泥石流堵河影响因素及减灾对策

齐云龙，周 勇，龚成会

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610061)

泥石流常发生于山区小流域，是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体，呈粘性层流或稀性紊流等运动状态［1］。泥石流广泛分布于除南极洲外的六大洲山区［2］，严重地影响了当地山区人民的生产生活，制约了当地的经济发展。泥石流能在短时间内将大量泥沙输入主河，如果泥石流规模较大且主河水动力条件较弱，则有可能堵塞主河。在我国西部山区常发生泥石流堵河事件，如云南省东北部的小江流域［3］和西藏培龙藏布流域［4］。

泥石流堵断主河后，形成天然坝和堰塞湖，淹没上游农田、铁路、公路等沿江建筑物，造成大范围灾害。当洪水漫过天然坝时，发生溯源冲刷，进而导致天然坝溃决。而天然坝溃决产生的大规模溃决洪水，会对下游造成长距离超常冲刷，甚至冲毁下游农田和沿江建筑物，形成第二次灾害。如2010年8月7日，甘肃甘南州舟曲县出现持续强降雨天气，舟曲县城后的三眼峪沟和罗家裕沟暴发特大规模泥石流，并形成堰塞湖，堵塞白龙江，致使舟曲县城部分被淹，造成1364 人死亡，401 人失踪的特大灾害。

2010年以来，我国西南地区连续发生大规模滑坡泥石流灾害。在全球气候变暖、地震活动加强、人类活动加剧的大背景下，极端天气情况造成的特大山洪泥石流滑坡灾害呈上升趋势。据统计，去年1～8月份由于强降雨引发的泥石流灾害数量约是往年同期的10 倍，造成的人员伤亡失踪人数和直接经济损失也大幅度增加。泥石流堵河形成堰塞湖后的危害是非常严重的，因此有必要对泥石流堵河进行研究，探讨减灾对策。

1 泥石流堵河研究现状

泥石流与主河的交汇和河流之间的交汇有着本质的区别。泥石流是非牛顿体，河流是牛顿体。前者是非牛顿体与牛顿体之间的交汇。泥石流进入主河后沉积由流体转向固体，其交汇场是一个非恒定的不断变化的流场，难以测量和分析。而后者是牛顿体之间的交汇，相互掺混动量交换强烈并可维持稳定的交汇场，便于测量与分析［4］。

目前国内已经有很多学者对泥石流堵河进行了分析和探讨，并提出了相应的泥石流堵河判别模式。通过这些判别模式，可以大致估算出泥石流堵河的可能性。周必凡等［5］从理论的角度对泥石流堵江事件进行了探讨，在此基础上提出了泥石流的堵江的最小规模、扇形地泥石流沟床条件、主河流量等计算公式。匡尚富［6］从动量原理出发，理论分析了泥石流入汇形成天然坝堵塞主流的条件。朱平一等［4］在野外考察的基础上，对川藏公路培龙沟的泥石流输沙堵河成因进行了探讨和模拟实验，从输沙的角度来探讨泥石流能否堵河，并提出支沟泥石流输沙堵河的表达式。1983～1986年培龙沟泥石流堵塞了帕隆藏布江，陈宁生等［7］就今后不同泥石流发生频率探讨了泥石流再次堵江的可能性。韦方强等［8］以2001年7月8日云南东川蒋家沟泥石流堵断小江的观测资料为基础，分析得出这次泥石流堵河的主要原因。徐永年［9］就泥石流入汇的危险性判别指标进行了探讨，提出影响泥石流堵江的主要因素有泥石流的入汇角、密度和泥石流规模，并引入泥石流对主河的影响度的概念和表达式。陈德明［10］以试验为基础研究了泥石流堵江规律，通过一系列的水槽试验，他认为，泥石流与水流的密度、泥石流与水流的流量、泥石流与水流的平均流速以及交汇角是影响泥石流堵江的主要因素，并建立了泥石流堵江的临界判别式。何易平［11］用实验的方法得到了泥石流堵河的动量和流量判别式指标。郭志学等［12］对影响泥石流堵江的各因素进行了试验研究。张金山等［13］对堵河型泥石流基本特征进行分析总结，提出计算泥石流堵断主河可能性大小的经验公式。就笔者所查阅的文献，国外尚未见关于泥石流堵江问题的研究，他们多集中于清水或含沙水流与主河交汇问题的研究。

2 存在的问题

目前有两类泥石流堵河研究方法。一是实验方法。通过控制各种参数来获得数据，并用数学方法得到堵河条件判别式，这对工程设计有着较大的指导意义。二是总结单个泥石流沟的堵河特征，得到堵河条件判别式，这对于资料的积累、方法研究有着重要的指导性。尽管许多的学者都对泥石流堵河的现象做了研究，但是仍存在许多无法解决的问题。

2.1 参数复杂，难以获取

目前国内的学者大多用实验手段对泥石流堵河进行研究。但是这些方法所涉及变量有限，而且有些变量在自然界中难以获取，实际应用中限制较大。

以朱平一等［7］提出支沟泥石流输沙堵河的表达式为例。

式中:K为堵河系数，是泥石流输沙堵河可能性指标;K1为干、支流流向夹角系数;K2为干流弯曲系数;K3为支、干流流量系数;K4为支沟泥石流性质系数;K5为支沟泥石流持续时间系数;θ为支、干流流向夹角;b为干流河宽;R为河流弯曲半径;Q支为支沟泥石流洪峰流量;Q主为干流流量;γc为支沟泥石流重度;t为泥石流持续时间。

式(1)中的支沟泥石流洪峰流量Q支、干流流量Q主、支沟泥石流重度γc和泥石流持续时间t 等参数在野外难以获取，在一定程度上影响了堵河系数，进而影响对泥石流堵河的判断。

2.2 合理性不足，难以推广应用

部分学者从实验角度出发，得到堵河条件判别式，但其代表性不足，合理性也值得商榷。如笔者曾用何易平［15］所提出的堵河判别式对2007年发生在四川省九龙县乌拉溪乡的一次泥石流堵河事件进行了评估。2007年5月24日凌晨5 时，省道215 线九龙县境内九江路K59+500(乌拉溪乡)发生山洪泥石流造成公路断道并堵河。其评估结果却表明，该次泥石流不会堵塞九龙河。这说明采取的泥石流判别式存在一定的问题。

3 对泥石流堵河减灾对策的思考

目前国内外研究泥石流堵河的文献并不多，其研究方法大同小异，也取得了一定的研究结果。这些研究不仅有利于减轻泥石流的灾害，还有利于改善小流域生态环境以及有利于泥石流支沟与主河相互作用的理论研究。因其方法存在一定的问题，导致了这些成果难以推广应用。本文尝试从影响泥石流堵河的因素出发，提出泥石流堵河减灾的对策。

3.1 影响泥石流堵河的因素

泥石流堵河的影响因素主要有泥石流的暴发频率、泥石流容重、泥石流规模、泥石流颗粒级配、泥石流流变特性、泥石流入汇主河处的主河宽度、比降、流速、流量、泥石流与主河交汇角和主支流量比等［12］～［15］。可以将泥石流堵河影响因素概括为泥石流流体影响因素、主河影响因素和综合影响因素三个方面。

3.1.1 泥石流流体影响因素

在各因素中，泥石流的容重是影响泥石流堵河的一个重要因素，其作用也最复杂［15］。泥石流容重越大，在其他条件不变的条件下，进入主河的泥沙量越多，泥石流越容易堵河。泥石流的容重越大，其屈服应力和刚度系数越大，此时，泥石流体极易形成结构致密、抗冲性好的堆积物，其抵抗主河水流的冲刷能力较强，有利于堵河。但是泥石流的容重越大，其流动性越差，同等边界条件下，将降低泥石流的运动速度、流量及进入主河的泥石流总量等。

泥石流暴发的频率是影响泥石流堵河的另一个重要因素。它决定了该次泥石流的特征值，如容重、流量、规模等。泥石流暴发的频率越大，其容重、流量和规模也就越大，进入主河的泥沙量越大。颗粒级配影响泥石流堆积物的稳定性和抗冲能力的大小，决定着泥石流堰塞坝体的应力应变过程和溃决方式。在泥石流入汇过程中，上游持续的来水导致主河水位壅高，对泥石流形成的临时坝的作用力越来越大，如果泥石流不能持续供给，临时坝将在瞬时内就被水流冲毁，无法堵河断流。

3.1.2 主河影响因素

主河的宽度和比降对泥石流能否堵江有很大的影响。泥石流与主河水流的运动速度和运动方向不同，两者之间存在相互扰动。如果交汇口处的主河宽度较窄，泥石流能克服主河水流的扰动保持较强的运动势头运动到对岸，并将较多的泥沙搬运到主河以满足堵江的条件。主河比降可以影响水流在主河的运动速度和入汇泥石流的运动。主河底床坡度越大，主河水流流速越快，其动能越大，对入汇的泥石流的冲刷挟带作用越强。同时，对于汇入的泥石流体而言，主河坡度越大其淤积物的稳定性越差，再次起动所需的流速就越小，由此，主河坡度越大，越不易形成泥石流堵江。因此，泥石流堵江的可能性随主河宽度和比降的增大而降低。

3.1.3 综合影响因素

泥石流与主河主支流量比和交汇角是泥石流能否堵河的关键因素。随着主支流量比的降低，泥石流流量增加，单位时间内进入主河的泥沙量增多，到一定程度时，主河不足以带走全部泥沙，部分泥沙在汇流区淤积。当支主流量比达到某阈值后，则出现完全堵河现象。泥石流与主河交汇角［7］越大，泥石流越容易堵塞主河。小江流域蒋家沟泥石流堵河实例证实了这观点。

3.2 减灾对策

对活动频率较低、不会堵河且无重要保护对象的泥石流沟而言，不必投入经费给予治理;而对那些活动频繁的沟谷，可能堵塞主河且有重要保护对象的泥石流沟，必须采取措施控制泥石流，以达到消除泥石流堵河的目的。

影响泥石流堵河的因素有很多，但主要的影响因素是可以分析并控制的。采用岩土工程和生物工程措施对泥石流沟进行治理，可以有效地控制泥石流流体、主河和综合影响因素，以达到降低泥石流堵河可能性的目的。在具体应用中可根据实际情况选择其中一种或两种措施结合使用来消除泥石流堵河事件的发生。

3.2.1 岩土工程措施

岩土工程措施是人为修建一些工程来限制泥石流的发生和控制泥石流的流量。岩土工程措施可简单概括为“稳、拦、排、扩”等措施。

(1)稳:在主沟上游及支沟的物源区建梯级谷防群，以护岸稳坡、减少泥沙供应、抑制泥石流活动;

(2)拦:在主沟中游修建大型泥石流拦沙坝，拦截泥沙和漂木，以稳沟固坡、减弱泥石流活动和暴发规模;

(3)排:在沟道下游或堆积扇上建泥石流排导槽，将泥石流以较小的锐角排入主河，以防止保护对象受泥石流威胁或破坏;

(4)扩:在泥石流沟与主河交汇处附近100 m 范围内修建导流堤，以禁止其他工程挤占河道，缩小主河宽度，达到扩宽交汇处主河的目的。

3.2.2 生物工程措施

生物工程措施主要是指保护、恢复森林植被和科学地利用土地资源，减少水土流失，恢复流域内生态环境，改善地表汇流条件，削减地表径流和松散固体物质补给量，进而抑制泥石流活动。生物工程措施主要有以下三个方面内容:

(1)调整农业生产结构，改变耕作方式，对陡坡地坚决执行退耕还林还草政策;

(2)封禁泥石流沟，加强对已有林地的保护，禁止乱砍滥伐，禁止在流域内进行开荒、放牧、采石、采矿等一切有可能引起水土流失和山体失稳的人类活动;

(3)因地制宜，植树种草，营造山坡防护林，迅速恢复植被。如在流域上游营造水源涵养林，中游营造水土保持林，下游营造各种防护林。

4 结论

泥石流堵断主河后，形成堰塞湖，淹没上游农田、铁路、公路等沿江建筑物，造成大范围灾害。天然坝溃决后出现的大规模洪水将形成更为严重的二次灾害。因此，泥石流堵河现象不容忽视。本文在分析泥石流堵河影响因素的基础之上，结合野外实际考察资料，探讨了基于泥石流堵河影响因素的减灾措施。

(1)泥石流堵河的主要影响因素包括三个方面，即泥石流流体影响因素、主河影响因素和综合影响因素。这些因素的作用效果很复杂，难以判断哪个因素对堵河有正面或负面的影响;

(2)根据泥石流沟的实际情况，合理采用岩土工程和生物工程措施对其进行治理，可以有效地控制泥石流堵河的影响因素，以避免泥石流堵河事件的发生。

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