白龍江中游泥石流攔砂壩防治效果分析

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(1.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 研究背景

隨著人類經(jīng)濟(jì)活動范圍的不斷擴(kuò)張和自然環(huán)境條件的不斷惡化，泥石流作為一種常見的山地災(zāi)害，其發(fā)生頻率變高，危害程度也越發(fā)嚴(yán)重[1]?！?·12”汶川大地震以后，在西南山區(qū)更是誘發(fā)了一系列的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅甘肅省隴南市就新增滑坡1 400余處、崩塌和地裂多達(dá)2 000余處，如此高密度地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了充足的松散固體物源，為泥石流的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件[2]。

注：C為石炭系；D為泥盆系；J為侏羅系；K為白堊系；N為第三系；P為二疊系；Q為第四系；S為志留系；T為三疊系。圖1 研究區(qū)地質(zhì)條件以及攔砂壩位置分布Fig.1 Geological conditions of the midstream of Bailong River and distribution of check dams

目前泥石流的防治措施主要分為工程防治和生態(tài)防治2個方面，在工程防治中又主要以攔砂壩(包括透過性和非透過性)以及排導(dǎo)槽為主。由于泥石流攔砂壩具有建造簡單、工程效益見效快等特點(diǎn)，故其在泥石流的防治工程中，得到了十分廣泛的應(yīng)用。關(guān)于泥石流攔砂壩防治效益的研究，目前已經(jīng)有很多學(xué)者做了大量工作。曾慶利等[3]通過對云南蔣家溝2條支溝泥石流作對比，說明了谷坊在泥石流防治工程中具有良好的防治效果；陳寧生等[4]從西南山區(qū)泥石流溝的攔擋效益出發(fā)，分析了巖土工程措施和生物工程措施在泥石流防治中的重要作用；周海波等[5]以北川縣化石板溝為例，對谷坊壩群的攔蓄效果進(jìn)行了研究；Zou等[6]通過對云南昆明深溝進(jìn)行實(shí)地考察，分析了攔砂壩壩群對泥石流的攔擋效果，并提出了一個計(jì)算壩群子系統(tǒng)攔蓄效率的半經(jīng)驗(yàn)公式；卜祥航等[7]通過對汶川燒房溝泥石流進(jìn)行實(shí)地考察，還原了燒房溝泥石流的運(yùn)動過程，并對現(xiàn)有泥石流防治工程的效果進(jìn)行了分析；袁東等[8]對隴南市武都區(qū)甘家溝泥石流的過壩堆積物的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并分析了攔砂壩對泥石流顆粒的作用影響效果。

然而現(xiàn)有研究多是從單溝的角度來研究攔砂壩對泥石流的調(diào)控效果，較少有文獻(xiàn)從區(qū)域的角度來研究攔砂壩對泥石流調(diào)控情況，對白龍江中游地區(qū)的整體性研究更是較少，從而難以對攔砂壩的總體作用規(guī)律進(jìn)行分析歸納。而白龍江流域作為我國泥石流最為發(fā)育的地區(qū)之一，其泥石流防治歷史久，工程修建多，對其進(jìn)行泥石流防治工程的效果研究具有典型意義，同時也可為今后該地區(qū)泥石流治理工程的修建提供一定的參考。

2 研究區(qū)概況

白龍江流域位于甘肅省東南部，發(fā)源于川、甘邊境的岷山山系，自西向東流至嘉陵江，是嘉陵江一級支流、長江二級支流，主要流經(jīng)甘南州迭部縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)和文縣[9-10]。該地區(qū)地處青藏高原東緣、四川盆地邊緣和黃土高原的交界處，地質(zhì)條件和地形地貌極其復(fù)雜，泥石流、滑坡等山地災(zāi)害都極為發(fā)育[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，白龍江流域現(xiàn)有泥石流溝710余條，其密度之大、發(fā)生頻率之高均在我國前列，危害極為嚴(yán)重[2]。

本文研究區(qū)位于白龍江中游沿岸地區(qū)，上至兩河口鎮(zhèn)，下至桔柑鄉(xiāng)，經(jīng)緯度介于104°34′E—105°38′E，32°47′N—33°42′N之間。研究區(qū)面積1 815.80 km2，受地質(zhì)環(huán)境的影響，該地區(qū)也是該流域泥石流最為活躍的地區(qū)。在地質(zhì)條件上，該地區(qū)褶皺構(gòu)造活動強(qiáng)烈，為不同構(gòu)造體系的交接部位，巖質(zhì)松散，且以黑色千枚巖和板巖為主，是該地區(qū)泥石流形成的主要物源[12-13](圖1)；在地形地貌上，該地區(qū)總體地勢起伏特征明顯，山地、丘陵、盆地相間分布，山體相對高差大，同時河流切割作用嚴(yán)重，坡面泥石流和溝谷型泥石流在該地區(qū)均有廣泛分布[13]；在氣象水文方面，受北亞熱帶季風(fēng)氣候影響，該地區(qū)降雨在空間上很大程度分布不均，區(qū)內(nèi)年均降雨量為400～900 mm，其中69%的降雨量集中于6—9月份，這為泥石流的啟動提供了很好的水動力條件[10-13]。

3 現(xiàn)有攔砂壩的基本情況及運(yùn)行現(xiàn)狀

3.1 現(xiàn)有攔砂壩的基本情況

為研究白龍江中游地區(qū)攔砂壩對泥石流的防治效果，本文主要以該地區(qū)的13條泥石流溝、共計(jì)64座攔砂壩為調(diào)查對象，攔砂壩位置分布如圖1 所示。

經(jīng)野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，白龍江中游地區(qū)泥石流攔砂壩壩型單一，結(jié)構(gòu)形式簡單，以重力式實(shí)體壩為主，于該地區(qū)泥石流形成區(qū)、流通區(qū)均有分布。受各泥石流溝發(fā)育程度不同以及攔砂壩所處位置不同的影響，該地區(qū)攔砂壩壩體有效壩高一般較大，最大有效壩高達(dá)21.8 m(如甘家溝2#壩)；為減小泥石流的壩下沖刷作用，該地區(qū)攔砂壩下游一般都會建有副壩，部分?jǐn)r砂壩甚至建有多座副壩；考慮到泥石流來流后的靜水壓力對攔砂壩的影響，主壩壩身均留有排水孔，以方形居多，開孔尺寸一般在0.2～0.5 m之間，呈“品”狀布設(shè)，以利于攔砂壩的排水減載作用；此外，該地區(qū)多數(shù)攔砂壩還在攔砂壩底部中間位置處建有泄流孔，以增強(qiáng)其排泄小型泥石流和常流水的能力。本次所調(diào)查各泥石流溝的基本情況如表1所示。

表1 白龍江中游地區(qū)泥石流防治工程統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of debris flow control projects in the midstream of Bailong River

圖2 白龍江中游地區(qū)泥石流攔砂壩主要運(yùn)行情況Fig.2 Operation status of some check dams in the midstream of Bailong River

3.2 攔砂壩運(yùn)行現(xiàn)狀

受該地區(qū)各泥石流溝發(fā)育情況不同的影響，該地區(qū)多數(shù)泥石流溝攔砂壩的運(yùn)行情況也有很大不同，如圖2所示。部分泥石流溝泥石流防治情況十分嚴(yán)峻，溝內(nèi)攔砂壩基本處于淤滿狀態(tài)，剩余庫容明顯不足，如：燕兒溝溝內(nèi)現(xiàn)調(diào)查有6座攔砂壩，其中4座攔砂壩被淤滿(圖2(a))；百草壩溝溝內(nèi)有6座攔砂壩，除1座攔砂壩處于半庫狀態(tài)外，其余攔砂壩全部淤滿，其中2座攔砂壩被固體物質(zhì)淤埋(圖2(b))。該類泥石流溝剩余庫容少，安全儲備小，在新的一輪泥石流來流時，泥石流直接過壩溢流，嚴(yán)重威脅下游的安全，故需要對該類泥石流溝多加防范。而部分泥石流溝自建壩后泥石流則較少發(fā)育，溝內(nèi)多數(shù)壩體基本處于空庫運(yùn)行狀態(tài)，如佛堂溝溝內(nèi)攔砂壩自2009年起開始勘察設(shè)計(jì)，至今溝內(nèi)15座攔砂壩全部處于空庫運(yùn)行狀態(tài)(圖2(c))；此外東江水溝、漢坪溝、賈家溝等也都具有較大的庫容量，應(yīng)對泥石流災(zāi)害具有充足的安全儲備。除泥石流的攔蓄情況外，該地區(qū)攔砂壩壩體破壞導(dǎo)致失效現(xiàn)象也十分普遍，如攔砂壩整體被淤滿(圖2(b))、溢流口被破壞(圖2(d))、壩基淘蝕(圖2(e))以及因攔砂壩選址或施工不當(dāng)而導(dǎo)致坡岸垮塌、攔砂壩主體部分被埋((圖2(f))等情況也在該地區(qū)多有發(fā)生，故需要針對該類攔砂壩制定相應(yīng)策略以應(yīng)對災(zāi)害的發(fā)生。

表2 各泥石流攔砂壩參數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of calculation results of parameters of check dams

注：平均粒徑采用福克和沃德的平均粒徑表達(dá)式，即MZ=φ16+φ50+φ84/3，其中φ16，φ50，φ84分別表示質(zhì)量累計(jì)百分含量為16%，50%，84%時所對應(yīng)的粒度，粒度φ=-log2D，其中D為顆粒的直徑[14]。

4 攔砂壩對泥石流的調(diào)控效果分析

攔砂壩對泥石流的調(diào)控作用主要表現(xiàn)在2個方面：①回淤緩坡，抬高局部溝床的侵蝕基準(zhǔn)，起到護(hù)床固坡的作用；②攔砂節(jié)流，調(diào)節(jié)峰值流量，減小泥石流流速、密度以及規(guī)模[14]。為研究攔砂壩對白龍江中游泥石流的上述調(diào)控特點(diǎn)，本文對該地區(qū)泥石流較為發(fā)育的泥石流溝進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查分析，利用激光測距儀對攔砂壩基本參數(shù)、上下游坡度進(jìn)行測量，并對攔砂壩壩前壩后一定距離內(nèi)堆積物進(jìn)行取樣分析，得到了該地區(qū)攔砂壩的運(yùn)行情況、泥石流回淤情況以及堆積物顆粒粒徑分布情況。具體調(diào)查結(jié)果如表2所示(其中攔砂壩的編號n表示所調(diào)查的攔砂壩中自上游往下游數(shù)的第n座)。

4.1 攔砂壩的回淤緩坡功能

攔砂壩上游泥石流的回淤坡度是攔砂壩在設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系著泥石流防治工程設(shè)計(jì)的合理程度。對攔砂壩上游回淤的測量統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)泥石流的回淤坡度主要介于0.03～0.08之間，受不同地質(zhì)情況、不同攔砂壩位置影響，回淤坡度略有不同。為此，本文引入坡度比(攔砂壩上游坡度與溝床原始坡度的比值)來進(jìn)行壩后泥石流回淤坡度的分析。考慮到該地區(qū)攔砂壩下游受泥石流作用的影響不明顯，故將攔砂壩下游坡度作為該斷面處溝床的原始坡度，并建立攔砂壩溝床坡度比的變化趨勢圖，如圖3所示。

圖3 攔砂壩上下游溝床坡度比分布Fig.3 Ratio of upstream bed slope gradient to downstream gradient of check dams

通過對圖3中溝床坡度比的分布范圍進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)泥攔砂壩溝床坡度比主要介于0.4～0.85之間，坡度比位于該范圍的攔砂壩樣本數(shù)占調(diào)查總數(shù)的79%，這與國內(nèi)外現(xiàn)有一些研究所得的泥石流回淤坡度范圍也基本相近[15]，故建議將此回淤范圍作為白龍江中游地區(qū)泥石流的回淤坡度范圍。

為此，基于上述分析，可建立白龍江中游地區(qū)攔砂壩上游泥石流回淤坡度的經(jīng)驗(yàn)公式，即

I=(0.4～0.85)I0。

(1)

式中：I為攔砂壩上游泥石流回淤坡度；I0為攔砂壩原始溝床坡度。

4.2 攔砂壩的粒徑調(diào)節(jié)功能

泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運(yùn)的產(chǎn)物，包含大量泥石流形成、運(yùn)動和堆積過程的信息，其粒度組成是更能反映泥石流堆積物工程地質(zhì)特性的一個重要指標(biāo)[16]。為了得到泥石流攔砂壩前后粒度組成的差異，首先對泥石流堆積物進(jìn)行顆分實(shí)驗(yàn)，篩分得到堆積物各顆粒粒徑范圍的百分含量，然后將上游堆積物中各顆粒粒徑范圍的百分含量與攔砂壩下游堆積物中相應(yīng)各顆粒粒徑范圍的百分含量相減，若該值為正值，則說明在該粒徑范圍內(nèi)，上游顆粒含量大于下游，攔砂壩對該類粒徑顆粒主要起到攔截作用，該值為負(fù)值時則相反，由此可得到泥石流堆積物各顆粒粒徑范圍百分含量差值(見圖4)。通過對圖4中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對于同一座攔砂壩而言，當(dāng)大于某一粒徑時，泥石流堆積物的顆粒含量差整體趨于正值，僅在部分情況下表現(xiàn)為負(fù)值，如燕兒溝1#壩(攔砂壩被淤滿)、甘家溝3#壩(攔砂壩溢流口被破壞)；而當(dāng)堆積物粒徑小于這一粒徑時，則表現(xiàn)為相反規(guī)律。這說明在攔砂壩正常運(yùn)行情況下，當(dāng)堆積物中顆粒粒徑大于該粒徑時，攔砂壩對該類粒徑顆粒的作用主要表現(xiàn)為“攔”；而當(dāng)堆積物粒徑小于該粒徑時，攔砂壩對該類粒徑顆粒主要起到“排”的作用，這說明攔砂壩對泥石流具有一定的攔粗排細(xì)效果。但受泥石流攔蓄情況不同以及泥石流性質(zhì)不同的影響，其臨界粒徑(攔砂壩對泥石流起攔排作用的轉(zhuǎn)折粒徑)尚難以準(zhǔn)確確定，故還有待進(jìn)一步研究?？紤]到上述分析仍缺乏定量化研究，為此對泥石流堆積物的平均粒徑進(jìn)行了計(jì)算。

圖4 泥石流溝上下游堆積物的各顆粒組成百分含量差Fig.4 Difference of percentage content of particle sizes between upstream and downstream deposits in the debris flow gully

本文采用φ值的方法對泥石流堆積物的平均粒徑進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2所示。與中值粒徑相比，平均粒徑更能反映泥石流堆積物的集中趨勢[17-19]。通過計(jì)算攔砂壩上下游堆積物平均粒徑比P，繪制了該地區(qū)攔砂壩堆積物平均粒徑比變化圖(圖5)。從圖5可以看出，攔砂壩下游泥石流堆積物的平均粒徑與上游平均粒徑之比P基本<1，該類樣本數(shù)占到了調(diào)查總數(shù)的79%，其中最小平均粒徑比可達(dá)0.328，這也可以很好地證明該地區(qū)攔砂壩對泥石流的顆粒粒徑有較好的調(diào)節(jié)作用。

圖5 上下游泥石流堆積物平均粒徑比Fig.5 Ratio of average particle size of upstream debris flow deposits to that of downstream deposits

4.3 攔砂壩對泥石流的重度調(diào)節(jié)功能

攔砂壩對泥石流的重度調(diào)節(jié)也是攔砂壩的重要作用之一，由于泥石流爆發(fā)時的重度難以獲取，故本文在泥石流重度的分析中，主要按余斌公式對攔砂壩上下游的泥石流堆積物進(jìn)行泥石流重度γC的估算[20]，即

(2)

式中：P05為粒徑<0.05 mm的細(xì)顆粒的百分含量；P2為粒徑>2 mm的粗顆粒的百分含量。計(jì)算得到各種工況下泥石流的重度見表2所示。

對該地區(qū)泥石流堆積物的計(jì)算重度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算所得的重度為16.7～20.3 kN/m3，與現(xiàn)有觀測資料所得的重度基本相符[10]。然而攔砂壩上下游泥石流堆積物重度的變化趨勢卻不明顯，變化幅度為0.2～3.0 kN/m3。為更直觀地表征泥石流堆積物重度的變化趨勢，本文引入泥石流堆積物重度比(攔砂壩上游泥石流計(jì)算重度與下游泥石流計(jì)算重度之比)來表征攔砂壩調(diào)控泥石流重度特征的參數(shù)，如圖6所示。

圖6 上下游泥石流堆積物計(jì)算重度比Fig.6 Ratio of density of upstream debris flow deposits to that of downstream deposits

從圖6可以看出，攔砂壩上下游泥石流堆積物計(jì)算重度比基本與1接近，介于0.848～1.096之間，這說明實(shí)體壩對泥石流的重度調(diào)節(jié)能力較差，這可能與該地區(qū)泥石流主要為黏性，泥石流分選性較差、整體性較強(qiáng)有關(guān)?？紤]到泥石流重度計(jì)算公式對該地區(qū)泥石流溝的適用性，將余斌公式計(jì)算的重度與杜榕桓公式計(jì)算的重度進(jìn)行對比[21]，計(jì)算結(jié)果基本相近(圖6)，故可認(rèn)為利用余斌公式所得計(jì)算重度能較好地反映該地區(qū)泥石流重度變化情況。

5 結(jié)論與建議

本文通過對白龍江中游地區(qū)64座攔砂壩的現(xiàn)場調(diào)查以及實(shí)驗(yàn)分析，初步對白龍江中游地區(qū)泥石流攔砂壩的運(yùn)行情況以及對泥石流的調(diào)控效果進(jìn)行了研究， 主要得出以下結(jié)論：

(1)白龍江中游地區(qū)泥石流攔砂壩壩型單一，攔砂壩壩型仍以重力式實(shí)體壩為主。受攔砂壩壩型及其他條件的影響，部分泥石流溝防治情況較為嚴(yán)峻，多條泥石流溝存在泥石流的攔蓄庫容不足問題，如燕兒溝、甘家溝、百草壩溝等；多條泥石流溝溝內(nèi)攔砂壩壩體破壞嚴(yán)重，如攔砂壩溢流口被破壞、壩基淘蝕等，這類攔砂壩有甘家溝、百草壩溝、賈家溝等；此外，該地區(qū)還存在著因選址不同或工程施工等問題引起的坡岸坍塌，導(dǎo)致攔砂壩壩體被淤埋等情況，故需要對該類泥石流溝加強(qiáng)監(jiān)測并進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)治理。

(2)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，通過對攔砂壩上游泥石流回淤坡度進(jìn)行分析，建立了白龍江中游地區(qū)攔砂壩壩后泥石流回淤坡度的經(jīng)驗(yàn)公式，即I=(0.4～0.85)I0。通過分析泥石流上下游堆積物各顆粒的百分含量差，發(fā)現(xiàn)當(dāng)大于某一粒徑時，攔砂壩對泥石流顆粒的整體作用趨勢表現(xiàn)為“攔”，當(dāng)小于某一粒徑時，攔砂壩對泥石流顆粒的整體作用趨勢表現(xiàn)為“排”；通過建立平均粒徑比來表征攔砂壩對泥石流的攔砂節(jié)流的調(diào)控效果，發(fā)現(xiàn)攔砂壩下游泥石流堆積物的平均粒徑與上游平均粒徑之比<1的樣本數(shù)占到了調(diào)查總數(shù)的79%，說明攔砂壩對該地區(qū)泥石流也具有較好的攔粗排細(xì)效果，但其臨界粒徑仍難以準(zhǔn)確確定。利用余斌公式對該地區(qū)泥石堆積物的重度進(jìn)行估算發(fā)現(xiàn)，攔砂壩上下游泥石流堆積物計(jì)算重度差別不大，說明攔砂壩對泥石流堆積物重度調(diào)節(jié)能力并不顯著，這可能與該地區(qū)泥石流整體性較強(qiáng)有關(guān)。

(3)白龍江中游地區(qū)的泥石流溝雖經(jīng)過多年治理，但部分泥石流溝仍存在溝內(nèi)松散物質(zhì)過多、溝內(nèi)攔砂壩壩體損毀嚴(yán)重等現(xiàn)象，故單純地通過增修攔砂壩來進(jìn)行該地區(qū)泥石流的防治并不能起到很好的防治效果，應(yīng)結(jié)合多種手段，以達(dá)到泥石流的綜合治理。

為此，針對以上問題，本文提出以下建議：

(1)該地區(qū)攔砂壩皆為重力式實(shí)體壩，而泥石流以黏性泥石流為主，建壩后攔砂壩極易淤滿，故建議采用多種攔砂壩壩型相結(jié)合的方式，以進(jìn)行泥石流的綜合防治。如可在泥石流溝中游地區(qū)增修適當(dāng)?shù)耐高^性攔砂壩，如窗口壩、縫隙壩等，充分利用透過性攔砂壩攔粗排細(xì)的功能來降低泥石流在攔砂壩內(nèi)的淤積程度，提高有效庫容。

(2)部分區(qū)域可考慮結(jié)合生物防治的方法，如在溝道上游以及泥石流形成區(qū)采取一些農(nóng)業(yè)措施和林業(yè)措施，通過減少地表水的流失，從而達(dá)到預(yù)防和制止泥石流的發(fā)生或減小泥石流規(guī)模的作用。

(3)該地區(qū)泥石流溝溝內(nèi)巨石多，在攔砂壩淤滿后易隨泥石流直接過壩溢流。由于攔砂壩前后的溝道高差大，在重力作用下，溢流口和壩基往往破壞嚴(yán)重，在不穩(wěn)定情況下攔砂壩壩體及壩后淤積物將可能成為泥石流的二次物源，對下游造成更大規(guī)模的破壞。所以必須加強(qiáng)對此類泥石流攔砂壩的修復(fù)和保護(hù)力度，以防止不必要的災(zāi)害發(fā)生。