胡卸文, 韓 玫, 梁敬軒， 王 嚴(yán)， 洪美玲

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 四川 成都 610031; 3. 西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610031)

汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流若干關(guān)鍵問題

胡卸文1,2, 韓 玫3, 梁敬軒1， 王 嚴(yán)1， 洪美玲1

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 四川 成都 610031; 3. 西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610031)

為解決2008年“5·12”汶川地震后,在地震災(zāi)區(qū)大部分泥石流溝實施的攔砂壩、排導(dǎo)槽等首期治理工程效果不佳、部分工程甚至失效的問題，根據(jù)松散物源啟動量估算明顯偏小、攔砂壩設(shè)計庫容不夠、排導(dǎo)槽過流斷面偏小的狀況,分析了地震災(zāi)區(qū)泥石流形成特點和暴發(fā)規(guī)律,針對持續(xù)性、大規(guī)模和群發(fā)性方面的估計不足，系統(tǒng)地進行了經(jīng)驗總結(jié).通過2010和2013年兩次特大型泥石流的勘查、設(shè)計和治理工程實踐表明：震區(qū)泥石流在啟動機理、堵塞潰決、持續(xù)時間、沖出規(guī)模等方面與一般泥石流相比存在很大區(qū)別,總結(jié)出以下經(jīng)驗： (1) 合理確定泥石流堵潰系數(shù)及相應(yīng)流量;(2) 針對不同類型泥石流及保護對象提出有效的治理工程方案，例如攔擋、固坡、排導(dǎo)、停淤方法的合理組合和有效利用;(3) 合理分配攔砂壩的有效高度及數(shù)量;(4) 合理選用壩體結(jié)構(gòu)類型，例如實體壩、縫隙壩和梳齒壩.上述經(jīng)驗在綿竹縣清平文家溝、汶川縣紅椿溝、七盤溝、桃關(guān)溝和寶興縣冷木溝特大型泥石流的勘查、設(shè)計及治理工程中進行了充分的應(yīng)用驗證,并取得了成功.

震區(qū);泥石流;治理;堵潰系數(shù)

自2008年“5·12”汶川特大地震以來,在地震災(zāi)區(qū)的北川、都江堰-映秀-汶川以及綿竹清平鄉(xiāng)片區(qū)，分別在2008年“9·24”、2009年“7·17”、2010年“8·13”、2012年“8·17”、2013年“7·10”和2014年“7·09”暴發(fā)了大規(guī)模泥石流[1-5],尤其是2010年和2013年兩次泥石流規(guī)模巨大,且表現(xiàn)出大范圍、群溝暴發(fā)的特點,給災(zāi)后重建成果造成重大損失.上述泥石流的持續(xù)暴發(fā)驗證了文獻[6]的觀點,即在汶川震區(qū)內(nèi)地震產(chǎn)生的松散物源約為4 億m3,震后泥石流年均輸沙量約為1 800 萬m3,據(jù)此可推測汶川震后泥石流將在20 a內(nèi)保持活躍.

對汶川震區(qū)泥石流的形成機理、運動學(xué)特征以及相應(yīng)的治理理念,迄今為止至少在國內(nèi)外刊物正式發(fā)表了100余篇論文.文獻[2]通過對2010-08-13清平文家溝泥石流狀況的研究,認(rèn)為針對汶川地震區(qū)泥石流暴發(fā)的新特點,應(yīng)進一步加強對震區(qū)泥石流的防治,一方面應(yīng)提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),強化工程治理和專業(yè)監(jiān)測預(yù)警,另一方面更應(yīng)引入風(fēng)險管理和控制的理念,注重防治結(jié)合和軟硬結(jié)合.文獻[3-4]結(jié)合北川、汶川等地泥石流的遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查,認(rèn)為應(yīng)該開展對汶川地震區(qū)泥石流的風(fēng)險評估和監(jiān)測、早期預(yù)警等研究,采取有效的工程措施控制泥石流的發(fā)生和危害.文獻[4]針對災(zāi)區(qū)泥石流的特點,認(rèn)為災(zāi)區(qū)泥石流持續(xù)時間可能達到10～30年或更長時間,對泥石流區(qū)域開展工程建設(shè)應(yīng)加強防范措施.文獻[7-9]認(rèn)為文家溝泥石流的成因模式是強降雨過程在滑坡堆積體上先期出現(xiàn)“滲流管涌、暫態(tài)壅水、潰決滑塌”的造溝作用,后期出現(xiàn) “溯源侵蝕、沖刷刨蝕、側(cè)蝕坍塌、混合奔流(攪拌機)”的擴溝作用,并對第1期治理工程失效原因進行了分析.文獻[10]在大量調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為汶川震區(qū)泥石流流量普遍增大,大致可增加約50%～100%,現(xiàn)有規(guī)范中泥石流流量計算方法的結(jié)果偏小,需要修正，針對震后泥石流的活動特征、演化趨勢和震區(qū)泥石流防治中存在的問題,提出判識潛在泥石流災(zāi)害,增強減災(zāi)措施的針對性;進行泥石流災(zāi)害風(fēng)險分析,加強風(fēng)險管理;改進泥石流規(guī)模計算方法,適應(yīng)震區(qū)超常規(guī)模泥石流防治需求;重新確定泥石流預(yù)警報的臨界雨量指標(biāo),加強監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)等災(zāi)害防治對策.文獻[1,11]針對震區(qū)溝道不同類型松散物源啟動模式,結(jié)合桃關(guān)溝泥石流,認(rèn)為對震區(qū)松散物源的統(tǒng)計中應(yīng)充分考慮單薄山脊震裂物源.上述觀點為汶川震區(qū)泥石流治理的勘查和設(shè)計起到了重要的指導(dǎo)作用.

實際上,在2008年“5·12”汶川地震后,四川省隨后對位于地震重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)的近300余條泥石流溝進行了勘察設(shè)計和治理,絕大部分泥石流溝實施了攔砂壩、排導(dǎo)槽等工程,這些工程經(jīng)受住了歷次泥石流的考驗,但是對位于極重災(zāi)區(qū)都(江堰)-汶(川)沿線以及清平片區(qū)的部分泥石流溝卻治理效果不佳,部分工程甚至失效,突出表現(xiàn)為攔砂壩設(shè)計庫容不夠、排導(dǎo)槽過流斷面偏小(如圖1和圖2所示),同時已修建的部分壩體因結(jié)構(gòu)原因破壞損毀(如圖3和圖4所示),因此，在2010年和2013年后的兩次特大型群發(fā)性泥石流溝再次進行了勘察設(shè)計.

圖1 都汶高速沿線桃關(guān)溝泥石流攔砂壩庫容淤滿Fig.1 The dam storage in Taoguan gully filled up by debris flow along the Dujiangyan-Wenchuan expressway

導(dǎo)致部分泥石流溝治理效果不佳甚至部分工程失效原因主要是,對汶川災(zāi)區(qū)泥石流暴發(fā)的持續(xù)性、大規(guī)模和群發(fā)性認(rèn)識不足,對比震后部分溝谷泥石流勘查設(shè)計成果,以下問題值得思考:

(1) 對同一條溝道中不同勘查單位就松散物源、流量等的勘查結(jié)果相差很大的原因；

(2) 震后歷次泥石流一次沖出規(guī)模明顯偏大的原因；

(3) 在汶川震區(qū)震后首批開展的泥石流治理工程效果不佳的原因；

(4) 如何對汶川震區(qū)泥石流開展有效治理.

圖2 都汶高速沿線鋤頭溝泥石流排導(dǎo)槽斷面偏小Fig.2 The insufficient cross section of drainage ditch in Chutou gully along the Dujiangyan-Wenchuan expressway

圖3 綿竹清平小崗劍泥石流2#縫隙壩右側(cè)壩體被損壞Fig.3 The right part of No.2 cracks dam damaged in Xiaogangjian debris flow in Qingping town of Mianzhu County

圖4 北川縣青林溝泥石流攔砂壩壩下護坦及壩基被掏空Fig.4 The apron and foundation of the silt dam hollowed by Qinlin gully debris flow in Beichuan County

1 汶川震區(qū)震后泥石流的基本特點

從2008年“5·12”汶川地震以來7年時間里先后暴發(fā)了6次大規(guī)模泥石流,汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流總體表現(xiàn)出以下特點.

1.1 物源豐富、種類繁多

現(xiàn)場地質(zhì)勘查表明,在地震災(zāi)區(qū)泥石流溝道流域內(nèi)，除了原有的溝道物源及坡面堆積物源(如早期崩坡殘積、滑坡堆積及冰水堆積等),地震誘發(fā)的大量崩滑體是其暴發(fā)泥石流的最主要來源,但是隨著震后多次泥石流的發(fā)生,地震產(chǎn)生的崩滑物源部分或絕大部分已沖出,特別是2013和2014年暴發(fā)的泥石流啟動物源,除了地震誘發(fā)殘留崩滑體及溝道物源外,地震引起的單薄山脊部位震裂巖體又開始啟動補給,因此，坡頂震裂松動巖體將是未來地震災(zāi)區(qū)泥石流暴發(fā)的主要啟動物源之一.

1.2 泥石流群發(fā)性和一次暴發(fā)持續(xù)時間長

“5·12”汶川地震以來暴發(fā)的歷次泥石流,均表現(xiàn)出群發(fā)性和一次泥石流持續(xù)時間長的特點.例如，2008年“9·24”泥石流主要發(fā)生在北川縣和平武縣境內(nèi)[3],此次泥石流以北川老縣城的魏家溝、唐家山堰塞湖的大水溝等為代表,其中魏家溝(又稱西山坡溝)及其相鄰的蘇家溝暴發(fā)的大規(guī)模泥石流沖入老縣城, 致使老縣城幾乎全部被淤埋,同時也破壞了多處北川縣城地震遺址,此次泥石流持續(xù)時間近1 h (圖5).

圖5 北川魏家溝2009-09-24泥石流淤埋舊縣城遺址Fig.5 Relics of the old county buried by debris flow in Weijia gully in Beichuan County on September 24, 2009

2010年“8·13”在極重災(zāi)區(qū)的綿竹市清平鄉(xiāng)、汶川縣映秀鎮(zhèn)和都江堰市龍池鎮(zhèn)遭受了極為嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害,其各自的典型代表如文家溝、紅椿溝和八一溝,均造成了慘重的損失.以清平片區(qū)為例,以文家溝和走馬嶺溝為代表的群發(fā)性泥石流使全鄉(xiāng)6 000余人遭受不同程度災(zāi)害,并造成7人遇難、7人失蹤、33人受傷,泥石流災(zāi)害大范圍損毀和掩埋了清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn),造成清平鄉(xiāng)379戶房屋受損,占總戶數(shù)的20.9%,直接經(jīng)濟損失達6億元左右(圖6),總體表現(xiàn)出群發(fā)范圍廣、一次沖出泥石流持續(xù)時間長的特點,此次泥石流持續(xù)時間近1.5 h[2].

2013年“7·10”泥石流則是除地震災(zāi)區(qū)2010年“8·13”群發(fā)性泥石流外,又一次特大型、群發(fā)性泥石流災(zāi)害(圖7),與2010年泥石流群發(fā)部位多、分布廣不同,該次泥石流主要分布在都汶高速沿線(即映秀鎮(zhèn)—汶川縣城的岷江兩岸),共發(fā)育17條溝,其中最為典型的應(yīng)屬七盤溝、桃關(guān)溝和羊嶺溝,持續(xù)時間一般都在1.5～2.0 h,個別可達3 h.

圖6 文家溝2010-08-13泥石流掩埋清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)(引自互聯(lián)網(wǎng))Fig.6 Qingping towns buried by debris flow in Wenjia gully on August 13, 2010 (from website)

圖7 都汶高速磨子溝2013-07-10泥石流堵塞岷江形成堰塞湖Fig.7 Minjiang river blocked by debris flow, forming a barrier lake along The Dujiangyan-Wenchuan expressway in Mozi gully on July 10, 2013

1.3 泥石流一次沖出規(guī)模巨大

不論是震后初期的2008、2009年,還是到震后第5年的2013年,也不論溝域面積大小,由于溝域內(nèi)物源豐富、泥石流持續(xù)時間長,因此，每條沖溝沖出泥石流一次總量大,與非地震災(zāi)區(qū)泥石流沖出規(guī)模存在很大差別.例如， 2008年“9·24”泥石流的發(fā)生地魏家溝,其流域面積只有1.54 km2,而一次沖出量達34×104m3. 2013年“7·10”泥石流中,瓦窯溝和桃關(guān)溝各自的流域面積分別是1.21 km2和50.86 km2,對應(yīng)的一次沖出規(guī)模分別為12×104、108×104m3.都汶高速沿線2013年“7·10”特大泥石流溝基本特征參數(shù)見表1.

表1 都汶高速沿線2013年“7·10”典型特大泥石流溝基本特征參數(shù)Tab.1 Basic characteristic parameters of super-large debris flow along the Dujiangyan-Wenchuan expressway on July 10, 2013

2 汶川震區(qū)震后泥石流若干關(guān)鍵參數(shù)取值問題

2.1 關(guān)于溝域內(nèi)松散物源量調(diào)查與動儲量估算

對于泥石流溝域松散物源的勘查，首先應(yīng)查明其分布的總儲量(也稱“靜儲量”),在此基礎(chǔ)上,根據(jù)不同成因、不同部位的松散物源量并依據(jù)各自可能的失穩(wěn)模式,推算不同降雨頻率下的可能啟動物源量(也稱“動儲量”).目前對上述兩類儲量的估算存在以下問題:

(1) 靜儲量估算嚴(yán)重不足.目前國內(nèi)大部分學(xué)者認(rèn)為，靜儲量應(yīng)只考慮有可能啟動的松散物源,而分布位置高、天然條件下穩(wěn)定性好的部分(例如早期冰水堆積、坡殘積等)則完全不予考慮,更不考慮因地震在單薄山脊部位形成的震裂物源,這導(dǎo)致松散物源總量估算嚴(yán)重偏少,不符合實際情況,進而影響了相應(yīng)的不同降雨頻率下的動儲量估算,這種認(rèn)識是導(dǎo)致震區(qū)初次治理工程攔砂壩庫容設(shè)計偏小的主要原因.

(2) 動儲量估算依據(jù)不充分.泥石流溝域常規(guī)物源類型一般包括:① 崩塌堆積物源;② 滑坡堆積物源;③ 溝床堆積物源;④ 坡面型物源(含早期坡殘積、冰水堆積等).而在地震災(zāi)區(qū),還包括一類新物源,即⑤坡頂震裂物源(圖8).

對于上述5類物源的動儲量估算，應(yīng)充分考慮各類物源的可能失穩(wěn)或啟動條件進行分析.例如,堆積于溝道邊的崩滑類物源啟動主要是受不同降雨頻率形成的洪水或泥石流的沖刷坍滑,因此，以可能坍滑邊界確定動儲量是最為合理的;溝床堆積體則應(yīng)依據(jù)其所在溝道縱坡坡降的陡緩程度、對應(yīng)的沖刷深度來推算動儲量.而目前的常規(guī)做法是靠人工估計,更有甚者將“動儲量一般占靜儲量的10%”作為標(biāo)準(zhǔn)來確定動儲量；另外，估算動儲量時未考慮不同降雨頻率導(dǎo)致的差異,都取一個定值,這顯然是不合理的,較為準(zhǔn)確的動儲量估算應(yīng)該是隨不同降雨頻率而變化的.

(a) 震裂巖體1

(b) 震裂巖體2圖8 都汶高速沿線普遍可見的單薄山脊震裂巖體已成為泥石流的主要補給物源Fig.8 The vibration-cracked rock mass on thin mountain ridge shaving become the main supply of debris flow provenance along the Dujiangyan-Wenchuan expressway

表2是汶川震區(qū)都汶高速沿線安夾溝在2013年“7·10”泥石流發(fā)生前后不同勘查單位對物源量的估算結(jié)果,由于存在上述的認(rèn)識偏差,導(dǎo)致物源量估算值差異很大.

表2 汶川震區(qū)安夾溝2013年“7·10”泥石流發(fā)生前、后溝域內(nèi)松散物源量勘查變化對比
Tab.2 Contrast about the loose materials source before and after the debris flow in Anjia gully, Wenchuan on July 10, 2013 104m3

物源類型靜儲量“7·10”前“7·10”后動儲量“7·10”前“7·10”后靜儲量增加量動儲量增加量崩滑堆積物源35.00204.2011.4058.14169.2046.74溝道堆積物源1.70106.340.6023.73104.6423.13坡面侵蝕物源3.0089.790.4024.6186.7924.21合計39.70400.3312.40106.48360.6394.08

從表2可見,在2013-7-10泥石流發(fā)生后,溝域內(nèi)尚存的松散物源總量、動儲量分別是2008年地震發(fā)生后勘查量的近10倍,正是由于物源總量和動儲量估算不足,導(dǎo)致早期攔擋工程設(shè)計的庫容根本滿足不了一次20年一遇的泥石流規(guī)模,這就是導(dǎo)致震后首次泥石流治理工程效果差的根本原因.

圖9給出單薄山脊震裂物源啟動及動儲量的估算模式，圖10給出崩滑物源啟動類型及動儲量的估算模式，圖11給出溝床物源啟動類型及動儲量的估算模式.

(a)震動裂縫(b)溯源塌滑圖9 單薄山脊震裂物源啟動及動儲量估算模式Fig.9 Startandestimationofthedynamicreservemodeoftheshattersourceonthethinmountainridge

(a)弧形滑塌(b)自然休止角圖10 崩滑物源啟動類型及動儲量估算模式Fig.10 Startandestimationofthedynamicreservemodeofthecollapseofsource

(a)溝道下切侵蝕(b)溝道側(cè)蝕坍滑圖11 溝床物源啟動類型及動儲量估算模式Fig.11 Startandestimationofthedynamicreservemodeofgullybedsource

2.2 堵塞系數(shù)取值及泥石流流量設(shè)計

常規(guī)泥石流堵塞系數(shù)D是根據(jù)溝道形態(tài)(彎道、寬窄、陡坎跌水等)以及溝床是否存在大塊石堵塞卡口等因素確定的,按照堵塞嚴(yán)重、中等和輕微3種情況，可分別取D≥2.5、D=1.5～2.5和D≤1.5.但是在地震災(zāi)區(qū)由于大量的崩塌、滑坡堵塞溝道,導(dǎo)致堵潰放大效應(yīng)極為明顯.

根據(jù)震后數(shù)次泥石流勘查情況，比較用泥痕調(diào)查法得出的流量與用雨洪修正法得出的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)個別溝道堵塞系數(shù)D最大可達到4.0以上.表1列出了汶川災(zāi)區(qū)都汶高速沿線各條泥石流溝在2013年“7·10”泥石流發(fā)生時的堵塞系數(shù)值.從表1可見,D值至少在1.5以上,最大D值達到3.0,因此，對地震災(zāi)區(qū)溝道泥石流應(yīng)查明可能存在的堵潰點,合理地確定D值.

應(yīng)根據(jù)堵潰條件下的泥石流流量作為治理工程設(shè)計值，正確估計與堵塞系數(shù)相對應(yīng)的泥石流流量,合理確定治理工程的攔砂壩溢流口、排導(dǎo)槽等過流斷面面積.圖12為都汶高速七盤溝泥石流溝道內(nèi)老鷹巖堰塞湖2013-07-11泥石流潰決狀況.

(a)堰塞湖(b)泥石流沖開潰決圖12 都汶高速七盤溝泥石流溝道內(nèi)老鷹巖堰塞湖在2013-07-11泥石流沖開潰決Fig.12 LaoyingyanbarrierlakeburstbydebrisflowinQipangullyalongtheDujiangyan-WenchuanexpresswayonJuly10,2013

2.3 一次沖出泥石流的規(guī)模計算及庫容設(shè)計

對震區(qū)一次沖出泥石流規(guī)模的計算分析存在的主要問題:

(1) 震區(qū)泥石流普遍具有多次陣性流、且整個泥石流持續(xù)時間較長的特點,因此，某局部時段集中降雨誘發(fā)的泥石流發(fā)生沖出規(guī)模并不只是一個完整次沖出的結(jié)果.

(2) 一次泥石流沖出量與常規(guī)公式計算分析結(jié)果的差別很大,常規(guī)情況下流域面積在50 km2左右的泥石流溝,一次完整階段泥石流沖出規(guī)模一般不會超過100 萬m3,但在震區(qū)通常會達到100 萬m3或以上,例如，清平文家溝2011-8-13泥石流沖出規(guī)模超過450萬m3.

(3) 一次沖出泥石流的固體總量計算結(jié)果用于攔砂壩庫容設(shè)計偏于不安全.

針對上述問題,建議采用方法:

(1) 根據(jù)常規(guī)計算公式,可將一次泥石流持續(xù)時間按多次陣性流的累計時間計算.

(2) 結(jié)合汶川震區(qū)各溝道泥石流暴發(fā)的特點,也可按多次陣性流的各次沖出規(guī)模累計計算沖出量.

(3) 泥石流攔砂壩庫容按一次“水+泥石流”的總量設(shè)計是比較合理的,也是偏于安全的.

3 對汶川震區(qū)泥石流開展有效治理的建議

汶川地震7年以來,四川省通過對近300余條泥石流溝的工程治理,基本上達到了災(zāi)害防治的目的,但是由于對地震災(zāi)區(qū)泥石流暴發(fā)的基本特性認(rèn)識不足,致使很多治理工程實施效果不夠理想,例如攔砂壩很快淤滿、排導(dǎo)槽設(shè)計斷面不夠、無法滿足過流要求等.

因此，基于震區(qū)泥石流物源規(guī)模、堵塞潰決情況、持續(xù)時間等方面的復(fù)雜性,對實施治理工程提出如下建議:

(1) 應(yīng)遵循地震災(zāi)區(qū)崩塌、滑坡-泥石流轉(zhuǎn)化的自然規(guī)律,結(jié)合保護對象,有針對性地實施工程治理.

一次地震后,由于溝域內(nèi)崩滑物源極為豐富,在震后5～10年是泥石流暴發(fā)的活躍期,有時一年可以暴發(fā)多次泥石流,因此，在條件允許時,待泥石流逐漸進入發(fā)育晚期-衰退期再進行治理,效果會更好.但是以汶川地震災(zāi)區(qū)為例,由于山區(qū)可供搬遷的建設(shè)用地緊張,許多集鎮(zhèn)或較大村落仍然只能在原地址(一般往往就在泥石流溝口堆積扇部位)重建,顯然不可能等到泥石流發(fā)育多次后再行治理,必須在震后首次泥石流暴發(fā)前進行有效防治,因此,在進行治理工程設(shè)計過程中,應(yīng)充分考慮溝道地形條件,合理采取穩(wěn)坡固源、攔擋停淤和溝口排導(dǎo)等措施,并相互結(jié)合使用.例如綿竹清平文家溝,由于大量居民建筑都在溝口,且溝口主河——綿遠(yuǎn)河因震后大量泥石流沖入河床抬高了近20 m,納砂能力有限,不允許大規(guī)模泥石流直接進入綿遠(yuǎn)河,整個泥石流治理采用了“上游水石分治、中游固底護坡、下游攔擋停淤”的設(shè)計理念(如圖13所示的綿竹清平文家溝特大泥石流防治工程布置示意圖),在溝道上游設(shè)置多級攔砂壩進行有效攔截,并通過排水隧洞使上游匯水不進入“5·12”地震形成的特大型滑坡堆積區(qū),同時對滑坡區(qū)進行固床護坡,盡量減少溝域內(nèi)松散物源啟動進入溝口.從2012年治理后的實施效果看,盡管在其后又多次形成泥石流,但都得到了有效控制,未對溝口居民造成災(zāi)害.

圖13 綿竹清平文家溝特大泥石流防治工程布置示意圖Fig.13 Layout of the prevention and treatment projects for Weijia gully debris flow in Qingping town of Mianzhu County

(2) 對溝道縱坡坡降大于350‰的泥石流治理應(yīng)慎重實施,在泥石流頻發(fā)期實施治理效果差.

一般情況下,溝道縱坡坡降過陡的泥石流沖溝,往往溝道狹窄、水動力作用強烈,因此，不僅在溝內(nèi)設(shè)置治理工程施工難度大，而且攔砂壩等的庫容也非常有限,且若在溝域分水嶺部位賦存大量崩滑物源,即使在溝域內(nèi)實施多道谷坊壩防治物源下切侵蝕,也會因攔截效果差導(dǎo)致治理效果不佳.比較典型的震區(qū)泥石流例如綿竹清平小崗劍泥石流,盡管設(shè)計上采用了“穩(wěn)+固+攔+導(dǎo)+外停+截水”的綜合治理思路(如圖14所示的綿竹清平小崗劍溝泥石流防治工程布置示意圖),即中上游采用穩(wěn)源固坡、下游采用攔砂壩、溝口進行排導(dǎo)槽+停淤場并輔以局部的截水溝措施,由于該溝道縱坡達到450‰,且溝源附近存在不穩(wěn)定震裂物源達數(shù)十萬立方米, 治理工程實施后當(dāng)年即2012年發(fā)生了3次較大規(guī)模的泥石流, 4道攔砂壩很快淤滿，且個別壩體因泥石流沖擊力過大而損毀,排導(dǎo)槽因坡降陡磨蝕受損嚴(yán)重,停淤場也很快淤滿,多次清淤成本高,治理效果不能滿足設(shè)計要求.

(3) 應(yīng)根據(jù)溝道地形特征,結(jié)合保護對象,合理采用攔擋、固坡、排導(dǎo)等工程的有機組合.

由于不同泥石流溝地形條件、保護對象等存在差異,在治理工程措施的選取上應(yīng)有所區(qū)別,有些溝道縱坡坡降較緩,不宜直接采用排導(dǎo)措施進入主河，宜采用以攔為主、輔以排導(dǎo)的措施;反之，則宜采用以排為主、適當(dāng)攔擋的措施.因此,對各種泥石流防治措施應(yīng)合理選擇、靈活選用.

圖14 綿竹清平小崗劍溝泥石流防治工程布置示意圖Fig.14 Layout of the prevention and treatment projects for Xiaogangjian debris flow in Qingping town of Mianzhu County

(4) 攔砂壩庫容建議按一次“水+泥石流”的總量進行設(shè)計,確保留夠安全裕度.

一般用泥石流修正系數(shù)計算一次泥石流沖出總量(水+泥石流)和固體總量的差別,經(jīng)過修正后的泥石流固體總量可以理解為將泥石流中的水凝干后、空隙被壓密恢復(fù)成巖石結(jié)構(gòu)狀態(tài)的量,顯然，這在實際中是不可能的.而汶川震區(qū)已實施治理的大量泥石流溝的攔砂壩,一般都是根據(jù)設(shè)計頻率下一次泥石流沖出的固體總量進行設(shè)計的,從理論上分析是正確的,但是當(dāng)泥石流暴發(fā)進入攔砂壩內(nèi)時都是以“水+泥石流”狀態(tài)停積淤埋,即使后期水滲干后,堆積體空隙仍然較多,堆積體積仍要大于固體物質(zhì)的體積,因此，攔砂壩庫容設(shè)計偏小,不能滿足要求.

(5) 即使采用以攔為主、攔排結(jié)合的治理方案,在不考慮攔砂壩清淤的條件下,排導(dǎo)槽仍應(yīng)按泥石流峰值流量進行設(shè)計.

常規(guī)泥石流治理在流通區(qū)采用多級攔砂壩、溝口排導(dǎo)槽的工程實踐中,考慮在流通區(qū)通過多級攔砂壩的粗顆粒物絕大部分被攔截后,一般按高含沙洪水進行排導(dǎo)槽過流斷面設(shè)計.顯然，由于泥石流和高含沙水流在容重上的差異,使得在同樣降雨頻率下,前者的流量明顯高于后者的流量.由于震區(qū)泥石流發(fā)育及頻繁爆發(fā),在建成攔砂壩一段時間后會停積淤滿,若不考慮對淤滿庫容進行清淤,攔砂壩淤滿后暴發(fā)的泥石流會全部進入排導(dǎo)槽,此時是泥石流而不是高含沙洪水.因此，為了確保溝口居民安全以及排導(dǎo)槽工程可靠,按照設(shè)計頻率下的泥石流峰值流量對排導(dǎo)槽進行設(shè)計是必要的.

(6) 從近七年以來在震區(qū)已實施的攔砂壩效果看,中、高壩攔擋及實施效果遠(yuǎn)優(yōu)于低壩方案.

由于震區(qū)泥石流溝道松散物源總量豐富,在震后首次實施的攔砂壩工程中,考慮到壩體穩(wěn)定性,絕大部分設(shè)計的有效壩高為5～8 m,只有極少數(shù)為10 m.

眾所周知,在山區(qū)泥石流沖溝中,一個攔砂壩的庫容受溝道縱坡、寬度等因素的控制,因此，存在一個合理的有效壩高,并不是有效壩高越高越好、越低越安全,涉及經(jīng)濟最佳效益比.再則壩體數(shù)量越多、涉及的開挖量及圬工量就越多,經(jīng)濟效益比并不好,而且從實施效果看,低壩很快就淤滿.

在2010年以后的數(shù)次特大泥石流治理工程設(shè)計中,普遍采用中壩(有效壩高為10～15 m)和高壩(有效壩高>15 m),例如，汶川縣七盤溝、磨子溝和寶興縣冷木溝的1號攔砂壩有效壩高均達到25 m(如圖15所示的都汶高速沿線磨子溝泥石流治理的高攔砂壩),是目前國際上最高的攔砂壩,實施效果非常好.

圖15 都汶高速沿線磨子溝泥石流治理的高攔砂壩(有效壩高25 m)Fig.15 High silt dam along the Dujiangyan-Wenchuan expressway in Mozi gully debris flow (the effective height is 25 m)

4 結(jié) 論

(1) 震區(qū)與非震區(qū)泥石流不論在松散物源總量、啟動模式、暴發(fā)頻率以及相應(yīng)的動力學(xué)特性上都有很大差異,加強對兩者的特點總結(jié)和規(guī)律分析是非常必要的.

(2) 對地震災(zāi)區(qū)各種類型松散物源總量及可能啟動量(動儲量)應(yīng)充分調(diào)查、全面考慮,尤其是動儲量,不宜照搬經(jīng)驗籠統(tǒng)估算,更不能簡單地將“動儲量一般占靜儲量的10%”作為標(biāo)準(zhǔn).對各類物源動儲量,應(yīng)充分考慮不同降雨頻率下的啟動模式進行合理估算,較為準(zhǔn)確的動儲量估算應(yīng)該是隨不同降雨頻率而變化的.

(3) 應(yīng)充分考慮震區(qū)泥石流的堵潰效應(yīng),依據(jù)可能存在的堵潰點,合理確定堵塞系數(shù),獲得相應(yīng)的泥石流峰值流量計算參數(shù),為治理工程設(shè)計提供安全、可靠的依據(jù).

(4) 基于震區(qū)泥石流物源規(guī)模、堵塞潰決、持續(xù)時間等方面的復(fù)雜性,在泥石流治理工程設(shè)計中,應(yīng)結(jié)合溝道特點和保護對象,盡可能準(zhǔn)確地確定設(shè)計參數(shù)、合理選擇工程類型,以達到最佳治理效果.

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胡卸文(1963—),教授，博士,博士生導(dǎo)師，1998年起至今任職于西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,現(xiàn)任地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副院長.研究方向為工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害及防治工程、巖土體穩(wěn)定性.承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃、省部級及企業(yè)委托課題60余項;獲國家發(fā)明專利2項;獲國家科技進步一等獎1項,獲省部級科技進步一等獎3項、二等獎5項和三等獎5項.先后兼任教育部高等學(xué)校地礦學(xué)科和地質(zhì)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員;中國地質(zhì)學(xué)會工程地質(zhì)專業(yè)委員會委員;四川省水力發(fā)電工程學(xué)會理事;四川省巖石力學(xué)與工程學(xué)會理事.

E-mail:huxiewen@163.com

韓玫(1980—),講師,博士研究生, 2005年起至今任職于西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院.研究方向為地質(zhì)災(zāi)害及防治工程、運籌學(xué)與控制論.

E-mail: hanmei@home.swjtu.edu.cn

(中文編輯:秦萍玲 英文編輯:蘭俊思)

Some Key Problems on Debris Flow in Wenchuan Earthquake Area

HUXiewen1,2,HANMei3,LIANGJingxuan1,WANGYan1，HONGMeiling1

(1. Faculty of Geosciences and Environment Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Chengdu 610031, China; 3. School of Mathematics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

After the Wenchuan earthquake on May 12, 2008, some initial treatments, such as silt dams and drainage ditches which were built in debris flow gullies in the earthquake area for debris control, showed a poor performance and went into a failure condition because of the underestimated launch quantity of loose material resource, the insufficient design capacity of the silt dams, and the small cross sections of drainage grooves. To deal with these problems, the formation characteristics and outbreak regularities of debris flow in the earthquake area were analyzed, and a systematic summary of experience was obtained from the lesson of insufficient understanding of the continuous, massive, and group-occurring of the debris flow. There are some significant differences between the earthquake debris flow and general debris flow in the starting mechanism, block and break, lasting time and break-out quantity of loose materials, and so on. Through the engineering practices in exploration, design and management of two giant debris flow in 2010 and 2013, some experiences are summarized as follows: (1) reasonably determine the blocking collapse coefficient and the discharge of debris flow; (2) put forward effective treatment plans according to different types of debris flows and the preserved objects; for example, effectively combine the block, slope reinforcement, drainage ditches and silting field; (3) reasonably distribute the effective height and number of silt dams; and, (4) choose reasonable structure types for dams, such as entity dam, crack dam and comb dam. The above experience has been successfully applied and verified effective in the investigation, design and management projects of large debris flows in Wenjiagou gully in Qingping town of Mianzhu County, Hongchungou gully, Qipangou gully and Taoguangou gully in Wenchuan County, and Lenmugou gully in Baoxing County.

earthquake regions；debris flow；management；blocking collapse coefficient

2015-11-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(41372293); 四川省國土資源廳科學(xué)研究計劃資助項目(KJ-2014-10,KJ-2015-18,KJ-2016-8); 長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(PCSIRT)

胡卸文,韓玫,梁敬軒,等. 汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流若干關(guān)鍵問題[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2016,51(2): 331-340.

0258-2724(2016)02-0331-10

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.012

P642.23

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