生物谷坊在白沙沖泥石流治理中的應用

赫念學，李星宇，張奇林

(云南地質(zhì)工程勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650041)

泥石流的治理技術源于水土保持工程，在20世紀60年代即已形成了工程措施與生物措施并舉，“穩(wěn)、攔、排”結合的綜合防治工程體系[1]。生物措施防治泥石流，主要是利用自然森林植被具有的防沙固土、截留雨水、增強土壤滲透能力、減少地表徑流、固持松散土質(zhì)、調(diào)節(jié)洪水的獨特功能，使泥石流少發(fā)或災害減輕[2]。谷坊是應用比較普遍的泥石流防治工程，特別是漿砌石谷坊[3]在泥石流防治中應用較多。常規(guī)的泥石流谷坊一般采用漿砌石或埋石混凝土等土木工程實體壩，在泥石流溝中施工時，受場地條件限制，其施工材料搬運困難，一般均需修建專門的運輸?shù)缆?，但在山高坡陡的泥石流溝中修建運輸?shù)缆?，不可避免地會造成地形地貌破壞，并會產(chǎn)生工程棄渣，形成新的泥石流物源，而采用生物谷坊代替實體谷坊，則施工材料可大量減少。不同泥石流或同一泥石流的不同地段，泥石流沖刷強度、巖土體性質(zhì)也存在很大的差異，因此在泥石流溝中實施生物谷坊時，需因地制宜地采用不同類型的生物谷坊或者采用實體壩與生物谷坊相結合的形式，以達到治理泥石流的目的。

有關植被在泥石流物源防治中的生態(tài)作用的研究開始較早[4-6]。對于規(guī)模較小的坡面型泥石流，通常在溝道內(nèi)修筑一些用于穩(wěn)定溝床的谷坊，在溝坡上采用植樹造林、封山育林育草等大面積的生物措施進行防治[7]；生物谷坊也被廣泛應用于溝道水土流失的治理[8-9]，張日俊等[10]對沙棘柔性壩的生態(tài)恢復效應做了初步研究，但有關生物谷坊在泥石流防治中的作用和成功經(jīng)驗的研究和報道較少。本研究以云南個舊白沙沖泥石流治理為試驗案例，對生物谷坊在泥石流治理中的設計要點及應用條件進行了分析研究，以期為泥石流的生態(tài)治理提供借鑒和參考。

1 白沙沖泥石流概況

白沙沖處于云南省個舊市大屯海西岸，屬亞熱帶山地季風氣候區(qū)，年均降水量1 603.3 mm，日最大降雨量108.9 mm，溝水直接匯入大屯海，總體呈東西展布，整個流域面積約13.24 km2，流域相對高差約1 420 m，主溝長約4.1 km，平均坡降約13%，為典型的溝谷型泥石流溝。流域范圍內(nèi)主要巖性為燕山期中粒黑云母花崗巖，下游分布有三疊系個舊組碳酸鹽巖。由于流域內(nèi)歷史上存在無證露天采山砂活動，植被被破壞，因此形成大面積的土壤強侵蝕區(qū)(見圖1)?，F(xiàn)狀流域內(nèi)發(fā)育13處崩塌、坍塌，22條活動性沖溝，泥石流主溝松散層厚2.0～20.0 m，平均厚約3.0 m，溝床平均寬約20.0 m。白沙沖泥石流固體松散物儲量約為1 676.3萬m3，其中可移動固體松散物量約為30.2萬m3，其物質(zhì)組成以礫砂、含碎石黏性土為主，碎石、塊石次之。

圖1 項目區(qū)2010年土壤侵蝕Google影像

白沙沖泥石流暴發(fā)頻率為0.3～1.5次/a，泥石流漿體重度平均值15.5 kN/m3,為稀性泥石流；一次刷深0.2～0.5 m，從泥石流堆積扇扇頂向下游淤高0.1～0.5 m；泥石流流速為3.21～4.83 m/s，且從流通區(qū)上游至中下游速度逐漸增大，從流通區(qū)中下游至堆積區(qū)速度逐漸減小。

2 白沙沖泥石流的生物谷坊設計

根據(jù)白沙沖泥石流特點，將生物谷坊布設在泥石流即將啟動或剛啟動的位置，即布置在主溝最上游實體壩上游，泥石流形成區(qū)與流通區(qū)的交界位置(見圖2)，共布置23條,每條長約30 m、寬1 m，每座谷坊之間距離約25 m。

圖2 生物谷坊布設位置影像

2.1 布設區(qū)立地條件

布設區(qū)淺表層巖土體為礫砂、含碎石黏性土，土壤pH值5.5～6.2，屬微酸性土，厚度一般大于2.0 m，質(zhì)地較疏松。礫砂中礫石直徑一般0.2～2 cm，含量20%～30%，礫石成分為黑云母花崗巖。該區(qū)無霜期長，溝內(nèi)有間歇性水流，溝床比降小于10%。

2.2 樹種選擇

用于生物谷坊的樹種，應選擇具有深根性、根系發(fā)達、耐貧瘠、耐干旱、適應性強等特點的樹種，應充分考慮流域的氣候條件，從海拔、年均降水量、全年日照時數(shù)等生態(tài)條件來確定植物[9]，也要求具有速生、耐淹或大枝扦插容易成活等特點[11]。根據(jù)布設區(qū)的立地條件，調(diào)查和訪問當?shù)亓謽I(yè)部門，選擇適合的、生長迅速的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種。項目區(qū)樹種確定主要有白楊和滇柳。白楊和滇柳均具有適應能力強、生長快速、根系發(fā)達、固土能力強的特點，且均適合在沙壤中生長。

2.3 生物谷坊設計

生物谷坊設計為3行，選擇胸徑5～10 cm、高度大于3.5 m的白楊、滇柳植株，株行距0.5 m×0.5 m，呈梅花形交互種植。種植穴用Φ150 mm鋼管鉆進1.5 m深后插入樹木(無根)，并用客土加化肥充填壓實。在每行植株的下部從地面起向上按10 cm間距橫向編織竹竿，每行編織11排，高1 m，竹竿直徑1 cm；在上部距地面2.0 m處每行編制竹竿1排，竹竿直徑2 cm。竹竿以細鐵絲或鉛絲綁扎。典型設計見圖3。

圖3 生物谷坊典型設計示意(單位：cm)

3 生物谷坊的效果評價

白沙沖泥石流生物谷坊按上述設計施工(見圖4)，實施一年后，樹木成活率超過95%，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)(見圖5)，且固定溝床松散固體物質(zhì)明顯(見圖6)，攔擋固體物質(zhì)效果也較為顯著(見圖7)。據(jù)初步統(tǒng)計，已固定和攔擋可移動松散固體物質(zhì)約1萬m3，減緩了骨干實體壩的庫容壓力，初步估算可使實體壩延緩2～3年滿庫，同時使白沙沖泥石流溝內(nèi)破壞的地形地貌得到恢復，環(huán)境得到很大的改善，相應地也減少了實體壩施工時修建專門運輸?shù)缆?、開挖基礎所產(chǎn)生的工程棄渣。

圖4 生物谷坊剛實施時

圖5 生物谷坊全貌

圖6 生物谷坊固土效果

圖7 生物谷坊攔擋效果

4 結論與探討

從白沙沖泥石流生物谷坊的實施及運行效果來看，應結合泥石流特點因地制宜地在泥石流溝中布設生物谷坊?？偨Y起來有以下幾點：

(1)在選擇生物谷坊對泥石流進行治理時，為了有效攔擋和固定泥石流松散物質(zhì)，建議采用實體壩與生物谷坊相結合的形式對泥石流溝進行綜合治理。

(2)生物谷坊布設地段一是選擇在泥石流形成區(qū)與流通區(qū)交界地段，以便在泥石流未啟動時就將其固定和攔擋住；二是選擇在泥石流溝床較為平緩且第四系松散物質(zhì)相對較厚的地段，以便植物生長有合適的立地條件。

(3)在選擇生物谷坊樹種時，應結合泥石流溝本地植物品種和布設點土壤特點綜合確定。

(4)實施生物谷坊時，其材料運輸可不必修建專門的運輸?shù)缆?，也不需基礎開挖，從而可減少或避免對地形地貌的破壞，還可減少棄渣的產(chǎn)生，即在修復地形地貌的同時也可減少泥石流物源量。

(5)泥石流實體壩施工成本較大，且隨著時間的推移實體壩將逐漸被淤滿，其攔擋作用將逐漸消失，而生物谷坊的樹木隨時間的推移將不斷生長，其攔擋和固定松散物質(zhì)的作用也隨之增強。

(6)生物谷坊在攔擋和固定泥石流松散物質(zhì)的同時也增加了植被覆蓋率，改善了泥石流溝內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，使泥石流治理工程與周邊自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，試驗結果對泥石流治理工程的綠色設計、綠色施工具有較好的借鑒和參考價值。