泥石流消能防治工程研究

張 猛

(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司，哈爾濱 150036)

泥石流消能防治工程研究

張 猛

(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司，哈爾濱 150036)

文章以跌落式和滑落式兩種典型泥石流形態(tài)為主要研究對象,分析了泥石流龍頭的運(yùn)動(dòng)特征、減阻現(xiàn)象、龍頭的控制作用、形成條件，初步總結(jié)了和消能理論有關(guān)的泥石流形成機(jī)理、泥石流水力特征及能量傳遞機(jī)理。提出了建立涵蓋穩(wěn)定性、地質(zhì)地貌、生態(tài)、景觀的檢測評價(jià)機(jī)制,完善并且拓展人工階梯-深潭功能。并將階梯-深潭系統(tǒng)消能功能和顯著生態(tài)景觀效應(yīng)作為常用工程措施的重要補(bǔ)充加以利用，在廣大的河流溝谷具有比較好的應(yīng)用前景。

階梯-深潭；泥石流；消能；山區(qū)河流

1 泥石流運(yùn)動(dòng)特征

經(jīng)過野外觀測和調(diào)查自然界有兩種動(dòng)力學(xué)特征和運(yùn)動(dòng)機(jī)理不相同的泥石流。具有“鋪床過程”作用非牛頓體、彎道超高、無分選沉積物的黏滯性、多層間歇振流泥石流，由黏土、沙、礫石組成，減小粗糙河床阻力，可以減阻約30%。具有牛頓體性質(zhì)的兩相泥石流龍頭由大石塊組成形態(tài)陡峭高大，內(nèi)部液體物質(zhì)和固體物質(zhì)相對運(yùn)動(dòng)，氣泡不能溢出，產(chǎn)生氣墊作用達(dá)到約25%的減阻效果。

1.1 泥石流龍頭

在自然環(huán)境下,泥漿沖擊大塊卵石形成泥石流龍頭，前鋒高高隆起出現(xiàn)在坡降較大且流量較大區(qū)域。龍頭具有存儲(chǔ)能量和控制作用。泥石流運(yùn)動(dòng)過程中裹挾越來越多的固體物質(zhì)，勢能中得到的能量大于消耗的能量，高速運(yùn)動(dòng)水流同龍頭一起運(yùn)動(dòng)并傳遞較大的動(dòng)能，大顆粒物質(zhì)向龍頭部移動(dòng)越來越高，直到泥石流龍頭能量平衡。龍頭形成之初，水流可以經(jīng)過龍頭，落到岸床上能量進(jìn)一步消耗，速度降低落在龍頭后。小顆粒速度快將能量傳遞給大顆粒，時(shí)間長了在岸坡上形成小顆粒層。整體慣性推動(dòng)龍頭運(yùn)動(dòng)相當(dāng)長距離，直至衰減沉積。泥漿流中紊動(dòng)使泥漿和卵石不流散。

1.2 泥石流的形成條件

觀測發(fā)現(xiàn)泥石流固體物質(zhì)補(bǔ)給來源絕大部分是崩塌滑坡的泥漿對岸床卵石的沖刷。形成泥石流因素是流體對卵石堆積層沖刷和液相流內(nèi)部能量的傳遞強(qiáng)度。適當(dāng)濃度的黏土泥漿有利于泥石流形成，也有利于泥石流的長距離運(yùn)動(dòng)。在自然環(huán)境下，泥石流液相黏土濃度在0.04-0.1之間。

2 階梯—深潭消能機(jī)理及穩(wěn)定性

階梯-深潭系統(tǒng)在山區(qū)河流廣泛分布，從濕潤區(qū)常年河流到半干旱區(qū)河流均有分布。

自然條件下，階梯—深潭是山區(qū)河床常見的三種結(jié)構(gòu)之一,由一段陡坡和一段緩坡河床交替連接深潭形成。階梯段由卵石和巨石組成。深潭里含有細(xì)沙、粗沙、少量礫石。許多山區(qū)河道溝谷沒有自然發(fā)育或者需要相當(dāng)長時(shí)期才能發(fā)育階梯—深潭。在我國的四川、貴州、云南的河流中均存在發(fā)育良好的大比降河段控制結(jié)構(gòu)的階梯—深潭，河道含沙量都為零。其具有消耗泥石流能量和控制河床下切、垂向自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。文章僅研究階梯—深潭最普遍的形態(tài)和流量情況。選取跌落式和滑落式兩種典型形態(tài)。在野外實(shí)地選取10個(gè)樣本，5個(gè)為滑落式，5個(gè)為跌落式。

2.1 階梯—深潭消能機(jī)理

階梯—深潭分為兩種類型。①滑流式，水流運(yùn)動(dòng)緊貼階梯，進(jìn)入深潭。②類似小瀑布跌落方式進(jìn)入深潭。階梯—深潭對泥石流的消能機(jī)理是溝谷兩側(cè)的巨大石塊對河流運(yùn)行產(chǎn)生巨大的阻力降低流速，河流經(jīng)過出水口排泄而出，河流中淤積的泥沙也能經(jīng)過出水口排出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整；河流經(jīng)過階梯形成類似的跌水狀態(tài)，在深潭形成類似水躍狀態(tài)，水沙分離，使作為泥石流一部分的水流能量消耗，進(jìn)而達(dá)到消能。有資料顯示，由圓木構(gòu)成階梯的階梯—深潭結(jié)構(gòu)所攔擋的泥沙達(dá)到年均泥沙量的123%。利用天然或人工階梯-深潭系統(tǒng)可以穩(wěn)定山區(qū)河流河床，減輕甚至抵御部分山洪泥石流災(zāi)害。

圖1 階梯—深潭示意圖

2.2 階梯—深潭穩(wěn)定性

單個(gè)階梯—深潭是連續(xù)階梯—深潭發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。關(guān)鍵石塊在沖刷的作用下有失穩(wěn)的可能，進(jìn)而破壞單個(gè)階梯。關(guān)鍵石塊發(fā)揮固定作用，對整個(gè)階梯—深潭系統(tǒng)的穩(wěn)定也有關(guān)系。防止階梯—深潭失穩(wěn)損毀關(guān)鍵是確定河流的最大洪峰流量，同時(shí)深潭的沖刷也對失穩(wěn)產(chǎn)生一定影響。

3 泥石流防治工程設(shè)計(jì)與人工階梯—深潭設(shè)計(jì)比較

3.1 常用工程措施的不足

漏窗壩、梳形壩、縫隙壩、柳樁壩等傳統(tǒng)工程措施，在流通區(qū)域或堆積區(qū)域通過排導(dǎo)槽將泥石流排放到河谷、停淤場。攔擋措施和排導(dǎo)槽措施的缺點(diǎn)是壩體結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化，合理設(shè)置泄流口有效減小壩前沖擊，提高抗沖擊力，增加攔擋工程壩體高度、增加基礎(chǔ)；填土工程的質(zhì)量要求比較高，要夯實(shí)穩(wěn)固。

3.2 人工階梯—深潭工程對常用工程措施重要補(bǔ)充

復(fù)雜的泥石流運(yùn)動(dòng)機(jī)理及排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況差異，使有限容量攔排工程存在失穩(wěn)可能，生物作用沒有發(fā)揮之前，工程措施對恢復(fù)自然景觀作用有限。山區(qū)階梯-深潭縱向上保持完整形態(tài),提高溝谷阻力、消耗泥石流能量，減小泥石流對下游破壞，有比較廣泛的應(yīng)用前景。用巨型漂石作為關(guān)鍵石塊，大塊卵石和漂石填充在關(guān)鍵石塊周圍互鎖穩(wěn)固。泥石流在階梯呈現(xiàn)速度較低“舌”狀淤積。在工程設(shè)計(jì)上攔沙壩、排導(dǎo)槽之間修建的或者自然環(huán)境形成的階梯—深潭不是直接阻止泥石流，而是用跌水和水躍消耗其能量。如果深潭比較深面積比較大可將大石頭和泥沙攔阻，客觀上可以起到停淤場作用。

關(guān)鍵石塊的直徑、河道坡道、汛情流量影響單個(gè)階梯—深潭。階梯—深潭設(shè)計(jì)需要根據(jù)小流域水文情況計(jì)算，確定抵御洪水的最大洪峰值。單個(gè)階梯—深潭的穩(wěn)定穩(wěn)定性受到上游來量的影響和關(guān)鍵石塊的上游沖刷角決定。也就是階梯—深潭失穩(wěn)定往往是由于洪峰量過大和階梯下游的深潭沖刷兩者共同決定的。階梯-深潭系統(tǒng)由于在水流沖刷的過程中形成，是河床阻力結(jié)構(gòu)達(dá)到最大的形式。階梯—深潭修建材料要能滿足力學(xué)強(qiáng)度的要求，構(gòu)建階梯—深潭要求在穩(wěn)定的溝谷內(nèi)修建。利用階梯-深潭系統(tǒng)的消能作用對泥石流溝進(jìn)行治理，是一種主動(dòng)的防御工事，通過建設(shè)消能結(jié)構(gòu)來治理和正確管理可以減少甚至杜絕泥石流 災(zāi)害。

3.3 階梯—深潭的生態(tài)景觀效應(yīng)

天然環(huán)境下河流沖刷，水體滯留在階梯、深潭，形成多樣化可持續(xù)水文環(huán)境。淤泥層在深潭階段緩流區(qū)由泥沙顆粒沉積構(gòu)成，多種生物在階梯階段將大小卵石作為棲息環(huán)境。河流經(jīng)過階梯—深潭形成不同的底質(zhì)、不同流速、不同深淺的水生物棲息地和產(chǎn)卵地，而在此階段形成紊流使內(nèi)部溫度和氧氣分布均勻利于生物生存，棲息動(dòng)物比相同氣候條件下沒有發(fā)育階梯—深潭高出600-1000倍。在深溝、九寨溝階梯—深潭發(fā)育比較良好的地區(qū)野外取樣測算結(jié)果：深潭底棲息動(dòng)物密度達(dá)552個(gè)/m2，生物量達(dá)5.96g/ m2，而臨近的階梯—深潭發(fā)育不良好的地區(qū)河底棲息動(dòng)物的密度僅0.75個(gè)m2，生物量不到0.006g/ m2。

4 結(jié) 語

人工階梯—深潭工程形成泥石流上游區(qū)，將地質(zhì)地貌、能增加溝槽斷面的蜿蜒的S型轉(zhuǎn)彎結(jié)合起來和常規(guī)工程措施結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)泥石流治理工程的穩(wěn)固。今后可建立人工階梯—深潭穩(wěn)定性、地質(zhì)地貌、生態(tài)、景觀的檢測評價(jià)體系。當(dāng)條件超過界限時(shí)，階梯—深潭系統(tǒng)將發(fā)生改變，以其對地質(zhì)地貌、坡度、河流水流強(qiáng)度、來沙過程、植物植樹影響，可以確定該地區(qū)是否具有階梯—深潭，及能否促進(jìn)發(fā)育形成階梯—深潭，使泥石流治理在理論和實(shí)踐上取得長足發(fā)展。

[1]王兆印，漆力健，王旭昭.消能結(jié)構(gòu)防治泥沙研究-以文家溝為例[J].水利學(xué)報(bào)，2012，43(03)：253-263 .

1007-7596(2017)10-0051-02

P642.23

B

2017-09-23

張猛(1979- )，男，黑龍江哈爾濱人，工程師。