劉瑞強

（蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國泥石流災害的成因和起動及相關(guān)防治措施研究

劉瑞強

（蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國是一個泥石流災害頻發(fā)的國家，泥石流災害的發(fā)生嚴重損害了人類的利益、威脅人類的生存和可持續(xù)發(fā)展，對我國泥石流的分布特點、形成條件、活動特點以及危害進行了分析，對泥石流的起動機理進行了研究，尤其是水石流的起動機理，最后綜合提出了泥石流的預測預防、工程防治措施和生物防治措施，以及一些設計過程中的重要點，泥石流的防治應綜合考慮多方面的因素，才能做出更為合理的防治措施。

泥石流；災害；起動機理；預測預報；工程防治；生物防治

1 我國泥石流的分布特點

1.1 我國泥石流在空間上的分布

泥石流是一種常見的自然災害，普遍地分布于世界各地，泥石流的分布情況受地貌、地形、地質(zhì)、降水量和人類活動的影響，我國的山地面大約占總面積的2/3，受較多山地面積和巖層斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的影響，構(gòu)成了許多潛在發(fā)生泥石流的條件，我國泥石流的發(fā)生地大多集中西部區(qū)域，如西南、西北等地，青藏高原與次一級的高原和盆地之間的接觸帶，以及在一些大斷裂帶、深大斷裂帶或地震頻發(fā)的河道河谷的兩側(cè)是發(fā)生泥石流的主要地區(qū)，對人類的生命安全所造成的危害也最為嚴重，另外，在一些山體中，若片巖、板巖或易于風化的巖系含量較多，發(fā)生泥石流的潛在可能性便會加大，泥石流的分布特點還與當?shù)亟邓?、冰雪融化等外部條件有關(guān)。

1.2 我國泥石流在時間上的分布

泥石流的發(fā)生于氣候條件密不可分，我國由于受獨特的季風氣候影響，泥石流的發(fā)生具有明顯的季節(jié)性，多雨的夏季是泥石流發(fā)生的主要時期，一般在每年的6、7、8、9這幾個月份比較集中，西北地區(qū)在7、8兩月的降水量尤為集中，激發(fā)泥石流災害的可能性也最大。據(jù)統(tǒng)計，我國約90%左右的泥石流災害均發(fā)生在6、7、8月份，因而泥石流的發(fā)生具有一定的周期性。

2 泥石流的形成條件及成因

2.1 地形與地貌條件

我國的地形呈明顯的西高東低階梯狀分布，山高溝深、溝床比降大、積水面積和流域面積便于水流的匯集。在地貌形態(tài)上，泥石流從上游到下游存在著形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，其流域面積的大小，形狀和溝床比降引發(fā)泥石流的成因，一般有山坡型和溝谷型泥石流溝，但一些由于地震引發(fā)的泥石流卻不同于上述分類，如汶川地震區(qū)文家溝泥石流，它是一種由強烈地震所引發(fā)的特殊泥石流成因模式。一般情況下，發(fā)生泥石流的流域面積不會太大，因為隨著流域面積的增大，單位面積的固體物質(zhì)補給量和流水匯集量都會減少，據(jù)甘肅省泥石流溝的統(tǒng)計資料表明，粘性泥石流溝的流域面積多在50以下，而稀性泥石流溝的流域面積多小于400km，見表1：

表1 甘肅省219條泥石流溝的流域面積統(tǒng)計

2.2 松散固體物質(zhì)的補給

泥石流中固體物質(zhì)是必不可少的部分，其來源主要是地表巖層破碎、破面侵蝕、地震、滑坡和崩塌等不良的地質(zhì)現(xiàn)象，地震所引發(fā)的滑坡、崩塌和山體的松動為泥石流提供了先前的準備，如2001年1月15日在薩爾瓦多發(fā)生的地震，引發(fā)了大量的泥石流次生災害，使得數(shù)百戶人家和約1200人遇難，再如2010年8月7日發(fā)生的舟曲泥石流自然災害，造成1557人遇難，流經(jīng)區(qū)域被夷為平地，造成此次泥石流的有一部分原因是因“5.12”大地震后松

動了舟曲山體，出現(xiàn)了裂縫，變得極易垮塌，為泥石流的發(fā)生提供了潛在物質(zhì)條件，加之不斷的強降雨，形成了災難性的泥石流。

2.3 水源條件

水既是泥石流的構(gòu)成成分，又是其引發(fā)條件和搬運固體物質(zhì)的介質(zhì)，泥石流災害一般發(fā)生在一次強降雨或持續(xù)降雨的之后，水的存在能夠降低河谷周圍巖體的抗剪強度，而且還增加了巖體的重度，一般來說，某地區(qū)雖已具備陡峭的地形地貌和松散固體物質(zhì)來源，但若沒有一定的暴雨或長時間的連續(xù)降雨，泥石流災害是很難發(fā)生的。

2.4 人為因素

泥石流的形成不僅與自然因素有關(guān)，也人與人為因素有很大關(guān)系，由于人們在修建公路、鐵路、橋梁、隧道和采礦等不合理的開挖以及隨意堆積，破壞了山體固有的自然穩(wěn)定形態(tài)，造成了泥石流，如云南省的東川至昆明公路的老干溝，由于修建公路，破壞了山體的固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，最終引發(fā)了泥石流災害，另有甘川公路的西水附近因不合理的堆集棄土、棄渣和石料等，在1974年7月18日發(fā)生了泥石流災害，使得15座橋涵被淤塞，還有亂砍亂伐和過度放牧對自然不合理的開發(fā)和利用，造成植被和地表結(jié)構(gòu)被破壞，加劇了水土流失，如甘肅省的白龍江河谷，原先植被茂盛、環(huán)境良好，但由于人類長時間的過度砍伐和開墾，如今不僅失去了原有的風貌，而且還變成了我國泥石流的多發(fā)區(qū)域。

3 泥石流的活動特點及危害

泥石流的發(fā)生具有明顯的突然性，在一場強暴雨或持續(xù)降雨中其隨時都可能會被起動，其流速可達30m/s，若我們不及早采取相應的預防預測和防治措施，突然爆發(fā)的泥石流對山腳下的人和建筑物所造成的災難是非常巨大的。泥石流的活動也存在著一定的季節(jié)性和準周期性，我國泥石流多發(fā)生于降雨量較多的夏季，同時地震和暴雨的發(fā)生也常伴隨有泥石流，但一次泥石流發(fā)生過后，由于之前在溝內(nèi)富集的松散固體物質(zhì)被搬運到了山腳處，所以一般不會再發(fā)生較大的泥石流，但由于流水的再次不斷沖刷，該溝又會重新積累新的松散固體物質(zhì)，若再次遇到大量水源，則又會引發(fā)泥石流災害，在這種情況下，人們對泥石流災害的警惕性和預防意識會逐漸降低，若未采取合理的防治措施就搬回入住，是極其危險的。

泥石流的發(fā)生常常是成群的、大面積的，這是由于同一地區(qū)的地形地貌具有很大的相似性決定的，泥石流爆發(fā)時能夠攜帶大量的泥沙、巨大的石塊和泥沙球，具有的能量非常巨大，所到之處常常會夷為平地。泥石流對交通設施的毀壞也很嚴重，可致運輸中斷，線路癱瘓，例如四川省曾發(fā)生的一次泥石流，造成成昆鐵路利子依達溝的一座鐵路沖毀，其時正值夜間，駛來的火車不知前面已經(jīng)發(fā)生了泥石流，造成了很大的人員傷亡。泥石流也常常會淹沒大量的農(nóng)田和礦場。泥石流對山區(qū)的風景名勝區(qū)的危害，主要有九寨溝、華山、四姑娘山和崆峒山等。

4 泥石流的起動機理

泥石流的起動機理的研究是泥石流研究中最為核心的內(nèi)容，泥石流起動機理的研究是一個艱難的過程，但隨著研究的不斷深入，人們建立了許多的理論模型，但由于影響泥石流起動的因素極其復雜，且存在著很大的不確定因素，試驗模型研究與實際情況要做到一致還需要再不斷地完善。

4.1 水石流的形成與起動

水石流的特點是含有的固體物質(zhì)數(shù)量不多，大多由不均勻的是石塊和砂礫構(gòu)成，一般黏土質(zhì)細粒含量小于10%左右，在我國的陜西華山、山西太行山等地分布較多，水石流的運動形式簡單，為推移式運動。

相關(guān)研究表明，一般假定在水石流中完全沒有參與懸移運動的細顆粒，則水、沙和石的混合物的運動圖如圖1所示：

圖1 水石流的起動原理圖

在穩(wěn)流下，驅(qū)動松散物質(zhì)運動的剪應力為

式中：θ為泥石流溝道傾角；h′為粗顆粒進行層移運動時的層移層厚度；h為流深；S′vm為層移層的平均

體積比濃度；Ys為固體容重；γ為清水容重。

層移運動的阻力：

其中tanθ為水石流起動的臨界坡度。

通過上式可知，當S′vm和確定后，tanθ只與h/h′有關(guān)，其中tanα值與顆粒的形狀和濃度有關(guān)，濃度越高，則顆粒間接觸面積越大，其值也就越大，反之亦然。Bagnold通過同心轉(zhuǎn)筒試驗測得的范圍大致在0.32～0.75之間。

對于含有一些細顆粒水石流的起動條件為：

式中：yf為水與細顆粒組成的懸液容重；tanα′為有含有細顆粒的摩擦系數(shù)；其余意義同前。

泥石流的分類方案很多，除過水石流型泥石流以外，還有泥石流型泥石流以及泥流型泥石流，由于它們各自的組成成分，顆粒含量以及流動形態(tài)有所差異，模型的簡化與建立也各異，因而起動條件和方程也各自不同，在這些方面的理論研究仍需進一步深入。

4.2 泥石流的流量

衡量泥石流發(fā)生的大小和強度的一個重要指標就是它的流量，泥石流的流量是由清水流量和固體顆粒流量構(gòu)成，泥石流流動過程中的流量會隨沿途沖淤和地形的變化而變化，在泥石流的流動過程中會不斷的卷入溝谷中散集的固體物質(zhì)，固體物質(zhì)的流量會不斷增大，若到達下游時沒有發(fā)生淤積，此時泥石流的流量可能會增大到清水流量的幾倍之多，這對下游建筑物的破壞是非常巨大的；若下游發(fā)生了淤積，由于固體物質(zhì)的不斷淤積，沿途流量反而會減少，因此流量的研究和控制對泥石流的防治工程至關(guān)重要。

第二，借助本土特點豐富課堂活動。比如泰國的節(jié)日非常多，教師可以在重要的節(jié)日設計課堂活動。像宋干節(jié)（即中國人說的潑水節(jié)），可以讓高年級的學生看視頻，用中文介紹宋干節(jié)，也可以讓學生分成小組用漢語表演跟宋干節(jié)相關(guān)的節(jié)目等。

泥石流的平均流量：QC=QB+QS

式中：Qb為清水流量；QS為固體顆粒流量。

SV為固體體積比濃度；Qb可通過有關(guān)水文手冊查算。

有時候僅知道泥石流的平均流量是遠遠不夠的，因為當泥石流的流量不能繼續(xù)克服流動過程中產(chǎn)生的阻力時，泥石流便會不斷積累下來，此過程稱為陣流，當泥石流積累的一定程度時會突然向下流動，即為最大流量：

式中：Q′c為泥石流的最大流量；Dc為阻塞系數(shù)。

5 泥石流工程防治措施與設計

5.1 泥石流的預測預報

泥石流的預測預報是減災的重要舉措，做到“治病與未亂，治亂與未亂”是很難的，但同時安全和經(jīng)濟效果又是最佳的，判斷法是一種較為簡單的預測方法，在崔鵬等人的研究中，可以看到，將起動條件曲面Sc投影到θ—C平面，如圖2所示，據(jù)此圖可以大致地判斷出一個溝谷能否形成泥石流，如圖所標A、B、C三個區(qū)域，處在A區(qū)域，不滿足泥石流起動的條件；B區(qū)域具備引發(fā)泥石流的條件；C區(qū)域無泥石流的起動問題，對于一些溝谷還需經(jīng)過計算預測，在計算之前首先應調(diào)查溝谷泥石流的有關(guān)地形、地貌和水量的參數(shù)，對其建立數(shù)字化的管理，盡量做好對泥石流災害的預測預報。

圖2 Sc投影到θ-c平面

5.2 泥石流治理的攔擋工程

泥石流的防治首先應明確防治對象屬于哪一類，如對風景區(qū)泥石流防治會不同于一般的泥石流治理，因為風景區(qū)不僅要保障旅游設施和人員生命的安全，同時也應盡可能的地確保景觀的原貌不

變，以及周圍景觀的協(xié)調(diào)一致。

攔擋工程一般的作用是攔蓄山洪，以及泥石流攜帶的粗顆粒固體物質(zhì)，同時具有排泄細沙和水的能力，以減少泥石流對下游的危害。攔擋工程的設立位置和庫容要合理，吳積善等人曾提出一種經(jīng)驗的方法來確定，見表2。

表2 經(jīng)驗折算系數(shù)K的取值范圍

泥石流的攔擋回淤縱坡坡降:Ik=KJ：

式中：Ik為攔擋回淤縱坡坡降；J為溝床原始縱坡坡降。泥石流攔擋工程有許多結(jié)構(gòu)，如攔沙壩、格欄壩等，格欄壩相比傳統(tǒng)的攔沙壩，具有攔排兼?zhèn)涞淖饔?，不僅攔截了大塊石頭，減輕了泥石流對下游的危害，而且還增加了對泥石流攔擋的頻次。格欄壩設計中最重要的就是確定梁間間隙，因為間隙太大，則對大石塊的攔擋作用不佳，而間隙太小，對排疏細顆粒的能力不強，相似于攔沙壩，在有關(guān)研究中有：h=(1.5～2.0)d，此中h為梁間間隙，d為現(xiàn)場進行調(diào)查和統(tǒng)計之后的攔擋石塊的粒徑，一般可取40cm，鄭國足、王秀麗等研究出了一種帶彈簧支撐的新型泥石流攔擋壩，由于彈簧的耗能作用，它與普通的壩相比，其支座反力會明顯減少，約為3/4左右，具有良好的抗沖擊效果，并且試驗過程中發(fā)現(xiàn)前壩被破壞，但后壩卻基本保持完好，能夠正常發(fā)揮對泥石流的攔擋作用，故對攔擋壩結(jié)構(gòu)的研究和設計是減少泥石流災害的一種有效途徑。

5.3 泥石流排導工程

排導工程按照不同的治理類型，有相應的工程措施，如排導槽、防沖肋板、明洞、導流堤、丁壩等，其中排導槽是應用最多的，排導槽一般經(jīng)常設置在下游區(qū)段的堆積段，如武都地區(qū)火燒溝是泥石流災害的常發(fā)區(qū)，通過布置在堆積扇上的排導槽，有效地保護了甘川公路。在排導槽的設計應注意保證其有足夠的過流斷面和縱坡，而且縱坡對其沖刷淤積的影響較為嚴重，鐵路調(diào)查部門表明，一般工程治理效果最佳的縱坡范圍為大于流通段縱坡的80%左右。

5.4 泥石流工程措施的綜合治理

泥石流的治理選擇方案時，往往不是單一地選取一種工程措施，而是與其他措施相互結(jié)合，合理地實施泥石流的治理，對流域面積比較大的泥石流地域，常采取“攔、移、排”相結(jié)合的綜合治理方案，力求達到防治的最佳效果。

6 泥石流防治的生物措施

泥石流防治的生物措施是通過種植一定量的植被，充分發(fā)揮植物的滯留降水、調(diào)節(jié)徑流、保持水土等作用來達到防治或減少泥石流災害，要依據(jù)泥石流災害發(fā)生的溝谷條件，成因和特點等，并結(jié)合當?shù)氐闹脖簧鷳B(tài)和社會經(jīng)濟情況，做出符合實際的治理措施，其應量保持與當?shù)刂車h(huán)境相互協(xié)調(diào)一致。

7 結(jié)束語

目前，我國對泥石流的研究和防治已經(jīng)具備了一定的水平，形成了良好的綜合治理模式，但是由于泥石流作為一種自然現(xiàn)象，存在著許多的不確定因素，大多時候仍是處于半理論半經(jīng)驗的設計階段，這必然導致了對泥石流的防治上會存在許多的不足和疏漏，不同區(qū)域的泥石流形成條件和起動機理差別會很大，不同的防治對象應采取不同的防治措施，在泥石流的防治中應做到預測預報為先，工程防治措施與生物防治措施相互結(jié)合、協(xié)調(diào)統(tǒng)一地實施，做好泥石流的防災減災工作，為人類的生命財產(chǎn)安全等做好保障。

[1]中國科學院蘭州冰川動土研究所，甘肅省交通科學研究所.甘肅泥石流[M].北京：人民交通出版社,1982.

[2]吳積善，康志成等.云南蔣家溝泥石流觀測研究[M].北京：科學出版社,1990.

[3]錢寧，王兆印.泥石流運動機理的初步探討[J].地理學報,1984.

[4]費祥俊，舒安平著.泥石流運動機理與災害防治[M].北京：清華大學出版社,2004.

[5]崔鵬.我國泥石流防治進展[J].中國水土保持科學,2009.

[6]崔鵬，柳素清，唐邦興等著.風景區(qū)泥石流研究與防治[M].北京：科學出版社,2005.

[7]鄭國足，王秀麗，張守麗.帶彈簧支撐的新型泥石流攔擋壩抗沖擊性能研究[J].防災減災工程學報,2014.

[8]Bagnold R A.Experiments on a gravity-free dispersion of large solid sphere in a Newtonian fluid under shear.Proc R Soc.London,Ser A.1954

[9]吳積善，田連權(quán)，康志成,等.泥石流及綜合治理.北京：科學出版社[M].1993.

P694