泥石流治理試驗，取得了比較顯著的野外試驗研究成果。研究表明人工階梯—深潭消減巨大水流能量，取得水沙分離、沙石沉積，控制溝床下切效果，避免了泥石流災(zāi)害的發(fā)生。

1.2階梯—深潭理論

階梯—深潭是河流流經(jīng)陡峭而狹長山區(qū)，由于重力作用與流動方向成90°垂向上不斷拍動沖擊河床，在地貌上呈現(xiàn)高度20 cm到幾米不等階梯狀。階梯—深潭形成經(jīng)歷粗化層階段、河床起伏階段、鵝卵石凸現(xiàn)階段，在河水的沖刷下，松散堆積體逐漸沉降密實，階梯和深潭相間結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定呈現(xiàn)天然狀態(tài)。

階梯消能作用占據(jù)主導(dǎo)，深潭90%以上消能效果與階梯的高度有關(guān)，深潭消能作用隨著流量增加而增加。階梯階段的水流運動形態(tài)分為跌落水流和滑行水流。其勢能轉(zhuǎn)化成動能產(chǎn)生紊動和摻氣，在深潭處達(dá)到最大。水躍后動能轉(zhuǎn)化成紊動能至最大，漩渦將其分解為熱能。深潭消能階段為水躍主流區(qū)、漩渦區(qū)、交界區(qū)。幾何形態(tài)和水流條件共同影響階梯—深潭消能率。圖1是階梯—深潭能量轉(zhuǎn)化圖。

2人工階梯—深潭

2.1自然環(huán)境下的階梯—深潭

具有高效消能作用的階梯—深潭地貌是基于河水作用和河道走勢而形成的自然現(xiàn)象。卵石和巨石組成階梯，深潭中含有細(xì)沙，粗沙、少量礫石，河道垂向上呈現(xiàn)階梯狀。河流河谷的寬度限制了河水橫向調(diào)整。

階梯—深潭自發(fā)性對河床垂直方向上調(diào)整，使急流和緩流交替，能減輕對河床的強烈沖擊。一塊塊巨石構(gòu)成階梯框架，粗大泥沙顆粒受到巨石阻隔堆積在巨石旁邊和巨石共同構(gòu)成階梯。只有很大洪水下才能破壞泥沙顆粒堆積狀態(tài)，不穩(wěn)定階梯瓦解之后，可以在下一級階梯堆積后形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在自然條件下，泥石流輸送沙石能力逐漸減弱的過程，同階梯—深潭具有很大相似性。

人工階梯依據(jù)地形地貌在泥石流發(fā)育的上游進(jìn)行控制[2]。

圖1　階梯—深潭能量轉(zhuǎn)化圖

2.2人工階梯—深潭

東江上游野趣溝、長江上游小江支流深溝和黑水河、岷江支流皮條河、嘉陵江上游九寨溝、貴州清水河都有發(fā)育比較好的階梯—深潭，經(jīng)過試驗檢測階梯—深潭能使溝道面阻力增大，激發(fā)泥石流的水量相當(dāng)于原來的3倍，比較好的控制了河床下切，減弱泥沙運送能力。人工階梯—深潭是主動對泥石流滑行過程進(jìn)行控制。泥石流施工治理設(shè)計的非標(biāo)準(zhǔn)性，要求根據(jù)不同類型的情況，進(jìn)行不同設(shè)計。實際上，泥石流在起動之初，規(guī)模不大，破壞性不強，若在開始起動階段將泥石流的能量消耗殆盡，則可以避免泥石流災(zāi)害[3]。

面對復(fù)雜的泥石流地質(zhì)體，隨機性比較大，排導(dǎo)工程設(shè)計是一種風(fēng)險性設(shè)計，將模擬階梯—深潭消能設(shè)計引入，作為排導(dǎo)工程的配套工程，將充分提高排導(dǎo)工程的穩(wěn)固性。其中，侵蝕型泥石流能在運動過程中不斷集聚能量，對下游造成更大的破壞。人工階梯能量消散目的是通過消耗水流能量使得水流所具備的能量低于觸發(fā)泥石流的臨界值。

模仿階梯—深潭進(jìn)行布設(shè)人工階梯應(yīng)該在縱向上按照疊瓦式布置以保持穩(wěn)定性，在水平面上按照反拱型態(tài)布設(shè)，石塊之間交叉互疊堆積，形成一個整體。

3工程施工

3.1常見工程措施

目前泥石流治理思想：通過攔渣壩等泥石流啟動過程中重要節(jié)點工程，實現(xiàn)對泥石流的控制。有側(cè)重引水截水消減水力能量的治水方案；有側(cè)重支護工程、攔砂壩等加固穩(wěn)定土體的固土方案；有使泥石流順暢下排的排導(dǎo)措施；有設(shè)置停淤場堵停措施；有封山育林的封閉修養(yǎng)措施。施工設(shè)計上治理措施集中在攔排及過境疏導(dǎo)方面，國內(nèi)有很多用攔擋壩成功實例[4]。

3.2人工階梯—深潭引入工程設(shè)計

合理利用地形地貌自然資源，因地制宜借鑒階梯—深潭消能結(jié)構(gòu)，將消能原理和疏導(dǎo)原理結(jié)合是泥石流治理的有效途徑?？刂颇嗍魃嫌蔚娜斯るA梯的數(shù)量、高度及深潭深度的工程設(shè)計要盡可能利用地形地貌，采用耐磨、高強度材料建造。其和攔砂壩、擋土墻、樁群等常見攔擋工程措施組合。攔渣壩等提高侵蝕基準(zhǔn)面，階梯—深潭消減泥石流的啟動和加速，保證河床不下切，堆積物停留在上游，減小對下游的破壞。客觀上還可以保持良好的生態(tài)景觀。

4結(jié)論

人工階梯—深潭具有保護岸坡，防止溝谷下切，有效地消減水能，減少了泥石流對下游地區(qū)破壞，對攔渣壩等攔排工程起到保護作用；使觸發(fā)泥石流的水量降低和常見工程措施結(jié)合后，獲得良好生態(tài)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張康,王兆印,賈艷紅,李志威.應(yīng)用人工階梯-深潭系統(tǒng)治理泥石流溝的嘗試[J].長江流域資源與環(huán)境，2012(04)：25-26.

[2]王兆印,漆力健,王旭昭.消能結(jié)構(gòu)防治泥石流研究—以文家溝為例[J].水利學(xué)報，2012(03)：89-90.

[3]張康,王兆印,余國安,韓魯杰.城市泥石流溝的治理啟示—以深溝為例[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011(12)：102-104.

[4]李文哲,王兆印,李志威.階梯-深潭系統(tǒng)消能研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2014(03)：56-58.

中圖分類號：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

[作者簡介]張猛(1979-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。

[收稿日期]2016-02-05

文章編號：1007-7596(2016)03-0023-02