魏萬鴻，宿 星，劉興榮，楊 濤，張國(guó)信，劉 迪，張麗娟，安亞鵬

(甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

泥石流是山區(qū)常見的自然災(zāi)害現(xiàn)象，具有突發(fā)性及流速快、流量大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著大量泥石流治理工程的實(shí)踐，目前已形成一套完整的以工程措施和生物措施為主[1]，“穩(wěn)、攔、排、停”相互結(jié)合的泥石流災(zāi)害治理模式[2]，取得了顯著的效益。

“穩(wěn)”指通過穩(wěn)固坡面及溝道固體松散物質(zhì)，減少泥石流固體物質(zhì)補(bǔ)充來源，結(jié)合引導(dǎo)水流和截水等工程手段，達(dá)到減災(zāi)的目的；“攔”指在溝道中設(shè)置攔擋壩，攔蓄泥石流，截留固體物質(zhì)，防止泥石流下泄后致災(zāi)；“排”則是通過建設(shè)排導(dǎo)堤等工程，使泥石流安全通過保護(hù)區(qū)向下游排泄；“?！眲t是在一定區(qū)域設(shè)置停淤場(chǎng)，疏散泥石流流體，達(dá)到削減泥石流規(guī)模的效果。

通常情況下，泥石流治理工程的防災(zāi)減災(zāi)能力，是在治理工程與泥石流發(fā)育過程的相互作用中逐漸降低的。一方面，由于主體工程的破損[3]及工程使用壽命的問題，其防護(hù)能力會(huì)逐年下降，“穩(wěn)、攔、排”能力會(huì)隨之降低；另一方面，經(jīng)過多次泥石流過程，攔擋壩內(nèi)會(huì)逐漸淤積固體物質(zhì)甚至淤滿，最后失去攔蓄能力，致使減災(zāi)能力降低甚至消失。因此，如何使泥石流防治工程發(fā)揮長(zhǎng)期效益，是治理工程較關(guān)鍵的任務(wù)之一。我們以大地溝泥石流治理工程為例，對(duì)泥石流治理工程效果的實(shí)現(xiàn)及防災(zāi)能力的變化進(jìn)行分析和探討，進(jìn)而提出工程優(yōu)化措施建議，以期為泥石流防治工程發(fā)揮長(zhǎng)期效益提供技術(shù)參考。

1 大地溝泥石流概況

大地溝位于甘肅省宕昌縣城北部，屬岷江一級(jí)支流，主溝流域面積4.35 km2，呈葫蘆狀，流域內(nèi)滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜坡較發(fā)育。主溝道長(zhǎng)3.2 km，平均比降為17.5%，切割深度500～700 m，在溝口形成了長(zhǎng)0.7 km、面積約0.24 km2的洪積扇地貌。流域松散固體物質(zhì)約570萬m3，單位面積補(bǔ)給量130萬m3/km2，為泥石流的發(fā)育提供了豐富的固體物質(zhì)來源。區(qū)內(nèi)多年平均降水量633.8 mm，6—9月份降水量占全年降水量的61%，24 h最大降雨量73.2 mm，1 h最大降雨量56 mm，30 min最大降雨量49.7 mm，10 min最大降雨量26.9 mm，具有降水集中、暴雨多、強(qiáng)度大等特點(diǎn)。這種高強(qiáng)度的降水為泥石流的形成提供了充沛的水源和足夠的水動(dòng)力條件[4]。

治理前大地溝泥石流重度為18.0 kN/m3，100年一遇泥石流流量為152 m3/s，屬黏性泥石流，災(zāi)害發(fā)生頻率較大，20世紀(jì)80—90年代發(fā)生過6次嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，傷亡30余人[5]。大地溝是一典型致災(zāi)性泥石流溝道，溝口正對(duì)宕昌城區(qū)，并穿城而過，溝道沿線人口密集，泥石流直接威脅著宕昌縣城的安全，嚴(yán)重制約著宕昌縣的社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 大地溝泥石流治理過程及工程效果分析

2.1 大地溝泥石流治理過程

宕昌縣是甘肅省開展泥石流治理工作較早的地區(qū)之一，20世紀(jì)80年代就在溝道內(nèi)修建了多道泥石流攔擋壩，但均在歷次泥石流暴發(fā)過程中被沖毀。

1997年開始進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜合治理。1997年一期治理工程采取了以攔為主、以排導(dǎo)和生物措施為輔的綜合治理措施，修建了攔擋壩18道(總庫容49.02萬m3)、排導(dǎo)渠1 288 m、停淤場(chǎng)5 780 m2、涵洞8道，實(shí)施坡改梯、育林種草面積2.53 km2[6]；2009年二期治理工程對(duì)壩體進(jìn)行了維修及加高處理，并增加1道攔擋壩(新增庫容20.2萬m3)[6]；2014年三期治理工程又對(duì)部分?jǐn)r擋壩進(jìn)行了加高和修復(fù)，新增2道攔擋壩(新增庫容2.46萬m3)[7](圖1)。

圖1 大地溝泥石流治理工程平面圖

2.2 泥石流治理工程效果分析

大地溝泥石流治理工程實(shí)施20多年來，通過修建攔擋壩、排導(dǎo)渠、停淤場(chǎng)及實(shí)施綠化工程，“穩(wěn)、攔、排、?！毕嘟Y(jié)合，取得了明顯的治理效益，大地溝沒有再出現(xiàn)致災(zāi)性泥石流，保護(hù)了工程區(qū)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，達(dá)到了治理目的。

大地溝一期工程實(shí)施前泥石流重度為18.0 kN/m3，治理工程實(shí)施后穩(wěn)固了溝床及坡面，大量減少了泥石流固體補(bǔ)給物質(zhì)，泥石流重度降至16.7 kN/m3，泥石流性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生了改變，由原來的黏性向稀性過渡[4]。二期、三期工程在維修加固原攔擋壩的基礎(chǔ)上，采取加高壩體、新增攔擋壩的措施，增加了攔蓄庫容，鞏固了治理成果。

大地溝泥石流治理工程之所以產(chǎn)生較好的效果，主要是通過治理工程，有效穩(wěn)固了溝床及坡面，攔蓄了大量泥石流固體物質(zhì)，降低了下泄泥石流重度。治理工程實(shí)施以來，溝道內(nèi)攔擋壩持續(xù)保持著一定的有效攔蓄庫容，至2020年底，總攔蓄固體物質(zhì)69.63萬m3(見表1)。不難發(fā)現(xiàn)，“穩(wěn)、攔”在大地溝泥石流治理中起關(guān)鍵作用。其中“穩(wěn)”由于攔擋壩的存在，是一個(gè)持續(xù)發(fā)揮效益的過程，效益保持靜態(tài)；而“攔”由于攔擋壩的逐漸淤積，有效庫容減少，其防災(zāi)減災(zāi)的能力逐漸衰減，一旦庫容淤滿，其“攔”的功能將消失，新形成的泥石流將無阻礙地下泄，超過排導(dǎo)渠排泄能力時(shí)，將形成泥石流災(zāi)害。大地溝泥石流治理二期工程開始時(shí)，溝道內(nèi)剩余庫容不足1萬m3，三期工程開始時(shí)，剩余庫容僅0.54萬m3，二期、三期工程上馬的一個(gè)主要原因就是攔擋壩剩余庫容不足，工程實(shí)施后也取得了良好的防災(zāi)減災(zāi)效益。

表1 大地溝攔蓄庫容調(diào)查統(tǒng)計(jì) 萬m3

3 大地溝泥石流治理后的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及工程優(yōu)化措施

3.1 大地溝泥石流治理后的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

攔擋壩的“穩(wěn)、攔”在大地溝泥石流治理中起關(guān)鍵作用，但2020年底剩余庫容僅2.05萬m3左右，因此對(duì)大地溝泥石流治理工程的防災(zāi)能力及危險(xiǎn)性進(jìn)行分析刻不容緩。

大地溝現(xiàn)狀泥石流以稀性為主，泥石流重度為16.7 kN/m3，隨著庫容的淤滿，未來泥石流重度降低勢(shì)頭急劇減弱，將基本維持在16.7 kN/m3左右。大地溝泥石流在1%、2%、5%的發(fā)生頻率下(分別為100年一遇、50年一遇、20年一遇)下泄流量分別為80.4、66.7、45.8 m3/s[7]，而城區(qū)排導(dǎo)溝最大過流能力僅為40 m3/s[5]，加之原設(shè)計(jì)停淤場(chǎng)由于種種原因，其停淤面積已由原設(shè)計(jì)的5 780 m2減少至300 m2，停淤量?jī)H為360 m3[7]，“停”的作用有限，因此出現(xiàn)20年一遇以上泥石流時(shí)，將不可避免地發(fā)生泥石流災(zāi)害。

從表1可以看出，1998—2009年間，大地溝泥石流攔擋壩平均年攔蓄固體物質(zhì)量為4.37萬m3，2009—2015年間平均年攔蓄固體物質(zhì)量為3.44萬m3，2015—2020年間為0.19萬m3，全部22年間平均年攔蓄固體物質(zhì)為3.17萬m3，總的攔蓄量達(dá)到69.63萬m3。未來10年內(nèi)大地溝泥石流攔擋庫容全部淤滿后，發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性較大，由于溝口區(qū)域?yàn)殄床h主城區(qū)，人口密集，因此對(duì)大地溝泥石流的危險(xiǎn)性應(yīng)加以重視。

3.2 大地溝泥石流治理工程優(yōu)化措施

大地溝泥石流治理工程通過實(shí)施“穩(wěn)、攔、排、?！奔熬G化工程措施，取得了明顯的效益。但由于“?！钡淖饔糜邢?，“排”的能力不足，隨著其未來“攔”的功能消失，僅僅依靠“穩(wěn)、排”的作用難以有效防止泥石流災(zāi)害的發(fā)生。因此，對(duì)泥石流治理工程進(jìn)行優(yōu)化整改，是當(dāng)務(wù)之急。

對(duì)大地溝泥石流溝道，仍需按“穩(wěn)、攔、排、停”及綠化工程措施進(jìn)行優(yōu)化整改。大地溝泥石流溝道穿過宕昌縣主城區(qū)，對(duì)城區(qū)排導(dǎo)溝進(jìn)行改道或拓寬以增加排導(dǎo)能力的可能性較小，解決“排”的能力不足的問題較為困難，且周期較長(zhǎng)。因此，在保持綠化工程措施的情況下，增加攔擋庫容，恢復(fù)、加強(qiáng)“攔”的功能，是解決當(dāng)前問題的措施之一。

3.2.1 防災(zāi)有效庫容及安全流量的確定

大地溝泥石流治理前重度為18.0 kN/m3，治理后為16.7 kN/m3，據(jù)此計(jì)算出大地溝泥石流流量后，按下列公式計(jì)算一次泥石流過程總量[8]，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 大地溝一次泥石流過程總量統(tǒng)計(jì)

Q=0.202TQc

(1)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(2)

式中：Q為一次泥石流過程總量，m3；T為泥石流歷時(shí)，取3 000 s；Qc為泥石流最大流量，m3/s；QH為一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量，m3；γc為泥石流重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；γH為泥石流固體物質(zhì)的重度，kN/m3。

由表2可知，當(dāng)大地溝內(nèi)攔擋壩有效攔擋庫容為2.78萬～9.21萬m3時(shí)，可有效攔截20～100年一遇規(guī)模泥石流；當(dāng)大地溝內(nèi)攔擋壩有效攔擋庫容為1.24萬～4.11萬m3時(shí)，可有效攔蓄20～100年一遇規(guī)模泥石流中的固體物質(zhì)。治理后不同發(fā)生頻率下一次泥石流過程總量為2.78萬～4.87萬m3，因此當(dāng)攔蓄庫容達(dá)到3萬～5萬m3時(shí)，可基本滿足防災(zāi)減災(zāi)的要求。治理工程實(shí)施20多年來，溝道內(nèi)攔擋壩群庫容長(zhǎng)期處于有效攔截及攔蓄狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了治理工程目的。

目前大地溝排導(dǎo)渠仍為1997年一期工程所建，原設(shè)計(jì)最大過流能力僅為40 m3/s，因此泥石流安全流量應(yīng)小于40 m3/s,以35 m3/s為宜。

3.2.2 治理工程優(yōu)化措施

(1)可通過新建攔擋壩或加高攔擋壩的方法增加有效庫容，這也是二、三期工程的首選方法。經(jīng)過三期治理工程，溝道內(nèi)已有21道攔擋壩，其中7道攔擋壩在二、三期工程中已經(jīng)加高，大部分壩體加高的可能性小。受溝道內(nèi)地形地質(zhì)條件的制約，可供選定的壩址較少，新設(shè)或加高攔擋壩以增加庫容困難較大。

(2)加強(qiáng)攔擋壩清淤工作。大地溝泥石流治理三期工程增設(shè)了部分清淤道路，具備清淤條件，可對(duì)溝內(nèi)下游的15、16、17號(hào)等攔擋壩進(jìn)行清淤作業(yè)，使有效庫容維持在安全合理的范圍內(nèi)。

(3)保持?jǐn)r擋壩防災(zāi)庫容，保證泥石流安全下泄的第三個(gè)方法是設(shè)置過流式攔擋壩[9]。過流式攔擋壩由主壩體、溢流堰、泄流洞組成，并滿足以下三個(gè)條件：①溢流堰及泄流洞過流能力滿足保證攔擋壩安全的泥石流最大流量；②泄流洞下泄流量小于保證下游防護(hù)區(qū)安全的最大下泄安全流量；③攔擋壩及壩群總庫容能有效攔擋設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下泥石流最大一次總沖出量(圖2)。泥石流發(fā)生時(shí)，通過泄流洞以安全流量下泄，大量泥石流被暫時(shí)攔擋滯留于過流式攔擋壩庫區(qū)并限制下泄流量，延長(zhǎng)了泥石流下泄時(shí)間，從而保證下游安全，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)目的。泥石流結(jié)束后，各庫區(qū)暫時(shí)攔蓄的泥石流絕大部分通過泄流洞下泄，剩余少量淤積物可通過后期洪水或小規(guī)模泥石流沖刷攜帶自然清理，進(jìn)一步清空庫容，從而實(shí)現(xiàn)有效庫容的重復(fù)利用。

圖2 過流式泥石流攔擋壩及壩群結(jié)構(gòu)示意

就大地溝泥石流的治理工程而言，可選擇庫壩區(qū)地形地質(zhì)條件較好、固床作用較小、便于實(shí)施的已建攔擋壩(如6、11、17號(hào)壩)，改造為過流式攔擋壩；也可在適當(dāng)位置新建，滿足總體庫容3萬～5萬m3、下泄流量小于35 m3/s，即可產(chǎn)生防災(zāi)減災(zāi)效果。

當(dāng)然，前述三種措施并不是孤立的，將清淤、新建攔擋壩和設(shè)置過流式攔擋壩三種方法結(jié)合起來，才能實(shí)現(xiàn)治理工程長(zhǎng)期防災(zāi)減災(zāi)的目的。

4 結(jié) 論

我們?cè)诜治龃蟮販夏嗍鞯闹卫磉^程、治理效益發(fā)揮及防災(zāi)能力動(dòng)態(tài)變化過程的基礎(chǔ)上，結(jié)合大地溝實(shí)際，對(duì)泥石流治理后的危險(xiǎn)性及今后工程優(yōu)化措施進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

(1)大地溝泥石流治理工程采用“穩(wěn)、攔、排、?！奔熬G化工程等綜合措施，取得了較好的防災(zāi)減災(zāi)效益。

(2)攔擋壩的“穩(wěn)、攔”功能在大地溝泥石流治理中起關(guān)鍵作用，三次治理工程的實(shí)施均抓住了這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，治理效果明顯。

(3)隨著泥石流固體物質(zhì)的淤積，有效庫容減少或淤滿，攔擋壩“穩(wěn)”的作用持續(xù)發(fā)揮，但“攔”的功能將減小或消失，“排、?！蹦芰Σ蛔?，工程防災(zāi)減災(zāi)能力減弱。若不采取措施，未來大地溝發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性較大。

(4)針對(duì)大地溝治理工程現(xiàn)狀，在保持綠化工程措施的情況下，以增加攔擋庫容、保證泥石流安全下泄為重點(diǎn)，提出利用過流式攔擋壩“滯”的作用，通過增加泥石流下泄時(shí)間，限制下泄流量，保證泥石流以安全流量下泄，并通過后期洪水或小規(guī)模泥石流沖刷，進(jìn)一步清空庫容，從而實(shí)現(xiàn)有效庫容的重復(fù)利用。