燒房溝滑坡型泥石流工程治理及效果分析*

卜祥航　唐　川　屈永平　?！▲Q　程　霄

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室( 成都理工大學) 成都610059)

燒房溝滑坡型泥石流工程治理及效果分析*

卜祥航唐川屈永平常鳴程霄

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室( 成都理工大學) 成都610059)

摘要國內對泥石流治理措施谷坊壩、格柵壩的作用和效果研究較多，而對滑坡型泥石流的綜合治理措施和效果研究較少。2010.8.14強降雨過程導致汶川震區(qū)映秀鎮(zhèn)燒房溝滑坡型泥石流暴發(fā)，通過分析其運動過程和現狀溝道特征，結合滑坡堵點和溝道深切的特點，治理工程采用“防堵防切”綜合工程結構形式：“上游谷防群+中游抗滑樁、擋土板和肋板護腳護底+下游3座格柵壩+渡槽明洞跨越G213”，并分析各分項工程作用：“減弱龍頭動能”+控制LS01堵點、保護“鞋尖”+“攔粗放細”、“順暢排導”。最后利用“2010.8.14”與“2013.7.10”的歷史降雨量和固體參與量對比、工程治理前后動儲量對比和各分項工程治理前后的溝道特點對比，驗證了燒房溝滑坡型泥石流綜合治理工程的效果良好。為今后震區(qū)滑坡型泥石流工程防治提供參考。

關鍵詞滑坡型泥石流堰塞體工程治理效果分析汶川地震燒房溝

0引言

滑坡和泥石流的關系緊密，一定條件下，滑坡可以直接轉化為泥石流(Vallanceetal.，1997)?；滦湍嗍骺纱笾路譃?種情況(李樹德， 1998)： ①滑坡體物質松散，含水量高，滑動過程中迅速轉化為泥石流，如鄧欠河、標水巖滑坡型泥石流(謝洪等， 2000)； ②滑坡體失穩(wěn)，遇水拌和，形成泥石流，如曼蚌河、冒殼子、劉家堡、白梅埡、老熊洞滑坡型泥石流(李樹德， 1998； 張開平等， 2003； 馬超等， 2013)； ③滑坡體堵塞溝道，堵點潰決形成泥石流。滑坡型泥石流兼具滑坡和泥石流的一些特征，具有超強度高速輸移泥沙石塊的能力(李天池等， 1980)。2010年8月14日，燒房溝暴發(fā)特大泥石流，物源主要來自溝道右岸的LS01滑坡。沖出泥石流固體物質約25×104m3，其中約20×104m3堵塞岷江，形成平均高約1.5m的堰塞體，下游映秀鎮(zhèn)居民受到威脅。同時溝口G213國道明洞被掩埋，導致G213國道生命線交通完全中斷。根據災后調查，燒房溝泥石流有如下特征：溝內LS01滑坡堆積體松散且動儲量很大，極易再次形成潛在堵點； 泥石流運動過程中下切最大深度達19m左右，且溝道坡降較大； 其運動模式為：高速短程滑坡→溝道堰塞體→堰塞體潰決→泥石流流量“瞬時放大”。

汶川大地震對山體造成了嚴重破壞，龍門山斷裂帶范圍內因頻繁而強烈的余震產生了大量的崩塌、滑坡等。唐川預測汶川強震區(qū)至少在近10a內，滑坡和泥石流活動趨勢是強烈的(唐川， 2010)。因此，地震災區(qū)泥石流災害將會日益突出，震區(qū)居民生命、財產安全時刻受到威脅。

采取何種有效措施防治泥石流值得探討。通常的泥石流工程措施主要有谷坊、格柵壩、截流溝、擋土墻、調洪水庫等(曾慶利等， 2005)。國內對谷坊壩、格柵壩的作用及治理效果研究很多(高守義等， 1998； 曾慶利等， 2005； 周海波等， 2012； 陳寧生等， 2013)，而對滑坡型泥石流的綜合治理措施及效果的研究，確少之又少。為彌補研究的不足，本文分析了燒房溝滑坡型泥石流的運動過程、溝道特征，重點研究“防堵防切”綜合工程結構的治理措施作用及達到的效果，為今后類似治理工程提供一定參考。

1流域特征

燒房溝位于映秀鎮(zhèn)東北側，岷江左岸。溝域面積0.61km2，相對高差1014m，主溝縱長1.58km，主溝平均縱坡降約464.97‰。溝域形態(tài)呈“柳葉”狀，溝谷呈不對稱深切“V”型，溝口狹窄，兩岸坡度30°～80°。

映秀—北川斷裂帶的上盤在距斷層 10km范圍內是一個地震地質災害強發(fā)育區(qū)(唐川等， 2011)，而燒房溝處于斷裂上盤約500m處。山脊部位因“高程放大效應”，大量滑坡直接被產生(王濤等， 2010)。受以上兩種效應疊加影響，燒房溝溝域內崩滑體發(fā)育，且位于溝內右岸LS01滑坡是典型的地震作用下的高速滑坡。

LS01滑坡平面形態(tài)近似“長靴”狀，主滑方向約196°?；麦w順坡長約480m，平均寬約200m，后緣最高點高程1544m，前緣最低高程983m。該滑坡為基巖滑坡，滑床為澂江晉寧組花崗巖，滑面形態(tài)呈折線形，滑坡厚度10～25m，總方量約204.3×104m3，該滑坡整體下滑并嚴重堵塞溝道 (圖1)。LS01滑坡堰塞體潰決導致燒房溝泥石流災害流量“瞬時放大效應”。

圖1　LS01滑坡地質剖面Fig.1　Geological profile of LS01

此外，根據等值摩擦系數(K)法(羅剛， 2010)將LS01滑坡判斷為短程滑坡。

K=H/L=182/244=0.75>0.6

式中，H為滑體重心垂直位移(m)； L為滑體重心水平位移(m)； K<0.6視為遠程滑坡，其余可視為短程滑坡。

2泥石流運動過程及現狀溝道特征

2.1泥石流運動過程分析

燒房溝滑坡型泥石流運動過程如下： ①LS01滑坡體前緣剪切、后緣拉裂→高速下滑、對岸碰撞→后緣邊坡坐落下滑→堰塞堵溝； ②溯源侵蝕、沖刷刨蝕→流體擠壓、掏刷、淤積→堰塞體潰決→混合裹挾(劉傳正， 2012)。

圖2　8.14泥石流后燒房溝流域物源分布圖Fig.2　Source distribution after debris flow event at Shaofang gully

90%以上的堰塞體，與地震誘發(fā)形成的高速滑坡有關(胡卸文等， 2009)。 “5·12” 地震作用下LS01滑坡后緣拉裂，中部順層滑移，前緣剪斷鎖固段，滑面貫通，形成滑坡； 滑坡體高速下滑，且滑體中后部提供推力，使其快速碰撞正對面溝道左岸山體； 滑坡體受阻停止滑動并與溝道內短程堆積堵塞溝道。

“8·14”強降雨作用下，燒房溝陡峻基巖流域溝道不斷匯水形成山洪，強烈刨蝕、下切主溝上游物源，在到達中游堰塞體前已形成強動能流體。強動能流體一部分沿堰塞體左岸狹窄沖溝下泄擠壓并掏刷堰塞體，其余的流體則不斷沖擊堰塞體，受阻擋后淤積。另外快速的強降雨加速了堰塞體力學性質的降低。以上因素綜合作用下堰塞體不堪重負而潰決，隨后上方的滑坡體物源大量加入到泥石流活動中，最終泥石流洪峰流量瞬時放大。隨之而來的是，高強度的溝床侵蝕和物質被搬運，迫使溝道被不斷切深拓寬，固體物質被流體“滾雪球”般迅速混合裹挾，短時間泥石流規(guī)模便得到擴大。

2.2現狀條件下泥石流溝道特征分析

物源條件上，強震作用下泥石流流域的松散固體物源量大大增加，這是汶川震區(qū)泥石流爆發(fā)最為顯著的先決條件(唐川等， 2009)?！?·12”地震后燒房溝內物源總量約達251.9×104m3，“8·14”泥石流爆發(fā)時，啟動物源量約25×104m3，僅啟動了約10%的物源量。“8·14”泥石流后，溝內物源類型、數量及方量均發(fā)生了一定變化，各物源全部或部分參與泥石流運動，一些物源則轉變物源類型。然而燒房溝流域內剩余的物源量仍然巨大，約223.91×104m3，動儲量約54.7×104m3。其中LS01活動物源就有46.9×104m3，易成為潛在堵點?，F狀條件下，燒房溝流域物源類型組成與“8·14”前相當，仍以滑坡物源為主(圖2)。

流域地形地貌上，“8·14”泥石流發(fā)生后，流域依然是陡急的山坡，溝道縱坡降大。對比分析泥石流前后流域各溝道段縱坡降：泥石流后，溝道平均縱坡降由原來的427.72‰增至464.97‰，只有6-7溝道段縱坡降略有降低，其余溝段均增大(表1)。因此流域中上游段以沖刷下切為主，下游溝口段以淤高為主?？傮w上，中上游溝道縱坡降增大，更加有利于中上游泥石流的啟動； 下游溝道縱坡降低，不利于泥石流的排導，有利于泥石流物源和水源的匯聚?！?·14”泥石流形成的1號、2號支溝坡度很陡，特別是2號支溝溝道內多碎石，并堆積于中段坡度較緩處，堆積體高出地面1～2m，成為泥石流活動物源，(表1)。

表1　泥石流前后支溝及各溝段坡降對比

活動歷史方面，“8·14”泥石流后，LS01滑坡體前緣坡度約47°，滑坡堆積物較為松散，溝道下切和側蝕仍然較強烈。由于坡體前緣溝道重新沖開，致使坡體前緣(溝道5-6段)形成6～10m的臨空面，在外界因素下極易失穩(wěn)。2011年汛期，燒房溝沖出的泥石流物質來源，主要為主溝及2號支溝交匯區(qū)域，即溝道5-6段“鞋尖”處，約占沖出總量(2.16×104m3)的80%。

2.3發(fā)展趨勢分析

通過對燒房溝現狀物源、地形及活動歷史的分析可知，“8·14”泥石流發(fā)生后，流域內物源量仍然巨大：動儲量約54.7×104m3，其中LS01活動物源就有46.9×104m3， 2011年沖出的泥石流物質中，約80%為“鞋尖”處提供。溝道平均縱坡降增大，為泥石流提供巨大的動能。而溝口處(6-7段溝道)坡降降低，不利于泥石流的排導，具有泥石流發(fā)生的地形條件。通過類比分析，在特定降雨條件下，燒房溝具有再次發(fā)生大規(guī)模泥石流災害的物源及地形條件。

3工程防治設計概況

3.1工程措施

根據全面調查，燒房溝泥石流爆發(fā)時，威脅對象有G213 國道、下游映秀新鎮(zhèn)的居民人身及財產安全。因此，通過流域治理工程，減少參與泥石流活動的固體物質、控制規(guī)模、改變性質，防止沖出物質掩埋G213國道和堰塞岷江，保障下游映秀新鎮(zhèn)的安全。

依據上述目標，治理工程措施是針對燒房溝內的物源分布、泥石流活動規(guī)律等進行，各項工程配合使用、綜合治理、保證安全。采用“上游谷防群+中游抗滑樁、擋土板和肋板護腳護底+下游3座格柵壩+渡槽明洞跨越G213”的上中下游統(tǒng)籌的治理方案(圖3)。溝道3-4段采用3座毛石砼谷坊壩進行固床、壓坡腳： ①谷坊壩有效壩高3m，壩埋深2m，壩軸線長28.5m； ②谷坊壩有效壩高3m，壩埋深2m，壩軸線長19.7m； ③谷坊壩有效壩高3m，壩埋深2m，壩軸線長22.6m。溝道4-6段及2#支溝采用鋼筋混凝土“抗滑樁+擋土板+防沖肋板”進行護腳護底：5種類型抗滑樁，共146根， 1593m； 4種類型擋土板，板長共465m； 兩種類型肋板，厚1m，埋深2m，板長共515m。下游6-7段溝道采取3座混凝土格柵壩固床壓腳、攔粗放細： ①格柵壩壩高17m，埋深3m，壩軸線長46m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形斷面，孔間凈距2.5m； ②格柵壩壩高13m，埋深3m，壩軸線長40.23m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形斷面，孔間凈距2.7m； ③格柵壩壩高17m，埋深3m，壩軸線長50.4m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形斷面，孔間凈距2.7m。溝口采用鋼筋混凝土明洞渡槽的方式跨越國道G213：渡槽寬40m，深4.5m。采用Ⅱ級等級的治理工程，主體工程按50年一遇暴雨標準進行設防。

圖3　燒房溝流域工程措施布置全貌圖Fig.3　Engineering layout at Shaofang gulley

3.2各分項治理工程作用分析

上游(3-4溝段)工程布置主要作用是控制堆積在溝道內的松散堆積體啟動，降低龍頭動能。上游地形較陡峻，溝道平均縱坡較大約426.13‰。溝道松散堆積體主要由碎石土夾塊石組成，兩岸坡體結構松散，坡度約35°～55°。陡急的地形，有助于松散堆積物能轉變、洪水強烈侵蝕和形成高速泥石流龍頭(唐川等， 2009)。泥石流對溝床的下切、側蝕作用比清水流要大得多，因此谷坊壩工程主要控制易集中啟動的溝道物源及滑塌岸坡，減弱龍頭動能。通過攔蓄松散堆積物，防止泥石流的下切和側蝕、改變溝道縱坡降、降低龍頭的沖擊力、減緩主溝中下游工程措施攔蓄壓力。

中游(4-6段)工程布置作用是控制LS01潛在堵點潰決、保護“鞋尖”，防止不穩(wěn)定物源被泥石流側蝕及下蝕，減少參與泥石流活動的物源動儲量。LS01滑坡前緣結構松散，加之溝道縱坡陡峻，致使“8·14”泥石流流體強烈沖蝕LS01滑坡體前緣，形成平均坡度約47°、高度5～10m的陡坡?；露逊e物膠結和固結很差，其動儲量可達46.9×104m3，如再遇某種暴雨條件，必將再次失穩(wěn)，造成溝道堵點的可能性極大。圖4 為“8·14”后LS01滑坡體堵溝的一種可能物源供給模型。

LS01滑坡堵溝物源供給順序：第1步，泥石流流體沖刷側蝕LS01滑坡坡腳松散物質； 第2步，流體裹挾斜坡底部物質下泄，引起上部部分坡體物質參與泥石流活動； 第3步，坡腳抗滑力驟降，上部坡體失穩(wěn)下滑，堵塞溝道。

從防治角度分析圖4 中的模型可知，利用抗滑樁、樁板墻固定坡腳和防沖肋板護底，就有可能制止第 2， 3 步的發(fā)生，即防止滑坡失穩(wěn)造成溝道堵塞。同樣對于2#支溝及“鞋尖”處，仍可利用抗滑樁、擋板墻和防沖肋板的綜合作用，防止2#支溝被沖刷和保護“鞋尖”失穩(wěn)。大量的活動物源被穩(wěn)攔，則泥石流發(fā)生的規(guī)模及概率就會大大減小。

下游(6-7溝段)工程布置作用主要是“攔粗排細”、“順暢排導”，通過格柵壩調節(jié)出對堵江無害的夾沙流體，并利用渡槽順利的排入岷江。此段平均坡降相對較緩約381.9‰，基巖出露，因此此段溝道設3座攔柵壩，控制泥石流攜帶大塊石，對溝口棚洞及道路的危害。泥石流經過開孔的格柵壩群后，沿程被“水石分離”、“分級攔淤”，流體中固體物質平均粒徑逐漸減小，緩解大塊石對渡槽的沖擊力，保證泥石流越過棚洞，通過渡槽順利排入指定的岷江區(qū)域。表2中反應了各分項工程的作用及溝道治理前后的物源變化量。

表2　不同溝道段治理工程效果

圖4　“8·14”后LS01滑坡體堵溝的一種可能物源供給模型Fig. 4　Supply model of LS01 landslide after “8.14” debris flow event

4工程防治措施效果

燒房滑坡型泥石流治理工程于2012年 5 月底竣工。而2013年燒房溝沿岷江上游處華溪溝和磨子溝爆發(fā)“7·10”特大泥石流，此次降雨引發(fā)的燒房溝固體物質參量較少(表3)。

表3　泥石流前后降雨對比表

表3中反映了泥石流爆發(fā)時的歷時降雨量較“7·10”降雨量小，但由于治理工程措施的實施，“7·10”僅有少量(約0.72×104m3)固體量參與，綜合治理工程具有一定效果?，F場調查中發(fā)現：上游3座谷坊壩，其中兩座已被淤滿，另外一座已被淤滿2/3，穩(wěn)攔物源量約2.07×104m3； 中游穩(wěn)攔物源量44.28×104m3； 格攔壩穩(wěn)攔上、中游下泄的固體物質約 0.15×104m3。共穩(wěn)攔物源量約46.85×104m3，達到設計控制目標(59.19×104m3)的 79.2%。

圖5中對治理工程前后(a為治理前、b為治理后)溝道的對比可知，回淤后的溝床縱坡降低了約95.07%，泥石流流速得到了一定的控制，亦有助于耗散其能量，降低侵蝕速率。溝床內新長出的植被(以灌木為主)根系層層交織成網深入土層，進一步固定了介于谷坊群之間的泥石流松散堆積物。圖6 是“8·14”治理工程前后，LS01滑坡堆積體上的植被發(fā)育情況對比。治理后兩年植被恢復率約70%，這與抗滑樁、樁板墻和防沖肋板的攔擋、防流體下切有一定關系。表4中對上游工程區(qū)和下游工程區(qū)內的沉積物做了分析對比，下游工程區(qū)內粒徑較上游內的小，且隨距溝口的距離越近越小，說明了格柵壩起到了“攔粗放細”作用。

圖5　谷坊壩工程前后溝道對比Fig. 5　Channel contrast before and after check dam

表4　距溝口不同距離處堆積物粒徑分析結果

沉積物表面采集樣品； 1-5#樣品在格柵壩工程區(qū)， 6#樣品在谷坊壩工程區(qū)

圖6　擋土板和防沖肋板工程前后LS01滑坡堆積體對比Fig. 6　LS01 landslide body change before and after engineeringa. 2010年9月LS01滑坡堆積體； b. 2014年9月LS01滑坡堆積體

5結論

(1)2010年8月 14 日，燒房溝暴發(fā)特大泥石流，沖出泥石流固體物質約25×104m3，導致溝口G213國道明洞被掩埋，堵塞岷江主河道，下游映秀鎮(zhèn)受到威脅。物源主要來自溝道右岸的LS01滑坡。

(2)燒房滑坡型泥石流運動過程如下： ①LS01滑坡體前緣剪切、后緣拉裂→高速下滑、對岸碰撞→后緣邊坡坐落下滑→堰塞堵溝； ②溯源侵蝕、沖刷刨蝕→流體擠壓、掏刷、淤積→堰塞體潰決→混合裹挾。

(3)“8·14”泥石流爆發(fā)后，燒房溝流域剩余的物源量約223.91×104m3，動儲量約54.7×104m3，為泥石流的爆發(fā)提供了大量的物源，且其中LS01活動物源就有46.9×104m3，易成為潛在堵點； 地形地貌上平均縱坡降變陡，由427.72‰增至464.97‰，為泥石流的爆發(fā)提供了有利的條件。在特定的降雨條件下，燒房溝極有可能再次爆發(fā)泥石流。

(4)治理工程主要為“上游谷防群+中游樁板和肋板護腳護底+下游3座格柵壩+渡槽明洞跨越G213”的上中下游統(tǒng)籌的治理方案。分析各工程作用，確定谷防群主要是控制堆積在溝道內的松散體啟動，降低龍頭動能； 抗滑樁、擋土板和肋板護腳護底工程，主要是控制LS01潛在堵點潰決和保護“鞋尖”； 格柵壩和渡槽工程主要是“攔粗排細”、“順暢排導”，調節(jié)出無害的夾沙流體，并順利導入指定的岷江區(qū)域。

(5)治理工程竣工后，“7·10”暴雨下燒房溝僅有7200m3固體參與量，且治理后至今共穩(wěn)攔物源量約46.85m×104m3，約占總動儲量的86%。工程治理前后上游溝道縱坡降的變化，中游LS01坡體植發(fā)育情況的變化，及距溝口不同位置處沉積物平均粒徑的對比，均說明燒房溝滑坡型泥石流的綜合治理方案具有顯著的效果。

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ENGINEERINGMEASURESANDTHEIREFFECTFORMOBILIZATIONOFDEBRISFLOWFROMLANDSLIDESATSHAOFANGGOUSTREAMVALLEY

BUXianghangTANGChuanQUYongpingCHANGMingCHENGXiao

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059)

AbstractThe function and effect of check dams and griile dams in certain catchments are studied extensively in China. However， there has been comparatively little research oncontrol measures and their effect to mobilization of debris-flow from landslides. A rainstorm induced debris flow hazard occurred on August 14， 2008 in Yingxiu Town of Sichuan Province， where was affected by the Wenchuan earthquake. The paper examines the motion process and the gully characteristics， landslides blocking point， the high depth of cutting， and their combinations. It is discovered that the whole basin comprehensive treatment shall prevent clogging and cutting. In order to control debris flow disaster happening again， check dams can weaken the leading kinetic energy in the upper reaches of the valley. Retaining plate and bed boards can control the landslide blocking point and protect the toecap in the middle reaches of the valley. Grillage damsand aqueduct can intercept the coarse particle and discharge debris flow smoothly. Then the paper compares the accumulated rainfall， solid matter involved in quantity， dynamic energy reserves and the gully characteristics around control measures. After discussing the initiation， the engineering measures for mobilization of debris-flow from landslides at Shaofang stream course has a good result. It provides a reference for engineering measures for debris-flow mobilization from landslides in the earthquake areas．

Key wordsDebris-flow mobilizationfrom landslides， Damming object， Engineering measures， Effecte valuation， Wenchuan earthquake， Shaofang gully

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.007

* 收稿日期：2015-03-17; 收到修改稿日期： 2015-04-27.

基金項目：科技基礎性工作專項工作(2011FY110103)，國家科技支撐計劃項目(2011BAK12B01)資助.

第一作者簡介：卜祥航(1987-)，男，博士生，主要從事巖土體穩(wěn)定性及工程環(huán)境效應研究工作. Email: 309351649@qq.com

中圖分類號：P462.23

文獻標識碼：A