陳寧生，周海波，2，盧 陽，2，楊 玲，呂立群，2

（1.中國科學院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國科學院 山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都610041；2.中國科學院 研究生院，北京100049；3.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都610041）

泥石流是一種特殊的、對人類及其生存環(huán)境危害極大的山區(qū)自然地質(zhì)災(zāi)害[1]。為有效防治泥石流災(zāi)害，俄羅斯修建了大量泥石流治理工程，C.M.弗萊斯曼提出了泥石流的預(yù)防措施和泥石流水利工程措施相結(jié)合的泥石流綜合治理體系[2]。1981年日本學者 Takahashi Tamotsu提出硬性措施和軟性措施治理泥石流[3]。唐邦興等根據(jù)四川省眾多泥石流治理經(jīng)驗，提出泥石流綜合治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)又分為3個子系統(tǒng)，即生態(tài)工程、工程治理和社會防治[4]。吳積善等認為泥石流治理措施主要為生物和工程兩大類措施[5]。

泥石流防治工程包括巖土工程和生物工程。巖土工程主要有攔擋工程、穩(wěn)溝固坡工程和治水工程，直接攔截泥沙和間接穩(wěn)溝固坡減少泥石流物源，降低泥石流規(guī)模與頻率；生物工程主要包括農(nóng)業(yè)措施和林業(yè)措施，通過減少地表水土流失，從而減少泥石流土源，控制泥石流規(guī)模和頻率，其作用只能通過間接的評估。

中國西南山區(qū)小流域地形地貌特殊、降水充足、物源豐富，泥石流發(fā)生頻率高、危害大。著名的云南東川蔣家溝、四川西昌黑沙河流域，幾乎每年都發(fā)生泥石流；其中也不乏泥石流災(zāi)害成功防治的案例。本文研究西南山區(qū)攔沙壩和谷坊等巖土工程帶來的直接效益和間接效益，包括攔蓄泥沙、穩(wěn)固溝床和邊坡、削減泥石流峰值流量、降低泥石流重度、改變泥石流性質(zhì)以及提高上游支溝侵蝕基準面等，以及生物工程實現(xiàn)植被覆蓋率變化產(chǎn)生的間接效益，并對泥石流工程減災(zāi)措施提出進一步的建議（圖1）。

1 西南地區(qū)泥石流防治工程簡介

西南山區(qū)泥石流攔擋工程主要為攔沙壩和谷坊。攔沙壩種類較多，可從結(jié)構(gòu)類型、受力狀態(tài)、建筑材料、透水性能和作用時限等方面來劃分其類型[6]。西南山區(qū)泥石流攔沙壩主要結(jié)構(gòu)類型為重力壩、格柵壩和拱壩3種。統(tǒng)計26條泥石流溝的攔沙壩共計126座，其中重力壩112座、格柵壩12 座、拱 壩 2 座，各 占 88.89%，9.52% 和1.59%。另外，溝內(nèi)還修建有650座谷坊壩（表1）。

2 攔擋工程直接效益分析

攔擋工程是防治泥石流最重要最有效的建筑物，是泥石流溝綜合治理的骨干和先導(dǎo)工程，直接效益是攔截泥沙、泄洪、控制固體物質(zhì)補給量和防止溝道下切，有見效快與使用時效短的特點，泥沙攔蓄量取決于壩高、壩上游地形條件等。

2.1 攔擋工程直接效益分析計算方法

為使攔擋工程直接效益計算方法簡單適用而做如下假定：（1）攔擋工程在修建好后3～5年內(nèi)基本被淤滿，幾乎失去攔蓄功能，但可發(fā)揮穩(wěn)固溝床和邊坡的作用，故假設(shè)3年內(nèi)以巖土工程效益為主，3年后以生物工程效益為主。（2）滑坡剪出口位于溝床處且被堆積物覆蓋，當溝內(nèi)回淤的固體物質(zhì)平均厚度達1m時，可近似認為該滑坡已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；攔沙壩（谷坊）的攔蓄量為其設(shè)計庫容與調(diào)節(jié)量之和，可按三角楔體計算，即

式中：V為攔沙壩庫容；h為攔沙壩凈高；l為回淤長度；b為平均溝寬；i為溝床原始縱坡；ik為回淤縱坡。

在溝道內(nèi)取得上述所需數(shù)據(jù)后，帶入公式（1）即可得出攔蓄量。某些人跡罕至的地方，攔蓄量可直接取攔沙壩（谷坊）的設(shè)計庫容值，回淤長度可根據(jù)式（1）反算。

2.2 攔擋工程直接效益分析

分析西南山區(qū)15條泥石流溝攔擋工程的直接效益可知，攔擋工程能攔蓄泥沙，減少泥沙下泄量，調(diào)節(jié)泥石流固體物質(zhì)總量，起到削弱和調(diào)節(jié)泥石流的作用。攔沙壩減少松散固體物質(zhì)總量的1.5%～48%，谷坊可減少0%～5%。在攔擋量方面攔沙壩起主要作用，為谷坊的幾倍至幾百倍不等（表2）。

3 攔擋工程間接效益分析

圖1 各種治理措施下固體物質(zhì)總量衰減值Fig.1 Attenuation values of the total solid materials under various control measures

表1 西部山區(qū)典型泥石流防治工程統(tǒng)計Table1 Statistics of typical debris flow control projects in the west mountain areas

表2 攔擋工程直接效益分析表Table2 Analysis of direct benefits of debris flow interception projects

隨著泥石流庫區(qū)淤積和庫容減少，泥石流溝內(nèi)漫流、橫向侵蝕和坡腳沖刷等現(xiàn)象出現(xiàn)。攔擋工程直接攔沙滯流作用逐漸減弱，穩(wěn)溝固坡作用逐漸加強。攔擋工程的間接效益主要表現(xiàn)在穩(wěn)溝固坡、改變溝道比降、降低泥石流流速和峰值流量、減小泥石流重度和性質(zhì)、提升上游侵蝕基準面等，最終抑制泥石流的形成與發(fā)展。此外，攔沙壩（谷坊）還可制止某些滑坡活動，在緊靠滑坡或溝岸不穩(wěn)定段的下游修壩，利用其攔蓄的泥沙掩埋滑坡剪出口或保護坡腳，使溝床岸坡達到穩(wěn)定（圖2和圖3）。

圖2 谷坊壩穩(wěn)固滑坡工程平面示意圖Fig.2 Plan of stabilizing landslide project for a check dam

圖3 谷坊壩保護溝床工程剖面示意圖Fig.3 Profile of protecting ditch bed project for check dams

3.1 穩(wěn)溝固坡效益分析

3.1.1 穩(wěn)定溝床固體物質(zhì)量計算

攔擋工程可以穩(wěn)定溝道內(nèi)原有的松散固體物質(zhì)，設(shè)溝道內(nèi)i攔沙壩平均溝道間距ri，i攔沙壩的回淤長度li，主溝道內(nèi)松散堆積物平均厚度d，則其間接穩(wěn)定的松散物的量W2

3.1.2 固坡效益分析

固定坡面松散固體物質(zhì)，對這部分坡面松散物而言，其量為橫截面積與回淤長度的積。

a.松散固體物質(zhì)集中于溝道內(nèi)

如果松散固體物質(zhì)主要分布在溝道內(nèi)，計算單位長度內(nèi)松散堆積物的量及溝岸的平均橫截面積。被穩(wěn)定的坡面松散物的橫截面積為溝岸的平均橫截面積與溝道的平均橫截面積之差，由此計算壩體穩(wěn)定的坡面松散物質(zhì)的總量。

松散堆積物總量W 除以堆積的溝道長度l即為單位長度內(nèi)松散堆積物的量

w ＝W／l

單位長度內(nèi)松散堆積物的量除以單位長度即為溝岸的平均橫截面積

A＝w＝W／l

坡面松散固體物質(zhì)平均橫截面積為溝岸的平均橫截面積與溝道的平均橫截面積之差

穩(wěn)定的坡面松散固體物質(zhì)總量為

b.松散固體物質(zhì)分布于溝道及崩塌滑坡處

如果流域內(nèi)松散固體物質(zhì)分布于溝道以及崩塌滑坡處，則可計算滑坡體處的松散物的平均厚度。假定處于穩(wěn)定狀態(tài)的岸坡坡度為θ，岸坡堆積物坡度α和β如圖4所示。

圖4 溝床橫截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of gully bed cross section

穩(wěn)定的坡面松散固體物質(zhì)平均橫截面積為

穩(wěn)定的坡面松散固體物質(zhì)總量為

c.攔擋工程間接效益分析結(jié)果

利用攔沙壩和谷坊壩穩(wěn)固溝床和岸坡的固體物質(zhì)量來表征攔擋工程的間接防治效益。分析西南山區(qū)15條泥石流溝攔擋工程的間接效益可知，攔沙壩穩(wěn)溝效益在0.13%～35.39%。其中云南大盈江渾水溝流域物源總量51.706×106m3，攔沙壩間接穩(wěn)定溝床物質(zhì)總量約為8.30×106m3，占物源總量的35.39%；固坡效益在0.01%～65.01%。東川市黑水河流域攔沙壩固坡效益顯著，固定岸坡松散物質(zhì)總量約為17.19×106m3，占物源總量26.44×106m3的65.01%。谷坊穩(wěn)溝效益在0.04%～6.08%，固坡效益在0.06%～33.98%。攔沙壩間接減少的量為谷坊間接減少量的2～10倍（表3）。

3.2 改變溝道縱坡比降

西部山區(qū)的泥石流防治工程實踐證明，在泥石流攔沙壩淤滿后，其淤積物表面不是水平的，而是有一個回淤坡度?；赜倨露鹊拇笮∨c堆積物粒徑有關(guān)，與沖淤坡度的穩(wěn)定性有關(guān)。目前要準確估算這一坡度還有一定難度。根據(jù)西部山區(qū)部分攔沙壩的回淤坡度資料，壩前穩(wěn)定的回淤坡度I0都小于原溝床縱坡I，無經(jīng)常性流水作用的泥石流溝I≈0.75 I0，有經(jīng)常性流水作用的泥石流溝I≈0.6 I0（圖5）。

表3 攔擋工程間接效益分析成果Table3 Analysis of the indirect benefits of debris flow interception projects

3.3 降低泥石流重度，改變泥石流性質(zhì)

圖5 攔沙壩改變溝道比降示意圖Fig.5 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

目前的理論實踐和實驗都表明，在攔沙壩的攔蓄作用下，大部分泥石流溝的泥石流重度、性質(zhì)都會出現(xiàn)變化。甘肅隴南地區(qū)馬槽溝的泥石流防治工程建成運行8年后，泥石流平均重度由建壩前的2.0g／cm3減小到1.5g／cm3[7]。蔡祥興等通過比較寶成鐵路寶略段的8個泥石流治理工程，發(fā)現(xiàn)泥石流經(jīng)過攔沙壩的攔蓄，絕大部分性質(zhì)都起了很大變化[8]（表4）。

3.4 削減泥石流峰值流量和流速

壩體攔截泥石流中的粗大顆粒，重力分選作用下低于特定粒徑的顆粒和水體從排水孔或溢流口進入攔沙壩下游，進入下游的泥石流體峰值流量有所降低。表5列出西部山區(qū)部分有觀測數(shù)據(jù)的泥石流溝防治前后的泥石流峰值流量，這些泥石流防治工程實踐證明，攔沙壩具有削減泥石流峰值流量的作用（表5）。

表4 寶略段8條泥石流溝攔沙壩攔蓄效益Table4 Storing effectiveness of the eight check dams in the Baolue segment

表5 西南山區(qū)部分泥石流攔沙壩削峰統(tǒng)計表Table5 Statistics of clipping peak flux the partial check dams in the southwest mountain areas

3.5 減小溝道侵蝕速率，提高上游支溝的侵蝕基準面

壩體淤積不同程度提高上游支溝的侵蝕基準面，有效地抑制各支溝的侵蝕下切。對比分析蔣家溝流域內(nèi)有攔擋工程的多照溝和無工程的門前溝，泥石流發(fā)生前，前者溝內(nèi)水體中的碎屑物質(zhì)體積分數(shù)為0.5%，后者則幾乎為零，說明壩體對溝道侵蝕速率影響較大。各支溝侵蝕基準面的增高量可表示為

式中：h為壩高；r0為支溝溝口距攔沙壩的距離；i和ik分別為建壩前后的溝床縱坡。谷坊壩修建后，伴隨淤積和穩(wěn)溝固坡，溝道侵蝕速率明顯減小，上游支溝侵蝕基準面抬升0.3～0.5m。

4 生物工程綜合效益分析

生物措施的作用主要為削減泥石流的土體補給量和泥石流形成的徑流。

4.1 生物工程攔沙減沙效益分析原理

4.1.1 生物措施削減土源量

a.穩(wěn)定土層，減輕片蝕

植物根系（喬木、灌木、草）層層交織成網(wǎng)深入土層，在一定程度上增加土層穩(wěn)定性。其中喬木根系下伸最深，可達2～10m，灌木根系為0.5～4m，草的根系為5～30cm，喬木根系可深入土壤層底部的基巖裂隙內(nèi)，起到錨樁的作用。蔣家溝泥石流源地（1.9～2.6km）1986－06－15雨量105mm，裸地和坡耕地上產(chǎn)生紋溝泥石流，平均沖刷5～11mm，泥沙凈流失量達（5.0～11.0）×104m3；而草坡、林坡上卻沒有出現(xiàn)[9]。在蔣家溝泥石流源地，細溝泥石流既可出現(xiàn)于裸露地上，又可出現(xiàn)在草坡、林坡上，密度以裸地和坡耕地上最大，相鄰兩溝間隔僅數(shù)米，而草坡和林坡上達30～50m，前者約為后者的5～10倍；同樣的情況亦出現(xiàn)于四川安寧河流域和云南思茅地區(qū)?？梢?，草木植被可抑制紋溝泥石流暴發(fā)。

b.穩(wěn)定溝床，抑制溝道侵蝕

溝床的喬灌木植被有一定固土作用，尤其在泥石流形成區(qū)固土作用較為明顯。蔣家溝泥石流源地區(qū)內(nèi)，細溝溝床生長有喬灌木時固土厚度可達0.5～1m；切溝溝床內(nèi)1～2m。但這些土體的穩(wěn)定性具有時間性，當喬灌木一旦喪失（砍伐等）或流域發(fā)生低頻率暴雨，喬灌木將隨其土體一起參與泥石流活動，如1984年思茅地區(qū)所暴發(fā)的泥石流。

c.攔截泥沙，加固溝岸，固溝護坡

植被通過增加地表糙率起到攔截泥沙的作用，以泥沙形成區(qū)和堆積區(qū)的效果較好。四川涼山黑沙河泥石流形成區(qū)坡面草被可攔蓄泥沙5～10cm，溝床在喬灌植被郁閉的情況下，可增大回淤縱坡0.1%～0.5%。

4.1.2 生物措施削減泥石流徑流量

a.截滯徑流

生物措施中水源涵養(yǎng)林的調(diào)洪、滯洪作用最大。四川黑沙河流域內(nèi)云南松林下枯枝落葉層（6～10cm），可調(diào)節(jié)6～12mm水量。該層土體孔隙大，滲透性及膨脹性強，滯流能力大，為下層土層的調(diào)洪作用提供條件，該流域松林地的徑流系數(shù)僅為裸地的15%～28%。

b.延長徑流的匯流時間

生物措施不僅削減形成泥石流的徑流，也可延長匯流時間，為下游避險獲得寶貴時間。比較一場暴雨中黑沙河流域林地、草地與裸地的產(chǎn)流時間，林地比裸地延遲55min，草地比裸地延遲67min。黑沙河治理后，主溝的同頻率洪峰流量降低95%，固體物質(zhì)減少75%。

c.增加土層入滲水量

隨著地面枯枝落葉層不斷增厚，底部可形成腐殖質(zhì)層，經(jīng)微生物分解后，增加土壤有機質(zhì)含量，形成團粒結(jié)構(gòu)，使土壤層具有良好的理化性質(zhì)，增強土壤持水力。

4.2 生物措施減少泥石流物源評估方法

生物工程措施減少地表徑流、改善土壤結(jié)構(gòu)、降低徑流的侵蝕，實現(xiàn)攔沙減沙效益，其機理和過程十分復(fù)雜，目前尚無適用于地區(qū)泥石流的理論模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵彩秩狈Α⒃５妊芯勘砻髦脖桓采w地與裸地相比，可減少土壤侵蝕84%～99%[10]；蔡慶和唐克麗研究表明，植被覆蓋率增加10%，土壤侵蝕量減少11.1%[11]。就單因素而言，土壤的侵蝕速率和侵蝕量隨植被覆蓋率增加而降低，但植被覆蓋率達70%以上時，植被增加導(dǎo)致的侵蝕減少量較小。

植被覆蓋率、坡度對土壤侵蝕影響最大，從目前可以觀測的泥石流可知，物源總量與侵蝕模數(shù)相關(guān)，總量越大通常侵蝕模數(shù)也就越高，植被覆蓋率增高導(dǎo)致侵蝕模數(shù)的降低。在西南地區(qū)建立一定坡度下不同植被覆蓋率與侵蝕模數(shù)的半定量關(guān)系（表6），可以折算泥石流源區(qū)物源總量的下降比例，最終確定由此導(dǎo)致的泥石流容重、流量、一次總量、搬運的最大顆粒等運動力學參數(shù)的變化。

大部分泥石流流域坡度25°～35°，部分15°～25°和＞35°，其他等級相對較少。流域面蝕強度依據(jù)植被覆蓋率并結(jié)合坡度進行評估。相應(yīng)植被覆蓋率的面蝕強度為輕度、中度、強度、極強度、激烈5個類別。由于中度范圍較大，進一步分為中強和中等（表7）。

侵蝕強度不同的流域，平均侵蝕模數(shù)差別較大，為1～20kt／（km2·a）。由此可見植被的作用可以增加或減少一定數(shù)量的水土流失，但無法控制泥石流流域全部的水土流失，泥石流的固體物質(zhì)數(shù)量和相應(yīng)的侵蝕強度都較大。根據(jù)現(xiàn)在全國僅有的關(guān)于侵蝕模數(shù)與單位面積松散物質(zhì)體積的觀測數(shù)據(jù)（表8），我們可以擬合出公式進行侵蝕模數(shù)變化導(dǎo)致物源減少體積的估算（圖6）。

表6 面蝕分級指標Table6 Grade index of surface erosion

表7 土壤侵蝕強度分級標準Table7 Grade standards of soil erosion intensity

圖6 侵蝕模數(shù)與單位面積松散物質(zhì)體積的關(guān)系Fig.6 Relationship between the erosion modulus and the quality of loose materials per unit area

4.3 生物措施減少泥石流物源效益評估結(jié)果

分析西南山區(qū)12條泥石流溝攔擋工程的生物措施效益（表9），其中云南東川大橋河流域物源總量最多，達15×106m3，工程防治后流域植被覆蓋率為49%，相比工程之前的13%增加36%，流域侵蝕類型由強度轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸?，侵蝕模數(shù)平均變化取值為（30～150）×106t／（km2·a），侵蝕模數(shù)變化導(dǎo)致物源減少18.98×106m3。從泥石流防治工程的攔沙減沙效益來看，生物工程作用很大，泥石流流域內(nèi)植被覆蓋率增幅為19%～60%，生物工程措施減少泥石流的物源總量達4.7%～34.6%，侵蝕模數(shù)平均變化介于（10～200）×106t／（km2·a），因侵蝕模數(shù)變化導(dǎo)致的物源減少量最大可達18.98×106m3。其中西昌市黑沙河流域植被覆蓋率增加60%，侵蝕模數(shù)平均變化取值最高達為9kt／（km2·a），侵蝕類型由極強變?yōu)檩p度，減少物源5.894×106m3，占物源總量的31.1%：生物工程防治效果顯著。

5 結(jié)論

中國西南山區(qū)小流域地形地貌特殊、降水充足、物源豐富，泥石流發(fā)生頻率高、危害大，主要采取巖土工程和生物工程措施綜合防治。

表8 侵蝕模數(shù)與單位面積松散物質(zhì)量關(guān)系Table8 Relationship between the erosion modulus and the quality of loose materials per unit area

表9 生物措施攔沙減沙效益Table9 Benefits of checking and reducing sediments by biologic measures

巖土工程措施的直接效益是攔蓄泥沙，減少泥沙下泄量，調(diào)節(jié)泥石流固體物質(zhì)總量，起到削弱泥石流的作用。分析西南山區(qū)15條泥石流溝攔擋工程的直接效益可知，攔沙壩減少松散固體物質(zhì)總量的1.5%～48%，谷坊可減少0%～5%。在攔擋量方面攔沙壩起主要作用，為谷坊的幾倍至幾百倍不等。

攔擋工程的間接效益主要為穩(wěn)溝固坡、改變溝道比降、削減泥石流流速和峰值流量、減小泥石流重度和性質(zhì)、提升上游侵蝕基準面等，最終抑制泥石流的形成與發(fā)展。分析西南山區(qū)15條泥石流溝攔擋工程的間接效益可知，攔沙壩穩(wěn)溝效益0.13%～35.39%，固坡效益0.01%～65.01%；谷坊穩(wěn)溝效益0.04%～6.08%，固坡效益0.06%～33.98%；攔沙壩間接減少量為谷坊間接減少量的2～10倍。

生物工程措施增加植被覆蓋率、減少地表徑流、降低徑流的侵蝕、改善土壤結(jié)構(gòu)，間接實現(xiàn)攔沙減沙效益。分析西南山區(qū)12條泥石流溝攔擋工程的生物措施效益，泥石流流域內(nèi)植被覆蓋率增幅為19%～60%，生物工程措施減少泥石流的物源總量達4.7%～34.6%，侵蝕模數(shù)平均變化介于1～20kt／（km2·a），因侵蝕模數(shù)變化導(dǎo)致的物源減少量最大可達18.98×106m3：生物工程防治效果顯著。

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