漂木對山洪泥石流運動致災影響研究進展

陳劍剛，費高高，王喜安，陳華勇，陳曉清

(1.中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041； 2.中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

地震、滑坡、火災等因素使得大量樹木枝干散落在溝道內(nèi)，當發(fā)生山洪或泥石流時，會伴隨其傾瀉而出，使得含有大量漂木的山洪泥石流造成更為嚴重的災害和損失[1-6]。Benn[7]統(tǒng)計了英國1845—2012年間鐵路橋梁破壞的67個案例，由漂木聚集造成的事故占據(jù)20例。漂木在運動過程中受邊界條件、漂木長度和直徑等的影響，常在溝道內(nèi)聚集形成不穩(wěn)定的堵塞體，單個堵塞體的潰決或多個堵塞體的級聯(lián)潰決會造成山洪泥石流流量的急劇增大，加劇了災情，增大了損失[1-3,8]，1978年的瑞士洪水事件中，河流上游形成的一個漂木堵塞體突然潰決，使洪水峰值流量高達3 000 m3/s，造成溢洪道的損壞[9]；2018年6月九寨溝風景區(qū)克澤溝暴發(fā)山洪泥石流災害，由于大量漂木聚集堵塞溝道形成堵塞體，不穩(wěn)定漂木堵塞體突然潰決時的瞬時洪峰流量是未形成堵塞體時的2.8倍，造成一座攔沙壩的破壞；2019年8月20日，受強降雨影響，位于岷江沿岸的簇頭溝、板子溝、登基溝等暴發(fā)了特大泥石流災害，泥石流攜帶的漂木在搬運過程中形成堵塞體，堵塞體潰決后產(chǎn)生流量放大效應，造成溝道內(nèi)已建攔沙壩的損毀和堆積扇上房屋的嚴重破壞，泥石流沖出溝口淤埋或沖毀都汶高速公路，造成了都汶高速斷道近50 h。以往泥石流防治工程設計過程中未考慮漂木在溝道內(nèi)的堵塞-潰決流量放大作用而造成攔擋工程的破壞，增加了工程安全運行的維護成本[10]。

山洪泥石流中攜帶的漂木往往會加劇災害，造成更為慘重的損失，尤其是植被發(fā)育較好、生態(tài)環(huán)境保護好的區(qū)域，漂木對山洪泥石流災害的貢獻更大，已成為近年來科學研究和災害防治的熱點和前沿。因此，全面開展山洪泥石流中漂木的補給、搬運-堆積、聚集-堵塞、潰決等動力學過程研究，對山洪泥石流中漂木危害的防治具有實際價值。本文在廣泛收集國內(nèi)外已有文獻資料的基礎上，依次對山洪泥石流運動中漂木動力過程、漂木致災、漂木減災措施的研究成果進行闡述，以期為山洪泥石流中漂木致災機理研究和防治技術研發(fā)提供支撐。

1 山洪泥石流運動中漂木動力過程

崩塌滑坡等災害導致樹木連同坡體一起失穩(wěn)進入溝道，在山洪泥石流的作用下樹木起動形成漂木，漂木在搬運過程中遇到攔沙壩或溝道過流斷面急劇縮小的位置極易形成漂木堵塞體。漂木堵塞體在后續(xù)山洪泥石流的沖擊作用下，容易發(fā)生潰決，造成流量的瞬間放大，同時被攔蓄的泥沙等物質(zhì)又轉(zhuǎn)化為泥石流物源。進入河流中的漂木，在運動過程中常直接撞擊橋墩，或在橋墩位置形成堵塞體，這不僅會降低河道的過流能力，還會造成上游水位抬升，淹沒建筑物，加劇災害。本節(jié)將從漂木補給、搬運-堆積、聚集-堵塞、潰決過程4個方面進行分析。

1.1 漂木補給

降雨誘發(fā)的山洪、泥石流等對溝岸侵蝕造成的森林破壞是溝道內(nèi)漂木補給的主要來源[11]。除以上主要補給方式外，山火、火山爆發(fā)、植物更替、人為的砍伐活動等也會影響進入溝道的漂木數(shù)量，而這些補給方式的重要程度受流域特征的影響[12]。漂木的補給通常是多個過程的組合，基于流域尺度的漂木補給定量化分析受到植被覆蓋率、地質(zhì)條件、降雨量等因素的影響，同時漂木的搬運輸移又受到流量特性、漂木特性、地形等因素的影響，導致其定量化分析十分復雜，具體表現(xiàn)在：漂木特性隨時間和流域的不同而變化；山洪泥石流對漂木的搬運具有不確定性；漂木特征的連續(xù)調(diào)查具有挑戰(zhàn)性。

Benda等[13]提出在給定時間段Δt內(nèi)，長度為Δx的河段中漂木的輸入量、輸出量和儲存量的定量分析模型，其表達式如下：

ΔS=(Li-Lo+Qi/Δx-Qo/Δx-D)Δt

(1)

式中：ΔS為漂木儲存量；Li為溝道兩岸對漂木的補充量；Lo為漂木沉積量；Qi和Qo分別為某段溝道輸運過程中進出的漂木量；D為漂木腐爛量。

該模型在漂木補給來源分析中已得到認可，但是其結(jié)果的精確性受漂木調(diào)查過程的影響。隨著科學技術的進步，為定量化確定漂木補給量，GPS和無人機等調(diào)查方法(表1)得以應用。總體而言，在對流域尺度的漂木補給定量評估中，GPS和無人機等調(diào)查方式更具實用性；在局部河段和溝道的漂木定量化分析中，追蹤和監(jiān)控等調(diào)查方法更具時效性。

表1 漂木調(diào)查方法

1.2 搬運-堆積

漂木的起動通常是滑動、滾動和轉(zhuǎn)動的組合過程，與漂木起始運動時的流體深度密切相關[25-27]，現(xiàn)有研究集中在漂木、來流、溝道等特征參數(shù)與漂木起始運動時的流體深度之間的變量關系，而溝道內(nèi)的漂木對流體流態(tài)的影響是一個復雜的三維動態(tài)過程，今后需加強監(jiān)測三維流體參數(shù)，或建立流體三維數(shù)值模型，進而將漂木周圍的流體特征參數(shù)化。山洪泥石流中漂木起動的研究存在以下主要問題：山洪泥石流的流體性質(zhì)相對水流復雜，且漂木通常伴隨山洪泥石流傾瀉而出[28]，因此泥石流溝道中的漂木起動研究難度較大。

單根漂木被水流搬運時，常會與河床直接接觸或漂浮在水面上，而多根漂木被搬運時，具有不擁擠、半擁擠、擁擠3種輸移方式[29]。山洪泥石流運動模式與水流差異明顯，其搬運漂木的過程需要通過理論和實驗模型進一步研究。Mazzorana等[30]使用二維流體力學模型計算了非穩(wěn)態(tài)流動條件下水流搬運漂木的路徑。Villanueva等[31]模擬了水流搬運單根圓柱狀漂木，其結(jié)果與Braudrick等[27]的試驗結(jié)果相符。Bocchiola等[32]提出了包括漂木搬運在內(nèi)的河流動力學的解析和數(shù)值方法，忽略了漂木堆積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)漂木搬運導致河床表面切應力和水流流速的增大。以上數(shù)值模型主要為二維模型，而水流對漂木的搬運，需要通過三維模型才能獲取漂木周圍的流體流態(tài)特征以及漂木在不同方位上的運動變化過程。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)：河流搬運漂木的距離隨著漂木長度的增加整體上呈下降的趨勢[33]；漂木相對來流方向夾角θ(θ=0°表示漂木與來流平行，θ=90°表示漂木與來流垂直)減小，河流搬運漂木的距離降低[27]；漂木的密度越低，河流搬運漂木的距離越遠[34]。然而，以上結(jié)論是基于河段尺度的野外調(diào)查得到的定性分析，還需通過模型試驗開展定量分析研究。漂木會在淺水、河流凹岸、河流沙洲等處自然堆積[35-37]，這種自然的漂木堆積一般有較好的生態(tài)效益[38-39]，因此建立漂木堆積的易發(fā)性評估模型有利于評估漂木的生態(tài)價值。通過河道和漂木參數(shù)分析，可將漂木自然堆積的易發(fā)性無量綱化[37]，用K表示：

(2)

式中：L為漂木長度；wav為河道平均寬度；Rc為河道平均曲率半徑；db為漂木能夠在河水中起動的臨界水深；dav為河道平均深度；a1、a2、a3為根據(jù)每個變量的相對重要性而變化的系數(shù)。

無量綱表達式數(shù)值越大，漂木越容易在溝道中堆積，但是存在以下問題：該公式僅僅反映漂木堆積的平均趨勢，不能反映河道中局部區(qū)域漂木的堆積情況；沒有考慮河床顆粒粒徑、水流性質(zhì)等因素對漂木堆積的影響；參數(shù)a1，a2，a3為經(jīng)驗值，缺乏理論依據(jù)。

1.3 聚集-堵塞

漂木會在橋梁或攔沙壩等基礎設施處聚集并逐漸形成堵塞體[40]，導致過流斷面減小，上游水位上升，下游災害風險加劇[41]?；趯嶒灁?shù)據(jù)分析，許多學者建立了溢洪道、橋墩、攔沙壩等位置的漂木堵塞率計算公式(表2)。Chen等[8]和王道正等[28]的泥石流水槽試驗表明攔沙壩處漂木堵塞率隨漂木長度和漂木體積的增加逐漸增加。然而，現(xiàn)有的試驗研究無法解釋漂木堵塞過程的隨機性行為，因此在設計實驗時需考慮統(tǒng)計學的方法來評估漂木堵塞率。

表2 漂木堵塞率計算公式

漂木堵塞體通常用其形狀、尺寸和孔隙度來描述[46]。樁林式攔截結(jié)構(gòu)處的漂木堵塞體橫截面形狀為地毯形，而縱斷面形狀為三角形或梯形，隨著弗勞德數(shù)增大，漂木堵塞體沿水流方向的長度隨弗勞德數(shù)增加呈線性減小[47]。單個橋墩處的漂木堵塞體的橫截面形狀為馬蹄形[6]，漂木堵塞體的長度和寬度隨弗勞德數(shù)增加呈指數(shù)式減小，高度隨弗勞德數(shù)增加呈指數(shù)式增加[48]。開口型攔沙壩處漂木堵塞有兩種模式：在低透過性攔沙壩的上游水流流速較低，漂木堆積為單層浮毯式；相反，具有高透過性的攔沙壩上游水流流速較快，漂木以密集復雜的三維模式聚集[49]。Manners等[50]認為水流通過堵塞體的流動相當于多孔介質(zhì)中的滲流，并通過孔隙率φ來描述堵塞體內(nèi)部特征：

(3)

式中：Vl為自然堆積的漂木堵塞體體積，Vs為實際的漂木體積。根據(jù)瑞士洪災后的漂木野外調(diào)查，漂木堵塞體的孔隙率φ在0.5到0.8之間變化[51]。

1.4 潰決

當漂木堵塞體的內(nèi)部組成或者外部的來流條件發(fā)生變化時，堵塞體可能會發(fā)生潰決，現(xiàn)有的研究對漂木從形成堵塞體到最終潰決的過程的描述以及潰決臨界條件的總結(jié)見表3。漂木潰決過程都是先逐漸形成漂木堵塞體，達到臨界條件時，堵塞體突然潰決。由于山洪泥石流具有突發(fā)性且歷時短暫，漂木聚集-堵塞位置具有較大隨機性，從而導致漂木潰決過程的實時監(jiān)測難以獲取。今后在現(xiàn)場調(diào)查過程中需捕捉漂木潰決過程，結(jié)合理論和模型研究，分析漂木堵塞體潰決發(fā)生的臨界條件，為漂木災害的防治提供有效支撐。

表3 潰決過程

2 漂木致災

2.1 沖擊破壞

漂木在較為順直的溝道中運動時，速度快，沖擊力大，易對建筑造成破壞[52]。傅宗甫等[53]發(fā)現(xiàn)漂木撞擊力隨漂木撞擊角、潛沒深度，及庫水位的增加而增大，并提出漂木撞擊力計算的經(jīng)驗公式，但該公式僅考慮有限范圍內(nèi)撞擊角的影響，其適用性需進一步完善。Haehnel等[54]通過單自由度理論模型結(jié)合實驗研究發(fā)現(xiàn)沖擊力隨漂木運動速度、漂木質(zhì)量、撞擊角度以及碰撞剛度的增大而增大，若漂木所撞擊的結(jié)構(gòu)是剛性的，則沖擊力與結(jié)構(gòu)的材料類型無關，為了使研究具有普遍意義，還需分析各影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，并將各因素有效統(tǒng)一。漂木對泥石流溝道中攔沙壩的沖擊碰撞過程十分復雜，可從能量疊加角度研究漂木作用于攔沙壩的沖擊力隨時間的變化過程和空間分布規(guī)律。

2.2 堵塞-淹沒

漂木在橋梁或河道斷面縮窄處發(fā)生堵塞會導致上游水位上漲，增加鄰近地區(qū)的洪水淹沒風險[2,55]；在泥石流溝道中，漂木在攔沙壩或溝道斷面縮窄處堵塞，造成泥石流回淤量增加。水槽試驗結(jié)果表明，水位上漲高度隨來流的弗勞德數(shù)、漂木堆積體的密實度、漂木堆積體中樹枝和樹葉含量的增大而增大[56]，漂木自然聚集形成的堵塞體與人工設置的漂木堵塞體相比造成的水位上漲高度降低約40%[57]，同時建立了考慮各影響因素的數(shù)學表達式。Piton等[49]研究了不同開口型攔沙壩溢流口位置漂木堵塞造成的水位上漲，結(jié)果表明，堰、格柵壩、梳子壩處堵塞導致水位上漲分別為5%～40%、20%～60%、50%～200%。該研究主要是對實驗現(xiàn)象的解釋，還需進一步分析影響水位上漲的各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，同時考慮不同漂木密度、不同流體類型、不同流態(tài)下漂木造成的流體流深變化規(guī)律，尤其是山洪泥石流運動過程中漂木堵塞造成的流體壅高，為防災減災提供理論支撐。

2.3 堵塞-沖刷

自然溝道內(nèi)的漂木局部堵塞造成過流斷面面積減小，流速增加，導致溝道的嚴重沖刷和侵蝕[58-59]。橋墩處漂木堵塞造成的河床沖刷深度主要受漂木堵塞體特性、水流深度和流速、河床泥沙顆粒粒徑和級配、橋墩大小和形狀等因素的影響[60]。通過高斯正態(tài)分布模型，量化了漂木在樁林式攔截結(jié)構(gòu)處堵塞造成的沖刷深度和沖刷長度[60]，試驗結(jié)果可以支撐優(yōu)化漂木攔截結(jié)構(gòu)的設計。漂木在攔沙壩開口處堵塞會對后續(xù)流體起到攔擋作用，導致攔沙壩開口處泥沙堆積體所受侵蝕作用反而減小[61]。

2.4 潰決-沖刷

水位上漲或泥石流回淤將增大漂木堵塞體和基礎設施承受的靜水壓力，從而增加了漂木堵塞體和基礎設施潰決的風險。一旦發(fā)生潰決會造成山洪泥石流流量的瞬間放大，引發(fā)更嚴重的次生災害[2,8,28]。Chen等[8]通過泥石流水槽試驗研究漂木在攔沙壩處的潰決-放大效應，研究發(fā)現(xiàn)峰值流量放大系數(shù)最大值為1.6，同樣在野外調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)類似案例[3]。泥石流流量放大一方面會造成更嚴重的人民生命財產(chǎn)損失，另一方面會加劇對溝道的沖刷及溝岸森林的破壞。在以往的防治工程設計中，未考慮山洪泥石流中漂木堵塞體潰決過程帶來的規(guī)模放大效應，從而導致橋梁、水工結(jié)構(gòu)、攔沙壩等建筑設計標準偏低，出現(xiàn)建筑損毀的情況。因此，基于雨洪法和現(xiàn)場調(diào)查法計算山洪泥石流規(guī)模、流量、沖擊力等參數(shù)的方法應用到含漂木的山洪泥石流防治時，需要考慮山洪泥石流中漂木堵塞體潰決過程帶來的規(guī)模放大效應，避免因規(guī)模激增超過建筑設計標準而造成工程體系損毀。

3 漂木減災措施

3.1 工程措施

減小漂木危害的工程措施以攔截和導流為主，攔截措施是將漂木攔截后清除，而導流措施則是讓漂木快速有效地通過基礎設施。漂木攔截措施包括攔截索網(wǎng)[62]、攔截壩體[62-63]、攔截樁林[64]等，但是此類措施一方面增加運行維護費用，另一方面漂木在攔截結(jié)構(gòu)處的堵塞，同樣會造成上游水位上漲以及局部沖刷加劇等問題。因此，建立及時有效的漂木清除機制是漂木攔截工程減災的關鍵。漂木導流措施包括導流裝置[65]、導流鰭[66]、清掃裝置[65]等，這類措施不僅降低了漂木在基礎設施處堵塞的概率，而且降低了清除漂木的成本，但是隨著下游漂木量的逐漸增加會加劇下游的災害。因此，工程措施需要考慮攔截和導流兩種方式協(xié)同運行，同時及時清除漂木，從而有效防止漂木致災。無論是漂木攔截措施還是漂木導流措施，其設計參數(shù)均為經(jīng)驗取值，在對特定流域選用工程措施建設時可采用以下流程：①調(diào)查該流域漂木、溝道、流體特征參數(shù)；②依據(jù)防災減災標準結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)制定工程措施；③工程措施運行期的監(jiān)測維護。

3.2 管理措施

Panici等[67]認為漂木加劇災害主要與漂木堵塞相關，然而由于自然因素和人為活動可能導致災害風險隨時間發(fā)生變化，從而導致這種評估方式缺乏時效性[68]。Mazzorana等[69]提出了基于形成性情景分析(FSA)的框架，將影響漂木致災過程的各種變量整合，并應用在山區(qū)溪流中，最終模擬出與實際情況相符的災害過程情景，這種方法考慮的情況較為全面且具有時效性，但是該模型沒有將漂木的危害程度定量化?，F(xiàn)有研究表明，漂木具有一定的生態(tài)效益[70]，因此，還需加強漂木災害預防、河流生態(tài)恢復、行政干預的綜合管理措施研究[71]。

4 發(fā)展趨勢

4.1 漂木補給定量評估

現(xiàn)有的研究對漂木補給的分類及其補給動力過程的研究已取得進展，基于河段尺度的漂木定量評估模型已經(jīng)建立，然而局部河段的漂木補給情況不能反映流域內(nèi)漂木補給的動態(tài)過程，無法實現(xiàn)有效的災害評估。因此，需調(diào)查流域內(nèi)森林的樹木類型，獲取漂木的分布、數(shù)量、長度和直徑等特征參數(shù)，進而建立流域尺度的漂木定量化補給模型，有助于準確預測流域內(nèi)的漂木量，預估山洪泥石流運動中漂木災害風險等級，從而制定與之相適應的防治工程設計標準。

4.2 漂木運動-停積-堵塞-潰決動力過程

基于實驗和數(shù)值模擬研究，漂木運動-停積-堵塞-潰決動力過程研究成果顯著，但實驗多為機理實驗，數(shù)值模擬對空間漂木堆積結(jié)構(gòu)、復雜的流態(tài)、水沙兩相流的模擬存在一定難度，今后需通過現(xiàn)場調(diào)查獲取典型流域溝道、漂木、流體等參數(shù)，以典型流域為原型進行實驗和數(shù)值模擬研究；通過現(xiàn)場調(diào)查和實時監(jiān)測獲取漂木運動-聚集-堵塞-潰決動力過程，結(jié)合實驗和數(shù)值模擬研究分析其演化規(guī)律，揭示漂木在自然溝道或河流中的運動-停積-堵塞-潰決動力過程機制。

4.3 漂木致災效應與風險評估

漂木在天然溝道內(nèi)和河流中的堵塞-潰決過程會加劇災害，基于實驗分析，已初步建立漂木的沖擊破壞、堵塞-淹沒、堵塞-沖刷的計算模型，仍需要建立堵塞-潰決造成的流量放大動力學參數(shù)計算方法。漂木致災風險定量評估可為基礎設施建設、災害預防、漂木生態(tài)效益利用等提供支撐，利用GPS精準定位、無人機等先進的技術手段，加強對漂木災害事件的過程觀測和監(jiān)測，實時獲取原型數(shù)據(jù)，結(jié)合室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬手段，定量預測流域尺度的災害風險。

4.4 漂木災害調(diào)控與減災措施

漂木減災措施通常以局部區(qū)域的攔截和導流措施為主，這種方法制造和維護費用高，且使用期限較短，需要建立流域尺度的漂木災害調(diào)控措施。從流域尺度出發(fā)，針對上游匯集區(qū)、中游輸移區(qū)、下游堆積區(qū)建立不同的漂木防治工程措施。同時，針對流域內(nèi)漂木堵塞體潰決-放大效應帶來的危害，建立有效的監(jiān)測預警措施。最后通過將漂木災害預警措施與工程防治措施相結(jié)合，建立有效的管理措施，從而降低漂木在天然溝道內(nèi)和河流中的堵塞-潰決發(fā)生概率，降低其帶來的危害。

5 研究展望

在目前漂木動力學過程、漂木致災、漂木減災研究的基礎上，開展漂木堵塞-潰決過程研究，不僅有助于解決風景區(qū)內(nèi)的漂木災害防治問題，而且有助于解決川藏公路、川藏鐵路等重大工程建設中面臨的漂木災害防治需求。未來的研究方向主要有：

a.構(gòu)建流域尺度漂木補給定量計算模型。由于漂木補給具有隨機性，導致現(xiàn)有的漂木補給模型無法定量預測流域尺度的漂木補給量，直接影響漂木致災效應的定量評估及流域內(nèi)防治工程設計標準的確定，因此，亟須構(gòu)建流域尺度的漂木補給定量計算模型。

b.揭示漂木堵塞-潰決規(guī)模放大機理。由于缺乏對山洪泥石流中漂木堵塞-潰決帶來的規(guī)模放大效應的研究，導致工程設計標準偏低，增大了工程損毀的風險。亟須開展系列物理模型試驗和數(shù)值模擬研究，建立基于堵塞-潰決規(guī)模放大條件下的山洪泥石流動力學參數(shù)定量化計算方法。

c.建立漂木致災防控方法。由于漂木運動過程具有不確定性，造成漂木致災風險無法定量評估。在研究漂木隨機沖擊破壞建筑物的基礎上，建立沖擊力計算方法，進而構(gòu)建漂木堵塞-潰決條件下的災害定量評估方法，研發(fā)漂木災害防治關鍵技術，構(gòu)建完善的漂木災害監(jiān)測與管理體系。