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)：

[1]張康,王兆印,賈艷紅,李志威.應(yīng)用人工階梯-深潭系統(tǒng)治理泥石流溝的嘗試[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2012(04)：25-26.

[2]王兆印,漆力健,王旭昭.消能結(jié)構(gòu)防治泥石流研究—以文家溝為例[J].水利學(xué)報(bào)，2012(03)：89-90.

[3]張康,王兆印,余國(guó)安,韓魯杰.城市泥石流溝的治理啟示—以深溝為例[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011(12)：102-104.

[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