泥石流排导槽研究进展及发展方向

高 全，陈晓清，赵万玉

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

0 引言

我国是全球地质灾害多发国家之一，灾害类型多、分布范围广。泥石流是我国山区最主要的地质灾害类型之一，随着山区经济的不断发展，山区生态环境遭到剧烈破坏，植被数量锐减，水土流失严重，尤其是5.12汶川地震诱发的大量崩塌、滑坡及岩土体松动，为泥石流形成提供了良好的物源条件，更有利于泥石流的爆发，严重威胁灾区广大人民群众的生命财产安全，制约山区经济可持续发展，因此必须对其进行有效地防护。

泥石流防治工程种类繁多，包括泥石流形成区的生态工程；流通区以拦挡结构为主的谷坊群、拦砂坝以防护为主的护坡护岸工程；堆积区以排导为主的排导槽、导流堤、停淤场等。排导槽由于结构简单、就地取材、施工方便、效果显著等优点得到广泛应用［1］。

本文在查阅相关文献资料的基础上，简要阐述泥石流排导槽的发展及两类主要排导槽，着重从横、纵断面优化、材料选择等角度分析总结前人的研究成果，就其存在的问题，提出进一步发展方向，为今后研究泥石流排导槽提供一定的参考作用。

1 泥石流排导槽发展历程

泥石流是一种比较常见的地质灾害，主要指暴雨情况下，水流和土石混合物由于重力作用沿陡峻沟坡向下运动的现象。为了避免泥石流给沟道下游人民的生命财产造成危害，必须对泥石流进行适当引导，使其沿预定沟道排泄，远离城镇、道路等基础设施。

过去，普遍采用条石筑堤、土堤等简易措施引导排泄泥石流［2］，在沟道两侧放置装满石块和泥土的编织袋或竹笼，泥石流爆发时可以使泥石流汇聚在沟道内，朝预定方向运动，这就是排导槽的雏形。虽然有时流速过大越过土堤，但仍能有效降低流速，减轻泥石流灾害。一段时间后，编织袋和竹笼老化，土堤或石块散开，筑堤就失去导流作用。

20世纪60年代以前，一般都根据水利学洪水规律、流量、流速和桥、涵孔径及地形条件设计［3］，利用石块和水泥砂浆浇筑排导槽。最初为了简便，将排导槽设计成梯形和矩形断面，沟底也有全裸露或全衬砌。其中梯形槽适用于挖方地段；而矩形槽更适合填方地段。

20世纪中期开始，云南会泽、东川等地区，由于长期受到泥石流灾害影响，当地居民将木棍、杩槎或石块置于沟道中，利用拦截作用减缓泥石流速度，效果很好，但很容易被泥石流冲毁，后逐渐改用干砌片石、浆砌片石、铅丝笼和混凝土等更坚固的材料代替，这就是早期的“东川槽”。1964年6月6日，一场暴雨使云南东川市（现为昆明市东川区）石羊沟暴发数十年未遇的泥石流，大量泥沙石块顺沟而下，冲毁排洪沟，造成7人死亡。城市防洪办采用铅丝笼堆石堤应急，但由于沟道纵坡陡、流速快，工程建成仅两年就遭破坏。针对该区泥石流爆发频率高、规模大，传统排洪方法都很难真正解决泥石流排淤和沟道磨损强烈的问题，李德基等专家结合当地排导泥石流经验，设计出“以柔克刚”带潜槛的软基消能型泥石流排导槽，正式称之为“东川槽”［2，3］。

1975年初，王继康等在成昆铁路三滩泥石流治理过程中，首次提出全衬砌V型槽设想，但因种种原因未能实现。1980年王继康等在三滩泥石流平底排导槽工程失败后正式立题研究V型排导槽，并在成昆线多条泥石流灾害治理中应用［4］。

另外，文献［5］记载四川黑水芦花沟采用空间框架网格式排导槽治理泥石流；西昌铁路局1977年在成昆铁路乐跃车站采用圆形（弓形）排导槽，改造5#、6#、7#泥石流沟［6］；文献［7］介绍了多种复式断面排导槽（图1）。

2 两类主要泥石流排导槽

目前应用较广泛的排导槽主要有两类：一是全衬砌槽；二为软基消能型槽。

2.1 全衬砌槽

全衬砌槽的典型代表为 V型槽。其特点［4］是窄、深、尖，两个槽底斜面形成一个不透水的下垫面，使进入排导槽的泥石流密度保持不变，利用水动力增大水深，重组动力束流，减小阻力，加大流速，防止漫流改道；在横断面构成一个固定最低点，即泥石流最大水深或最大流速点和固体物质集中点，成为固定的动力束流和集流冲砂中心；V型槽底能架空大石块，使其腾空呈梁式点接触，加上沟心尖底部位的泥石流浆体浮托润滑作用，泥石流固体物质能更顺畅地在槽内运动；V型槽底由两斜面构成，松散固体物质在斜坡上处于不稳定状态，泥石流浆体合力指向下游沟心最低点（图2（只示意重力）），形成局部范围内的集流中心，呈立体束流，从而在三维空间上形成重力束流，更有效地排泄泥石流。

图1 复式槽断面示意图Fig.1 SketchshowingMultisectionof debrisflowdrainagecanal

由此可见：

其中：I重力——泄流的重力坡度（‰）；

I纵——V型槽纵坡坡度（‰）；

I横——V型槽底横向坡度（‰）。

图2 V型槽固体颗粒受力示意图Fig.2 Forcesketchofparticlein Vtypedrainagecanal

I纵为控制泥石流输砂能力的主要因素。I纵增大时，排泄力增强，反之减小；I横控制泥石流束流集石能力。I横愈大，集流性能愈好；反之愈差；愈使排导槽排泄效果最好，须合理组合I纵与I横，使I重力达到最佳值。I重力愈大，泥石流排泄效果愈佳；反之愈差。由（1）可知，I横与I纵呈负相关，亦即若I重力为定值，I横（或I纵）随着I纵（或I横）正变化而呈负相关［8］。王继康等在总结成昆铁路沿线200多处和云南地区泥石流V型槽工程设计施工经验基础上，得出以上三个参数的大致范围：

250≤ I重力≤350（‰）

15≤ I纵≤350（‰）

100≤ I横≤300（‰）

常见V型槽有单V型、直墙V型和斜墙V型三种（图3、图4）。经验表明，V型槽更适合一坡到底或先缓后陡，爆发频率较高的小型粘性泥石流排导工程。对含有较大土石颗粒的稀性泥石流或土（水）石流的排泄效果不甚理想。

图3 V型槽示意图Fig.3 SketchofVtypedrainagecanal

在某些固体颗粒含量较少的小型稀性泥石流中，考虑到防护要求较低，施工技术比V型槽更简单等因素，也将全衬砌槽设计成梯形或矩形。两者具有“宽、浅、平”特点，区别在于侧墙角度不同，梯形槽为斜侧墙，矩形槽为垂直侧墙。槽底一般较宽，浆体更分散，常铺满整个槽底，流量一定，其速度大大减缓，对槽底进行衬砌处理可有效防止淤积。

图4 大理阳溪V型槽Fig.4 VtypedrainagecanalinDali

侧墙和底部的全衬砌处理，有利于减小摩擦，加快固体颗粒运动速度，使其更快地向下游排泄，减小泥石流淤积，适于下游有广阔停淤区域或主河有足够输移能力的泥石流防治；但固体物质的高速运动和地下水顶托作用，使排导槽更容易遭到磨蚀或揭底破坏，大大增加了维护保养费用。

2.2 软基消能型槽

软基消能型槽即“东川槽”，其特点与全衬砌槽恰好相反。仅对排导槽两侧墙处理，完全裸露槽底，增大摩擦，并在槽底一定间隔设置贯穿型横向潜槛，利用潜槛拦截作用使泥石流在沟道中产生紊流，有助于泥石流大小颗粒间碰撞，消耗泥石流动能，调控泥石流运动速度。

“东川槽”优势在于：施工更简单、经济，仅对两侧墙加固；避免地下水顶托作用破坏槽底，减小泥石流磨蚀作用，维持地表地下水循环。“东川槽”适于下游有城镇、铁路、工厂等重要基础设施的泥石流防治（图5）。

图5 石羊沟东川槽Fig.5 DongchuandrainagecanalinShiyangGully

但是，“东川槽”减缓泥石流运动速度，一定程度加剧了槽中泥石流淤积，故主要针对排导坡降较大的情况，需定期进行清淤处理；潜槛下游侧基角处强烈的冲刷淘蚀作用，使之更易倾倒垮塌；潜槛阻断了沟道上下游的生物联系，不利于沟道的生态修复。

软基消能槽在我国云南、四川等西部山区泥石流防治工程中发挥了较大作用，通过多年的工程实践检验、不断总结经验和优化设计，如合理纵坡、潜槛最佳间距等，正逐步推广到其他地区的泥石流治理工程。

3 主要研究进展

目前泥石流排导槽的设计施工，更多依靠以往积累的经验或工程类比，理论方面涉及偏少。总体来说，理论研究进展主要集中在以下几方面：

3.1 纵断面优化

纵比降是泥石流排导槽设计的关键参数之一，纵坡是否合适直接影响排导槽的排导效果。一般分为先缓后陡（凸形坡）、先陡后缓（凹形坡）和一坡到底（图6）。

受地形条件限制，纵比降为常数的情况很少，只在部分小流域的小型泥石流中出现［7］，一般由源头至沟口呈递减趋势，由陡变缓，所以实际工程中，凹形坡较凸形坡更多。实践证明，凹形坡更有利于泥石流的排导。

陈光曦［9］认为准山前区大型堆积扇上，排导槽一般以扇面上最陡坡降作为排导槽纵坡，而小型堆积扇或山区泥石流堆积扇的排导槽，由于泥石流排泄速度较低，一般采用上游筑坝或下游开挖沟槽来加大纵坡。通过整理成昆、东川两线55条泥石流资料，分别统计各条泥石流流通区和堆积区纵比降，发现排导槽的合理纵坡主要集中在80‰～200‰。李德基［1］则指出排导槽纵坡必须大于泥石流输移临界纵坡（流动最小纵坡），可按照合理纵坡和最大地面纵坡两种方法来选线设计，并根据现有泥石流排导槽设计，总结出不同类型泥石流排导槽的合理纵坡（表1），由表1可知，泥流或泥石流合理纵坡均随容重增大递增，且同一容重范围泥石流的合理纵坡比泥流更大。文献［10］从工程角度指出排导槽纵坡相邻两坡段坡度不宜过大，变坡点远离建筑物，当两坡段坡度差较大时，需在变坡点设置竖曲线减少阻力和冲刷力。

图6 排导槽纵比降示意图Fig.6 Sketchoflongitudinalsectionofdrainagecanal

上述研究指出了排导槽纵坡设计的基本原则及参数范围，但方法比较单一，主要通过统计已建工程参数指标，调查工程运行情况，进而反馈设计是否合理，相关理论依据不够充分，这亦是现在泥石流排导槽研究的主要欠缺之处。

表1 泥石流排导槽合理纵坡Table1 Rationallongitudinalsectionofdebrisflowdrainagecanal

综上，前人在研究纵比降过程中，大多单独考虑纵比降与排导槽排泄能力的关系，没有考虑其他因素的影响，也缺少具体的参数指标衡量纵比降对其排泄能力的影响程度。因此可尝试结合固体物源性质、大颗粒具体含量等因素综合讨论排导槽的最佳纵坡。

3.2 横断面优化

由于水力学知识体系的相对完善，利用水力学相关知识优化泥石流排导槽横断面的理论研究较纵断面更多。

文献［12］通过理论推导出矩形、梯形、V型等几种常见排导槽的最佳水力断面，并进行比较，指出不同边坡系数情况下水力条件更优的槽型；圆形断面排导槽的水力条件较其他几种更好，但由于施工工艺复杂，实际工程中运用很少。

由此可见，前人对排导槽横断面的优化研究主要集中在如何通过改变横断面形态提高水力条件，为泥石流排导槽定型设计提供参考。但由于泥石流浆体中固体物质含量高、容重大，固体颗粒对水流紊动结构、流速分布、能量耗散等都有不同程度的影响［17］，使其性质与一般挟砂水流显著不同，纯粹用水力学知识解决泥石流运动问题有一定的误差和局限性。因此，应结合泥沙动力学的相关知识，掌握高固体颗粒含量的泥石流浆体与低含砂水流或洪水运动模式的区别，有助于进一步深入研究横断面的优化。

3.3 材料与结构

从排导槽运用于泥石流防治工程起，如何有效减轻泥石流对槽底的磨蚀、揭底破坏，选择何种材料可延长排导槽使用年限等问题就一直受到广泛关注。

周富春［18］从力学角度分析了泥石流浆体对排导槽的磨蚀机理，从垂直和平行侧墙两个方面推导出侧墙的受力情况，并对稀性泥石流破坏排导槽的全过程进行总结描述。但缺乏定量数据支持，其他类型泥石流是否具有同样的受力破坏机制，作者没有给出具体阐述。

为了减轻对排导槽的磨蚀作用，李德基等专家尝试改进排导槽结构。如1996年云南云龙县狮尾河复式V型排导槽由于磨蚀作用过强遭到揭底破坏后，在槽内一定间隔设置肋槛减缓泥石流流速，而且即使一段槽底破坏后，肋槛也可有效防止揭底进一步向上、下游发展。

其他一些地区也考虑采用强度更高的耐磨混凝土等新型材料来提高结构的抗磨蚀能力，如四川雅安汉源白熊沟排导槽（图7）将废旧钢轨交叉置于槽底呈网状排列，用混凝土填充，形成钢轨混凝土槽床，强度比一般混凝土更高，泥石流直接与钢轨碰撞，有效保护混凝土，避免磨蚀破坏。

图7 四川雅安白熊沟泥石流排导槽Fig.7 Debrisflowdrainagecanalof BaixiongGully，Sichuan

3.4 综合比较

泥石流排导槽种类较多，各具特点，适用条件也不甚相同，因此在设计过程中应结合流域环境、投资及技术要求等，选择最适合当地实际情况的槽型。

张开平［19］从排泄能力、施工难度等方面比较了各种槽型。V型、圆（弧）形槽排泄能力较平底槽好；软基消能槽防磨能力比传统平底槽好；软基消能、平底槽施工最容易，V型槽次之，全衬砌槽难度最大。

陈晓清［20］从槽型特点、投资及运行情况等角度对V型槽与东川槽的优缺点进行较为详细的比较，认为东川槽适宜沟床比降较大的泥石流；而V型槽适合排导比降较小的泥石流。但也不能一概而论，应结合工程造价、施工难易程度等因素综合评估。

由此可见，每种排导槽都有一定使用条件和局限性，抛开工程所处位置和环境，笼统评价某种槽型好坏在实际应用中意义不大。因此在排导槽优化设计中，应根据泥石流性质和规模、排导地形比降、保护对象重要性等情况综合评估，选择最合适的排导槽。

3.5 其他

另外，部分学者对某些具体槽型的优化设计进行了探讨，如东川槽潜槛布置、排导槽弯道设计等。

陈晓清［21］利用高含沙两相流理论，通过能量分配分析，推导出软基消能泥石流排导槽防治不同类型泥石流的肋槛冲刷深度和基础埋深分别为Δ=φ（1－n）icL，H=Δ+h，通过具体实例计算出相关设计参数，并应用到四川省金川红桥沟治理工程中，取得良好效果。

黄海［22］通过室内水槽模型试验对“东川型”泥石流排导槽进行了研究，通过改变肋槛间距、高度及排导槽的纵比降等条件，观测分析上述因素对泥石流流速、输移力的影响，指出泥石流的输移力是由上述三种因素共同决定的，并通过数据拟合得出肋槛间距与肋槛高度之比N与泥石流流速V之间关系的数学表达式：V=0.0341+C（C为常量），这对今后“东川槽”的优化设计有一定的参考作用。

但由于排导槽排泄能力不仅与槽型及结构有关，还与泥石流自身性质密切相关，如固体颗粒的粒径大小及含量，粒径越大，对肋槛冲击力越大，肋槛间距、埋深也相应增加。因此，为了使肋槛设计更接近实际情况，应适当考虑泥石流颗粒组成的影响。

针对东川槽等现有槽型的缺点和不足，陈晓清等［23］提出一种新型交错齿槛型泥石流排导槽，不仅具有东川槽消能减速的优点，还克服了东川槽容易淤积、阻碍上下游生物之间联系等缺点，为泥石流排导工程设计提供了一种新思路。

综上，前人主要从横纵断面优化、材料选择等对泥石流排导槽设计做了较深入的研究，但也有一些不足，如多数只考虑纵、横断面等单因子对排导槽排泄能力的影响，没有考虑相互间内在耦合规律。同时，排导槽排泄能力不仅与横、纵断面参数有关，还与泥石流自身的性质有关，如宽流体特性泥石流的排导需更深入了解泥石流自身性质，掌握其运动规律，以便设计出最合适的排导模式。另外，排导槽的设计是否符合生态修复标准也将是衡量其好坏的标准之一，所以应结合理论研究、模型试验等，综合多学科知识，系统研究排导槽的优化设计，为工程服务。

4 结语与讨论

综合分析上述研究成果，目前泥石流排导槽的研究已取得一定成果。初步界定排导槽合理纵比降为3°～10°；横断面上对几种主要槽型水力条件进行分析比较，得出最优断面；尝试运用高强混凝土等新型材料或结构增加排导槽的抗磨强度，延长其使用年限；对“东川槽”、交错齿槛槽等新型槽型进行了优化探讨；在排导槽设计过程中，应综合考虑泥石流地质地貌背景、水文条件、松散堆积物储量及补给来源、投资多少、施工难易程度等多方面因素，选择最合适的排导工程。但在理论研究、模型试验等方面还有待进一步深入：

（1）加强模型试验研究，从固体颗粒级配着手，通过不均匀系数、曲率系数等具体指标讨论其与排导槽纵坡、横断面水力条件及排泄能力之间的关系。

（2）综合考虑纵坡、横断面与排导槽排泄能力的关系，建立排导槽排泄能力Q与边坡系数m1、横坡系数 m2及纵比降 i之间的关系 Q=f（m1，m2，i）。

（3）排导槽设计过程中不仅需考虑对泥石流的排泄效果，还应考虑对生态修复的影响。

（4）运用“换位”思想，以排导槽中的泥石流为研究主体，通过试验、野外观测等手段，掌握浆体的运动模式，指导排导槽的理论研究。

（5）尝试运用新型材料改进排导槽的抗冲磨强度，延长使用寿命。

（6）加强理论研究，结合模型试验，建立一套完整的泥石流排导槽综合评估理论体系。

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