西南山区泥石流防治工程效益浅析

陈宁生，周海波，2，卢 阳，2，杨 玲，吕立群，2

（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，成都610041；2.中国科学院 研究生院，北京100049；3.四川省核工业地质调查院，成都610041）

泥石流是一种特殊的、对人类及其生存环境危害极大的山区自然地质灾害[1]。为有效防治泥石流灾害，俄罗斯修建了大量泥石流治理工程，C.M.弗莱斯曼提出了泥石流的预防措施和泥石流水利工程措施相结合的泥石流综合治理体系[2]。1981年日本学者 Takahashi Tamotsu提出硬性措施和软性措施治理泥石流[3]。唐邦兴等根据四川省众多泥石流治理经验，提出泥石流综合治理系统。该系统又分为3个子系统，即生态工程、工程治理和社会防治[4]。吴积善等认为泥石流治理措施主要为生物和工程两大类措施[5]。

泥石流防治工程包括岩土工程和生物工程。岩土工程主要有拦挡工程、稳沟固坡工程和治水工程，直接拦截泥沙和间接稳沟固坡减少泥石流物源，降低泥石流规模与频率；生物工程主要包括农业措施和林业措施，通过减少地表水土流失，从而减少泥石流土源，控制泥石流规模和频率，其作用只能通过间接的评估。

中国西南山区小流域地形地貌特殊、降水充足、物源丰富，泥石流发生频率高、危害大。著名的云南东川蒋家沟、四川西昌黑沙河流域，几乎每年都发生泥石流；其中也不乏泥石流灾害成功防治的案例。本文研究西南山区拦沙坝和谷坊等岩土工程带来的直接效益和间接效益，包括拦蓄泥沙、稳固沟床和边坡、削减泥石流峰值流量、降低泥石流重度、改变泥石流性质以及提高上游支沟侵蚀基准面等，以及生物工程实现植被覆盖率变化产生的间接效益，并对泥石流工程减灾措施提出进一步的建议（图1）。

1 西南地区泥石流防治工程简介

西南山区泥石流拦挡工程主要为拦沙坝和谷坊。拦沙坝种类较多，可从结构类型、受力状态、建筑材料、透水性能和作用时限等方面来划分其类型[6]。西南山区泥石流拦沙坝主要结构类型为重力坝、格栅坝和拱坝3种。统计26条泥石流沟的拦沙坝共计126座，其中重力坝112座、格栅坝12 座、拱 坝 2 座，各 占 88.89%，9.52% 和1.59%。另外，沟内还修建有650座谷坊坝（表1）。

2 拦挡工程直接效益分析

拦挡工程是防治泥石流最重要最有效的建筑物，是泥石流沟综合治理的骨干和先导工程，直接效益是拦截泥沙、泄洪、控制固体物质补给量和防止沟道下切，有见效快与使用时效短的特点，泥沙拦蓄量取决于坝高、坝上游地形条件等。

2.1 拦挡工程直接效益分析计算方法

为使拦挡工程直接效益计算方法简单适用而做如下假定：（1）拦挡工程在修建好后3～5年内基本被淤满，几乎失去拦蓄功能，但可发挥稳固沟床和边坡的作用，故假设3年内以岩土工程效益为主，3年后以生物工程效益为主。（2）滑坡剪出口位于沟床处且被堆积物覆盖，当沟内回淤的固体物质平均厚度达1m时，可近似认为该滑坡已基本处于稳定状态；拦沙坝（谷坊）的拦蓄量为其设计库容与调节量之和，可按三角楔体计算，即

式中：V为拦沙坝库容；h为拦沙坝净高；l为回淤长度；b为平均沟宽；i为沟床原始纵坡；ik为回淤纵坡。

在沟道内取得上述所需数据后，带入公式（1）即可得出拦蓄量。某些人迹罕至的地方，拦蓄量可直接取拦沙坝（谷坊）的设计库容值，回淤长度可根据式（1）反算。

2.2 拦挡工程直接效益分析

分析西南山区15条泥石流沟拦挡工程的直接效益可知，拦挡工程能拦蓄泥沙，减少泥沙下泄量，调节泥石流固体物质总量，起到削弱和调节泥石流的作用。拦沙坝减少松散固体物质总量的1.5%～48%，谷坊可减少0%～5%。在拦挡量方面拦沙坝起主要作用，为谷坊的几倍至几百倍不等（表2）。

3 拦挡工程间接效益分析

图1 各种治理措施下固体物质总量衰减值Fig.1 Attenuation values of the total solid materials under various control measures

表1 西部山区典型泥石流防治工程统计Table1 Statistics of typical debris flow control projects in the west mountain areas

表2 拦挡工程直接效益分析表Table2 Analysis of direct benefits of debris flow interception projects

随着泥石流库区淤积和库容减少，泥石流沟内漫流、横向侵蚀和坡脚冲刷等现象出现。拦挡工程直接拦沙滞流作用逐渐减弱，稳沟固坡作用逐渐加强。拦挡工程的间接效益主要表现在稳沟固坡、改变沟道比降、降低泥石流流速和峰值流量、减小泥石流重度和性质、提升上游侵蚀基准面等，最终抑制泥石流的形成与发展。此外，拦沙坝（谷坊）还可制止某些滑坡活动，在紧靠滑坡或沟岸不稳定段的下游修坝，利用其拦蓄的泥沙掩埋滑坡剪出口或保护坡脚，使沟床岸坡达到稳定（图2和图3）。

图2 谷坊坝稳固滑坡工程平面示意图Fig.2 Plan of stabilizing landslide project for a check dam

图3 谷坊坝保护沟床工程剖面示意图Fig.3 Profile of protecting ditch bed project for check dams

3.1 稳沟固坡效益分析

3.1.1 稳定沟床固体物质量计算

拦挡工程可以稳定沟道内原有的松散固体物质，设沟道内i拦沙坝平均沟道间距ri，i拦沙坝的回淤长度li，主沟道内松散堆积物平均厚度d，则其间接稳定的松散物的量W2

3.1.2 固坡效益分析

固定坡面松散固体物质，对这部分坡面松散物而言，其量为横截面积与回淤长度的积。

a.松散固体物质集中于沟道内

如果松散固体物质主要分布在沟道内，计算单位长度内松散堆积物的量及沟岸的平均横截面积。被稳定的坡面松散物的横截面积为沟岸的平均横截面积与沟道的平均横截面积之差，由此计算坝体稳定的坡面松散物质的总量。

松散堆积物总量W 除以堆积的沟道长度l即为单位长度内松散堆积物的量

w ＝W／l

单位长度内松散堆积物的量除以单位长度即为沟岸的平均横截面积

A＝w＝W／l

坡面松散固体物质平均横截面积为沟岸的平均横截面积与沟道的平均横截面积之差

稳定的坡面松散固体物质总量为

b.松散固体物质分布于沟道及崩塌滑坡处

如果流域内松散固体物质分布于沟道以及崩塌滑坡处，则可计算滑坡体处的松散物的平均厚度。假定处于稳定状态的岸坡坡度为θ，岸坡堆积物坡度α和β如图4所示。

图4 沟床横截面示意图Fig.4 Schematic diagram of gully bed cross section

稳定的坡面松散固体物质平均横截面积为

稳定的坡面松散固体物质总量为

c.拦挡工程间接效益分析结果

利用拦沙坝和谷坊坝稳固沟床和岸坡的固体物质量来表征拦挡工程的间接防治效益。分析西南山区15条泥石流沟拦挡工程的间接效益可知，拦沙坝稳沟效益在0.13%～35.39%。其中云南大盈江浑水沟流域物源总量51.706×106m3，拦沙坝间接稳定沟床物质总量约为8.30×106m3，占物源总量的35.39%；固坡效益在0.01%～65.01%。东川市黑水河流域拦沙坝固坡效益显著，固定岸坡松散物质总量约为17.19×106m3，占物源总量26.44×106m3的65.01%。谷坊稳沟效益在0.04%～6.08%，固坡效益在0.06%～33.98%。拦沙坝间接减少的量为谷坊间接减少量的2～10倍（表3）。

3.2 改变沟道纵坡比降

西部山区的泥石流防治工程实践证明，在泥石流拦沙坝淤满后，其淤积物表面不是水平的，而是有一个回淤坡度。回淤坡度的大小与堆积物粒径有关，与冲淤坡度的稳定性有关。目前要准确估算这一坡度还有一定难度。根据西部山区部分拦沙坝的回淤坡度资料，坝前稳定的回淤坡度I0都小于原沟床纵坡I，无经常性流水作用的泥石流沟I≈0.75 I0，有经常性流水作用的泥石流沟I≈0.6 I0（图5）。

表3 拦挡工程间接效益分析成果Table3 Analysis of the indirect benefits of debris flow interception projects

3.3 降低泥石流重度，改变泥石流性质

图5 拦沙坝改变沟道比降示意图Fig.5 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

目前的理论实践和实验都表明，在拦沙坝的拦蓄作用下，大部分泥石流沟的泥石流重度、性质都会出现变化。甘肃陇南地区马槽沟的泥石流防治工程建成运行8年后，泥石流平均重度由建坝前的2.0g／cm3减小到1.5g／cm3[7]。蔡祥兴等通过比较宝成铁路宝略段的8个泥石流治理工程，发现泥石流经过拦沙坝的拦蓄，绝大部分性质都起了很大变化[8]（表4）。

3.4 削减泥石流峰值流量和流速

坝体拦截泥石流中的粗大颗粒，重力分选作用下低于特定粒径的颗粒和水体从排水孔或溢流口进入拦沙坝下游，进入下游的泥石流体峰值流量有所降低。表5列出西部山区部分有观测数据的泥石流沟防治前后的泥石流峰值流量，这些泥石流防治工程实践证明，拦沙坝具有削减泥石流峰值流量的作用（表5）。

表4 宝略段8条泥石流沟拦沙坝拦蓄效益Table4 Storing effectiveness of the eight check dams in the Baolue segment

表5 西南山区部分泥石流拦沙坝削峰统计表Table5 Statistics of clipping peak flux the partial check dams in the southwest mountain areas

3.5 减小沟道侵蚀速率，提高上游支沟的侵蚀基准面

坝体淤积不同程度提高上游支沟的侵蚀基准面，有效地抑制各支沟的侵蚀下切。对比分析蒋家沟流域内有拦挡工程的多照沟和无工程的门前沟，泥石流发生前，前者沟内水体中的碎屑物质体积分数为0.5%，后者则几乎为零，说明坝体对沟道侵蚀速率影响较大。各支沟侵蚀基准面的增高量可表示为

式中：h为坝高；r0为支沟沟口距拦沙坝的距离；i和ik分别为建坝前后的沟床纵坡。谷坊坝修建后，伴随淤积和稳沟固坡，沟道侵蚀速率明显减小，上游支沟侵蚀基准面抬升0.3～0.5m。

4 生物工程综合效益分析

生物措施的作用主要为削减泥石流的土体补给量和泥石流形成的径流。

4.1 生物工程拦沙减沙效益分析原理

4.1.1 生物措施削减土源量

a.稳定土层，减轻片蚀

植物根系（乔木、灌木、草）层层交织成网深入土层，在一定程度上增加土层稳定性。其中乔木根系下伸最深，可达2～10m，灌木根系为0.5～4m，草的根系为5～30cm，乔木根系可深入土壤层底部的基岩裂隙内，起到锚桩的作用。蒋家沟泥石流源地（1.9～2.6km）1986－06－15雨量105mm，裸地和坡耕地上产生纹沟泥石流，平均冲刷5～11mm，泥沙净流失量达（5.0～11.0）×104m3；而草坡、林坡上却没有出现[9]。在蒋家沟泥石流源地，细沟泥石流既可出现于裸露地上，又可出现在草坡、林坡上，密度以裸地和坡耕地上最大，相邻两沟间隔仅数米，而草坡和林坡上达30～50m，前者约为后者的5～10倍；同样的情况亦出现于四川安宁河流域和云南思茅地区。可见，草木植被可抑制纹沟泥石流暴发。

b.稳定沟床，抑制沟道侵蚀

沟床的乔灌木植被有一定固土作用，尤其在泥石流形成区固土作用较为明显。蒋家沟泥石流源地区内，细沟沟床生长有乔灌木时固土厚度可达0.5～1m；切沟沟床内1～2m。但这些土体的稳定性具有时间性，当乔灌木一旦丧失（砍伐等）或流域发生低频率暴雨，乔灌木将随其土体一起参与泥石流活动，如1984年思茅地区所暴发的泥石流。

c.拦截泥沙，加固沟岸，固沟护坡

植被通过增加地表糙率起到拦截泥沙的作用，以泥沙形成区和堆积区的效果较好。四川凉山黑沙河泥石流形成区坡面草被可拦蓄泥沙5～10cm，沟床在乔灌植被郁闭的情况下，可增大回淤纵坡0.1%～0.5%。

4.1.2 生物措施削减泥石流径流量

a.截滞径流

生物措施中水源涵养林的调洪、滞洪作用最大。四川黑沙河流域内云南松林下枯枝落叶层（6～10cm），可调节6～12mm水量。该层土体孔隙大，渗透性及膨胀性强，滞流能力大，为下层土层的调洪作用提供条件，该流域松林地的径流系数仅为裸地的15%～28%。

b.延长径流的汇流时间

生物措施不仅削减形成泥石流的径流，也可延长汇流时间，为下游避险获得宝贵时间。比较一场暴雨中黑沙河流域林地、草地与裸地的产流时间，林地比裸地延迟55min，草地比裸地延迟67min。黑沙河治理后，主沟的同频率洪峰流量降低95%，固体物质减少75%。

c.增加土层入渗水量

随着地面枯枝落叶层不断增厚，底部可形成腐殖质层，经微生物分解后，增加土壤有机质含量，形成团粒结构，使土壤层具有良好的理化性质，增强土壤持水力。

4.2 生物措施减少泥石流物源评估方法

生物工程措施减少地表径流、改善土壤结构、降低径流的侵蚀，实现拦沙减沙效益，其机理和过程十分复杂，目前尚无适用于地区泥石流的理论模型，经验模型也十分缺乏。刘元保等研究表明植被覆盖地与裸地相比，可减少土壤侵蚀84%～99%[10]；蔡庆和唐克丽研究表明，植被覆盖率增加10%，土壤侵蚀量减少11.1%[11]。就单因素而言，土壤的侵蚀速率和侵蚀量随植被覆盖率增加而降低，但植被覆盖率达70%以上时，植被增加导致的侵蚀减少量较小。

植被覆盖率、坡度对土壤侵蚀影响最大，从目前可以观测的泥石流可知，物源总量与侵蚀模数相关，总量越大通常侵蚀模数也就越高，植被覆盖率增高导致侵蚀模数的降低。在西南地区建立一定坡度下不同植被覆盖率与侵蚀模数的半定量关系（表6），可以折算泥石流源区物源总量的下降比例，最终确定由此导致的泥石流容重、流量、一次总量、搬运的最大颗粒等运动力学参数的变化。

大部分泥石流流域坡度25°～35°，部分15°～25°和＞35°，其他等级相对较少。流域面蚀强度依据植被覆盖率并结合坡度进行评估。相应植被覆盖率的面蚀强度为轻度、中度、强度、极强度、激烈5个类别。由于中度范围较大，进一步分为中强和中等（表7）。

侵蚀强度不同的流域，平均侵蚀模数差别较大，为1～20kt／（km2·a）。由此可见植被的作用可以增加或减少一定数量的水土流失，但无法控制泥石流流域全部的水土流失，泥石流的固体物质数量和相应的侵蚀强度都较大。根据现在全国仅有的关于侵蚀模数与单位面积松散物质体积的观测数据（表8），我们可以拟合出公式进行侵蚀模数变化导致物源减少体积的估算（图6）。

表6 面蚀分级指标Table6 Grade index of surface erosion

表7 土壤侵蚀强度分级标准Table7 Grade standards of soil erosion intensity

图6 侵蚀模数与单位面积松散物质体积的关系Fig.6 Relationship between the erosion modulus and the quality of loose materials per unit area

4.3 生物措施减少泥石流物源效益评估结果

分析西南山区12条泥石流沟拦挡工程的生物措施效益（表9），其中云南东川大桥河流域物源总量最多，达15×106m3，工程防治后流域植被覆盖率为49%，相比工程之前的13%增加36%，流域侵蚀类型由强度转变为中度，侵蚀模数平均变化取值为（30～150）×106t／（km2·a），侵蚀模数变化导致物源减少18.98×106m3。从泥石流防治工程的拦沙减沙效益来看，生物工程作用很大，泥石流流域内植被覆盖率增幅为19%～60%，生物工程措施减少泥石流的物源总量达4.7%～34.6%，侵蚀模数平均变化介于（10～200）×106t／（km2·a），因侵蚀模数变化导致的物源减少量最大可达18.98×106m3。其中西昌市黑沙河流域植被覆盖率增加60%，侵蚀模数平均变化取值最高达为9kt／（km2·a），侵蚀类型由极强变为轻度，减少物源5.894×106m3，占物源总量的31.1%：生物工程防治效果显著。

5 结论

中国西南山区小流域地形地貌特殊、降水充足、物源丰富，泥石流发生频率高、危害大，主要采取岩土工程和生物工程措施综合防治。

表8 侵蚀模数与单位面积松散物质量关系Table8 Relationship between the erosion modulus and the quality of loose materials per unit area

表9 生物措施拦沙减沙效益Table9 Benefits of checking and reducing sediments by biologic measures

岩土工程措施的直接效益是拦蓄泥沙，减少泥沙下泄量，调节泥石流固体物质总量，起到削弱泥石流的作用。分析西南山区15条泥石流沟拦挡工程的直接效益可知，拦沙坝减少松散固体物质总量的1.5%～48%，谷坊可减少0%～5%。在拦挡量方面拦沙坝起主要作用，为谷坊的几倍至几百倍不等。

拦挡工程的间接效益主要为稳沟固坡、改变沟道比降、削减泥石流流速和峰值流量、减小泥石流重度和性质、提升上游侵蚀基准面等，最终抑制泥石流的形成与发展。分析西南山区15条泥石流沟拦挡工程的间接效益可知，拦沙坝稳沟效益0.13%～35.39%，固坡效益0.01%～65.01%；谷坊稳沟效益0.04%～6.08%，固坡效益0.06%～33.98%；拦沙坝间接减少量为谷坊间接减少量的2～10倍。

生物工程措施增加植被覆盖率、减少地表径流、降低径流的侵蚀、改善土壤结构，间接实现拦沙减沙效益。分析西南山区12条泥石流沟拦挡工程的生物措施效益，泥石流流域内植被覆盖率增幅为19%～60%，生物工程措施减少泥石流的物源总量达4.7%～34.6%，侵蚀模数平均变化介于1～20kt／（km2·a），因侵蚀模数变化导致的物源减少量最大可达18.98×106m3：生物工程防治效果显著。

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