王天健，胡桂勝，陳寧生*，侯儒寧，陳思華

（1.西藏大學(xué)，西藏 拉薩 850000；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810016；4.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081；）

0 引言

我國對泥石流的工程防治措施主要有預(yù)防、預(yù)警預(yù)報和治理三大類[1]。其中，泥石流的排導(dǎo)是治理泥石流災(zāi)害的重要工程措施之一，通過設(shè)計(jì)導(dǎo)流堤、急流槽、束流堤和排導(dǎo)槽等，減弱和引導(dǎo)泥石流流勢，使泥石流按設(shè)計(jì)意圖順利排泄，從而減輕泥石流對目標(biāo)工程的危害。但目前對泥石流排導(dǎo)工程的研究主要集中在排導(dǎo)槽尺寸的設(shè)計(jì)或溝床比降等措施上，對于排導(dǎo)槽防護(hù)堤的選型研究并不十分深入[2]。而且，在排導(dǎo)槽防護(hù)堤的選擇上大多為單邊防護(hù)堤。如四川省壤塘縣石吾隴溝治理方案為在宗科河左岸設(shè)置單邊防護(hù)堤，并加寬自然溝道，在堆積扇進(jìn)行清淤工程[3]。四川省壤塘縣茸郎溝泥石流治理方案為攔擋壩加單邊防護(hù)堤[4]。所以現(xiàn)有研究未能認(rèn)識到排導(dǎo)槽中單邊防護(hù)堤和雙邊防護(hù)堤的優(yōu)劣，使得在現(xiàn)有的泥石流工程防治過程中，存在一些不恰當(dāng)?shù)姆乐未胧?/p>

此次泥石流災(zāi)害中大量房屋、農(nóng)田、道路和橋梁受損，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.52億元。筆者認(rèn)為，正是因?yàn)楸敬文嗍鞣乐芜^程中存在一些不恰當(dāng)?shù)姆乐未胧?，使得泥石流?zāi)害進(jìn)一步加重與擴(kuò)大。這將為以后泥石流的防治工程設(shè)計(jì)提供警醒與借鑒。

1 研究區(qū)概況

曾達(dá)溝位于成都市西北部，阿壩藏族羌族自治州西南部的金川縣境內(nèi)。溝口坐標(biāo)N31°12′3.21″、E102°0′41.31″。東鄰小金縣，西南與甘孜州的道孚、丹巴兩縣接壤，西北和壤塘縣毗鄰，東北與馬爾康縣隔河相望（圖1）。曾達(dá)溝距金川縣城約48公里，S211省道從溝口通過，溝域內(nèi)分布有曾達(dá)鄉(xiāng)的6個行政村。

曾達(dá)溝位于四川盆地與青藏高原東南緣的過渡地帶，地貌為高山峽谷地貌，地形切割劇烈，地形特征主要為高山、坡陡、谷深。境內(nèi)北高南低，山脈為南北走向，河流由南向北流入大金川河。曾達(dá)溝為大金川河一級支流，匯流面積125.53km2，常年流水溝道，多年平均流量約5～8m3/s，汛期最大流量可達(dá)50m3/s。其主要補(bǔ)給源為大氣降水、冰雪融水和地下水。

曾達(dá)溝區(qū)域氣候?qū)俅箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，日溫差大，年溫差小，冬不嚴(yán)寒，夏無酷暑，干濕分明，四季不明顯。多年平均氣溫12.8℃，最冷月（1月）均溫2.5℃，最熱月（7月）均溫20.7℃，無霜期多年平均184天。每年從11月至翌年4月為冬半年，日溫差大，降水稀少（占年降水量的9%）；5月到10月為夏半年，降水顯著增加（占年降水量的91%），且多以大雨、暴雨或連陰雨的形式出現(xiàn)。

曾達(dá)溝平面形態(tài)呈“梨”型，溝口至主溝分水嶺長16.9km，溝域最高點(diǎn)高程4720m，溝口最低點(diǎn)高程2056m，相對高差2664m。全流域平均縱坡降約126‰，溝道下游總體較寬，向上游逐漸變窄變陡，局部寬窄相間。溝域內(nèi)支溝發(fā)育，多呈“V”型。其上游為主溝溝源到張家溝段，支溝發(fā)育在主溝右側(cè)，為張家溝，該段為清水區(qū)；中游為張家溝到四卡溝段，支溝有干海子溝、雙海子溝、水卡子溝、倪家坪干溝、龍古溝、波巖溝、艾爾羅溝、壇罐窯溝、單雞溝共9條支溝，該段沖淤結(jié)合，以沖為主，為流通區(qū)；下游為四卡溝到溝口段，支溝分別為四卡溝、卡子溝、白臘溝、龍燈溝、代都溝、小代都溝共6條支溝，為堆積區(qū)（圖2）。

圖2 曾達(dá)溝溝域圖及排導(dǎo)槽分布圖Fig.2 Domain map and drainage channel distribution map of Zengda Gully

曾達(dá)溝溝域內(nèi)分布有三疊系中、上統(tǒng)區(qū)域淺變質(zhì)巖，主要巖性為變質(zhì)砂巖、板巖，屬淺、濱海相碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積建造；以及新生界第四系松散堆積和冰水堆積層。構(gòu)造不發(fā)育，無斷層穿過。曾達(dá)溝位于鮮水河地震帶和松潘地震帶之間，按照“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖GB18306-2015”，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震加速度為0.10g。

2 曾達(dá)溝單、雙邊防護(hù)堤災(zāi)后特征分析

本次曾達(dá)溝泥石流防治工程共有針對主溝兩側(cè)保護(hù)對象布置的排導(dǎo)槽防護(hù)堤共9段（1號防護(hù)堤到9號防護(hù)堤），總長度為2579.5m，其中：1號雙邊防護(hù)堤、2號單邊防護(hù)堤、3號單邊防護(hù)堤、4號雙邊防護(hù)堤、5號單邊防護(hù)堤和6號單邊防護(hù)堤建于主溝下游河谷，該段溝道呈“U”型谷，主溝自上而下逐漸變寬，寬度為164～260m，針對沿途道路、耕地和民房進(jìn)行保護(hù)。7號單邊防護(hù)、8號雙邊防護(hù)堤位于卡子溝到壇罐窯溝段的主溝河谷內(nèi)。該段溝道相對下游較窄，成“V”字型。其中7號單邊防護(hù)堤保護(hù)左側(cè)道路和農(nóng)戶居住區(qū)。8號防護(hù)堤用于保護(hù)左側(cè)公路和集體養(yǎng)豬場。9號單邊防護(hù)堤位于波巖溝與主溝交匯處，該段溝道成“V”字型，谷底寬66.7m，底部發(fā)育曾達(dá)溝主河，河道位于谷底右側(cè)，平均寬度8.6m，河道左側(cè)為道路和民房。其分布如圖2所示，其參數(shù)具體情況如表1所示。

表1 排導(dǎo)槽參數(shù)情況表

經(jīng)實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，曾達(dá)溝“6.27”泥石流災(zāi)害后，現(xiàn)存單邊防護(hù)堤4處，其余2處均未發(fā)現(xiàn)。這4處單邊防護(hù)堤所防護(hù)的建筑物、道路等工程，大多被破壞。3處雙邊防護(hù)堤則較好的保護(hù)了其防護(hù)的工程與建筑，且溝道內(nèi)淤積物較少。其中2號單邊防護(hù)堤溝道內(nèi)有大量礫石，堤壩上有少部分石頭，右側(cè)地面明顯有沖擊痕跡；5號單邊防護(hù)堤溝道內(nèi)被淤滿了，泥石流淤積物沖毀堤壩，沖上公路，沖毀房屋，并使得河道與目前公路互換位置（圖3）。6號單邊防護(hù)堤的溝道內(nèi)有大量物質(zhì)被沖出來堆積到公路上，河道左側(cè)樹林被沖刷；9號單邊防護(hù)堤的溝槽內(nèi)完全被泥石流的固體物質(zhì)淤滿了，左側(cè)公路上也堆滿了固體物質(zhì)，使得河水改道到右側(cè)（圖4）。1號雙邊防護(hù)堤完全沒有被破壞，僅堤壩上有部分淤痕，河道里有少量礫狀巖石；4號雙邊防護(hù)堤部分被破壞，但溝道內(nèi)淤積物極少，僅堤壩兩側(cè)有部分淤痕（圖5）。8號雙邊防護(hù)堤左側(cè)的道路被完好的保留下來了，雖然堤壩有部分損壞，但對路基沒有太大影響。溝道內(nèi)物質(zhì)也極少，大部分都被沖走了；肋底槽中淤積物質(zhì)較多，但大多為小塊的淤積物質(zhì)，其左側(cè)公路稍有損毀（圖6）。其具體受災(zāi)情況描述如表2所示。

圖3 泥石流單邊防護(hù)堤防護(hù)情況1Fig.3 Protection case1 of unilateral debris flow breakwater

圖4 泥石流單邊防護(hù)堤防護(hù)情況2Fig.4 Protection case 2 of unilateral debris flow breakwater

圖5 泥石流雙邊防護(hù)堤防護(hù)情況1Fig.5 Protection case1 of bilateral debris flow breakwater

圖6 泥石流雙邊防護(hù)堤防護(hù)情況2Fig.6 Protection case2 of bilateral debris flow breakwater

表2 堤壩受災(zāi)情況

出現(xiàn)上述情況的原因是，單邊防護(hù)堤無法把泥石流淤積物限制在排導(dǎo)槽內(nèi)部，使得泥石流淤積物向沒有防護(hù)堤的一側(cè)擴(kuò)張，增加泥石流的攜帶物質(zhì)和破壞力。增加了威力的泥石流破壞防護(hù)堤堤壩，讓防護(hù)堤工程徹底失去其導(dǎo)流和排導(dǎo)的功能，繼而毀壞其被防護(hù)的工程。所以單邊防護(hù)堤溝道內(nèi)及其兩側(cè)淤滿了泥石流淤積物。而雙邊防護(hù)堤可以較好的把泥石流淤積物限制在其排導(dǎo)槽內(nèi)，使得淤積物得以排出，故保護(hù)了排導(dǎo)槽所防護(hù)的莊稼、道路和建筑物，使得雙邊防護(hù)堤溝道內(nèi)泥石流淤積物較少存留。

3 曾達(dá)溝單、雙邊防護(hù)堤阻力及淤積計(jì)算

泥石流單邊防護(hù)堤會使得泥石流物質(zhì)無法排出，是因?yàn)槟嗍鬟\(yùn)動的阻力出現(xiàn)了變化，所以要確定泥石流運(yùn)動阻力的大小。

泥石流運(yùn)動是一種復(fù)雜的兩相體運(yùn)動。它的運(yùn)動形式和阻力規(guī)律與泥石流的物質(zhì)組成有關(guān)，因而不能簡單地搬用計(jì)算水流阻力的曼寧公式或其修改公式。目前國內(nèi)對于泥石流的研究結(jié)果表明[5]，泥石流在運(yùn)動過程中存在兩種阻力：一是泥石流具有非牛頓體的流變特性而產(chǎn)生的阻力；二是泥石流粗顆粒物質(zhì)運(yùn)動時受到離散的切應(yīng)力而產(chǎn)生的阻力。所以根據(jù)阻力要素的組成情況不同，將泥石流運(yùn)動劃分為三種類型，即偽一相泥流、稀性泥石流和粘性泥石流。

其中偽一相泥流為細(xì)顆粒泥沙懸液，即泥石流中的泥流，是一種以細(xì)顆粒泥沙為主的流體，一般采用賓漢體的流變方程計(jì)算其阻力。粘性泥石流阻力的計(jì)算公式有拜格洛方程、康志成和熊剛提出的方程以及周必凡提出的的方程。稀性泥石流阻力的計(jì)算則采用和粘性泥石流相同的公式進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)橄⌒阅嗍魅葜匦?，其泥石流?nèi)泥沙顆?？煞譃槿糠郑河闪黧w結(jié)構(gòu)力支持的細(xì)顆粒懸浮質(zhì)；以滾動、跳躍形式運(yùn)動的粗顆粒推移質(zhì)；以及介于二者間靠紊流支持的泥沙顆粒懸移質(zhì)。隨著含沙量的增大，泥石流粘性隨之增加，而紊動不斷減弱，顆粒接觸碰撞的越來越嚴(yán)重，因而泥石流因剪切運(yùn)動產(chǎn)生的離散力變得越來越重要。當(dāng)含沙量增加到相當(dāng)于容重1.8kg/m3后，泥石流紊動消失，就變成了粘性泥石流[6]。因此稀性泥石流是粘性泥石流的一種弱化狀態(tài)。

本次曾達(dá)溝“6.27”特大型泥石流的容重可達(dá)1.684kg/m3，為稀性泥石流；所以采用粘性泥石流的公式計(jì)算稀性泥石流。

拜格洛認(rèn)為泥石流為固液兩相流[7]，他通過對泥石流流體顆粒間的作用力作了系統(tǒng)試驗(yàn)和測定，提出了拜格洛方程。但他所提出的方程中，認(rèn)為泥石流流體是牛頓流體，這顯然是錯誤的，所以筆者舍棄拜格洛方程不用?？抵境珊托軇傉J(rèn)為泥石流近似賓漢姆流體[8]，并按賓漢姆流體阻力方程導(dǎo)出勻速運(yùn)動參數(shù)方程，通過實(shí)驗(yàn)確定流變參數(shù)，而提出了方程。但賓漢姆流體是一種純粘性流體，顯然也與稀性泥石流不一樣，稀性泥石流是粘彈性的非牛頓流體，所以筆者舍棄康志成和熊剛提出的方程不用。周必凡認(rèn)為泥石流為固體顆粒散體重力流[9]，具有基本符合庫倫公式的剪切強(qiáng)度，并按固體顆粒散體重力流的觀點(diǎn)建立的阻力運(yùn)動的參數(shù)方程，通過實(shí)驗(yàn)確定其相應(yīng)參數(shù)，提出了相應(yīng)的泥石流阻力方程。筆者認(rèn)為固體顆粒散體重力流理論十分符合稀性泥石流的運(yùn)動問題[10]。所以本次稀性泥石流采用周必凡提出的泥石流運(yùn)動阻力公式進(jìn)行泥石流阻力計(jì)算。

通過引用周必凡泥石流運(yùn)動阻力公式[11-12]式（1），計(jì)算本次泥石流防治工程中各防護(hù)堤處泥石流發(fā)生前后的泥石流運(yùn)動阻力變化值：

其中：τh為泥石流運(yùn)動阻力；τf為河床表層土體剪切強(qiáng)度；τ0為泥石流靜剪切強(qiáng)度；fp為河床表層土體以上泥石流土體壓力；φi為溝床土體飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角（室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)獲得，取25°）；CΨ為泥石流土體的體積濃度；Cv0為泥石流土體的極限體積濃度；HC為泥石流平均泥深（現(xiàn)場實(shí)測，見表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況第2列）；γi為泥石流容重（室內(nèi)篩分實(shí)驗(yàn)獲得）；γ為水的容重；γy為溝床土體容重，取20kg/m3；θb為河床坡腳（現(xiàn)場實(shí)測，取15°）；A為Hamaker常數(shù)，取5×10-12；a為泥石流沙礫層數(shù)，取2；λ為泥石流流體線性濃度，取1.1；Pi為粒徑級配每一級對應(yīng)的質(zhì)量；di為粒徑級配每一級對應(yīng)的粒徑。

經(jīng)計(jì)算得知泥石流運(yùn)動阻力的確變大了（如表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況前4列數(shù)據(jù)所示）。但泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為沖刷溝床還是淤積在溝床上，則取決于泥石流運(yùn)動剪切力與泥石流運(yùn)動阻力的差的大小[11]，當(dāng)泥石流的運(yùn)動剪切力τc，克服其阻力τh后的余值，大于溝床質(zhì)的抗剪強(qiáng)度τf時，溝床質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動，而形成沖刷。即當(dāng)出現(xiàn)“τc-τh＞τf”時，泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為沖刷溝床；而出現(xiàn)“τc-τh＜τf”時，泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為淤積在溝床上。泥石流溝是否被侵蝕，使用泥石流侵蝕公式[11]式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中：M為泥石流淤積參數(shù)；φm為泥石流土體動摩擦角（室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)獲得，取25°）。若出現(xiàn)“tanθb＞M”時，泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為侵蝕溝床；若出現(xiàn)“tanθb＜M”時，泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為淤積在溝床上；若出現(xiàn)“tanθb=M”時，泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為正常排出。把各工程測量點(diǎn)數(shù)據(jù)代入泥石流侵蝕公式（2）中計(jì)算得出，結(jié)果均大于tanθb的值（0.27），所以泥石流運(yùn)動表現(xiàn)為淤積在溝道內(nèi)（如表3泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況后2列數(shù)據(jù)所示）。

表3 泥石流堤壩附近泥石流阻力變化與侵蝕情況

總結(jié)上述計(jì)算結(jié)果，泥石流運(yùn)動到單、雙邊防護(hù)堤后均表現(xiàn)為阻力增大的特征，但是單邊防護(hù)堤的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙邊防護(hù)堤，是雙邊防護(hù)堤溝床所提供的阻力的1.51倍，所以其最終淤積情況明顯嚴(yán)重于雙邊防護(hù)堤。

4 結(jié)論與建議

（1）在本次泥石流災(zāi)害防護(hù)工程中，隨著泥石流的運(yùn)動，防治工程被破壞，使得溝道旁大部分建筑物被損壞，造成了巨大的損失。其中，單邊防護(hù)堤無法把泥石流淤積物限制在排導(dǎo)槽內(nèi)部，使得排導(dǎo)槽內(nèi)淤積了大量的泥石流物質(zhì)，堵塞其溝道，破壞其排導(dǎo)槽防護(hù)堤，毀壞周邊建筑物，造成災(zāi)害。雙邊防護(hù)堤可以較好的把泥石流淤積物限制在其排導(dǎo)槽內(nèi)，所以其排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流淤積物特別少，少有排導(dǎo)槽防護(hù)堤被破壞，僅部分被損壞，其防護(hù)的民房、莊稼或道路，都未被破壞。

（2）在泥石流運(yùn)動過程中，隨著溝道的變寬與攜帶物質(zhì)的增多，泥石流的物質(zhì)組成不斷變化。其中，水和泥石流淤積物形成的兩相流體—非牛頓體的流變特性產(chǎn)生了巨大的阻力；而且隨著泥石流流體的粗顆粒物質(zhì)增多，使得泥石流運(yùn)動時受到離散的切應(yīng)力增大，故其產(chǎn)生的阻力也越來越大。綜上所述，泥石流運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的運(yùn)動阻力是增大的。

據(jù)泥石流阻力計(jì)算可知，泥石流單邊防護(hù)堤溝床所提供的阻力是雙邊防護(hù)堤溝床所提供阻力的1.51倍。

（3）在泥石流防護(hù)工程中，排導(dǎo)槽選用雙邊防護(hù)堤可以有效減小泥石流運(yùn)動阻力，使得排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流淤積物有效排出，從而減少泥石流防護(hù)工程中由于泥石流淤積物堵塞排導(dǎo)槽而造成的災(zāi)害。