廖 桂 英
(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610072)
泥石流是一種廣泛分布于世界各國具有特殊地形、地貌狀況地區(qū)的自然災害;是山區(qū)溝谷或山地坡面上,由暴雨、冰雪融化等水源激發(fā)的,含有大量泥沙石塊的,介于挾沙水流和滑坡之間的土、水、氣混合流。泥石流流動的全過程一般只有幾個小時,短的只有幾分鐘,大多伴隨山區(qū)洪水而發(fā)生。它與一般洪水的區(qū)別是洪流中含有足夠數(shù)量的泥沙石等固體碎屑物,其體積含量最少為15%,最高可達80%左右,因此比洪水更具有破壞力,主要是沖毀城鎮(zhèn)、企事業(yè)單位、工廠、礦山、鄉(xiāng)村,造成人畜傷亡,破壞房屋及其他工程設(shè)施,破壞農(nóng)作物、林木及耕地。此外,泥石流有時也會淤塞河道,不但阻斷航運,還可能引起水災。
中國西部多為山區(qū) ,泥石流異常發(fā)育 ,類型相當齊全 ,幾乎發(fā)育著除火山泥石流以外的各種類型泥石流。近年來,隨著地震的頻繁發(fā)生,使得山體松動,產(chǎn)生裂隙,直接引發(fā)山體滑坡;地震后由于山體本身出現(xiàn)裂隙疏松等情況,加之洪水嚴重,就會誘發(fā)泥石流滑坡等地質(zhì)災害。本文以西昌市為例,提出在采取泥石流防治的工程性措施的同時,通過防災救災建設(shè)的一系列非工程性措施的支撐,建立一種融合系統(tǒng)性與動態(tài)性的全新綜合治理方案,以達到對泥石流全方位、全過程深入解決的目的。
西昌市位于四川省西南部,是涼山彝族自治州的州府。流經(jīng)西昌市中心城區(qū)的主要河流為海河及其支流東河、西河。
據(jù)西昌市氣象站實測資料統(tǒng)計,該地區(qū)多年平均氣溫16.9℃,極端最高氣溫36.6℃,極端最低氣溫-3.8℃;多年平均蒸發(fā)量(20 cm蒸發(fā)皿)1 961.8 mm;多年平均年降水量973.7 mm。東河和西河流域的洪水主要由暴雨形成,大洪水多出現(xiàn)在6~9月。由于東河地處安寧河暴雨區(qū)的波及范圍,暴雨常具有突發(fā)性,強度大、歷時短;同時還具有籠罩面積小的特點,其空間分布不均,各地暴雨發(fā)生時間相應性較差。據(jù)東河水文站近年實測資料,洪水過程具有明顯的山區(qū)洪水特點。
西昌東河、西河近20年來每年雨季頻發(fā)洪水,并有部分物質(zhì)沖出溝口進入西昌城區(qū)河道?,F(xiàn)狀分析表明,東河、西河仍存在泥石流暴發(fā)的潛在條件,而頻繁暴發(fā)的泥石流已經(jīng)對處于溝口部位的西昌市造成了洪澇災害和重大經(jīng)濟損失,對城市的安全度汛構(gòu)成嚴重威脅。與此同時在西昌東、西河流域上游,水土流失嚴重,影響了位于流域下游的西昌水環(huán)境和城市安全。
本文通過現(xiàn)場調(diào)查研究與相應的測試分析手段相結(jié)合的方法,對東河及西河流域所在的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、溝內(nèi)松散物源分布、水源條件等泥石流形成要素作了詳細調(diào)查。結(jié)合水文氣象資料對泥石流運動參數(shù)和暴發(fā)頻率、規(guī)模及其對大壩部位淤積及危害程度進行了分析評價,提出水沙分離,固源攔擋的工程措施。優(yōu)先對溝內(nèi)松散物源進行固源綜合治理,近期以攔擋為主,并全面開展固源、攔擋綜合治理措施。
總結(jié)對國內(nèi)外相關(guān)文獻檢索和工程實例,泥石流防治措施主要有以下3種:
(1)工程措施。包括排導工程(即導流工程和排放工程)和攔擋工程(即攔碴壩)。
(2)生物措施。在溝域內(nèi)斜坡地帶進行植物造林、育草,防治水土流失。
(3)綜合整治措施。采取多種工程措施和生物措施,在流域內(nèi)對山水林田統(tǒng)一規(guī)劃,綜合治理,以防止或減少泥石流的危害。
泥石流防治工程措施應遵循以下原則:
(1)因地制宜,突出重點,針對性防治,技術(shù)可靠,經(jīng)濟合理。
(2)穩(wěn)、攔、排相結(jié)合原則?!胺€(wěn)”即穩(wěn)定物源,包括穩(wěn)定溝道兩側(cè)及溝床內(nèi)的松散物源,從而達到減少參與泥石流活動的固體物質(zhì),減小其規(guī)模的目的;“攔”則指通過攔擋措施使泥石流流速減小,同時攔擋一部分固體物質(zhì),降低其沖擊力;“排”即排導措施,通過導流堤將泥石流體排至泥石流溝以下主河,防止其漫流淤積成災。
目前泥石流治理工程中常用的方法及思路包括:以避為主、水沙分離、固源攔擋。攔擋工程是用以控制組成泥石流的固體物質(zhì)和雨洪徑流,削弱泥石流的流量、下泄總量和能量,減少泥石流對下游經(jīng)濟建設(shè)工程沖刷、撞擊和淤積等危害。而水土保持措施主要是從源頭上控制水土流失和泥石流物源,改善水質(zhì)及免受泥石流危害,達到改善流域生態(tài)環(huán)境,減少入河泥沙;涵養(yǎng)水源,提高流域植被覆蓋率,維護流域生態(tài)安全的目的。
雖然常規(guī)的方法多年來已經(jīng)得到廣泛應用,但是其方式已經(jīng)很難應對震后復雜的地災狀況,“系統(tǒng)+動態(tài)”的創(chuàng)新治理思路,在理論和實踐上都逐步得到全面貫徹和應用。原本常常單獨使用的手段,被“打包”綜合使用,“上固”“中停”“下排”等方式被系統(tǒng)“排兵布陣”,在泥石流治理的各個環(huán)節(jié)織起一張密實的防護網(wǎng),可使原有功效成倍放大。而“系統(tǒng)”之外的另一個關(guān)鍵詞“動態(tài)”,則是指動態(tài)的觀測預警機制及專家咨詢機制,輔以創(chuàng)新的治理方法,從頭到尾全面布防,逐級化解泥石流的威脅。
針對西昌的具體情況,結(jié)合前述創(chuàng)新治理思路,我們提出具有西昌特色的治理方案。
(1)在泥石流上游物源區(qū)加強固源工程建設(shè),減少泥石流物源量。
(2)在泥石流流通區(qū)下游末端溝口較近的區(qū)域內(nèi),地形、地質(zhì)條件較好,交通、施工相對較方便處建設(shè)泥石流攔擋壩,將東河、西河泥石流攔蓄在攔擋壩庫內(nèi)。在發(fā)生超標準強度泥石流,或常年泥石流和河床推移質(zhì)占用一定攔擋壩庫容后,可采用挖運庫內(nèi)堆積物,騰空部分庫容,以迎接河床后續(xù)泥石流和推移質(zhì)量。
(3)針對東河、西河泥石流由溝內(nèi)地表匯水帶動松散物源而形成的主要原因,從根源上對東、西河泥石流進行治理,優(yōu)先對溝內(nèi)松散物源進行固源綜合治理。修建谷坊、攔砂壩、擋墻、溝道岸灘防護工程等工程措施,形成層層截流攔沙、節(jié)節(jié)防洪蓄水的綜合保護體系,結(jié)合水土保持林、經(jīng)果林、護岸護灘林等林草工程措施,使東、西河流域林地面積大幅度增加,坡面徑流得到有效控制,生態(tài)環(huán)境得到改善,使全流域泥石流得到全面綜合治理。
(4)借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗,利用公司在水文、地質(zhì)、工程、監(jiān)測等多專業(yè)合作的優(yōu)勢,結(jié)合信息化技術(shù)手段,設(shè)計一個有效的泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng),對泥石流災害開展預測、預警、應急監(jiān)測與跟蹤評估,全方位服務于西昌東、西河泥石流治理與防治工作,為西昌城市防洪安全提供信息化支撐。
泥石流綜合治理的原則是對不同河段全面規(guī)劃、突出重點、有所側(cè)重。上游以植樹造林、水土保持為主,防止水土流失;中游以修建攔砂壩、護坡、擋土墻、樁林、排導槽、渡槽為主,穩(wěn)定邊坡,攔擋松散沉積物,減少物源;下游以修建導流堤、停淤場等排導工程,將泥石流導向遠離建筑物或道路的地方。工程措施具有工期短、見效快、效益明顯等特點,但使用過久或流量過大時則易被破壞。生物措施見效慢,穩(wěn)定土層薄,但時間越長效果越好,可以恢復生態(tài)平衡。兩者各有長處,可以結(jié)合使用。在西昌的治理方案設(shè)計過程中,前期以工程措施為主,穩(wěn)定邊坡,促進林木生長,后期以生物措施為主,減少水土流失,兩者形成有機結(jié)合的整體。
3.1.1 東河泥石流治理工程設(shè)計
(1)東河泥石流攔擋壩選址。東河流域松散物源及攔擋壩具體位置見圖1。擬選東河泥石流攔擋壩壩址位于東河中游河段,壩址所處河段基本屬于泥石流流通區(qū)的下游末端附近,泥石流對攔擋壩壩體的沖擊力相對較弱,建壩條件良好,在該部位修建攔碴壩大致可攔截整個流域泥石流啟動物質(zhì)的90%以上,效果顯著。
圖1 東河流域松散物源及攔擋壩具體位置示意
東河攔擋壩壩址河床覆蓋層較薄,地層巖性為沖洪積與泥石流混雜堆積漂(塊)卵石;壩頂高程以下岸坡基巖裸露,巖體完整性較好,岸坡覆蓋層分布位置較高。
壩址區(qū)兩岸地形完整、對稱,河流總體流向為S50°W轉(zhuǎn)為近EW向再轉(zhuǎn)為N6°E,呈向左岸突起的河灣。壩址區(qū)岸坡覆蓋層為崩坡積堆積(Q4col+dl)和地滑堆積(Q4del),左岸大多基巖裸露。河床覆蓋層一般厚度6.8~11.6 m。壩址河床覆蓋層結(jié)構(gòu)密實,壓縮性低,承載力高;下伏基巖巖體呈弱風化、弱卸荷。
(2)東河泥石流攔擋壩總體布置方案。根據(jù)東、西河泥石流特性,參考《泥石流災害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZ/T0239—2004),經(jīng)綜合研究:東河泥石流治理工程安全等級為二級,工程主要建筑物為二級建筑物,工程設(shè)計標準按照降雨強度50年一遇泥石流一次沖出量設(shè)計。攔擋壩需要攔截的總泥石流量為50.4萬m3。
溢流堰頂高程1 770.00 m對應庫容達到50.7萬m3。本方案只考慮設(shè)置一道攔擋壩,以確保遭遇50年一遇降雨形成的泥石流時能完全容納一次性沖出的泥石流量。
東河泥石流攔擋壩由溢流壩段和非溢流壩段兩部分組成,壩體總長87.07 m,其中溢流壩段長50.0 m,非溢流壩段長37.07 m;壩體上游壩面鉛直,下游壩面坡比為1 ∶0.8,非溢流壩段壩頂寬6 m。大壩建基面高程1 746.00 m,基礎(chǔ)置于基巖上。壩體各部位的工作條件及受力條件不同,對混凝土材料性能指標的要求也不同,為了滿足壩體各部位的不同要求,同時為了節(jié)省工程投資,把安全和經(jīng)濟統(tǒng)一起來,對壩體的混凝土進行分區(qū)。壩體上部采用C15混凝土,壩體下部采用C25混凝土。
3.1.2 西河泥石流治理工程設(shè)計
(1)西河泥石流攔擋壩選址。西河流域松散物源及攔擋壩具體位置見圖2。西河泥石流發(fā)育特征和動力特征分析如下:
①泥石流發(fā)育區(qū)河段河道縱坡降陡,河床寬窄不一,庫容小,泥石流沖擊力大,攔擋泥石流效果差,不宜修建攔擋壩。
②泥石流流通區(qū)河道縱坡降較陡,河床寬窄相間,庫容較小,泥石流的沖擊力較大,攔擋泥石流效果較差。
③泥石流堆積區(qū)河段河道縱坡降較緩,河床河道寬,庫容大,泥石流沖擊力較小,適宜修建攔擋壩,攔擋泥石流的效果好。
④根據(jù)西昌東、西河現(xiàn)場調(diào)查及按泥石流動力特征分析,泥石流流通區(qū)段沖擊力較大,堆積區(qū)段泥石流沖擊力較小。因此,攔擋壩選在泥石流堆積區(qū)段可以減輕沖擊影響,確保攔擋壩的安全。
圖2 西河流域松散物源及攔擋壩位置示意
西河攔擋壩壩址左岸坡地形較陡,基巖裸露;右岸大多為覆蓋層,僅坡腳基巖出露,岸坡地形較緩。壩址位于河流彎道處,左岸為沖刷岸,右岸為堆積岸,兩岸地形對稱性較差。西河攔擋壩址區(qū)河流總體流向為S5°W轉(zhuǎn)為S75°W向再轉(zhuǎn)為N5°W,平面形態(tài)呈“S”形。河谷呈順斜向谷。壩址區(qū)分布的覆蓋層為第四系殘坡積堆積(Q4el+dl)塊碎石土、沖洪積與泥石流混雜堆積(Q4pl+al)漂(塊)卵石;基巖為白堊紀下統(tǒng)小壩組下段(K1x1)淺紫色中粗粒長石石英砂巖夾紅色、磚紅色泥巖或頁巖。壩址河床覆蓋層結(jié)構(gòu)密實,壓縮性低,承載力高,但透水性強;下伏基巖呈弱風化、弱卸荷。
(2)西河泥石流攔擋壩總體布置方案。根據(jù)東、西河泥石流特性,參考《泥石流災害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZ/T0239—2004),經(jīng)綜合研究:西河泥石流治理工程安全等級為二級,工程主要建筑物為二級建筑物,工程設(shè)計標準按照降雨強度50年一遇泥石流一次沖出量設(shè)計。攔擋壩需要攔截的總泥石流量為44.04萬m3。
溢流堰頂高程1 753.50 m對應總庫容達到46萬m3,可確保當遭遇50年一遇降雨形成的泥石流時,能完全容納一次性沖出的泥石流量。
攔擋壩由溢流壩段和非溢流壩段兩部分組成,壩體總長115.25 m,其中溢流壩段長50 m,非溢流壩段長65.25 m;壩體上游壩面鉛直,下游壩面坡比為1 ∶0.8,非溢流壩壩頂寬6 m。大壩建基面高程1 725.25 m,基礎(chǔ)置于基巖上。壩體各部位的工作條件及受力條件不同,對混凝土材料性能指標的要求不同,為了滿足壩體各部位的不同要求,同時為了節(jié)省投資,把安全和經(jīng)濟統(tǒng)一起來,所以對壩體的混凝土進行分區(qū)。壩體上部采用C15混凝土澆筑,壩體下部采用C25混凝土澆筑。
東西河屬于典型的高山區(qū)溝谷型泥石流,從泥石流堆積體現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況看,屬于過渡型偏黏性泥石流。溢流部分采用格柵時,格柵容易破壞,并且對格柵的設(shè)計要求高、造價大,遭大塊石的沖擊損壞后不易修復;全部采用滲水孔,結(jié)構(gòu)整體性好,遭大塊石的沖擊能力強,局部撞壞后也容易修復。所以,本階段攔擋壩推薦采用排水孔形式進行水、砂分離。壩體泄洪采用開敞式溢流壩形式。
3.2.1 項目區(qū)基本情況
西昌東、西河流域位于青藏高原的東南端,屬橫斷山脈的大涼山系,其主要山脈以南北向為主,走向受構(gòu)造控制明顯,主要山脈與河流(山間盆地)具有相間展布的特征。區(qū)內(nèi)按地貌成因形態(tài)類型可分為侵蝕堆積河谷平原及山間盆地區(qū)、剝蝕構(gòu)造中山區(qū)和侵蝕構(gòu)造高山區(qū)等。西昌東、西河流域水土保持綜合治理項目區(qū)屬剝蝕構(gòu)造的低中山區(qū)。
西昌東、西河流域水土流失類型以水力侵蝕為主,其次為重力侵蝕。水力侵蝕的主要形式為面蝕,多發(fā)生在坡耕地、荒山荒坡、森林破壞區(qū)、河谷兩側(cè)等,侵蝕面積大,分布廣;溝蝕主要發(fā)生在陡坡耕地、荒山荒坡,發(fā)育普遍,危害大;重力侵蝕主要有滑坡、崩塌等幾種形式;泥石流兼有水力侵蝕和重力侵蝕的特點,突發(fā)性強,破壞性極大。
東河流域中游區(qū)域植被良好,飛播造林較為茂盛,其余區(qū)域植被較差,飛播林遭到嚴重破壞,水土流失嚴重。
西河流域中下游區(qū)域植被良好,飛播造林較為茂盛,其余區(qū)域植被較差,飛播林遭到嚴重破壞,水土流失嚴重。
3.2.2 項目組成與工程總體布置
西昌東西河流域水土保持綜合治理工程是西昌東西河流域泥石流治理工程的重要組成部分,建設(shè)目的主要是從源頭上控制水土流失和泥石流物源,避免西昌城區(qū)段河道土石淤積、改善水質(zhì)及免受泥石流危害。
建設(shè)任務主要為:
(1)治理水土流失,改善流域生態(tài)環(huán)境,減少入河泥沙;
(2)涵養(yǎng)水源,提高流域植被覆蓋率,維護流域生態(tài)安全;
(3)防止泥石流等地質(zhì)災害;
(4)改善農(nóng)村生產(chǎn)條件和生活環(huán)境,促進農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展。
西昌東西河流域水土保持綜合治理項目包括東河和西河2個流域的水土保持綜合治理,共分為10個區(qū)塊進行水土保持綜合治理,其中東河流域6個區(qū)塊,西河流域4個區(qū)塊。各區(qū)塊水土保持綜合治理工程主要包括溝道治理和坡面治理兩類,其中溝道治理措施主要包括:支毛溝治理工程(溝埂、谷坊、生態(tài)樁)、攔砂壩工程(攔砂壩)、溝道灘岸防護工程(丁壩、溝道疏浚、擋土墻);坡面治理措施主要包括:梯田工程(坡改梯及配套的耕作道路)、小型蓄排水工程(蓄水池、沉沙池等)、林草工程(水土保持林、經(jīng)果林、護岸護灘林)、封育治理工程(疏林補植)、其他措施(取水口、管道、圍欄、水土保持宣傳欄、宣傳手冊等)。水土保持工程布置總框架詳見圖3。
3.3.1 泥石流監(jiān)測與預警系統(tǒng)建設(shè)目標
西昌東、西河泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設(shè)目標是建成一個以雨水情信息、工程監(jiān)測信息、泥石流監(jiān)測信息為基礎(chǔ),通信系統(tǒng)為保障,計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托和預警系統(tǒng)為中心的監(jiān)測預警信息系統(tǒng)。要求該系統(tǒng)先進實用、高效可靠,能為西昌市水務防汛部門及時提供防汛信息,為突發(fā)泥石流調(diào)度決策和指揮搶險救災提供有力的技術(shù)支持和科學依據(jù)。
(1)與西昌市各區(qū)縣防汛辦公室以及相關(guān)部門先進、高效、可靠的信息交互通道,實現(xiàn)防汛信息資源共享、防汛調(diào)度暢通無阻。
(2)提高整個西昌市泥石流預警水平,配合工程防治措施及工程安全監(jiān)測技術(shù),可有效且提前應對泥石流災害事故,避免人員傷亡和財產(chǎn)損失,維護西昌市經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展,鞏固安定團結(jié)的局面。
圖3 水土保持工程布置總框架
(3)能實時、完整地完成各類防汛及泥石流預警信息的收集、傳輸、處理和存儲。
(4)能為防汛和泥石流應急管理和決策實施提供現(xiàn)代化管理手段。
3.3.2 泥石流監(jiān)測與預警系統(tǒng)總體設(shè)計
(1)系統(tǒng)架構(gòu)。西昌市東、西河泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測、預警預報、應急指揮等泥石流非工程防治管理工作通過信息化手段進行有機的平臺整合,以數(shù)據(jù)平臺為中心,運用信息傳輸網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為紐帶,通過“智能感知、智能分析、智能預警、智能調(diào)度、智能處置”等功能體系,實現(xiàn)泥石流防治業(yè)態(tài)和信息化管理理念的充分結(jié)合,以更加精細和動態(tài)的方式開展泥石流監(jiān)測與應急管理工作,達到自動化監(jiān)控、在線化運行、智能化預警、科學化決策的智慧狀態(tài)。
(2)應用流程。西昌市東、西河泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)核心在監(jiān)測數(shù)據(jù),通過監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、接入,完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)源建設(shè),基于統(tǒng)一的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施支撐,完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心搭建,通過標準的SOA服務架構(gòu),完成數(shù)據(jù)資源的查詢統(tǒng)計、預測分析、報表生成、二三維可視化等功能,為系統(tǒng)管路用戶提供統(tǒng)一的在線監(jiān)測、泥石流預警、安全分析評估、應急響應等應用,總體業(yè)務流程如圖4所示。
圖4 西昌市東、西河泥石流監(jiān)測預警系統(tǒng)應用流程
泥石流防治的原則是全面規(guī)劃、重點突出,根據(jù)泥石流發(fā)生條件、活動特點及危害狀況綜合地制定防治規(guī)劃。本文以西昌市為例,通過分析泥石流災害形成原因及對城鎮(zhèn)造成的危害,針對東、西河現(xiàn)有物源及潛在泥石流隱患,提出了“固源+攔擋”的綜合治理方案,優(yōu)先對溝內(nèi)松散物源進行固源綜合治理措施,結(jié)合攔砂壩的攔擋來達到良好的治理效果。系統(tǒng)性地提出了綜合治理的方案,在采取泥石流防治的工程性措施的同時,通過防災救災建設(shè)的一系列非工程性措施的支撐,從根本上達到防災減災的目標,構(gòu)建生態(tài)安全的城市。
中共中央總書記習近平指出:“山水林田湖是一個生命共同體,人的命脈在田,田的命脈在水,水的命脈在山,山的命脈在土,土的命脈在樹。”而西昌市作為四川省生態(tài)文明城市建設(shè)的樣板城市,東、西河流域作為山水林田湖一體的生態(tài)系統(tǒng)治理的實踐縮影,著力打破“種樹只管種樹、治水僅顧治水、護田單純護田”的意識誤區(qū),實施系統(tǒng)治理,推進流域綜合管控。在穩(wěn)定長期的防治和水土保持工作中,總結(jié)研究出充分體現(xiàn)“工程治理與生物治理相結(jié)合、治理與開發(fā)相結(jié)合”的“西昌模式”,并向全國推廣,整體保護、系統(tǒng)修復、綜合治理,努力維護和重建生態(tài)過程,保持系統(tǒng)的整體性、完整性,最終構(gòu)建相互協(xié)調(diào)、聯(lián)通的自然生態(tài)系統(tǒng)、人工生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)共同體。