本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“热点述评”栏目。
在查阅国内外泥石流停淤工程相关资料的基础上,对已建的停淤工程开展野外调查,总结停淤工程在设计和运行过程中存在的问题。
泥石流是我国山区常见的地质灾害类型之一,是一种介于滑坡和水流之间的含泥、沙和石块的固液两相流体,具有暴发突然、运动快速、破坏力强等特点,对于山区城( 村) 镇百姓的生产生活造成很大的影响。 泥石流灾害严重制约社会经济发展。例如,2010 年甘肃省舟曲县三眼峪和罗家峪发生特大泥石流,泥石流淤埋耕地、摧毁房屋建筑、堵塞河道形成堰塞湖,回水淹没大半个县城,造成重大人员伤亡和财产损失 ;2019 年 8 月 20 日,受持续强降雨影响,四川省汶川县境内多处发生山洪泥石流灾害,造 成 多 人 遇 难 和 失 踪, 都 汶 高 速 映 秀 段、 国 道213 线等道路受损严重,交通中断 。随着社会经济 的 快 速 发 展, 泥 石 流 灾 害 的制约作用尤为突出。因此,通过工程防治可为处于危险区的基础设施和百姓的生产生活提供安全保障。现有的 泥 石 流 防 治 体 系 由 形 成 区 的 稳 固 工程、流通区的拦挡、排导和固床工程以及堆积区的排导、停淤 工 程 组 成。停 淤 工 程 作 为 其 中 一 种 类型在使用。停淤工程是根据泥石流运动和堆积机理,将泥石流引入预定地点让其自然减速、停淤或修建拦蓄工 程 迫 使 其 停 淤 的 一 种 设 施, 多 数 修 建在沟道 下 游 的 堆 积 区, 地 形 相 对 开 阔、 平 缓 的 位置 ;但是随着工程治理中遇到的问题,诸如城镇空间、修建场地限制等原因,停淤场不得不修建在地形复杂、较 陡 的 区 域。汶 川 地 震 后 就 呈 现 出 流域面积小、沟谷狭窄、沟床纵比降大的狭陡型泥石流沟道 。多 条 泥 石 流 沟 采 用 停 淤 措 施, 均 达 到良好的减灾 效 果;然 而,在 运 行 过 程 中,最 突出的问题是停淤场内缺失分流、导流措施,导致停淤空间未合 理 利 用,而 且 停 淤 工 程 仍 以 经 验 设 计为主,未体现均衡停淤的理念。笔者在查阅国内外相关文献资料的基础上,结合停淤工程的现场调查,发现在泥石流综合防治体系中,拦挡、排导工程都有深入的研究和相对成熟并且运用广泛的参数设计方法,而停淤工程到目前为止尚未有过系统性研究。笔者通过对野外泥石流停淤工程的调查,分析停淤工程的应用现状,并总结在设计和运行过程中存在的问题。基于以上分析,笔者提出泥石流停淤工程均衡停淤的理念，以及对泥石流停淤工程研究和设计的几点思考。
存在问题：
通过对上述停淤场的调查发现,停淤场在设计和运行过程中也存在一定的问题,主要表现在以下5方面:
1)停淤场内缺乏泥石流分流、导流及均衡停淤措施。大部分泥石流沟道出山口呈非对称分布且停淤场内的地形起伏不平。由于泥石流直进性的特点,无法合理填充停淤空间,加之停淤场内缺乏泥石流分流、导流措施,导致停淤空间无法高效合理利用,未达到最佳停淤规模和均衡停淤的目的。例如,九寨沟卓追沟泥石流采用停淤工程措施,由于停淤场内缺乏人工干预措施,泥石流沿流向堆积在停淤场中部,两侧停淤空间未有效利用。
2)停淤量计算以经验估算为主,计算结果与实际停淤量偏差大。通常的停淤量是停淤面积和停淤高度相乘的结果,实际的停淤场在平面上呈不规则形状,并且底部起伏不平,导致停淤高度不一致,并且未考虑泥石流性质等因素,故与实际停淤量偏差大。
3)停淤场内缺乏快速堆积和减速耗能的措施。由于部分泥石流沟堆积区比降较大,泥石流流速快,直接冲击停淤挡墙,容易使沿主流方向的停淤挡墙损坏,或导致泥石流翻出挡墙,对挡墙外侧的保护对象产生危害。例如,金川县蔡家沟、红桥沟泥石流停淤场处于县城密集区,在停淤场内部各设置一道由块石堆砌的减速带,让泥石流耗能减速、快速停淤,避免泥石流翻越挡墙而危害保护对象。
4)目前现行规范中停淤挡墙的设计未考虑泥石流冲击力。传统的泥石流停淤场面积大,泥石流流动至停淤挡墙前时,流速较小且快接近停淤状态。针对停淤场面积受限,并且停淤挡墙外侧布置有密集的城镇建筑或公路、铁路等线性工程,需要考虑泥石流对停淤挡墙的冲击力。
5)堆积扇是人类赖以生存的重要场所,停淤场占堆积扇土地面积相对较大,而且人口的增长和城镇化的建设导致可利用土地愈发减少,形成泥石流防治工程与人类活动相互冲突的局面。根据泥石流停淤工程存在的上述问题,笔者认为在设计中应考虑均衡停淤的理念,即以停淤场内泥石流均衡停淤为主线,防止泥石流在停淤场内出现不合理堆积,利用停淤场的地形条件,通过在停淤场内设置分流、导流结构,减小泥石流的能量,使其快速停淤;改变泥石流的流向,充分利用停淤空间,使停淤场发挥最大效益。停淤工程在考虑常规的设计原则下,应着重考虑以下内容:
1)停淤场应有足够的净空,能够容纳1~2次设计标准下的停淤量或者多次小规模泥石流的停淤量;
2)停淤场应设置合理的泥石流流动坡度,并考虑停淤场内人工调控措施,改变泥石流的堆积形态,使停淤场的空间最大化利用;
3)为保证停淤挡墙的安全运行,应增设减速耗能结构,对传统的停淤结构进行优化;
4)停淤挡墙的设计高度结合泥石流的性质、地形条件、设计库容等综合考虑,并考虑后续以增加高度来提高停淤库容;
5)应充分考虑树木对泥石流运动和堆积的影响,发挥生态与岩土工程措施协同作用。
思考：
从目前已建泥石流停淤工程的应用现状分析,其工程设计仍处于经验状态。在泥石流停淤工程防治技术研究方面,缺乏系统性的研究工作,尤其是缺少定量化的计算方法,在以后的研究工作中可以从以下几方面深入开展。
1)停淤空间优化配置。停淤库容是停淤场最关键的设计参数之一,然而由于泥石流直进性的特点,泥石流并不会按照预期的设计停淤量进行停淤,使得停淤空间被浪费,导致实际停淤量与设计停淤量偏差较大,故需增加分流、导流和均衡停淤措施来达到合理停淤的目的。通过对停淤空间布局的优化,可以实现停淤场的最大化利用,尽量少的占用土地面积,留出更多的土地作为其他用途;并且可以降低停淤场清淤成本,若未进行停淤空间的优化,停淤场的有效空间就降低,需要多次清淤才能为后续的泥石流提供停淤空间,增加清淤成本。
2)停淤挡墙结构优化。从目前的设计状况来看,停淤挡墙结构基本都采用相同的横断面结构尺寸,然而当泥石流冲击停淤挡墙后,对挡墙各位置处形成的冲击力和静土压力不同,尤其是泥石流正冲方向和两侧冲击力差异较大。因此,对停淤挡墙的结构型体进行优化是未来研究的重点。通过对停淤挡墙结构的优化,可降低施工成本,挡墙结构本身占地面积小,适合于风景区、村寨生态型泥石流的治理。
3)停淤挡墙高度优化。停淤挡墙的高度取值是设计的关键参数之一,目前主要以经验取值为主,根据停淤方量来反算停淤挡墙的高度,忽视了泥石流性质、地形条件等因素影响。充分利用分流结构的减速耗能作用,可有效降低挡墙的高度。通过对停淤挡墙的优化,可降低施工成本,对环境干扰和影响较小,尤其适用于风景区、村寨生态型泥石流的治理。
泥石流停淤工程作为减灾效果良好的一类主体工程,但在实际应用中也存在很多问题,尤其是停淤工程的技术研究方面,还缺乏系统性的研究,作者正在开展该方面的研究工作。在以后的研究中,尤其在沟床比降大的条件下,需从物源区、流通区、堆积区考虑逐级调控,实现泥石流物质与能量的全过程调控,将泥石流停淤技术与拦挡、排导技术紧密结合,形成完整的泥石流综合防治技术,才能更好地服务于泥石流防灾减灾。
九寨沟卓追沟泥石流停淤场
泥石流停淤工程研究的主要内容
赵万玉,游勇,陈晓清,等. 泥石流停淤工程应用现状与思考[ J] . 中国水土保持科学, 2024, 22(3) : 12-19. ZHAO Wanyu, YOU Yong, CHEN Xiaoqing, et al. Application situation and considerations of debris flow deposition works[ J] . Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3) : 12 - 19.
国家自然科学基金“约束条件下泥石流停淤特征与均衡停淤方法研究” (51709259) ;国家重点研发计划课题“ 村寨地质灾害智能监测与治理技术研发及应用示范” (2020YFD1100701)
长按二维码关注我们 ▶▶▶
转载、投稿、咨询。
邮箱：sbxh035@263.net
