人工阶梯—深潭对泥石流消能作用研究

张　猛

(黑龙江省桩基础工程公司，哈尔滨 150036)



人工阶梯
—深潭对泥石流消能作用研究

张猛

(黑龙江省桩基础工程公司，哈尔滨 150036)

摘要：大坡度陡峭山谷中发育的阶梯—深潭是一种泥沙成分丰富的常见地质地貌形态，多存在水资源丰富的地区。国外已经开始对阶梯—深潭进行研究，并且利用其对泥石流进行治理，都取得了比较好的治理效果和经验。阶梯—深潭在国内治理工程和实验也说明其对泥石流巨大的消能作用，对泥石流治理具有比较好的借鉴意义。

关键词：阶梯—深潭；泥石流；消能；工程措施；工程设计

0引言

目前泥石流治理施工方案中多是基于顺理物源通道、降低充足物源积累上。工程设计整齐划一使施工工程达到设计效果，改变了自然力的河床、河岸状态。由于泥石流是复杂地质体，泥石流治理有一定的成功率，同时失败的情况也存在，多次发生泥石流治理成功率不高。从根源上讲，泥石流现象是水系发展到一定程度而产生的现象。水系的特征和泥石流的特征具有相似性[1]。研究泥石流的水系情况能够反映出泥石流的发育情况和活动状态。

1阶梯—深潭试验

1.1国内研究成果

中国是阶梯—深潭发育比较良好河流众多水资源丰沛的国家。山区河床在暴雨作用下岸坡失稳，侵蚀下切，沟坡增大，常常引发泥石流灾害。阶梯—深潭对河床自发性调整，使急流和缓流交替，能减轻对河床的强烈冲击,对泥石流控制有巨大作用。自2006年开始，清华大学课题组模仿建造阶梯—深潭对泥石流进行治理研究，先后开展云南东川市吊嘎河(小江流域支流)人工阶梯—深潭试验，四川省绵竹市清平乡文家沟滑坡堆积体泥石流治理试验，甘肃省礼县拦山沟泥石流治理试验，取得了比较显著的野外试验研究成果。研究表明人工阶梯—深潭消减巨大水流能量，取得水沙分离、沙石沉积，控制沟床下切效果，避免了泥石流灾害的发生。

1.2阶梯—深潭理论

阶梯—深潭是河流流经陡峭而狭长山区，由于重力作用与流动方向成90°垂向上不断拍动冲击河床，在地貌上呈现高度20 cm到几米不等阶梯状。阶梯—深潭形成经历粗化层阶段、河床起伏阶段、鹅卵石凸现阶段，在河水的冲刷下，松散堆积体逐渐沉降密实，阶梯和深潭相间结构逐渐稳定呈现天然状态。

阶梯消能作用占据主导，深潭90%以上消能效果与阶梯的高度有关，深潭消能作用随着流量增加而增加。阶梯阶段的水流运动形态分为跌落水流和滑行水流。其势能转化成动能产生紊动和掺气，在深潭处达到最大。水跃后动能转化成紊动能至最大，漩涡将其分解为热能。深潭消能阶段为水跃主流区、漩涡区、交界区。几何形态和水流条件共同影响阶梯—深潭消能率。图1是阶梯—深潭能量转化图。

2人工阶梯—深潭

2.1自然环境下的阶梯—深潭

具有高效消能作用的阶梯—深潭地貌是基于河水作用和河道走势而形成的自然现象。卵石和巨石组成阶梯，深潭中含有细沙，粗沙、少量砾石，河道垂向上呈现阶梯状。河流河谷的宽度限制了河水横向调整。

阶梯—深潭自发性对河床垂直方向上调整，使急流和缓流交替，能减轻对河床的强烈冲击。一块块巨石构成阶梯框架，粗大泥沙颗粒受到巨石阻隔堆积在巨石旁边和巨石共同构成阶梯。只有很大洪水下才能破坏泥沙颗粒堆积状态，不稳定阶梯瓦解之后，可以在下一级阶梯堆积后形成新的稳定结构。在自然条件下，泥石流输送沙石能力逐渐减弱的过程，同阶梯—深潭具有很大相似性。

人工阶梯依据地形地貌在泥石流发育的上游进行控制[2]。

图1　阶梯—深潭能量转化图

2.2人工阶梯—深潭

东江上游野趣沟、长江上游小江支流深沟和黑水河、岷江支流皮条河、嘉陵江上游九寨沟、贵州清水河都有发育比较好的阶梯—深潭，经过试验检测阶梯—深潭能使沟道面阻力增大，激发泥石流的水量相当于原来的3倍，比较好的控制了河床下切，减弱泥沙运送能力。人工阶梯—深潭是主动对泥石流滑行过程进行控制。泥石流施工治理设计的非标准性，要求根据不同类型的情况，进行不同设计。实际上，泥石流在起动之初，规模不大，破坏性不强，若在开始起动阶段将泥石流的能量消耗殆尽，则可以避免泥石流灾害[3]。

面对复杂的泥石流地质体，随机性比较大，排导工程设计是一种风险性设计，将模拟阶梯—深潭消能设计引入，作为排导工程的配套工程，将充分提高排导工程的稳固性。其中，侵蚀型泥石流能在运动过程中不断集聚能量，对下游造成更大的破坏。人工阶梯能量消散目的是通过消耗水流能量使得水流所具备的能量低于触发泥石流的临界值。

模仿阶梯—深潭进行布设人工阶梯应该在纵向上按照叠瓦式布置以保持稳定性，在水平面上按照反拱型态布设，石块之间交叉互叠堆积，形成一个整体。

3工程施工

3.1常见工程措施

目前泥石流治理思想：通过拦渣坝等泥石流启动过程中重要节点工程，实现对泥石流的控制。有侧重引水截水消减水力能量的治水方案；有侧重支护工程、拦砂坝等加固稳定土体的固土方案；有使泥石流顺畅下排的排导措施；有设置停淤场堵停措施；有封山育林的封闭修养措施。施工设计上治理措施集中在拦排及过境疏导方面，国内有很多用拦挡坝成功实例[4]。

3.2人工阶梯—深潭引入工程设计

合理利用地形地貌自然资源，因地制宜借鉴阶梯—深潭消能结构，将消能原理和疏导原理结合是泥石流治理的有效途径。控制泥石流上游的人工阶梯的数量、高度及深潭深度的工程设计要尽可能利用地形地貌，采用耐磨、高强度材料建造。其和拦砂坝、挡土墙、桩群等常见拦挡工程措施组合。拦渣坝等提高侵蚀基准面，阶梯—深潭消减泥石流的启动和加速，保证河床不下切，堆积物停留在上游，减小对下游的破坏。客观上还可以保持良好的生态景观。

4结论

人工阶梯—深潭具有保护岸坡，防止沟谷下切，有效地消减水能，减少了泥石流对下游地区破坏，对拦渣坝等拦排工程起到保护作用；使触发泥石流的水量降低和常见工程措施结合后，获得良好生态效应。

参考文献：

[1]张康,王兆印,贾艳红,李志威.应用人工阶梯-深潭系统治理泥石流沟的尝试[J].长江流域资源与环境，2012(04)：25-26.

[2]王兆印,漆力健,王旭昭.消能结构防治泥石流研究—以文家沟为例[J].水利学报，2012(03)：89-90.

[3]张康,王兆印,余国安,韩鲁杰.城市泥石流沟的治理启示—以深沟为例[J].地球科学进展，2011(12)：102-104.

[4]李文哲,王兆印,李志威.阶梯-深潭系统消能研究综述[J].水利水电科技进展，2014(03)：56-58.

中图分类号：TV135.2

文献标识码：B

[作者简介]张猛(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。

[收稿日期]2016-02-05

文章编号：1007-7596(2016)03-0023-02