韓兵兵，彭啟園，侯云龍，萬寶峰

（1.甘肅工程地質研究院，蘭州 730030；2.蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000）

泥石流是地質災害中危害嚴重、分布廣泛的山地災害之一，具有突發(fā)性、隱蔽性、復雜性和短暫性的特點。近年來，隨著極端氣候的影響和各類工程建設進程的加快，泥石流災害的發(fā)生頻率增高，危害加大。20 世紀80 年代以來，我國一些山區(qū)泥石流災情嚴重，在1981 年僅四川、陜西和遼寧等省的40余縣, 共發(fā)生泥石流災害達3 000余處，造成直接經濟損失5 億元以上，死亡千余人。1981—1989 年四川省泥石流、滑坡災害造成的直接經濟損失達27.5億元，死亡2 600人。20世紀80 年代以來，國外泥石流災害也很嚴重。如1985 年哥倫比亞境內的火山泥石流，淤埋了阿梅羅鎮(zhèn)，亡24 740 人，傷5 485 人，毀房6 580 間，受災17萬人，成為全世界最嚴重的泥石流災難[1]。

我國泥石流防治研究始于20世紀50年代，起步較晚。經過70 年的發(fā)展，我國泥石流研究具有較高的水平[2]，已經針對不同危害對象的特點建立了相應的適合欠發(fā)達地區(qū)特點的泥石流綜合防治模式和配套技術。但泥石流研究歷史較短，對其物理性質和基本規(guī)律的認識還有待進一步深入，這就使得泥石流防治還處于半經驗階段，不能滿足國家減災的需求。

本文通過分析近70年來泥石流防治研究成果，總結了泥石流防治體系、泥石流防治工程等理論與實踐技術的發(fā)展，為西北黃土高原區(qū)、隴南山地泥石流災害防治提供借鑒和指導。

1 國內外泥石流治理體系

1.1 國內泥石流治理體系發(fā)展

我國泥石流防治工作始于20世紀50年代，泥石流防治理論與實踐應用都取得了重大突破。高冰等[3]通過人工降雨誘發(fā)泥石流的室內模型試驗，提出了在雨水作用下，砂土中砂顆粒的運動是導致堆積土體內部力學變化的主要因素。陳中學等[4]通過室內模型試驗，初步探討了黏土顆粒含量對泥石流啟動的影響。劉希林等[5]首次提出判定泥石流危險度的定量方法，通過關聯(lián)度分析確定各影響危險度的因子在危險度判定中的權重，給定因子得分求出泥石流危險度。

泥石流防治研究初期，我國泥石流基本機理研究和防治技術一直沒有取得突破性的進展。如在綜合治理的防治技術選擇和搭配中由于目的性不強，隨意性較大，致使工程結構設計針對性不強，盲目性較大。不同流域的泥石流攔擋工程潰決時有發(fā)生，對于防治工程的合理性、適宜性和治理效果的跟蹤調查研究還不夠。

在對不同流域內不同類型泥石流災害治理過程中，逐步形成了符合不同地質條件的泥石流防治模式。到20世紀80年代，泥石流災害治理由單一的巖土工程措施發(fā)展為多元化的防治體系。

陳光曦等[6]提出的六類防治措施，極大地體現(xiàn)了鐵路部門治理泥石流災害的原則：以道路通暢為目標。鐵路部門針對泥石流災害采用以巖土工程措施為主，生物工程措施為輔的治理模式。其中巖土工程措施又采用以攔擋工程為主，排導工程為輔的泥石流災害局部治理措施，治理受泥石流災害直接威脅的區(qū)域，從而盡可能轉移和避免泥石流災害的直接危害，使泥石流不會危及鐵路本身的安全，在治理后的一段時間，不將治理擴展到流域遠離公路的其他區(qū)域，以便進行全面的綜合防治，但道路兩側泥石流上下游區(qū)域受災仍然嚴重。

中國科學院蘭州冰川凍土研究所提出甘肅泥石流防治模型[7]。以治理措施和預防措施相結合為代表，但其主要強調治理措施，包括巖土工程措施和生物工程措施兩類，其中又以攔擋工程、排導工程為主。該模型考慮了西北地區(qū)泥石流治理措施選擇的特點，特別是巖土工程措施的選擇和組合。治理模式的原則是以排水為導向的巖土工程措施來控制泥石流的流動。預防措施中的生物工程措施設計很少。

綜合工程措施[8]是包括生物工程措施和社會行政措施的綜合流域管理模式。該模式以巖土工程治理措施為基礎，以生物工程措施為泥石流災害治理的根本，解決長遠性問題。泥石流主溝以攔擋工程為主，支溝采用生物工程加以控制。社會行政法令措施用于確保巖土工程措施與生物工程措施的實施，間接控制泥石流災害，成為一種泥石流災害治理的軟措施。

唐邦興等[9]提出泥石流的防治是一個系統(tǒng)的新概念，泥石流災害的防治包括兩部分：預防系統(tǒng)和治理系統(tǒng)。治理系統(tǒng)又可以分為生物工程措施、巖土工程措施和社會預防三個子系統(tǒng)，探討子系統(tǒng)各項治理措施之間的相互關系，但該防治體系并未表示出各子系統(tǒng)之間的定量、半定量關系。該防治體系更側重于泥石流災害的預防，重點突出了生物工程措施與社會預防兩個子系統(tǒng)，但防治體系并未表示出各子系統(tǒng)之間的定量、半定量關系。

唐曉春[10]總結了前人對我國數(shù)十個泥石流治理工程的模式要素分析，統(tǒng)計其子系統(tǒng)之間的相互關系，設計出了一種系統(tǒng)的全面防治模式。模式可由使用者權衡治理措施的選擇，挑選適合流域地質條件的工程治理模式。模式的指導思想在于全面的預防措施和治理措施。圖1為唐曉春等提出的全面防治模式。

圖1 全面防治模式[10]Fig.1 Comprehensive prevention mode (by Tang Xiaochun)

姬怡微等[11]人將316國道作為重點地段進行專題研究，分析316國道沿線地質災害的類型、發(fā)育特征、成因，并提出了以監(jiān)測預警和卸荷減載、鋪設柔性防護網(wǎng)、設置抗滑樁等為主的防治對策，為公路沿線地質災害的防治提供技術支撐。

劉波等[12]人針對金沙江烏東德水電站壩區(qū)最大的泥石流溝——白灘泥石流溝，確立了“穩(wěn)坡、攔擋、固床、停淤、排導”的立體綜合防治體系，具有良好的防治效果，對今后水電工程建設中的泥石流治理具有借鑒意義。

袁穎等[13]人以椿芽樹溝泥石流為例，在分析泥石流形成條件的基礎上，提出了“攔擋排”相結合的綜合防治思路，并給出了“谷坊壩+梳齒壩+單邊防護堤+V型排導槽”的具體防治工程，為同類工程提供了借鑒。

1.2 國外泥石流治理體系發(fā)展

國外的泥石流防治體系建立于19 世紀下半葉[14]。18 世紀末或19 世紀初期泥石流災害日趨嚴重[15]。至19 世紀中葉，法國、奧地利等國開始建造泥石流治理工程，頒布法令和設立管理部門，并提出了生物工程與水利工程相結合的綜合治理模式。

隨著對泥石流研究的深化，國外泥石流的基本機理研究與防治體系得到了長足的發(fā)展[16-17]。Cascini 等[18]提出了三種不同的建模方法，證明了可用模型的潛力和局限性以及使用更先進的數(shù)值模型來解決由變形機制導致滑坡轉變成為水流的可能性等相關觀點。

20 世紀40 年代以來，蘇聯(lián)修建了大量的泥石流治理工程，20 世紀六七十年代以來，各國專家在理解粘性泥石流特殊性的基礎上，采用了較為合理的工程結構，取得了良好的治理效果。

Yazawa[20]提出了針對泥石流發(fā)生、流動和沉積區(qū)域的防治模式。位于泥石流源區(qū)的谷坊結構設計用于阻止泥石流的發(fā)生。低落差結構減少和阻止了侵蝕，谷坊結構的配置優(yōu)化，減少泥石流發(fā)生時的峰值流量以及泥石流總流量。泥石流開始之前，泥石流傾向洪流的洪流床基本上是穩(wěn)定的。因此，在泥石流發(fā)生之前，很難判斷這些谷坊控制結構是否有效。圖2 是Yazawa 提出的日本泥石流防治模式。

圖2 日本泥石流防治[20]Fig.2 Debris flow prevention and control in Japan

2 泥石流治理工程

泥石流災害防治工程是一項綜合性工程、系統(tǒng)工程。其涉及的因素較多，防治方法眾多，但歸結起來為巖土工程措施與生物工程措施兩大類。巖土工程措施可以總結為截、攔、蓄、排四類。生物工程措施可以總結為林業(yè)治理、農業(yè)治理兩類。一片區(qū)域內的泥石流災害防治工程，往往都是兩者相結合的綜合防治體系，每一類治理工程都有其獨特作用，都是重要的。圖3 表示了截、攔、蓄、排四類巖土工程措施的代表性示意圖。

圖3 （a）調洪水庫；（b）梳齒壩；（c）停淤場；（d）排導槽Fig.3 (a) Flood regulation reservoir; (b) Comb dam; (c) Siltation stopping site; (d) Drainage groove

2.1 巖土工程措施

2.1.1 截

截留工程，控制物源是治理泥石流災害的一項重要手段。水土大量流失導致流域上游物源豐富，流域內更容易發(fā)生泥石流災害。常見的截留工程有調洪水庫、截水溝、引水渠、谷坊、護坡等，均起到了控制物源的效果。

曾慶利等[21]對比了蔣家溝泥石流的2個主要支溝在溝床縱坡降、溝谷兩側斜坡穩(wěn)定性及泥石流侵蝕速率3個方面的差異，證明谷坊工程能夠有效抬高泥石流侵蝕基準面，降低泥石流溝谷回淤段溝床縱坡及由此帶來的泥石流流速的降低和能量消散，固定溝床、穩(wěn)定岸坡、促進植被生長，最終達到防治的目的。謝濤等[22]提出了一種魚脊型泥石流水石分離結構，確定了該結構的適用范圍。在不同泥石流密度條件下，結構均能保持良好的分離粗顆粒能力。

陳寧生等[23]提出了一種新型坡面泥石流防治系統(tǒng)。通過環(huán)繞坡體布置綜合性實施水土分離技術，有效防治坡面泥石流發(fā)生。系統(tǒng)結構簡單，取材方便，防治效果好。

楊東旭等[24]人提出了強震區(qū)狹陡型泥石流的概念并給出定義，介紹了壩基微型鋼管樁復合地基技術、箱體襯砌式護底消能排導槽結構技術和壩肩入流式導流槽布置方法等幾項極具適應性和有效性的防治新技術，為強震擾動區(qū)泥石流治理研究和工程設計提供了一類新的思路和借鑒。

張猛等[25]人以跌落式和滑落式兩種典型泥石流形態(tài)為主要研究對象，完善、拓展了人工階梯—深潭功能，并將階梯—深潭系統(tǒng)消能功能和顯著生態(tài)景觀效應作為常用工程措施的重要補充加以利用，在廣大的河流溝谷具有比較好的應用前景，為河流溝谷地區(qū)泥石流災害治理在理論與實踐上取得長足發(fā)展。

2.1.2 攔

修建攔擋工程是泥石流災害治理的基本方法之一。通過攔擋工程的攔阻系統(tǒng)、改水系統(tǒng)等一系列系統(tǒng)的聯(lián)合應用，準確控制泥石流對周邊環(huán)境的侵害，幫助山體、邊坡周圍地域有效治理泥石流災害[26]。從機理上講，泥石流攔擋工程是一項攔蓄固體物質和抑制溝床泥石流啟動的結構，將泥石流固體物質阻攔在溝道內是攔擋工程的基本功能。主要的攔擋工程措施包括：梳齒壩、格柵壩、格賓石籠、拱形壩、重力壩等。

楊年華等[27]提出了定向爆破堆石壩治理水土流失的初步探索，為爆破技術應用開辟了新領域。

鋼制格柵壩[28]原作為港灣工程，1995 年由美國引入日本并應用在水土保持防治泥石流工程上，此類透水型格柵壩在構造上穩(wěn)定性好、抗剪性強；在流量控制上易于剔除石塊。張宇等[29]利用土木建筑中的拱結構形式，結合錨桿技術，引入了無鉸拱型攔擋壩的概念。在狹窄河谷中，采用無鉸拱形壩既可以改善壩體的工作環(huán)境，提高其承載能力，又可以減少材料用量，從而降低造價。

王秀麗等[30]人為解決泥石流攔擋壩在大塊石沖擊作用下容易破壞的問題，提出一種由前部鋼架、中間彈簧、后部混凝土壩體組成的彈簧格構泥石流攔擋壩。與普通壩相比，彈簧格構泥石流攔擋壩具有優(yōu)越的抗沖擊性能。

2.1.3 蓄

泥石流蓄留工程，是指在一定時間內，根據(jù)泥石流的運動與堆積原理，通過相應的工程措施將流動的泥石流引入預定的平坦開闊洼地（一般在溝口堆積扇）或鄰近流域內的低洼地或人工圍堰內，促使泥石流固體物質自然減速停流，從而大大削減下泄流體中的固體物質總量及洪峰流量，減少下游排導工程及溝槽內的淤積量。

趙秀杰等[31]總結了停淤場在泥石流治理工程中的應用，就泥石流的成因及停淤場在泥石流治理工程中的應用策略進行了匯總分析。實踐表明：采用停淤工程是治理泥石流的一種有效方法。尤其是對那些固體物質較多、固體物質顆粒較大、單純的攔擋工程不足以攔截一定頻率或者一個期限內的固體物質，又不完全具備基本排導條件（比如溝口為主河，和泥石流出山口高差較小，容易發(fā)生堵江堵河，危害上游城鎮(zhèn)安全）的泥石流，采取停淤工程進行治理，消除災害隱患。因此泥石流蓄留工程還擔負著攔擋工程和排導工程所不及的功能，是治理泥石流災害必不可少的手段之一。

2.1.4 排

排導工程，攔擋工程不能完全將上游來的泥石流物質攔阻時，排導工程措施主要起定向或集中排泄泥石流、保護溝床底部免遭下切以及調整泥石流的流向和對泥石流進行消能等作用。目前對排導槽的研究主要集中在理論探討和工程應用兩個方面，但對實際運行效果缺乏系統(tǒng)的調查和研究。周文兵[32]等人總結分析了白龍江中游地區(qū)泥石流排導槽的運行現(xiàn)狀及存在問題，并提出了攔排結合、攔擋工程的修復和排導槽適應性分析三種工程防治建議，為后續(xù)泥石流防治工程提出了排導槽選取等問題的建設性意見。具體的排導工程主要有排導槽、渡槽、丁壩、導流堤[33]等。

排導槽在排導工程中使用最多，最廣泛，是一種槽形線性過流構筑物，它將泥石流約束在設定排導槽內，以免泥石流亂流，并將其輸送到指定的區(qū)域，同時還可以提高泥石流流速，從而提高輸沙能力和輸沙粒徑，進而有效地保護排導槽兩側的各類建筑物和構筑物。

陳曉清等[34]發(fā)明了一種組裝式泥石流排導槽及其施工方法。與現(xiàn)有技術相比，此發(fā)明充分利用長方箱體的快速組裝特點，既能縮短施工周期,又能減小對攔砂壩現(xiàn)場周邊環(huán)境的影響；利用長方箱體可直接裝填溝內現(xiàn)存土體，從而解決施工材料大量運輸?shù)膯栴}。

鐘衛(wèi)等[35]發(fā)明了一種桁架式消能肋檻泥石流排導槽，相比傳統(tǒng)排導槽節(jié)省造價10%以上，有利于工程長期運行的管理維護；與橫向貫穿型肋檻相比，防沖刷效果更好、工程更耐用，且能夠適應流域爆發(fā)從黏性泥石流到山區(qū)洪水大范圍變化的排導需求，還可以保持溝道內水生生物的上下聯(lián)系，有利于溝道生態(tài)修復。

2.2 生物工程措施

泥石流災害防治的生物工程措施是基于加強水土保持原則的一種預防措施，適用于具有災害隱患的泥石流溝道。選擇適當?shù)纳镏卫泶胧┛梢云鸬娇刂莆镌?，穩(wěn)溝固坡的效果。生物工程措施的選擇需要因地制宜，不同流域具有不同的地質條件，應選擇適宜的喬、灌、草等不同的植被[36]。生物工程措施主要有林業(yè)治理措施和農業(yè)治理措施，主要作用是攔蓄徑流、延緩匯流過程、削減洪峰流量、減緩坡面侵蝕等。

2.2.1 林業(yè)治理措施

植樹造林能夠有效地降低潛在泥石流溝的危險性。它能夠減小徑流量，延長匯流時間并減少坡面侵蝕，達到穩(wěn)溝固坡的效果。據(jù)蔣家溝全流域現(xiàn)代植被對比分析和觀測研究[37]，坡面片流泥沙流失量70%來自裸露地，20%來自耕地，僅10%來自草地、灌叢地和林地。植被固定土壤，主要通過其根系和枯枝落葉層起作用，地下草根密集層在20 cm 左右，最大深度不超過2 m；樹根密集層在1 m 左右，最大根深不超過10 m；灌叢根系介于二者之間。樹根、灌木根和草根形成地下多層網(wǎng)絡結構，對表層土的抗蝕、抗拉強度起增強作用，能減少或抑制淺層崩塌、滑坡的形成，從而減緩坡面侵蝕?？傊?，植被主要通過截留雨滴，減少濺蝕，枯枝落葉層保護地表免受片蝕，減緩地表徑流，根系固持土壤和有機質改善土壤理化性質等功能，從而減少形成泥石流的土體物質補給量[38]。

王雅飛等[39]通過日本林業(yè)治理技術在我國的應用，總結了地震后治理泥石流災害地不同部位的有效治理措施，為大面積進行山體林業(yè)治理和植被恢復提供了技術參考。治理措施包括土袋階梯式工程、土袋渠系工程、鐵絲籠擋土墻工程、木（竹）柵欄工程、漿砌堡坎工程、石頭階梯式工程、切坡工程、草席覆蓋工程等工程措施及配套的植樹、種草、播種等防護林植被恢復建設。

2.2.2 農業(yè)治理措施

松散固體物質是形成泥石流的必備條件之一。農業(yè)工程措施可以很好地對泥石流的突發(fā)進行抑制。而泥石流的農業(yè)工程措施相比于林業(yè)工程措施能夠更快地抑制泥石流災害的發(fā)生。

譚哲強等[40]總結的土壤治理措施有：

（1）在斜坡上——修筑梯田和水平臺地；采取措施加固土質松散的斜坡；修排水溝以宣泄洪水、改變土壤含水量，防止泥石流的形成。我國作為農業(yè)大國，修建梯田是我國傳統(tǒng)的水土保持的工程措施之一，梯田可以減少坡面的水土流失，與林業(yè)治理措施類似，能夠有效地緩解泥石流的發(fā)生。

（2）在沖積錐上——修建谷坊或沖積物收集池，也可以修建定向的具有導流作用的攔河壩，以保證泥石流內的固體物質能夠沉積下來，或導入附近的經過截彎取直的溝中排出，最大程度地保護地物。

（3）在河床上——主要是修建谷坊等減小河床比降的水工建筑物；修建阻擋滯洪沖積物的建筑物；截直、疏通河床，以及采取措施提高河床的抗沖能力等。

上述農業(yè)改良措施，雖然不能保證完全消除和防止泥石流，但可以減緩泥石流的形成，降低泥石流帶來的危害。

3 結論

（1）我國巖土工程措施發(fā)展迅速，對于各種工程措施的性能、性價比方面做出了許多優(yōu)化。但近年來黃土高原地區(qū)泥石流災害治理模式仍沿用舊時的防治體系，在截、攔、蓄、排四種工程措施上加以排列組合，形成以巖土工程措施為主，生物工程措施為輔的治理模式。攔擋壩是固溝穩(wěn)坡的有效措施。它最突出的功能就是能穩(wěn)定滑坡、崩塌等堆積體，使其不再參與泥石流活動，但攔擋壩對原有溝床形態(tài)改變很大，會引起壩下游溝床的強烈調整，形成強烈的壩下沖刷和溝床侵蝕作用。

（2）我國對生物工程措施發(fā)展的日益重視，對比大量泥石流治理工程，生物工程對預防泥石流的發(fā)生和改善生態(tài)環(huán)境具有十分重要的作用。但對已經發(fā)生的泥石流溝谷，采取單一的生物措施很難達到預期的治理目的。

（3）中國黃土高原地區(qū)植被稀疏，土壤侵蝕嚴重，泥石流的發(fā)生與土壤侵蝕直接相關。應將黃土高原地區(qū)泥石流治理的重點放在加強生物措施和預防措施的根本原因上。

（4）隴南山地地區(qū)多溝谷，山坡坡度大于30°，山坡崩塌、滑坡十分發(fā)育的泥石流溝，溝內修建梯田、植樹造林的面積有限，其對降水匯流的影響也不明顯。因此，對于以重力侵蝕為主的泥石流溝，應以巖土工程措施為主。