泥石流堵河影響因素及減災(zāi)對策

齊云龍，周 勇，龔成會

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610061)

泥石流常發(fā)生于山區(qū)小流域，是一種飽含大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體，呈粘性層流或稀性紊流等運動狀態(tài)［1］。泥石流廣泛分布于除南極洲外的六大洲山區(qū)［2］，嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)厣絽^(qū)人民的生產(chǎn)生活，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。泥石流能在短時間內(nèi)將大量泥沙輸入主河，如果泥石流規(guī)模較大且主河水動力條件較弱，則有可能堵塞主河。在我國西部山區(qū)常發(fā)生泥石流堵河事件，如云南省東北部的小江流域［3］和西藏培龍藏布流域［4］。

泥石流堵斷主河后，形成天然壩和堰塞湖，淹沒上游農(nóng)田、鐵路、公路等沿江建筑物，造成大范圍災(zāi)害。當(dāng)洪水漫過天然壩時，發(fā)生溯源沖刷，進(jìn)而導(dǎo)致天然壩潰決。而天然壩潰決產(chǎn)生的大規(guī)模潰決洪水，會對下游造成長距離超常沖刷，甚至沖毀下游農(nóng)田和沿江建筑物，形成第二次災(zāi)害。如2010年8月7日，甘肅甘南州舟曲縣出現(xiàn)持續(xù)強降雨天氣，舟曲縣城后的三眼峪溝和羅家裕溝暴發(fā)特大規(guī)模泥石流，并形成堰塞湖，堵塞白龍江，致使舟曲縣城部分被淹，造成1364 人死亡，401 人失蹤的特大災(zāi)害。

2010年以來，我國西南地區(qū)連續(xù)發(fā)生大規(guī)?；履嗍鳛?zāi)害。在全球氣候變暖、地震活動加強、人類活動加劇的大背景下，極端天氣情況造成的特大山洪泥石流滑坡災(zāi)害呈上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計，去年1～8月份由于強降雨引發(fā)的泥石流災(zāi)害數(shù)量約是往年同期的10 倍，造成的人員傷亡失蹤人數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)損失也大幅度增加。泥石流堵河形成堰塞湖后的危害是非常嚴(yán)重的，因此有必要對泥石流堵河進(jìn)行研究，探討減災(zāi)對策。

1 泥石流堵河研究現(xiàn)狀

泥石流與主河的交匯和河流之間的交匯有著本質(zhì)的區(qū)別。泥石流是非牛頓體，河流是牛頓體。前者是非牛頓體與牛頓體之間的交匯。泥石流進(jìn)入主河后沉積由流體轉(zhuǎn)向固體，其交匯場是一個非恒定的不斷變化的流場，難以測量和分析。而后者是牛頓體之間的交匯，相互摻混動量交換強烈并可維持穩(wěn)定的交匯場，便于測量與分析［4］。

目前國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對泥石流堵河進(jìn)行了分析和探討，并提出了相應(yīng)的泥石流堵河判別模式。通過這些判別模式，可以大致估算出泥石流堵河的可能性。周必凡等［5］從理論的角度對泥石流堵江事件進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上提出了泥石流的堵江的最小規(guī)模、扇形地泥石流溝床條件、主河流量等計算公式?？锷懈唬?］從動量原理出發(fā)，理論分析了泥石流入?yún)R形成天然壩堵塞主流的條件。朱平一等［4］在野外考察的基礎(chǔ)上，對川藏公路培龍溝的泥石流輸沙堵河成因進(jìn)行了探討和模擬實驗，從輸沙的角度來探討泥石流能否堵河，并提出支溝泥石流輸沙堵河的表達(dá)式。1983～1986年培龍溝泥石流堵塞了帕隆藏布江，陳寧生等［7］就今后不同泥石流發(fā)生頻率探討了泥石流再次堵江的可能性。韋方強等［8］以2001年7月8日云南東川蔣家溝泥石流堵斷小江的觀測資料為基礎(chǔ)，分析得出這次泥石流堵河的主要原因。徐永年［9］就泥石流入?yún)R的危險性判別指標(biāo)進(jìn)行了探討，提出影響泥石流堵江的主要因素有泥石流的入?yún)R角、密度和泥石流規(guī)模，并引入泥石流對主河的影響度的概念和表達(dá)式。陳德明［10］以試驗為基礎(chǔ)研究了泥石流堵江規(guī)律，通過一系列的水槽試驗，他認(rèn)為，泥石流與水流的密度、泥石流與水流的流量、泥石流與水流的平均流速以及交匯角是影響泥石流堵江的主要因素，并建立了泥石流堵江的臨界判別式。何易平［11］用實驗的方法得到了泥石流堵河的動量和流量判別式指標(biāo)。郭志學(xué)等［12］對影響泥石流堵江的各因素進(jìn)行了試驗研究。張金山等［13］對堵河型泥石流基本特征進(jìn)行分析總結(jié)，提出計算泥石流堵斷主河可能性大小的經(jīng)驗公式。就筆者所查閱的文獻(xiàn)，國外尚未見關(guān)于泥石流堵江問題的研究，他們多集中于清水或含沙水流與主河交匯問題的研究。

2 存在的問題

目前有兩類泥石流堵河研究方法。一是實驗方法。通過控制各種參數(shù)來獲得數(shù)據(jù)，并用數(shù)學(xué)方法得到堵河條件判別式，這對工程設(shè)計有著較大的指導(dǎo)意義。二是總結(jié)單個泥石流溝的堵河特征，得到堵河條件判別式，這對于資料的積累、方法研究有著重要的指導(dǎo)性。盡管許多的學(xué)者都對泥石流堵河的現(xiàn)象做了研究，但是仍存在許多無法解決的問題。

2.1 參數(shù)復(fù)雜，難以獲取

目前國內(nèi)的學(xué)者大多用實驗手段對泥石流堵河進(jìn)行研究。但是這些方法所涉及變量有限，而且有些變量在自然界中難以獲取，實際應(yīng)用中限制較大。

以朱平一等［7］提出支溝泥石流輸沙堵河的表達(dá)式為例。

式中:K為堵河系數(shù)，是泥石流輸沙堵河可能性指標(biāo);K1為干、支流流向夾角系數(shù);K2為干流彎曲系數(shù);K3為支、干流流量系數(shù);K4為支溝泥石流性質(zhì)系數(shù);K5為支溝泥石流持續(xù)時間系數(shù);θ為支、干流流向夾角;b為干流河寬;R為河流彎曲半徑;Q支為支溝泥石流洪峰流量;Q主為干流流量;γc為支溝泥石流重度;t為泥石流持續(xù)時間。

式(1)中的支溝泥石流洪峰流量Q支、干流流量Q主、支溝泥石流重度γc和泥石流持續(xù)時間t 等參數(shù)在野外難以獲取，在一定程度上影響了堵河系數(shù)，進(jìn)而影響對泥石流堵河的判斷。

2.2 合理性不足，難以推廣應(yīng)用

部分學(xué)者從實驗角度出發(fā)，得到堵河條件判別式，但其代表性不足，合理性也值得商榷。如筆者曾用何易平［15］所提出的堵河判別式對2007年發(fā)生在四川省九龍縣烏拉溪鄉(xiāng)的一次泥石流堵河事件進(jìn)行了評估。2007年5月24日凌晨5 時，省道215 線九龍縣境內(nèi)九江路K59+500(烏拉溪鄉(xiāng))發(fā)生山洪泥石流造成公路斷道并堵河。其評估結(jié)果卻表明，該次泥石流不會堵塞九龍河。這說明采取的泥石流判別式存在一定的問題。

3 對泥石流堵河減災(zāi)對策的思考

目前國內(nèi)外研究泥石流堵河的文獻(xiàn)并不多，其研究方法大同小異，也取得了一定的研究結(jié)果。這些研究不僅有利于減輕泥石流的災(zāi)害，還有利于改善小流域生態(tài)環(huán)境以及有利于泥石流支溝與主河相互作用的理論研究。因其方法存在一定的問題，導(dǎo)致了這些成果難以推廣應(yīng)用。本文嘗試從影響泥石流堵河的因素出發(fā)，提出泥石流堵河減災(zāi)的對策。

3.1 影響泥石流堵河的因素

泥石流堵河的影響因素主要有泥石流的暴發(fā)頻率、泥石流容重、泥石流規(guī)模、泥石流顆粒級配、泥石流流變特性、泥石流入?yún)R主河處的主河寬度、比降、流速、流量、泥石流與主河交匯角和主支流量比等［12］～［15］?？梢詫⒛嗍鞫潞佑绊懸蛩馗爬槟嗍髁黧w影響因素、主河影響因素和綜合影響因素三個方面。

3.1.1 泥石流流體影響因素

在各因素中，泥石流的容重是影響泥石流堵河的一個重要因素，其作用也最復(fù)雜［15］。泥石流容重越大，在其他條件不變的條件下，進(jìn)入主河的泥沙量越多，泥石流越容易堵河。泥石流的容重越大，其屈服應(yīng)力和剛度系數(shù)越大，此時，泥石流體極易形成結(jié)構(gòu)致密、抗沖性好的堆積物，其抵抗主河水流的沖刷能力較強，有利于堵河。但是泥石流的容重越大，其流動性越差，同等邊界條件下，將降低泥石流的運動速度、流量及進(jìn)入主河的泥石流總量等。

泥石流暴發(fā)的頻率是影響泥石流堵河的另一個重要因素。它決定了該次泥石流的特征值，如容重、流量、規(guī)模等。泥石流暴發(fā)的頻率越大，其容重、流量和規(guī)模也就越大，進(jìn)入主河的泥沙量越大。顆粒級配影響泥石流堆積物的穩(wěn)定性和抗沖能力的大小，決定著泥石流堰塞壩體的應(yīng)力應(yīng)變過程和潰決方式。在泥石流入?yún)R過程中，上游持續(xù)的來水導(dǎo)致主河水位壅高，對泥石流形成的臨時壩的作用力越來越大，如果泥石流不能持續(xù)供給，臨時壩將在瞬時內(nèi)就被水流沖毀，無法堵河斷流。

3.1.2 主河影響因素

主河的寬度和比降對泥石流能否堵江有很大的影響。泥石流與主河水流的運動速度和運動方向不同，兩者之間存在相互擾動。如果交匯口處的主河寬度較窄，泥石流能克服主河水流的擾動保持較強的運動勢頭運動到對岸，并將較多的泥沙搬運到主河以滿足堵江的條件。主河比降可以影響水流在主河的運動速度和入?yún)R泥石流的運動。主河底床坡度越大，主河水流流速越快，其動能越大，對入?yún)R的泥石流的沖刷挾帶作用越強。同時，對于匯入的泥石流體而言，主河坡度越大其淤積物的穩(wěn)定性越差，再次起動所需的流速就越小，由此，主河坡度越大，越不易形成泥石流堵江。因此，泥石流堵江的可能性隨主河寬度和比降的增大而降低。

3.1.3 綜合影響因素

泥石流與主河主支流量比和交匯角是泥石流能否堵河的關(guān)鍵因素。隨著主支流量比的降低，泥石流流量增加，單位時間內(nèi)進(jìn)入主河的泥沙量增多，到一定程度時，主河不足以帶走全部泥沙，部分泥沙在匯流區(qū)淤積。當(dāng)支主流量比達(dá)到某閾值后，則出現(xiàn)完全堵河現(xiàn)象。泥石流與主河交匯角［7］越大，泥石流越容易堵塞主河。小江流域蔣家溝泥石流堵河實例證實了這觀點。

3.2 減災(zāi)對策

對活動頻率較低、不會堵河且無重要保護(hù)對象的泥石流溝而言，不必投入經(jīng)費給予治理;而對那些活動頻繁的溝谷，可能堵塞主河且有重要保護(hù)對象的泥石流溝，必須采取措施控制泥石流，以達(dá)到消除泥石流堵河的目的。

影響泥石流堵河的因素有很多，但主要的影響因素是可以分析并控制的。采用巖土工程和生物工程措施對泥石流溝進(jìn)行治理，可以有效地控制泥石流流體、主河和綜合影響因素，以達(dá)到降低泥石流堵河可能性的目的。在具體應(yīng)用中可根據(jù)實際情況選擇其中一種或兩種措施結(jié)合使用來消除泥石流堵河事件的發(fā)生。

3.2.1 巖土工程措施

巖土工程措施是人為修建一些工程來限制泥石流的發(fā)生和控制泥石流的流量。巖土工程措施可簡單概括為“穩(wěn)、攔、排、擴(kuò)”等措施。

(1)穩(wěn):在主溝上游及支溝的物源區(qū)建梯級谷防群，以護(hù)岸穩(wěn)坡、減少泥沙供應(yīng)、抑制泥石流活動;

(2)攔:在主溝中游修建大型泥石流攔沙壩，攔截泥沙和漂木，以穩(wěn)溝固坡、減弱泥石流活動和暴發(fā)規(guī)模;

(3)排:在溝道下游或堆積扇上建泥石流排導(dǎo)槽，將泥石流以較小的銳角排入主河，以防止保護(hù)對象受泥石流威脅或破壞;

(4)擴(kuò):在泥石流溝與主河交匯處附近100 m 范圍內(nèi)修建導(dǎo)流堤，以禁止其他工程擠占河道，縮小主河寬度，達(dá)到擴(kuò)寬交匯處主河的目的。

3.2.2 生物工程措施

生物工程措施主要是指保護(hù)、恢復(fù)森林植被和科學(xué)地利用土地資源，減少水土流失，恢復(fù)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，改善地表匯流條件，削減地表徑流和松散固體物質(zhì)補給量，進(jìn)而抑制泥石流活動。生物工程措施主要有以下三個方面內(nèi)容:

(1)調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，改變耕作方式，對陡坡地堅決執(zhí)行退耕還林還草政策;

(2)封禁泥石流溝，加強對已有林地的保護(hù)，禁止亂砍濫伐，禁止在流域內(nèi)進(jìn)行開荒、放牧、采石、采礦等一切有可能引起水土流失和山體失穩(wěn)的人類活動;

(3)因地制宜，植樹種草，營造山坡防護(hù)林，迅速恢復(fù)植被。如在流域上游營造水源涵養(yǎng)林，中游營造水土保持林，下游營造各種防護(hù)林。

4 結(jié)論

泥石流堵斷主河后，形成堰塞湖，淹沒上游農(nóng)田、鐵路、公路等沿江建筑物，造成大范圍災(zāi)害。天然壩潰決后出現(xiàn)的大規(guī)模洪水將形成更為嚴(yán)重的二次災(zāi)害。因此，泥石流堵河現(xiàn)象不容忽視。本文在分析泥石流堵河影響因素的基礎(chǔ)之上，結(jié)合野外實際考察資料，探討了基于泥石流堵河影響因素的減災(zāi)措施。

(1)泥石流堵河的主要影響因素包括三個方面，即泥石流流體影響因素、主河影響因素和綜合影響因素。這些因素的作用效果很復(fù)雜，難以判斷哪個因素對堵河有正面或負(fù)面的影響;

(2)根據(jù)泥石流溝的實際情況，合理采用巖土工程和生物工程措施對其進(jìn)行治理，可以有效地控制泥石流堵河的影響因素，以避免泥石流堵河事件的發(fā)生。

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