白龙江中游泥石流拦砂坝防治效果分析

12

(1.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 水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049)

1 研究背景

随着人类经济活动范围的不断扩张和自然环境条件的不断恶化，泥石流作为一种常见的山地灾害，其发生频率变高，危害程度也越发严重[1]。“5·12”汶川大地震以后，在西南山区更是诱发了一系列的滑坡、崩塌等地质灾害。据统计，仅甘肃省陇南市就新增滑坡1 400余处、崩塌和地裂多达2 000余处，如此高密度地质灾害的发生提供了充足的松散固体物源，为泥石流的发生创造了有利条件[2]。

注：C为石炭系；D为泥盆系；J为侏罗系；K为白垩系；N为第三系；P为二叠系；Q为第四系；S为志留系；T为三叠系。图1 研究区地质条件以及拦砂坝位置分布Fig.1 Geological conditions of the midstream of Bailong River and distribution of check dams

目前泥石流的防治措施主要分为工程防治和生态防治2个方面，在工程防治中又主要以拦砂坝(包括透过性和非透过性)以及排导槽为主。由于泥石流拦砂坝具有建造简单、工程效益见效快等特点，故其在泥石流的防治工程中，得到了十分广泛的应用。关于泥石流拦砂坝防治效益的研究，目前已经有很多学者做了大量工作。曾庆利等[3]通过对云南蒋家沟2条支沟泥石流作对比，说明了谷坊在泥石流防治工程中具有良好的防治效果；陈宁生等[4]从西南山区泥石流沟的拦挡效益出发，分析了岩土工程措施和生物工程措施在泥石流防治中的重要作用；周海波等[5]以北川县化石板沟为例，对谷坊坝群的拦蓄效果进行了研究；Zou等[6]通过对云南昆明深沟进行实地考察，分析了拦砂坝坝群对泥石流的拦挡效果，并提出了一个计算坝群子系统拦蓄效率的半经验公式；卜祥航等[7]通过对汶川烧房沟泥石流进行实地考察，还原了烧房沟泥石流的运动过程，并对现有泥石流防治工程的效果进行了分析；袁东等[8]对陇南市武都区甘家沟泥石流的过坝堆积物的力学性能进行研究，并分析了拦砂坝对泥石流颗粒的作用影响效果。

然而现有研究多是从单沟的角度来研究拦砂坝对泥石流的调控效果，较少有文献从区域的角度来研究拦砂坝对泥石流调控情况，对白龙江中游地区的整体性研究更是较少，从而难以对拦砂坝的总体作用规律进行分析归纳。而白龙江流域作为我国泥石流最为发育的地区之一，其泥石流防治历史久，工程修建多，对其进行泥石流防治工程的效果研究具有典型意义，同时也可为今后该地区泥石流治理工程的修建提供一定的参考。

2 研究区概况

白龙江流域位于甘肃省东南部，发源于川、甘边境的岷山山系，自西向东流至嘉陵江，是嘉陵江一级支流、长江二级支流，主要流经甘南州迭部县、舟曲县、宕昌县、武都区和文县[9-10]。该地区地处青藏高原东缘、四川盆地边缘和黄土高原的交界处，地质条件和地形地貌极其复杂，泥石流、滑坡等山地灾害都极为发育[11]。据统计，白龙江流域现有泥石流沟710余条，其密度之大、发生频率之高均在我国前列，危害极为严重[2]。

本文研究区位于白龙江中游沿岸地区，上至两河口镇，下至桔柑乡，经纬度介于104°34′E—105°38′E，32°47′N—33°42′N之间。研究区面积1 815.80 km2，受地质环境的影响，该地区也是该流域泥石流最为活跃的地区。在地质条件上，该地区褶皱构造活动强烈，为不同构造体系的交接部位，岩质松散，且以黑色千枚岩和板岩为主，是该地区泥石流形成的主要物源[12-13](图1)；在地形地貌上，该地区总体地势起伏特征明显，山地、丘陵、盆地相间分布，山体相对高差大，同时河流切割作用严重，坡面泥石流和沟谷型泥石流在该地区均有广泛分布[13]；在气象水文方面，受北亚热带季风气候影响，该地区降雨在空间上很大程度分布不均，区内年均降雨量为400～900 mm，其中69%的降雨量集中于6—9月份，这为泥石流的启动提供了很好的水动力条件[10-13]。

3 现有拦砂坝的基本情况及运行现状

3.1 现有拦砂坝的基本情况

为研究白龙江中游地区拦砂坝对泥石流的防治效果，本文主要以该地区的13条泥石流沟、共计64座拦砂坝为调查对象，拦砂坝位置分布如图1 所示。

经野外实地考察发现，白龙江中游地区泥石流拦砂坝坝型单一，结构形式简单，以重力式实体坝为主，于该地区泥石流形成区、流通区均有分布。受各泥石流沟发育程度不同以及拦砂坝所处位置不同的影响，该地区拦砂坝坝体有效坝高一般较大，最大有效坝高达21.8 m(如甘家沟2#坝)；为减小泥石流的坝下冲刷作用，该地区拦砂坝下游一般都会建有副坝，部分拦砂坝甚至建有多座副坝；考虑到泥石流来流后的静水压力对拦砂坝的影响，主坝坝身均留有排水孔，以方形居多，开孔尺寸一般在0.2～0.5 m之间，呈“品”状布设，以利于拦砂坝的排水减载作用；此外，该地区多数拦砂坝还在拦砂坝底部中间位置处建有泄流孔，以增强其排泄小型泥石流和常流水的能力。本次所调查各泥石流沟的基本情况如表1所示。

表1 白龙江中游地区泥石流防治工程统计Table 1 Statistics of debris flow control projects in the midstream of Bailong River

图2 白龙江中游地区泥石流拦砂坝主要运行情况Fig.2 Operation status of some check dams in the midstream of Bailong River

3.2 拦砂坝运行现状

受该地区各泥石流沟发育情况不同的影响，该地区多数泥石流沟拦砂坝的运行情况也有很大不同，如图2所示。部分泥石流沟泥石流防治情况十分严峻，沟内拦砂坝基本处于淤满状态，剩余库容明显不足，如：燕儿沟沟内现调查有6座拦砂坝，其中4座拦砂坝被淤满(图2(a))；百草坝沟沟内有6座拦砂坝，除1座拦砂坝处于半库状态外，其余拦砂坝全部淤满，其中2座拦砂坝被固体物质淤埋(图2(b))。该类泥石流沟剩余库容少，安全储备小，在新的一轮泥石流来流时，泥石流直接过坝溢流，严重威胁下游的安全，故需要对该类泥石流沟多加防范。而部分泥石流沟自建坝后泥石流则较少发育，沟内多数坝体基本处于空库运行状态，如佛堂沟沟内拦砂坝自2009年起开始勘察设计，至今沟内15座拦砂坝全部处于空库运行状态(图2(c))；此外东江水沟、汉坪沟、贾家沟等也都具有较大的库容量，应对泥石流灾害具有充足的安全储备。除泥石流的拦蓄情况外，该地区拦砂坝坝体破坏导致失效现象也十分普遍，如拦砂坝整体被淤满(图2(b))、溢流口被破坏(图2(d))、坝基淘蚀(图2(e))以及因拦砂坝选址或施工不当而导致坡岸垮塌、拦砂坝主体部分被埋((图2(f))等情况也在该地区多有发生，故需要针对该类拦砂坝制定相应策略以应对灾害的发生。

表2 各泥石流拦砂坝参数计算统计Table 2 Statistics of calculation results of parameters of check dams

注：平均粒径采用福克和沃德的平均粒径表达式，即MZ=φ16+φ50+φ84/3，其中φ16，φ50，φ84分别表示质量累计百分含量为16%，50%，84%时所对应的粒度，粒度φ=-log2D，其中D为颗粒的直径[14]。

4 拦砂坝对泥石流的调控效果分析

拦砂坝对泥石流的调控作用主要表现在2个方面：①回淤缓坡，抬高局部沟床的侵蚀基准，起到护床固坡的作用；②拦砂节流，调节峰值流量，减小泥石流流速、密度以及规模[14]。为研究拦砂坝对白龙江中游泥石流的上述调控特点，本文对该地区泥石流较为发育的泥石流沟进行重点调查分析，利用激光测距仪对拦砂坝基本参数、上下游坡度进行测量，并对拦砂坝坝前坝后一定距离内堆积物进行取样分析，得到了该地区拦砂坝的运行情况、泥石流回淤情况以及堆积物颗粒粒径分布情况。具体调查结果如表2所示(其中拦砂坝的编号n表示所调查的拦砂坝中自上游往下游数的第n座)。

4.1 拦砂坝的回淤缓坡功能

拦砂坝上游泥石流的回淤坡度是拦砂坝在设计过程中的关键参数，直接关系着泥石流防治工程设计的合理程度。对拦砂坝上游回淤的测量统计(表2)发现，该地区泥石流的回淤坡度主要介于0.03～0.08之间，受不同地质情况、不同拦砂坝位置影响，回淤坡度略有不同。为此，本文引入坡度比(拦砂坝上游坡度与沟床原始坡度的比值)来进行坝后泥石流回淤坡度的分析。考虑到该地区拦砂坝下游受泥石流作用的影响不明显，故将拦砂坝下游坡度作为该断面处沟床的原始坡度，并建立拦砂坝沟床坡度比的变化趋势图，如图3所示。

图3 拦砂坝上下游沟床坡度比分布Fig.3 Ratio of upstream bed slope gradient to downstream gradient of check dams

通过对图3中沟床坡度比的分布范围进行分析可以发现，该地区泥拦砂坝沟床坡度比主要介于0.4～0.85之间，坡度比位于该范围的拦砂坝样本数占调查总数的79%，这与国内外现有一些研究所得的泥石流回淤坡度范围也基本相近[15]，故建议将此回淤范围作为白龙江中游地区泥石流的回淤坡度范围。

为此，基于上述分析，可建立白龙江中游地区拦砂坝上游泥石流回淤坡度的经验公式，即

I=(0.4～0.85)I0。

(1)

式中：I为拦砂坝上游泥石流回淤坡度；I0为拦砂坝原始沟床坡度。

4.2 拦砂坝的粒径调节功能

泥石流堆积物是泥石流快速侵蚀、搬运的产物，包含大量泥石流形成、运动和堆积过程的信息，其粒度组成是更能反映泥石流堆积物工程地质特性的一个重要指标[16]。为了得到泥石流拦砂坝前后粒度组成的差异，首先对泥石流堆积物进行颗分实验，筛分得到堆积物各颗粒粒径范围的百分含量，然后将上游堆积物中各颗粒粒径范围的百分含量与拦砂坝下游堆积物中相应各颗粒粒径范围的百分含量相减，若该值为正值，则说明在该粒径范围内，上游颗粒含量大于下游，拦砂坝对该类粒径颗粒主要起到拦截作用，该值为负值时则相反，由此可得到泥石流堆积物各颗粒粒径范围百分含量差值(见图4)。通过对图4中数据进行分析可以发现，对于同一座拦砂坝而言，当大于某一粒径时，泥石流堆积物的颗粒含量差整体趋于正值，仅在部分情况下表现为负值，如燕儿沟1#坝(拦砂坝被淤满)、甘家沟3#坝(拦砂坝溢流口被破坏)；而当堆积物粒径小于这一粒径时，则表现为相反规律。这说明在拦砂坝正常运行情况下，当堆积物中颗粒粒径大于该粒径时，拦砂坝对该类粒径颗粒的作用主要表现为“拦”；而当堆积物粒径小于该粒径时，拦砂坝对该类粒径颗粒主要起到“排”的作用，这说明拦砂坝对泥石流具有一定的拦粗排细效果。但受泥石流拦蓄情况不同以及泥石流性质不同的影响，其临界粒径(拦砂坝对泥石流起拦排作用的转折粒径)尚难以准确确定，故还有待进一步研究。考虑到上述分析仍缺乏定量化研究，为此对泥石流堆积物的平均粒径进行了计算。

图4 泥石流沟上下游堆积物的各颗粒组成百分含量差Fig.4 Difference of percentage content of particle sizes between upstream and downstream deposits in the debris flow gully

本文采用φ值的方法对泥石流堆积物的平均粒径进行了计算，计算结果见表2所示。与中值粒径相比，平均粒径更能反映泥石流堆积物的集中趋势[17-19]。通过计算拦砂坝上下游堆积物平均粒径比P，绘制了该地区拦砂坝堆积物平均粒径比变化图(图5)。从图5可以看出，拦砂坝下游泥石流堆积物的平均粒径与上游平均粒径之比P基本<1，该类样本数占到了调查总数的79%，其中最小平均粒径比可达0.328，这也可以很好地证明该地区拦砂坝对泥石流的颗粒粒径有较好的调节作用。

图5 上下游泥石流堆积物平均粒径比Fig.5 Ratio of average particle size of upstream debris flow deposits to that of downstream deposits

4.3 拦砂坝对泥石流的重度调节功能

拦砂坝对泥石流的重度调节也是拦砂坝的重要作用之一，由于泥石流爆发时的重度难以获取，故本文在泥石流重度的分析中，主要按余斌公式对拦砂坝上下游的泥石流堆积物进行泥石流重度γC的估算[20]，即

(2)

式中：P05为粒径<0.05 mm的细颗粒的百分含量；P2为粒径>2 mm的粗颗粒的百分含量。计算得到各种工况下泥石流的重度见表2所示。

对该地区泥石流堆积物的计算重度进行分析发现，计算所得的重度为16.7～20.3 kN/m3，与现有观测资料所得的重度基本相符[10]。然而拦砂坝上下游泥石流堆积物重度的变化趋势却不明显，变化幅度为0.2～3.0 kN/m3。为更直观地表征泥石流堆积物重度的变化趋势，本文引入泥石流堆积物重度比(拦砂坝上游泥石流计算重度与下游泥石流计算重度之比)来表征拦砂坝调控泥石流重度特征的参数，如图6所示。

图6 上下游泥石流堆积物计算重度比Fig.6 Ratio of density of upstream debris flow deposits to that of downstream deposits

从图6可以看出，拦砂坝上下游泥石流堆积物计算重度比基本与1接近，介于0.848～1.096之间，这说明实体坝对泥石流的重度调节能力较差，这可能与该地区泥石流主要为黏性，泥石流分选性较差、整体性较强有关。考虑到泥石流重度计算公式对该地区泥石流沟的适用性，将余斌公式计算的重度与杜榕桓公式计算的重度进行对比[21]，计算结果基本相近(图6)，故可认为利用余斌公式所得计算重度能较好地反映该地区泥石流重度变化情况。

5 结论与建议

本文通过对白龙江中游地区64座拦砂坝的现场调查以及实验分析，初步对白龙江中游地区泥石流拦砂坝的运行情况以及对泥石流的调控效果进行了研究， 主要得出以下结论：

(1)白龙江中游地区泥石流拦砂坝坝型单一，拦砂坝坝型仍以重力式实体坝为主。受拦砂坝坝型及其他条件的影响，部分泥石流沟防治情况较为严峻，多条泥石流沟存在泥石流的拦蓄库容不足问题，如燕儿沟、甘家沟、百草坝沟等；多条泥石流沟沟内拦砂坝坝体破坏严重，如拦砂坝溢流口被破坏、坝基淘蚀等，这类拦砂坝有甘家沟、百草坝沟、贾家沟等；此外，该地区还存在着因选址不同或工程施工等问题引起的坡岸坍塌，导致拦砂坝坝体被淤埋等情况，故需要对该类泥石流沟加强监测并进行重点防护治理。

(2)结合现场调查与实验分析结果，通过对拦砂坝上游泥石流回淤坡度进行分析，建立了白龙江中游地区拦砂坝坝后泥石流回淤坡度的经验公式，即I=(0.4～0.85)I0。通过分析泥石流上下游堆积物各颗粒的百分含量差，发现当大于某一粒径时，拦砂坝对泥石流颗粒的整体作用趋势表现为“拦”，当小于某一粒径时，拦砂坝对泥石流颗粒的整体作用趋势表现为“排”；通过建立平均粒径比来表征拦砂坝对泥石流的拦砂节流的调控效果，发现拦砂坝下游泥石流堆积物的平均粒径与上游平均粒径之比<1的样本数占到了调查总数的79%，说明拦砂坝对该地区泥石流也具有较好的拦粗排细效果，但其临界粒径仍难以准确确定。利用余斌公式对该地区泥石堆积物的重度进行估算发现，拦砂坝上下游泥石流堆积物计算重度差别不大，说明拦砂坝对泥石流堆积物重度调节能力并不显著，这可能与该地区泥石流整体性较强有关。

(3)白龙江中游地区的泥石流沟虽经过多年治理，但部分泥石流沟仍存在沟内松散物质过多、沟内拦砂坝坝体损毁严重等现象，故单纯地通过增修拦砂坝来进行该地区泥石流的防治并不能起到很好的防治效果，应结合多种手段，以达到泥石流的综合治理。

为此，针对以上问题，本文提出以下建议：

(1)该地区拦砂坝皆为重力式实体坝，而泥石流以黏性泥石流为主，建坝后拦砂坝极易淤满，故建议采用多种拦砂坝坝型相结合的方式，以进行泥石流的综合防治。如可在泥石流沟中游地区增修适当的透过性拦砂坝，如窗口坝、缝隙坝等，充分利用透过性拦砂坝拦粗排细的功能来降低泥石流在拦砂坝内的淤积程度，提高有效库容。

(2)部分区域可考虑结合生物防治的方法，如在沟道上游以及泥石流形成区采取一些农业措施和林业措施，通过减少地表水的流失，从而达到预防和制止泥石流的发生或减小泥石流规模的作用。

(3)该地区泥石流沟沟内巨石多，在拦砂坝淤满后易随泥石流直接过坝溢流。由于拦砂坝前后的沟道高差大，在重力作用下，溢流口和坝基往往破坏严重，在不稳定情况下拦砂坝坝体及坝后淤积物将可能成为泥石流的二次物源，对下游造成更大规模的破坏。所以必须加强对此类泥石流拦砂坝的修复和保护力度，以防止不必要的灾害发生。