赫念學(xué)，李星宇，張奇林

(云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041)

泥石流的治理技術(shù)源于水土保持工程，在20世紀(jì)60年代即已形成了工程措施與生物措施并舉，“穩(wěn)、攔、排”結(jié)合的綜合防治工程體系[1]。生物措施防治泥石流，主要是利用自然森林植被具有的防沙固土、截留雨水、增強(qiáng)土壤滲透能力、減少地表徑流、固持松散土質(zhì)、調(diào)節(jié)洪水的獨(dú)特功能，使泥石流少發(fā)或?yàn)?zāi)害減輕[2]。谷坊是應(yīng)用比較普遍的泥石流防治工程，特別是漿砌石谷坊[3]在泥石流防治中應(yīng)用較多。常規(guī)的泥石流谷坊一般采用漿砌石或埋石混凝土等土木工程實(shí)體壩，在泥石流溝中施工時(shí)，受場(chǎng)地條件限制，其施工材料搬運(yùn)困難，一般均需修建專(zhuān)門(mén)的運(yùn)輸?shù)缆?，但在山高坡陡的泥石流溝中修建運(yùn)輸?shù)缆罚豢杀苊獾貢?huì)造成地形地貌破壞，并會(huì)產(chǎn)生工程棄渣，形成新的泥石流物源，而采用生物谷坊代替實(shí)體谷坊，則施工材料可大量減少。不同泥石流或同一泥石流的不同地段，泥石流沖刷強(qiáng)度、巖土體性質(zhì)也存在很大的差異，因此在泥石流溝中實(shí)施生物谷坊時(shí)，需因地制宜地采用不同類(lèi)型的生物谷坊或者采用實(shí)體壩與生物谷坊相結(jié)合的形式，以達(dá)到治理泥石流的目的。

有關(guān)植被在泥石流物源防治中的生態(tài)作用的研究開(kāi)始較早[4-6]。對(duì)于規(guī)模較小的坡面型泥石流，通常在溝道內(nèi)修筑一些用于穩(wěn)定溝床的谷坊，在溝坡上采用植樹(shù)造林、封山育林育草等大面積的生物措施進(jìn)行防治[7]；生物谷坊也被廣泛應(yīng)用于溝道水土流失的治理[8-9]，張日俊等[10]對(duì)沙棘柔性壩的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)做了初步研究，但有關(guān)生物谷坊在泥石流防治中的作用和成功經(jīng)驗(yàn)的研究和報(bào)道較少。本研究以云南個(gè)舊白沙沖泥石流治理為試驗(yàn)案例，對(duì)生物谷坊在泥石流治理中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及應(yīng)用條件進(jìn)行了分析研究，以期為泥石流的生態(tài)治理提供借鑒和參考。

1 白沙沖泥石流概況

白沙沖處于云南省個(gè)舊市大屯海西岸，屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1 603.3 mm，日最大降雨量108.9 mm，溝水直接匯入大屯海，總體呈東西展布，整個(gè)流域面積約13.24 km2，流域相對(duì)高差約1 420 m，主溝長(zhǎng)約4.1 km，平均坡降約13%，為典型的溝谷型泥石流溝。流域范圍內(nèi)主要巖性為燕山期中粒黑云母花崗巖，下游分布有三疊系個(gè)舊組碳酸鹽巖。由于流域內(nèi)歷史上存在無(wú)證露天采山砂活動(dòng)，植被被破壞，因此形成大面積的土壤強(qiáng)侵蝕區(qū)(見(jiàn)圖1)。現(xiàn)狀流域內(nèi)發(fā)育13處崩塌、坍塌，22條活動(dòng)性沖溝，泥石流主溝松散層厚2.0～20.0 m，平均厚約3.0 m，溝床平均寬約20.0 m。白沙沖泥石流固體松散物儲(chǔ)量約為1 676.3萬(wàn)m3，其中可移動(dòng)固體松散物量約為30.2萬(wàn)m3，其物質(zhì)組成以礫砂、含碎石黏性土為主，碎石、塊石次之。

圖1 項(xiàng)目區(qū)2010年土壤侵蝕Google影像

白沙沖泥石流暴發(fā)頻率為0.3～1.5次/a，泥石流漿體重度平均值15.5 kN/m3,為稀性泥石流；一次刷深0.2～0.5 m，從泥石流堆積扇扇頂向下游淤高0.1～0.5 m；泥石流流速為3.21～4.83 m/s，且從流通區(qū)上游至中下游速度逐漸增大，從流通區(qū)中下游至堆積區(qū)速度逐漸減小。

2 白沙沖泥石流的生物谷坊設(shè)計(jì)

根據(jù)白沙沖泥石流特點(diǎn)，將生物谷坊布設(shè)在泥石流即將啟動(dòng)或剛啟動(dòng)的位置，即布置在主溝最上游實(shí)體壩上游，泥石流形成區(qū)與流通區(qū)的交界位置(見(jiàn)圖2)，共布置23條,每條長(zhǎng)約30 m、寬1 m，每座谷坊之間距離約25 m。

圖2 生物谷坊布設(shè)位置影像

2.1 布設(shè)區(qū)立地條件

布設(shè)區(qū)淺表層巖土體為礫砂、含碎石黏性土，土壤pH值5.5～6.2，屬微酸性土，厚度一般大于2.0 m，質(zhì)地較疏松。礫砂中礫石直徑一般0.2～2 cm，含量20%～30%，礫石成分為黑云母花崗巖。該區(qū)無(wú)霜期長(zhǎng)，溝內(nèi)有間歇性水流，溝床比降小于10%。

2.2 樹(shù)種選擇

用于生物谷坊的樹(shù)種，應(yīng)選擇具有深根性、根系發(fā)達(dá)、耐貧瘠、耐干旱、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)的樹(shù)種，應(yīng)充分考慮流域的氣候條件，從海拔、年均降水量、全年日照時(shí)數(shù)等生態(tài)條件來(lái)確定植物[9]，也要求具有速生、耐淹或大枝扦插容易成活等特點(diǎn)[11]。根據(jù)布設(shè)區(qū)的立地條件，調(diào)查和訪問(wèn)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門(mén)，選擇適合的、生長(zhǎng)迅速的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹(shù)種。項(xiàng)目區(qū)樹(shù)種確定主要有白楊和滇柳。白楊和滇柳均具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)快速、根系發(fā)達(dá)、固土能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且均適合在沙壤中生長(zhǎng)。

2.3 生物谷坊設(shè)計(jì)

生物谷坊設(shè)計(jì)為3行，選擇胸徑5～10 cm、高度大于3.5 m的白楊、滇柳植株，株行距0.5 m×0.5 m，呈梅花形交互種植。種植穴用Φ150 mm鋼管鉆進(jìn)1.5 m深后插入樹(shù)木(無(wú)根)，并用客土加化肥充填壓實(shí)。在每行植株的下部從地面起向上按10 cm間距橫向編織竹竿，每行編織11排，高1 m，竹竿直徑1 cm；在上部距地面2.0 m處每行編制竹竿1排，竹竿直徑2 cm。竹竿以細(xì)鐵絲或鉛絲綁扎。典型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 生物谷坊典型設(shè)計(jì)示意(單位：cm)

3 生物谷坊的效果評(píng)價(jià)

白沙沖泥石流生物谷坊按上述設(shè)計(jì)施工(見(jiàn)圖4)，實(shí)施一年后，樹(shù)木成活率超過(guò)95%，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)(見(jiàn)圖5)，且固定溝床松散固體物質(zhì)明顯(見(jiàn)圖6)，攔擋固體物質(zhì)效果也較為顯著(見(jiàn)圖7)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，已固定和攔擋可移動(dòng)松散固體物質(zhì)約1萬(wàn)m3，減緩了骨干實(shí)體壩的庫(kù)容壓力，初步估算可使實(shí)體壩延緩2～3年滿庫(kù)，同時(shí)使白沙沖泥石流溝內(nèi)破壞的地形地貌得到恢復(fù)，環(huán)境得到很大的改善，相應(yīng)地也減少了實(shí)體壩施工時(shí)修建專(zhuān)門(mén)運(yùn)輸?shù)缆贰㈤_(kāi)挖基礎(chǔ)所產(chǎn)生的工程棄渣。

圖4 生物谷坊剛實(shí)施時(shí)

圖5 生物谷坊全貌

圖6 生物谷坊固土效果

圖7 生物谷坊攔擋效果

4 結(jié)論與探討

從白沙沖泥石流生物谷坊的實(shí)施及運(yùn)行效果來(lái)看，應(yīng)結(jié)合泥石流特點(diǎn)因地制宜地在泥石流溝中布設(shè)生物谷坊?？偨Y(jié)起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

(1)在選擇生物谷坊對(duì)泥石流進(jìn)行治理時(shí)，為了有效攔擋和固定泥石流松散物質(zhì)，建議采用實(shí)體壩與生物谷坊相結(jié)合的形式對(duì)泥石流溝進(jìn)行綜合治理。

(2)生物谷坊布設(shè)地段一是選擇在泥石流形成區(qū)與流通區(qū)交界地段，以便在泥石流未啟動(dòng)時(shí)就將其固定和攔擋?。欢沁x擇在泥石流溝床較為平緩且第四系松散物質(zhì)相對(duì)較厚的地段，以便植物生長(zhǎng)有合適的立地條件。

(3)在選擇生物谷坊樹(shù)種時(shí)，應(yīng)結(jié)合泥石流溝本地植物品種和布設(shè)點(diǎn)土壤特點(diǎn)綜合確定。

(4)實(shí)施生物谷坊時(shí)，其材料運(yùn)輸可不必修建專(zhuān)門(mén)的運(yùn)輸?shù)缆?，也不需基礎(chǔ)開(kāi)挖，從而可減少或避免對(duì)地形地貌的破壞，還可減少棄渣的產(chǎn)生，即在修復(fù)地形地貌的同時(shí)也可減少泥石流物源量。

(5)泥石流實(shí)體壩施工成本較大，且隨著時(shí)間的推移實(shí)體壩將逐漸被淤滿，其攔擋作用將逐漸消失，而生物谷坊的樹(shù)木隨時(shí)間的推移將不斷生長(zhǎng)，其攔擋和固定松散物質(zhì)的作用也隨之增強(qiáng)。

(6)生物谷坊在攔擋和固定泥石流松散物質(zhì)的同時(shí)也增加了植被覆蓋率，改善了泥石流溝內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，使泥石流治理工程與周邊自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)泥石流治理工程的綠色設(shè)計(jì)、綠色施工具有較好的借鑒和參考價(jià)值。