張 猛
(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司,哈爾濱 150036)
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人工階梯
—深潭對(duì)泥石流消能作用研究
張猛
(黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司,哈爾濱 150036)
摘要:大坡度陡峭山谷中發(fā)育的階梯—深潭是一種泥沙成分豐富的常見(jiàn)地質(zhì)地貌形態(tài),多存在水資源豐富的地區(qū)。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始對(duì)階梯—深潭進(jìn)行研究,并且利用其對(duì)泥石流進(jìn)行治理,都取得了比較好的治理效果和經(jīng)驗(yàn)。階梯—深潭在國(guó)內(nèi)治理工程和實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明其對(duì)泥石流巨大的消能作用,對(duì)泥石流治理具有比較好的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:階梯—深潭;泥石流;消能;工程措施;工程設(shè)計(jì)
0引言
目前泥石流治理施工方案中多是基于順理物源通道、降低充足物源積累上。工程設(shè)計(jì)整齊劃一使施工工程達(dá)到設(shè)計(jì)效果,改變了自然力的河床、河岸狀態(tài)。由于泥石流是復(fù)雜地質(zhì)體,泥石流治理有一定的成功率,同時(shí)失敗的情況也存在,多次發(fā)生泥石流治理成功率不高。從根源上講,泥石流現(xiàn)象是水系發(fā)展到一定程度而產(chǎn)生的現(xiàn)象。水系的特征和泥石流的特征具有相似性[1]。研究泥石流的水系情況能夠反映出泥石流的發(fā)育情況和活動(dòng)狀態(tài)。
1階梯—深潭試驗(yàn)
1.1國(guó)內(nèi)研究成果
中國(guó)是階梯—深潭發(fā)育比較良好河流眾多水資源豐沛的國(guó)家。山區(qū)河床在暴雨作用下岸坡失穩(wěn),侵蝕下切,溝坡增大,常常引發(fā)泥石流災(zāi)害。階梯—深潭對(duì)河床自發(fā)性調(diào)整,使急流和緩流交替,能減輕對(duì)河床的強(qiáng)烈沖擊,對(duì)泥石流控制有巨大作用。自2006年開(kāi)始,清華大學(xué)課題組模仿建造階梯—深潭對(duì)泥石流進(jìn)行治理研究,先后開(kāi)展云南東川市吊嘎河(小江流域支流)人工階梯—深潭試驗(yàn),四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝滑坡堆積體泥石流治理試驗(yàn),甘肅省禮縣攔山溝泥石流治理試驗(yàn),取得了比較顯著的野外試驗(yàn)研究成果。研究表明人工階梯—深潭消減巨大水流能量,取得水沙分離、沙石沉積,控制溝床下切效果,避免了泥石流災(zāi)害的發(fā)生。
1.2階梯—深潭理論
階梯—深潭是河流流經(jīng)陡峭而狹長(zhǎng)山區(qū),由于重力作用與流動(dòng)方向成90°垂向上不斷拍動(dòng)沖擊河床,在地貌上呈現(xiàn)高度20 cm到幾米不等階梯狀。階梯—深潭形成經(jīng)歷粗化層階段、河床起伏階段、鵝卵石凸現(xiàn)階段,在河水的沖刷下,松散堆積體逐漸沉降密實(shí),階梯和深潭相間結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定呈現(xiàn)天然狀態(tài)。
階梯消能作用占據(jù)主導(dǎo),深潭90%以上消能效果與階梯的高度有關(guān),深潭消能作用隨著流量增加而增加。階梯階段的水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為跌落水流和滑行水流。其勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能產(chǎn)生紊動(dòng)和摻氣,在深潭處達(dá)到最大。水躍后動(dòng)能轉(zhuǎn)化成紊動(dòng)能至最大,漩渦將其分解為熱能。深潭消能階段為水躍主流區(qū)、漩渦區(qū)、交界區(qū)。幾何形態(tài)和水流條件共同影響階梯—深潭消能率。圖1是階梯—深潭能量轉(zhuǎn)化圖。
2人工階梯—深潭
2.1自然環(huán)境下的階梯—深潭
具有高效消能作用的階梯—深潭地貌是基于河水作用和河道走勢(shì)而形成的自然現(xiàn)象。卵石和巨石組成階梯,深潭中含有細(xì)沙,粗沙、少量礫石,河道垂向上呈現(xiàn)階梯狀。河流河谷的寬度限制了河水橫向調(diào)整。
階梯—深潭自發(fā)性對(duì)河床垂直方向上調(diào)整,使急流和緩流交替,能減輕對(duì)河床的強(qiáng)烈沖擊。一塊塊巨石構(gòu)成階梯框架,粗大泥沙顆粒受到巨石阻隔堆積在巨石旁邊和巨石共同構(gòu)成階梯。只有很大洪水下才能破壞泥沙顆粒堆積狀態(tài),不穩(wěn)定階梯瓦解之后,可以在下一級(jí)階梯堆積后形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在自然條件下,泥石流輸送沙石能力逐漸減弱的過(guò)程,同階梯—深潭具有很大相似性。
人工階梯依據(jù)地形地貌在泥石流發(fā)育的上游進(jìn)行控制[2]。
圖1 階梯—深潭能量轉(zhuǎn)化圖
2.2人工階梯—深潭
東江上游野趣溝、長(zhǎng)江上游小江支流深溝和黑水河、岷江支流皮條河、嘉陵江上游九寨溝、貴州清水河都有發(fā)育比較好的階梯—深潭,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)階梯—深潭能使溝道面阻力增大,激發(fā)泥石流的水量相當(dāng)于原來(lái)的3倍,比較好的控制了河床下切,減弱泥沙運(yùn)送能力。人工階梯—深潭是主動(dòng)對(duì)泥石流滑行過(guò)程進(jìn)行控制。泥石流施工治理設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)性,要求根據(jù)不同類型的情況,進(jìn)行不同設(shè)計(jì)。實(shí)際上,泥石流在起動(dòng)之初,規(guī)模不大,破壞性不強(qiáng),若在開(kāi)始起動(dòng)階段將泥石流的能量消耗殆盡,則可以避免泥石流災(zāi)害[3]。
面對(duì)復(fù)雜的泥石流地質(zhì)體,隨機(jī)性比較大,排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)是一種風(fēng)險(xiǎn)性設(shè)計(jì),將模擬階梯—深潭消能設(shè)計(jì)引入,作為排導(dǎo)工程的配套工程,將充分提高排導(dǎo)工程的穩(wěn)固性。其中,侵蝕型泥石流能在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷集聚能量,對(duì)下游造成更大的破壞。人工階梯能量消散目的是通過(guò)消耗水流能量使得水流所具備的能量低于觸發(fā)泥石流的臨界值。
模仿階梯—深潭進(jìn)行布設(shè)人工階梯應(yīng)該在縱向上按照疊瓦式布置以保持穩(wěn)定性,在水平面上按照反拱型態(tài)布設(shè),石塊之間交叉互疊堆積,形成一個(gè)整體。
3工程施工
3.1常見(jiàn)工程措施
目前泥石流治理思想:通過(guò)攔渣壩等泥石流啟動(dòng)過(guò)程中重要節(jié)點(diǎn)工程,實(shí)現(xiàn)對(duì)泥石流的控制。有側(cè)重引水截水消減水力能量的治水方案;有側(cè)重支護(hù)工程、攔砂壩等加固穩(wěn)定土體的固土方案;有使泥石流順暢下排的排導(dǎo)措施;有設(shè)置停淤場(chǎng)堵停措施;有封山育林的封閉修養(yǎng)措施。施工設(shè)計(jì)上治理措施集中在攔排及過(guò)境疏導(dǎo)方面,國(guó)內(nèi)有很多用攔擋壩成功實(shí)例[4]。
3.2人工階梯—深潭引入工程設(shè)計(jì)
合理利用地形地貌自然資源,因地制宜借鑒階梯—深潭消能結(jié)構(gòu),將消能原理和疏導(dǎo)原理結(jié)合是泥石流治理的有效途徑??刂颇嗍魃嫌蔚娜斯るA梯的數(shù)量、高度及深潭深度的工程設(shè)計(jì)要盡可能利用地形地貌,采用耐磨、高強(qiáng)度材料建造。其和攔砂壩、擋土墻、樁群等常見(jiàn)攔擋工程措施組合。攔渣壩等提高侵蝕基準(zhǔn)面,階梯—深潭消減泥石流的啟動(dòng)和加速,保證河床不下切,堆積物停留在上游,減小對(duì)下游的破壞。客觀上還可以保持良好的生態(tài)景觀。
4結(jié)論
人工階梯—深潭具有保護(hù)岸坡,防止溝谷下切,有效地消減水能,減少了泥石流對(duì)下游地區(qū)破壞,對(duì)攔渣壩等攔排工程起到保護(hù)作用;使觸發(fā)泥石流的水量降低和常見(jiàn)工程措施結(jié)合后,獲得良好生態(tài)效應(yīng)。
參考文獻(xiàn):
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[4]李文哲,王兆印,李志威.階梯-深潭系統(tǒng)消能研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2014(03):56-58.
中圖分類號(hào):TV135.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
[作者簡(jiǎn)介]張猛(1979-),男,黑龍江哈爾濱人,工程師。
[收稿日期]2016-02-05
文章編號(hào):1007-7596(2016)03-0023-02