高相波 李麗慧

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室，北京 100029，中國)(②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029，中國)(③中國科學(xué)院大學(xué)，地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049，中國)

0 引 言

泥石流是山區(qū)小流域常見的突發(fā)性自然災(zāi)害現(xiàn)象。大量塊石泥沙伴隨著暴雨裹挾沖出溝谷，淹沒農(nóng)田，沖毀村鎮(zhèn)及道橋建筑等，極具破壞性，嚴(yán)重危害著居民人身安全和山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。隨著我國脫貧攻堅任務(wù)和西部開發(fā)進程的逐步推進，保障人類生命財產(chǎn)安全和工程設(shè)施正常運維的需求與對山區(qū)小流域自然災(zāi)害防治防控能力之間的矛盾日益突出。如何有效防治山區(qū)泥石流災(zāi)害，降低致災(zāi)風(fēng)險，是研究人員重點關(guān)注的科學(xué)問題。

目前泥石流災(zāi)害防治工程以巖土防治措施為主，生態(tài)工程措施為輔。常見的泥石流巖土防治措施包括：在泥石流溝道中利用攔擋工程攔截阻滯固體物源或利用排導(dǎo)工程將物源導(dǎo)流至指定位置，攔擋工程如攔砂壩(張慶豐，2018)，梳齒壩(趙健，2007)，谷坊壩(曾慶利等，2005)，樁板墻(吳紅剛等，2017)以及柔性較大、排水效果良好的格賓石籠(張亞飛等，2013)等，排導(dǎo)工程如導(dǎo)流堤、急流槽等(李德基，1997)；在泥石流堆積扇位置利用停淤工程將松散物源攔滯停積(崔鵬，2009)；還有針對橋梁、隧道、路基及其他工程設(shè)施設(shè)置穿越工程或防護工程進行規(guī)避、防護，以抵御或消除泥石流對工程結(jié)構(gòu)的沖擊破壞、淤埋侵蝕等(趙健，2007；Wang et al.，2018)。

在實際工程中常常利用多種防護手段組成泥石流綜合防治工程措施。如結(jié)合攔砂壩、排導(dǎo)槽和配套的過槽橋等一系列防護工程，設(shè)置為攔擋導(dǎo)流壩(徐飛飛等，2018)；設(shè)置格賓壩-樁板墻組合結(jié)構(gòu)，在樁板墻迎水面一側(cè)設(shè)置格賓壩，減弱泥石流對樁板墻的沖擊作用，也保證泥石流流體物質(zhì)的及時排出(李慈航等，2017)。以及將傳統(tǒng)直線型重力攔擋壩改造為翼墻型攔擋壩(李斌等，2017)；將傳統(tǒng)懸臂式樁板墻改造為衡重式樁板墻(劉國楠等，2013)等。

許多研究人員還從理論計算(陳洪凱等，2006；孫昊等，2018)、模型試驗(黃遠紅等，2018；王東坡等，2019；王友彪等，2019)和數(shù)值模擬(王秀麗等，2015；馮帥等，2017)等方向針對泥石流的災(zāi)害效應(yīng)和不同工程措施防災(zāi)減災(zāi)效益進行了研究。顯然，巖土工程措施在山區(qū)小流域泥石流災(zāi)害防治中的治理經(jīng)驗十分豐富，理論研究工作較為充分，取得了良好的實際運用效果。

生態(tài)工程措施對泥石流災(zāi)害的防治研究也起步較早(陳循謙，1985；杜榕桓等，1995)。常見的泥石流生態(tài)防治措施主要是在泥石流溝域范圍進行封山育林、植樹造林、退耕還林等，擴大流域內(nèi)植被覆蓋率，因地制宜建立工程防護林、經(jīng)濟林等林區(qū)林帶(唐曉春等，2000；崔鵬等，2005；羅清虎等，2018)。在突降暴雨或持續(xù)性降雨條件下，生態(tài)工程能夠攔截降雨，阻滯降雨形成的地表徑流，降低其對坡面的侵蝕程度，控制泥石流的發(fā)育規(guī)模，減少泥石流暴發(fā)頻率(付江濤等，2014)；同時，植物根系對邊坡土體也具有一定的錨固效應(yīng)，增強土體抗剪強度，提高邊坡穩(wěn)定性(言志信等，2010；Rajesh et al.，2011)。對生態(tài)工程措施的防災(zāi)減災(zāi)機理研究已從水文效應(yīng)和根土作用力學(xué)效應(yīng)兩方面取得了一定的認(rèn)識，但對具體防治措施的減災(zāi)效益評價等研究目前較少涉及。

在泥石流防治工程實際應(yīng)用過程中，巖土工程措施很少考慮對生態(tài)環(huán)境的影響，且由于巖土體的時空變異性，時常出現(xiàn)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化不夠，泄洪能力或抗沖擊能力不夠，造成防護措施失效等情況(王根龍等，2011)，從長遠來看限制了防災(zāi)減災(zāi)效益的持續(xù)發(fā)揮。而生態(tài)工程措施雖在發(fā)揮災(zāi)害防治效益的同時，能夠顧及到改善自然環(huán)境，保護生態(tài)平衡，但植物本身的生長周期決定了生態(tài)工程見效慢，且植被的脆弱程度也限制了生態(tài)工程的全天候無差別發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)效益。因此，有必要研究生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同減災(zāi)效應(yīng)(Cui et al.，2013)，設(shè)計山區(qū)小流域泥石流協(xié)同減災(zāi)方案，既要實現(xiàn)迅速有效地防控泥石流災(zāi)害的目的，又能在保護生態(tài)環(huán)境的前提下達到持續(xù)發(fā)揮防治效益的要求。

本文以熱水河流域的老洼溝和分叉溝兩處典型泥石流溝道為研究對象，通過野外工程地質(zhì)勘查和數(shù)值模擬分析的方法，揭示泥石流災(zāi)害的成因機制，評價不同泥石流災(zāi)害防治工程的減災(zāi)效益，最后針對兩處典型泥石流溝道提出生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同作用的防治減災(zāi)方案設(shè)計。

1 泥石流成因機制分析

1.1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)位于四川省涼山彝族自治州喜德縣安寧河流域熱水河小流域，針對泥石流災(zāi)害風(fēng)險較大的老洼溝和分叉溝，調(diào)查研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境，分析泥石流形成發(fā)育條件，揭示泥石流災(zāi)害成因機制。

1.1.1 地形地貌

老洼溝地形總體上屬于中低山地貌，溝域形態(tài)較為狹長，如圖1衛(wèi)星影像圖所示。主溝近SN向展布，長度5.28ikm，溝域面積6.1ikm2。溝域海拔最高點位于泥石流溝道北側(cè)，高程為3057im；海拔最低點位于泥石流溝口，高程為1923im，相對高差達1134im，縱坡降為21.5%。老洼溝泥石流形成區(qū)高程在2500im以上，地形較為陡峻。流通區(qū)位于溝域中下部。該區(qū)溝谷岸坡地形較緩，溝床寬緩平坦呈“U”型。植被稀疏，多為淺草或灌木叢覆蓋，在修路、采礦等工程活動的影響下，坡面侵蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)較為松散如圖2所示。在暴雨或持續(xù)降雨條件下，溝道岸坡易產(chǎn)生崩滑等災(zāi)害，隨后作為松散固體物源進入溝道參與泥石流活動。堆積區(qū)溝床開闊平坦，主要為泥石流塊碎石堆積。由于老洼溝中下游溝道縱坡降較緩，在一般的水動力條件下溝床松散堆積物源難以主動啟動，但如果遭遇大暴雨或持續(xù)降雨，水動力條件增強，大量溝床松散堆積物源將被揭底、掏蝕、裹挾形成大規(guī)模泥石流。

圖1 老洼溝和分叉溝衛(wèi)星影像圖

圖2 老洼溝泥石流流通區(qū)

分叉溝地形陡峻，溝域形態(tài)整體呈扇形，發(fā)育有3條支溝，溝谷形態(tài)呈“V”型，如圖1衛(wèi)星影像圖所示。主溝NW-SE向展布，溝長1.55ikm，溝域面積1.13ikm2。溝域最高點位于東側(cè)支溝溝頭，高程2213im；最低點位于溝口前緣，高程1827im，相對高差386im，縱坡降為24.9%。分叉溝泥石流形成區(qū)地形陡峻，植被稀疏，坡面侵蝕嚴(yán)重，邊坡坡度達50°至65°，基巖全風(fēng)化至強風(fēng)化，淺表覆蓋大量松散堆積物。其中西側(cè)支溝滑坡可見明顯的滑坡陡坎，目前仍在發(fā)育，滑動方向120°，穩(wěn)定性極差，如圖3所示。流通區(qū)溝谷岸坡地形較陡，兩岸邊坡地形坡度達到40°，淺表松散堆積物豐富。由于溝頭形成區(qū)滑坡穩(wěn)定性較差，當(dāng)滑坡坡腳物質(zhì)被掏蝕，滑坡前緣產(chǎn)生變形，滑坡穩(wěn)定性持續(xù)降低，可能引發(fā)大規(guī)模變形失穩(wěn)，沿途侵蝕刮鏟流通區(qū)松散堆積物進入溝道，補給泥石流。堆積區(qū)開闊平坦，縱坡降較小，3條支溝交匯于主溝。

圖3 分叉溝西支溝滑坡

1.1.2 地層巖性

沉積地層是研究區(qū)內(nèi)主體地層，分布面積最廣，出露有元古界前震旦系、古生界震旦系、中生界三疊系、侏羅系、白堊系和新生界第四系地層，缺失寒武系、志留系、泥盆系地層。前震旦系地層巖性主要為千枚巖、大理巖、雜砂巖等；震旦系地層巖性為白云巖和石英砂巖等；中生界三疊系、侏羅系、白堊系地層巖性出露包括泥巖、粉砂巖、石英砂巖及鈣質(zhì)砂巖等；第四系地層巖性以褐黃色、暗紫色黏質(zhì)粉土、黏土與砂卵礫石層為主。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)屬川滇南北構(gòu)造帶北段，分屬于瀘定—米易臺拱、江舟—米市斷陷兩個Ⅲ級構(gòu)造單元區(qū)域，受安寧河斷裂帶和東部普雄河斷裂帶的影響，歷史上長期以東西向擠壓應(yīng)力為主。主要地質(zhì)構(gòu)造線方向近南北向，自北西向南東構(gòu)造變形減弱。其中安寧河斷裂是區(qū)內(nèi)形成時代最早的一條南北向大斷裂，發(fā)生于晉寧期，定型于喜山期早期。由多條現(xiàn)今仍在強烈活動的平行斷裂組成，斷面東傾，傾角60°～80°。該斷裂具有南北延長遠、破碎帶寬、垂向切割深的特點，在新構(gòu)造時期活動較強烈。

1.1.4 降雨和水文條件

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，全年分干濕季，多年平均降雨量1013.5imm。每年5月至10月，隨著季風(fēng)的進入，雨量劇增，降雨量占全年總降雨量的88.4%，暴雨主要集中在6月至7月間。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的水理性質(zhì)、水力特征及賦存條件可大致劃分為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩大類。松散堆積層孔隙水分布于河谷平原和山間盆地，但總體上分布面積小，其富水性也較差。基巖裂隙水賦存于淺部基巖裂隙中，區(qū)內(nèi)強風(fēng)化基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，裂面貫通性好，透水性好，裂隙水不易富集；中風(fēng)化以下巖體完整性好，不易透水，因而成為基巖裂隙水主要的賦存空間。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)達，水資源豐富，流量隨季節(jié)而變化。河流沖刷侵蝕及洪水、地下水體活動等對地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)育具有較大影響。每年汛期降雨量增大，地表徑流增多，對邊坡的沖刷和河流的侵蝕作用增強，如圖4所示；地下水位的升高，也會降低土體穩(wěn)定性，造成邊坡失穩(wěn)，發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

圖4 地表徑流侵蝕邊坡

老洼溝和分叉溝溝域近似呈扇形，溝域面積較大，溝谷形成區(qū)地形坡度陡峻，有利于大氣降水和地表徑流的匯集。從溝道邊坡、岸坡及溝床內(nèi)的松散堆積物等來看，溝道內(nèi)物源非常豐富，為泥石流的形成發(fā)育提供了充足的物源條件。而充沛的大氣降水及其形成的坡面徑流等則為泥石流的形成發(fā)育提供了水源和水動力條件。這些基本條件共同導(dǎo)致了泥石流災(zāi)害的發(fā)生。

1.2 泥石流成因機制

通過上述區(qū)域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和泥石流形成發(fā)育條件分析，老洼溝和分叉溝泥石流的成因機制主要是在突降暴雨或持續(xù)降雨條件下，大量地表徑流匯集于溝道，泥石流形成區(qū)的邊坡淺表物質(zhì)及崩滑物質(zhì)等各類松散固體物源在地表徑流作用下夾帶坡面侵蝕松散堆積物運移至溝谷中。運移過程中物源本身具有的勢能向動能轉(zhuǎn)化，形成速度極快、破壞力極強的泥石流龍頭，沖擊、掏蝕、揭底中下游流通區(qū)和堆積區(qū)溝谷岸坡坡腳以及溝道河床，岸坡崩滑松散物源和河床松散堆積物又被裹挾加入泥石流中。此時含有較多固體物源的泥石流具有強大的下蝕作用和充足的水動力條件，在向下游運移的過程中，通過揭底、沖蝕、卷動等作用將溝床原有的松散堆積物也帶入泥石流，這種滾雪球的方式導(dǎo)致溝道中泥石流物源含量迅速并持續(xù)增多，從而暴發(fā)泥石流災(zāi)害。

2 泥石流防治措施的減災(zāi)效益評價

為了探討不同泥石流防治工程的減災(zāi)功能，設(shè)計適用于山區(qū)小流域泥石流災(zāi)害的協(xié)同防治方案，本文通過數(shù)值模擬方法分別對巖土防治措施與生態(tài)-巖土協(xié)同防治措施的減災(zāi)效益進行分析評價，為建立生態(tài)工程措施與巖土工程措施協(xié)同作用的泥石流防災(zāi)減災(zāi)模式提供參考。

考慮到泥石流的運動學(xué)特征和動力學(xué)特征，基于有限元法和有限差分法等連續(xù)介質(zhì)方法的數(shù)值模擬軟件無法滿足對泥石流防災(zāi)減災(zāi)效益的模擬分析，而離散元法則十分擅長動態(tài)問題的求解。因此，本文采用基于矩陣離散元法計算原理的數(shù)值模擬軟件MatDEM(劉春等，2019)進行泥石流災(zāi)害防治措施減災(zāi)效益的模擬分析。

2.1 矩陣離散元建模

矩陣離散元法通過將生成的具有一定物理力學(xué)性質(zhì)的顆粒單元進行重力堆積，建立初始地層模型。然后通過切割初始地層模型或在二次開發(fā)平臺中自定義函數(shù)來構(gòu)建具有特定幾何形態(tài)的塊石結(jié)構(gòu)體、樹木結(jié)構(gòu)體和攔擋壩結(jié)構(gòu)體模型。將生成的結(jié)構(gòu)體模型導(dǎo)入數(shù)值模擬平臺中構(gòu)建數(shù)值模型，如圖5a所示的巖土防治措施和圖5b所示的生態(tài)-巖土協(xié)同措施兩種泥石流防治工程數(shù)值模型。其中：巖土防治措施的模型中包括溝道結(jié)構(gòu)體，塊石結(jié)構(gòu)體，攔擋壩結(jié)構(gòu)體；生態(tài)-巖土協(xié)同措施的模型是在巖土措施的基礎(chǔ)上添加了樹木結(jié)構(gòu)體。

圖5 泥石流防治工程數(shù)值模型

考慮到離散元軟件單元數(shù)目和計算效率的限制，構(gòu)建大比例尺高精度泥石流溝道模型不夠經(jīng)濟，且可能丟失小尺度模型，如防治工程模型等的細(xì)節(jié)特征等。因此，建模過程中結(jié)合泥石流溝道特征和實際防護工程對數(shù)值模型進行簡化。在數(shù)值模型中設(shè)置溝道模型長6im，寬4im，坡度為30°，塊石模型尺寸按照平均粒徑設(shè)置為0.5im，攔擋壩模型采用墻體模型，高2im，寬4im。溝道中的生態(tài)防護工程主要是發(fā)揮樹干攔截物源塊石的減災(zāi)效用，因此樹木模型簡化為圓柱樹樁模型。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的植被發(fā)育情況，樹木模型的樹徑設(shè)置為0.4im，并在塊石模型的運動范圍按照間距1im×1im進行排列。

在矩陣離散元軟件MatDEM中，計算模型采用線彈性模型，通過顆粒間虛擬的法向彈簧和切向彈簧來表征顆粒間的相互作用，利用軟件內(nèi)置的宏微觀力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換公式自動訓(xùn)練獲取模型材料物理力學(xué)參數(shù)(Liu et al.，2013，2017)，參數(shù)取值具體見表1，塊石模型參數(shù)參考灰?guī)r物理力學(xué)性質(zhì)，攔擋壩模型按當(dāng)?shù)啬嗍鞣乐喂こ淘O(shè)計C30混凝土取值，樹木模型則采用研究區(qū)主要林木類型樺樹力學(xué)參數(shù)取值。然后進行時間步迭代計算求解，根據(jù)模擬結(jié)果分析評價不同防治工程措施的減災(zāi)效益。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

為了更形象地說明泥石流固體物源塊石與不同防治工程措施之間的作用過程，定量表達各自的防災(zāi)減災(zāi)功效，本文將對塊石模型與攔擋壩模型和樹木-攔擋壩組合模型作用過程中的能量轉(zhuǎn)化過程進行分析，通過直觀的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化與守恒間接評價不同防治工程措施的攔擋消能效益。

2.2 巖土防治措施減災(zāi)效益評價

如圖6為泥石流塊石模型與攔擋壩模型相互作用過程的能量轉(zhuǎn)化曲線，可以看出，0～2.4is是塊石模型從溝道上游運移至下游的過程，2.4～4is是塊石模型在攔擋壩處發(fā)生碰撞并最終停積的過程。結(jié)合圖7熱能變化曲線可知，塊石最初的重力勢能在4is之內(nèi)轉(zhuǎn)化為近5300 J的摩擦熱和阻尼熱，以及一部分塊石與攔擋結(jié)構(gòu)的彈性勢能和動能。

圖6 巖土措施防護過程能量轉(zhuǎn)化曲線

其中：在0～2.4is之間，塊石模型的重力勢能在運移過程中先是轉(zhuǎn)化為近3300 J的系統(tǒng)熱能和1800 J的塊石動能。2.4is時能量出現(xiàn)突變：系統(tǒng)熱能突增至4000 J，塊石動能突降至1000 J，同時塊石與攔擋結(jié)構(gòu)的彈性勢能也有少量增加，這一時刻是塊石模型碰撞到攔擋壩模型產(chǎn)生的能量變化響應(yīng)。2.4is之后，是塊石模型與攔擋壩模型的碰撞、反彈，最終停積的過程。塊石模型的重力勢能、運動過程中產(chǎn)生的動能和彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)熱能耗散。

從能量轉(zhuǎn)化時空分布來看，系統(tǒng)能量最終轉(zhuǎn)化為熱能5300 J。其中：在攔擋結(jié)構(gòu)對塊石模型進行攔截之前，塊石在溝道運移過程中轉(zhuǎn)化的摩擦熱達3300 J，占總能量之比為62.3%。其余2000 J的能量則在塊石模型與攔擋壩結(jié)構(gòu)的相互作用過程中轉(zhuǎn)化為熱能。表明泥石流固體物源塊石在溝道運移過程損耗能量62.3%，泥石流攔擋壩消耗了其余37.7%的能量。

由此可見，在塊石被攔擋壩攔截之前，重力勢能除轉(zhuǎn)化了一部分塊石動能外，大部分能量在塊石運移過程中已經(jīng)轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，最終塊石停積在攔擋結(jié)構(gòu)處，避免了固體物源對下游溝道的沖擊、掏蝕和淤埋。

2.3 生態(tài)-巖土協(xié)同措施減災(zāi)效益評價

同樣對生態(tài)-巖土工程模型能量轉(zhuǎn)化過程進行分析。如圖8能量轉(zhuǎn)化曲線所示，0～1.5is之間是塊石模型與樹木模型碰撞的過程，塊石攜帶的大部分能量在這一階段已經(jīng)消耗掉，結(jié)合圖9熱能變化曲線可知，塊石的重力勢能主要轉(zhuǎn)化為摩擦熱。1.5～5is是塊石模型離開生態(tài)工程區(qū)域、與下游攔擋壩模型相互作用的過程。

圖8 生態(tài)-巖土措施防護過程能量轉(zhuǎn)化曲線

圖9 生態(tài)-巖土措施防護過程熱能變化曲線

塊石模型在溝道運移過程中，率先受到上游樹木模型的阻滯與攔擋，其攜帶的重力勢能有3500iJ在0～1.5is之間迅速轉(zhuǎn)化成近3100iJ的系統(tǒng)熱能，以及400iJ的動能和彈性勢能。且能量轉(zhuǎn)化曲線顯示，這個過程中塊石的動能變化劇烈，一度達到1500 J以上，但在與樹木模型相互碰撞、摩擦的過程中，塊石動能和彈性勢能迅速減少，相繼轉(zhuǎn)化為摩擦熱。隨后，在1.5～5is的過程中，能量曲線趨于平穩(wěn)，塊石模型運移至攔擋壩模型處碰撞、反彈，最終停積下來，系統(tǒng)能量最終全部轉(zhuǎn)化為近5000 J的熱能。

從能量消減貢獻來看，物源塊石模型共攜帶5000iJ左右的能量，在溝道運移過程中與樹木模型相互作用共消耗3500iJ，占總能量之比達到70%；在下半段溝道運移過程與攔擋壩模型作用過程中消耗能量1500iJ，占總能量之比為30%。顯然，與上文巖土措施防護下的能量消減占比相比，有生態(tài)工程措施的情況中，物源塊石攜帶的能量能夠更快地、更多地轉(zhuǎn)化為摩擦熱消減掉。

這一結(jié)果表明，生態(tài)防護措施能夠?qū)δ嗍魑镌催M行有效阻滯和攔擋，物源塊石在與生態(tài)防護措施作用過程中消耗了大部分能量，極大地減輕了巖土工程措施的防災(zāi)減災(zāi)負(fù)擔(dān)，有助于巖土工程措施更有效、更持久地發(fā)揮減災(zāi)效益，將泥石流物源攔截在防護工程位置。

對比兩種不同泥石流防治措施的能量轉(zhuǎn)化過程和熱能變化曲線，巖土工程措施下的物源能量轉(zhuǎn)化曲線在與下游攔擋壩相互作用時才出現(xiàn)顯著波動(圖6)；而生態(tài)-巖土協(xié)同措施下的能量轉(zhuǎn)化過程集中是在物源與上游生態(tài)工程相互作用階段，后期運移至攔擋壩位置的能量波動已經(jīng)趨于平穩(wěn)(圖8)。另一方面，巖土工程防治措施下的熱能變化曲線為下凸型(圖7)，表明泥石流物源在初期與溝道摩擦、碰撞等過程中能量消減較慢，后期在攔擋結(jié)構(gòu)的攔截下，物源能量迅速消減；而生態(tài)-巖土工程防治措施下的熱能變化曲線為上凸型(圖9)，表明泥石流物源在上游生態(tài)工程措施的作用下，能量消減速率較快，物源攜帶的大部分能量被消耗掉。這一結(jié)果也證明了生態(tài)-巖土工程協(xié)同措施對泥石流災(zāi)害防治的有效性，且較巖土工程減災(zāi)措施具有一定的優(yōu)勢。

3 泥石流協(xié)同防治方案設(shè)計

根據(jù)上文對不同防治工程模型減災(zāi)效益的數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合山區(qū)小流域?qū)ι鷳B(tài)環(huán)保的要求，可以在泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計中設(shè)置溝道生態(tài)工程措施對固體物源進行阻滯，消耗泥石流物源的大部分能量，再設(shè)置巖土工程措施對泥石流物源完成攔截。

下面分別對熱水河流域的老洼溝和分叉溝兩處典型泥石流溝道進行生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同減災(zāi)方案設(shè)計(圖10，圖11)。

圖10 老洼溝協(xié)同防治方案設(shè)計

圖11 分叉溝協(xié)同防治方案設(shè)計

老洼溝主溝較長，溝域面積較大，溝道上游形成區(qū)存在不穩(wěn)定斜坡。因此，首先需要對形成區(qū)潛在不穩(wěn)定斜坡進行邊坡支護，減少崩塌滑坡等重力侵蝕物源。然后對局部植被稀疏的區(qū)域進行植被恢復(fù)。根據(jù)不同地形坡度和土壤類型，選擇適宜的喬木、灌木、草本植物組合進行種植，穩(wěn)固形成區(qū)邊坡淺表松散土層，控制坡面侵蝕程度，減少水土流失。從根本上減少泥石流物源的產(chǎn)生，降低泥石流災(zāi)害發(fā)生頻率和危害程度。

對于流通區(qū)的防治方案，首先是對兩側(cè)岸坡進行植被恢復(fù)，減少坡面侵蝕物源進入溝道；然后在老洼溝狹長的溝道內(nèi)按照一套喬木、灌木、草本植物搭配一級攔擋壩或谷坊的組合分批次、分間距地設(shè)置，形成生態(tài)工程阻滯和巖土工程攔截的梯級防護體系。在恢復(fù)植被降低溝道邊坡侵蝕程度、植物組合穩(wěn)固溝床阻滯固體物源運移、攔擋工程攔截泥石流固體物源的協(xié)同作用下，可以將絕大部分泥石流物源停積在流通區(qū)，減少泥石流向下游運移產(chǎn)生沖擊、下蝕和淤埋等災(zāi)害效應(yīng)。

最后，在堆積區(qū)設(shè)置導(dǎo)流堤和停淤場，將泥石流流體進行分流，避免對下游河床的侵蝕，甚至形成山洪等災(zāi)害，剩余部分固體物源則可以停積在指定區(qū)域，統(tǒng)一清理。

分叉溝主溝長度較短，溝域面積較小，但溝道縱坡降較大，地形陡峻，且西側(cè)支溝溝頭發(fā)育一處滑坡。此外，分叉溝形成區(qū)還存在多處潛在不穩(wěn)定斜坡，潛在泥石流物源量極大。因此，針對分叉溝泥石流防災(zāi)減災(zāi)方案的設(shè)計，首要任務(wù)應(yīng)是形成區(qū)發(fā)育的滑坡以及潛在不穩(wěn)定斜坡進行削坡減載或錨固支護，提高邊坡穩(wěn)定性，避免崩塌滑坡等災(zāi)害產(chǎn)生大量固體物源。除及時治理滑坡外，同樣應(yīng)對形成區(qū)進行植被恢復(fù)。提高植被覆蓋率同樣可以穩(wěn)固邊坡，減輕坡面侵蝕程度，從而減少物源的產(chǎn)生。

與老洼溝平緩狹長的流通區(qū)不同，分叉溝流通區(qū)長度較短，且縱坡降大，基巖強風(fēng)化至全風(fēng)化，工程地質(zhì)條件較差。在這樣的地質(zhì)條件下，采取溝道生態(tài)工程措施難以達到良好的減災(zāi)效果。因此，在流通區(qū)溝道按照一定間距設(shè)置攔擋壩、谷坊或格賓石籠等具有良好導(dǎo)排水功能的攔擋裝置阻截固體物源的運移，并快速排導(dǎo)由上游匯集的坡面及溝道徑流，然后在地形及土壤條件適宜的溝道兩側(cè)岸坡種植喬木、灌木和草本植物組合，穩(wěn)固邊坡，減少泥石流物源，減輕攔擋工程的承災(zāi)耗能負(fù)擔(dān)，控制物源的產(chǎn)生和運移。

最后，在堆積區(qū)設(shè)置導(dǎo)流堤和停淤場，將形成區(qū)和流通區(qū)匯集的泥石流流體分流至熱水河主河道，避免對居民區(qū)和農(nóng)田牧場等的侵蝕和沖刷等，并將剩余的固體物源攔截在設(shè)置的停淤場范圍，待統(tǒng)一清理。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)熱水河流域的老洼溝和分叉溝兩處典型泥石流發(fā)育溝道野外調(diào)查結(jié)果，上游形成區(qū)地形陡峻，縱坡降較大，為泥石流物源和降水、地表徑流等的運移提供了有利的地形地貌條件；溝道邊坡崩滑災(zāi)害、坡面侵蝕以及溝床松散堆積物再搬運提供了豐富的泥石流物源；而雨季充沛的降水及其形成的坡面徑流和溝道徑流又為泥石流的形成發(fā)育提供了良好的水源條件和水動力條件。這些基本條件共同導(dǎo)致泥石流災(zāi)害的發(fā)生。

(2)對不同防治措施的減災(zāi)效益進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)泥石流物源運移停積全過程的能量消減貢獻情況，在只有巖土工程措施的情況下，塊石模型攜帶的能量有62.3%是在溝道運移過程中轉(zhuǎn)化為熱能，其余37.7%的能量是被攔擋工程消耗；而在生態(tài)-巖土工程協(xié)同措施的情況下，塊石模型攜帶的能量有70%在與上游生態(tài)工程碰撞、摩擦等過程中消耗掉，其余30%的能量則由后半部分的巖土工程承載。表明生態(tài)-巖土工程協(xié)同措施能夠更快地、更多地消減泥石流物源攜帶的能量，有效阻滯和攔擋泥石流固體物源。

(3)以泥石流防治工程減災(zāi)效益評價結(jié)果為依據(jù)，分別對老洼溝和分叉溝兩處典型泥石流災(zāi)害發(fā)育溝道按照形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)不同區(qū)域災(zāi)害發(fā)育特征，提出對應(yīng)的生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同作用防治方案設(shè)計，為建立山區(qū)小流域泥石流災(zāi)害生態(tài)工程-巖土工程協(xié)同減災(zāi)模式提供參考。