烧房沟滑坡型泥石流工程治理及效果分析*

卜祥航　唐　川　屈永平　常　鸣　程　霄

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室( 成都理工大学) 成都610059)

烧房沟滑坡型泥石流工程治理及效果分析*

卜祥航唐川屈永平常鸣程霄

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室( 成都理工大学) 成都610059)

摘要国内对泥石流治理措施谷坊坝、格栅坝的作用和效果研究较多，而对滑坡型泥石流的综合治理措施和效果研究较少。2010.8.14强降雨过程导致汶川震区映秀镇烧房沟滑坡型泥石流暴发，通过分析其运动过程和现状沟道特征，结合滑坡堵点和沟道深切的特点，治理工程采用“防堵防切”综合工程结构形式：“上游谷防群+中游抗滑桩、挡土板和肋板护脚护底+下游3座格栅坝+渡槽明洞跨越G213”，并分析各分项工程作用：“减弱龙头动能”+控制LS01堵点、保护“鞋尖”+“拦粗放细”、“顺畅排导”。最后利用“2010.8.14”与“2013.7.10”的历史降雨量和固体参与量对比、工程治理前后动储量对比和各分项工程治理前后的沟道特点对比，验证了烧房沟滑坡型泥石流综合治理工程的效果良好。为今后震区滑坡型泥石流工程防治提供参考。

关键词滑坡型泥石流堰塞体工程治理效果分析汶川地震烧房沟

0引言

滑坡和泥石流的关系紧密，一定条件下，滑坡可以直接转化为泥石流(Vallanceetal.，1997)。滑坡型泥石流可大致分为3种情况(李树德， 1998)： ①滑坡体物质松散，含水量高，滑动过程中迅速转化为泥石流，如邓欠河、标水岩滑坡型泥石流(谢洪等， 2000)； ②滑坡体失稳，遇水拌和，形成泥石流，如曼蚌河、冒壳子、刘家堡、白梅垭、老熊洞滑坡型泥石流(李树德， 1998； 张开平等， 2003； 马超等， 2013)； ③滑坡体堵塞沟道，堵点溃决形成泥石流。滑坡型泥石流兼具滑坡和泥石流的一些特征，具有超强度高速输移泥沙石块的能力(李天池等， 1980)。2010年8月14日，烧房沟暴发特大泥石流，物源主要来自沟道右岸的LS01滑坡。冲出泥石流固体物质约25×104m3，其中约20×104m3堵塞岷江，形成平均高约1.5m的堰塞体，下游映秀镇居民受到威胁。同时沟口G213国道明洞被掩埋，导致G213国道生命线交通完全中断。根据灾后调查，烧房沟泥石流有如下特征：沟内LS01滑坡堆积体松散且动储量很大，极易再次形成潜在堵点； 泥石流运动过程中下切最大深度达19m左右，且沟道坡降较大； 其运动模式为：高速短程滑坡→沟道堰塞体→堰塞体溃决→泥石流流量“瞬时放大”。

汶川大地震对山体造成了严重破坏，龙门山断裂带范围内因频繁而强烈的余震产生了大量的崩塌、滑坡等。唐川预测汶川强震区至少在近10a内，滑坡和泥石流活动趋势是强烈的(唐川， 2010)。因此，地震灾区泥石流灾害将会日益突出，震区居民生命、财产安全时刻受到威胁。

采取何种有效措施防治泥石流值得探讨。通常的泥石流工程措施主要有谷坊、格栅坝、截流沟、挡土墙、调洪水库等(曾庆利等， 2005)。国内对谷坊坝、格栅坝的作用及治理效果研究很多(高守义等， 1998； 曾庆利等， 2005； 周海波等， 2012； 陈宁生等， 2013)，而对滑坡型泥石流的综合治理措施及效果的研究，确少之又少。为弥补研究的不足，本文分析了烧房沟滑坡型泥石流的运动过程、沟道特征，重点研究“防堵防切”综合工程结构的治理措施作用及达到的效果，为今后类似治理工程提供一定参考。

1流域特征

烧房沟位于映秀镇东北侧，岷江左岸。沟域面积0.61km2，相对高差1014m，主沟纵长1.58km，主沟平均纵坡降约464.97‰。沟域形态呈“柳叶”状，沟谷呈不对称深切“V”型，沟口狭窄，两岸坡度30°～80°。

映秀—北川断裂带的上盘在距断层 10km范围内是一个地震地质灾害强发育区(唐川等， 2011)，而烧房沟处于断裂上盘约500m处。山脊部位因“高程放大效应”，大量滑坡直接被产生(王涛等， 2010)。受以上两种效应叠加影响，烧房沟沟域内崩滑体发育，且位于沟内右岸LS01滑坡是典型的地震作用下的高速滑坡。

LS01滑坡平面形态近似“长靴”状，主滑方向约196°。滑坡体顺坡长约480m，平均宽约200m，后缘最高点高程1544m，前缘最低高程983m。该滑坡为基岩滑坡，滑床为澂江晋宁组花岗岩，滑面形态呈折线形，滑坡厚度10～25m，总方量约204.3×104m3，该滑坡整体下滑并严重堵塞沟道 (图1)。LS01滑坡堰塞体溃决导致烧房沟泥石流灾害流量“瞬时放大效应”。

图1　LS01滑坡地质剖面Fig.1　Geological profile of LS01

此外，根据等值摩擦系数(K)法(罗刚， 2010)将LS01滑坡判断为短程滑坡。

K=H/L=182/244=0.75>0.6

式中，H为滑体重心垂直位移(m)； L为滑体重心水平位移(m)； K<0.6视为远程滑坡，其余可视为短程滑坡。

2泥石流运动过程及现状沟道特征

2.1泥石流运动过程分析

烧房沟滑坡型泥石流运动过程如下： ①LS01滑坡体前缘剪切、后缘拉裂→高速下滑、对岸碰撞→后缘边坡坐落下滑→堰塞堵沟； ②溯源侵蚀、冲刷刨蚀→流体挤压、掏刷、淤积→堰塞体溃决→混合裹挟(刘传正， 2012)。

图2　8.14泥石流后烧房沟流域物源分布图Fig.2　Source distribution after debris flow event at Shaofang gully

90%以上的堰塞体，与地震诱发形成的高速滑坡有关(胡卸文等， 2009)。 “5·12” 地震作用下LS01滑坡后缘拉裂，中部顺层滑移，前缘剪断锁固段，滑面贯通，形成滑坡； 滑坡体高速下滑，且滑体中后部提供推力，使其快速碰撞正对面沟道左岸山体； 滑坡体受阻停止滑动并与沟道内短程堆积堵塞沟道。

“8·14”强降雨作用下，烧房沟陡峻基岩流域沟道不断汇水形成山洪，强烈刨蚀、下切主沟上游物源，在到达中游堰塞体前已形成强动能流体。强动能流体一部分沿堰塞体左岸狭窄冲沟下泄挤压并掏刷堰塞体，其余的流体则不断冲击堰塞体，受阻挡后淤积。另外快速的强降雨加速了堰塞体力学性质的降低。以上因素综合作用下堰塞体不堪重负而溃决，随后上方的滑坡体物源大量加入到泥石流活动中，最终泥石流洪峰流量瞬时放大。随之而来的是，高强度的沟床侵蚀和物质被搬运，迫使沟道被不断切深拓宽，固体物质被流体“滚雪球”般迅速混合裹挟，短时间泥石流规模便得到扩大。

2.2现状条件下泥石流沟道特征分析

物源条件上，强震作用下泥石流流域的松散固体物源量大大增加，这是汶川震区泥石流爆发最为显著的先决条件(唐川等， 2009)。“5·12”地震后烧房沟内物源总量约达251.9×104m3，“8·14”泥石流爆发时，启动物源量约25×104m3，仅启动了约10%的物源量。“8·14”泥石流后，沟内物源类型、数量及方量均发生了一定变化，各物源全部或部分参与泥石流运动，一些物源则转变物源类型。然而烧房沟流域内剩余的物源量仍然巨大，约223.91×104m3，动储量约54.7×104m3。其中LS01活动物源就有46.9×104m3，易成为潜在堵点。现状条件下，烧房沟流域物源类型组成与“8·14”前相当，仍以滑坡物源为主(图2)。

流域地形地貌上，“8·14”泥石流发生后，流域依然是陡急的山坡，沟道纵坡降大。对比分析泥石流前后流域各沟道段纵坡降：泥石流后，沟道平均纵坡降由原来的427.72‰增至464.97‰，只有6-7沟道段纵坡降略有降低，其余沟段均增大(表1)。因此流域中上游段以冲刷下切为主，下游沟口段以淤高为主。总体上，中上游沟道纵坡降增大，更加有利于中上游泥石流的启动； 下游沟道纵坡降低，不利于泥石流的排导，有利于泥石流物源和水源的汇聚。“8·14”泥石流形成的1号、2号支沟坡度很陡，特别是2号支沟沟道内多碎石，并堆积于中段坡度较缓处，堆积体高出地面1～2m，成为泥石流活动物源，(表1)。

表1　泥石流前后支沟及各沟段坡降对比

活动历史方面，“8·14”泥石流后，LS01滑坡体前缘坡度约47°，滑坡堆积物较为松散，沟道下切和侧蚀仍然较强烈。由于坡体前缘沟道重新冲开，致使坡体前缘(沟道5-6段)形成6～10m的临空面，在外界因素下极易失稳。2011年汛期，烧房沟冲出的泥石流物质来源，主要为主沟及2号支沟交汇区域，即沟道5-6段“鞋尖”处，约占冲出总量(2.16×104m3)的80%。

2.3发展趋势分析

通过对烧房沟现状物源、地形及活动历史的分析可知，“8·14”泥石流发生后，流域内物源量仍然巨大：动储量约54.7×104m3，其中LS01活动物源就有46.9×104m3， 2011年冲出的泥石流物质中，约80%为“鞋尖”处提供。沟道平均纵坡降增大，为泥石流提供巨大的动能。而沟口处(6-7段沟道)坡降降低，不利于泥石流的排导，具有泥石流发生的地形条件。通过类比分析，在特定降雨条件下，烧房沟具有再次发生大规模泥石流灾害的物源及地形条件。

3工程防治设计概况

3.1工程措施

根据全面调查，烧房沟泥石流爆发时，威胁对象有G213 国道、下游映秀新镇的居民人身及财产安全。因此，通过流域治理工程，减少参与泥石流活动的固体物质、控制规模、改变性质，防止冲出物质掩埋G213国道和堰塞岷江，保障下游映秀新镇的安全。

依据上述目标，治理工程措施是针对烧房沟内的物源分布、泥石流活动规律等进行，各项工程配合使用、综合治理、保证安全。采用“上游谷防群+中游抗滑桩、挡土板和肋板护脚护底+下游3座格栅坝+渡槽明洞跨越G213”的上中下游统筹的治理方案(图3)。沟道3-4段采用3座毛石砼谷坊坝进行固床、压坡脚： ①谷坊坝有效坝高3m，坝埋深2m，坝轴线长28.5m； ②谷坊坝有效坝高3m，坝埋深2m，坝轴线长19.7m； ③谷坊坝有效坝高3m，坝埋深2m，坝轴线长22.6m。沟道4-6段及2#支沟采用钢筋混凝土“抗滑桩+挡土板+防冲肋板”进行护脚护底：5种类型抗滑桩，共146根， 1593m； 4种类型挡土板，板长共465m； 两种类型肋板，厚1m，埋深2m，板长共515m。下游6-7段沟道采取3座混凝土格栅坝固床压脚、拦粗放细： ①格栅坝坝高17m，埋深3m，坝轴线长46m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形断面，孔间净距2.5m； ②格栅坝坝高13m，埋深3m，坝轴线长40.23m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形断面，孔间净距2.7m； ③格栅坝坝高17m，埋深3m，坝轴线长50.4m，泄水孔采用1.0m×1.2m的矩形断面，孔间净距2.7m。沟口采用钢筋混凝土明洞渡槽的方式跨越国道G213：渡槽宽40m，深4.5m。采用Ⅱ级等级的治理工程，主体工程按50年一遇暴雨标准进行设防。

图3　烧房沟流域工程措施布置全貌图Fig.3　Engineering layout at Shaofang gulley

3.2各分项治理工程作用分析

上游(3-4沟段)工程布置主要作用是控制堆积在沟道内的松散堆积体启动，降低龙头动能。上游地形较陡峻，沟道平均纵坡较大约426.13‰。沟道松散堆积体主要由碎石土夹块石组成，两岸坡体结构松散，坡度约35°～55°。陡急的地形，有助于松散堆积物能转变、洪水强烈侵蚀和形成高速泥石流龙头(唐川等， 2009)。泥石流对沟床的下切、侧蚀作用比清水流要大得多，因此谷坊坝工程主要控制易集中启动的沟道物源及滑塌岸坡，减弱龙头动能。通过拦蓄松散堆积物，防止泥石流的下切和侧蚀、改变沟道纵坡降、降低龙头的冲击力、减缓主沟中下游工程措施拦蓄压力。

中游(4-6段)工程布置作用是控制LS01潜在堵点溃决、保护“鞋尖”，防止不稳定物源被泥石流侧蚀及下蚀，减少参与泥石流活动的物源动储量。LS01滑坡前缘结构松散，加之沟道纵坡陡峻，致使“8·14”泥石流流体强烈冲蚀LS01滑坡体前缘，形成平均坡度约47°、高度5～10m的陡坡。滑坡堆积物胶结和固结很差，其动储量可达46.9×104m3，如再遇某种暴雨条件，必将再次失稳，造成沟道堵点的可能性极大。图4 为“8·14”后LS01滑坡体堵沟的一种可能物源供给模型。

LS01滑坡堵沟物源供给顺序：第1步，泥石流流体冲刷侧蚀LS01滑坡坡脚松散物质； 第2步，流体裹挟斜坡底部物质下泄，引起上部部分坡体物质参与泥石流活动； 第3步，坡脚抗滑力骤降，上部坡体失稳下滑，堵塞沟道。

从防治角度分析图4 中的模型可知，利用抗滑桩、桩板墙固定坡脚和防冲肋板护底，就有可能制止第 2， 3 步的发生，即防止滑坡失稳造成沟道堵塞。同样对于2#支沟及“鞋尖”处，仍可利用抗滑桩、挡板墙和防冲肋板的综合作用，防止2#支沟被冲刷和保护“鞋尖”失稳。大量的活动物源被稳拦，则泥石流发生的规模及概率就会大大减小。

下游(6-7沟段)工程布置作用主要是“拦粗排细”、“顺畅排导”，通过格栅坝调节出对堵江无害的夹沙流体，并利用渡槽顺利的排入岷江。此段平均坡降相对较缓约381.9‰，基岩出露，因此此段沟道设3座拦栅坝，控制泥石流携带大块石，对沟口棚洞及道路的危害。泥石流经过开孔的格栅坝群后，沿程被“水石分离”、“分级拦淤”，流体中固体物质平均粒径逐渐减小，缓解大块石对渡槽的冲击力，保证泥石流越过棚洞，通过渡槽顺利排入指定的岷江区域。表2中反应了各分项工程的作用及沟道治理前后的物源变化量。

表2　不同沟道段治理工程效果

图4　“8·14”后LS01滑坡体堵沟的一种可能物源供给模型Fig. 4　Supply model of LS01 landslide after “8.14” debris flow event

4工程防治措施效果

烧房滑坡型泥石流治理工程于2012年 5 月底竣工。而2013年烧房沟沿岷江上游处华溪沟和磨子沟爆发“7·10”特大泥石流，此次降雨引发的烧房沟固体物质参量较少(表3)。

表3　泥石流前后降雨对比表

表3中反映了泥石流爆发时的历时降雨量较“7·10”降雨量小，但由于治理工程措施的实施，“7·10”仅有少量(约0.72×104m3)固体量参与，综合治理工程具有一定效果。现场调查中发现：上游3座谷坊坝，其中两座已被淤满，另外一座已被淤满2/3，稳拦物源量约2.07×104m3； 中游稳拦物源量44.28×104m3； 格拦坝稳拦上、中游下泄的固体物质约 0.15×104m3。共稳拦物源量约46.85×104m3，达到设计控制目标(59.19×104m3)的 79.2%。

图5中对治理工程前后(a为治理前、b为治理后)沟道的对比可知，回淤后的沟床纵坡降低了约95.07%，泥石流流速得到了一定的控制，亦有助于耗散其能量，降低侵蚀速率。沟床内新长出的植被(以灌木为主)根系层层交织成网深入土层，进一步固定了介于谷坊群之间的泥石流松散堆积物。图6 是“8·14”治理工程前后，LS01滑坡堆积体上的植被发育情况对比。治理后两年植被恢复率约70%，这与抗滑桩、桩板墙和防冲肋板的拦挡、防流体下切有一定关系。表4中对上游工程区和下游工程区内的沉积物做了分析对比，下游工程区内粒径较上游内的小，且随距沟口的距离越近越小，说明了格栅坝起到了“拦粗放细”作用。

图5　谷坊坝工程前后沟道对比Fig. 5　Channel contrast before and after check dam

表4　距沟口不同距离处堆积物粒径分析结果

沉积物表面采集样品； 1-5#样品在格栅坝工程区， 6#样品在谷坊坝工程区

图6　挡土板和防冲肋板工程前后LS01滑坡堆积体对比Fig. 6　LS01 landslide body change before and after engineeringa. 2010年9月LS01滑坡堆积体； b. 2014年9月LS01滑坡堆积体

5结论

(1)2010年8月 14 日，烧房沟暴发特大泥石流，冲出泥石流固体物质约25×104m3，导致沟口G213国道明洞被掩埋，堵塞岷江主河道，下游映秀镇受到威胁。物源主要来自沟道右岸的LS01滑坡。

(2)烧房滑坡型泥石流运动过程如下： ①LS01滑坡体前缘剪切、后缘拉裂→高速下滑、对岸碰撞→后缘边坡坐落下滑→堰塞堵沟； ②溯源侵蚀、冲刷刨蚀→流体挤压、掏刷、淤积→堰塞体溃决→混合裹挟。

(3)“8·14”泥石流爆发后，烧房沟流域剩余的物源量约223.91×104m3，动储量约54.7×104m3，为泥石流的爆发提供了大量的物源，且其中LS01活动物源就有46.9×104m3，易成为潜在堵点； 地形地貌上平均纵坡降变陡，由427.72‰增至464.97‰，为泥石流的爆发提供了有利的条件。在特定的降雨条件下，烧房沟极有可能再次爆发泥石流。

(4)治理工程主要为“上游谷防群+中游桩板和肋板护脚护底+下游3座格栅坝+渡槽明洞跨越G213”的上中下游统筹的治理方案。分析各工程作用，确定谷防群主要是控制堆积在沟道内的松散体启动，降低龙头动能； 抗滑桩、挡土板和肋板护脚护底工程，主要是控制LS01潜在堵点溃决和保护“鞋尖”； 格栅坝和渡槽工程主要是“拦粗排细”、“顺畅排导”，调节出无害的夹沙流体，并顺利导入指定的岷江区域。

(5)治理工程竣工后，“7·10”暴雨下烧房沟仅有7200m3固体参与量，且治理后至今共稳拦物源量约46.85m×104m3，约占总动储量的86%。工程治理前后上游沟道纵坡降的变化，中游LS01坡体植发育情况的变化，及距沟口不同位置处沉积物平均粒径的对比，均说明烧房沟滑坡型泥石流的综合治理方案具有显著的效果。

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ENGINEERINGMEASURESANDTHEIREFFECTFORMOBILIZATIONOFDEBRISFLOWFROMLANDSLIDESATSHAOFANGGOUSTREAMVALLEY

BUXianghangTANGChuanQUYongpingCHANGMingCHENGXiao

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059)

AbstractThe function and effect of check dams and griile dams in certain catchments are studied extensively in China. However， there has been comparatively little research oncontrol measures and their effect to mobilization of debris-flow from landslides. A rainstorm induced debris flow hazard occurred on August 14， 2008 in Yingxiu Town of Sichuan Province， where was affected by the Wenchuan earthquake. The paper examines the motion process and the gully characteristics， landslides blocking point， the high depth of cutting， and their combinations. It is discovered that the whole basin comprehensive treatment shall prevent clogging and cutting. In order to control debris flow disaster happening again， check dams can weaken the leading kinetic energy in the upper reaches of the valley. Retaining plate and bed boards can control the landslide blocking point and protect the toecap in the middle reaches of the valley. Grillage damsand aqueduct can intercept the coarse particle and discharge debris flow smoothly. Then the paper compares the accumulated rainfall， solid matter involved in quantity， dynamic energy reserves and the gully characteristics around control measures. After discussing the initiation， the engineering measures for mobilization of debris-flow from landslides at Shaofang stream course has a good result. It provides a reference for engineering measures for debris-flow mobilization from landslides in the earthquake areas．

Key wordsDebris-flow mobilizationfrom landslides， Damming object， Engineering measures， Effecte valuation， Wenchuan earthquake， Shaofang gully

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.007

* 收稿日期：2015-03-17; 收到修改稿日期： 2015-04-27.

基金项目：科技基础性工作专项工作(2011FY110103)，国家科技支撑计划项目(2011BAK12B01)资助.

第一作者简介：卜祥航(1987-)，男，博士生，主要从事岩土体稳定性及工程环境效应研究工作. Email: 309351649@qq.com

中图分类号：P462.23

文献标识码：A