热水河流域典型泥石流灾害成因机制与协同防治研究*

高相波 李丽慧

(①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)(②中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)(③中国科学院大学，地球与行星科学学院，北京 100049，中国)

0 引 言

泥石流是山区小流域常见的突发性自然灾害现象。大量块石泥沙伴随着暴雨裹挟冲出沟谷，淹没农田，冲毁村镇及道桥建筑等，极具破坏性，严重危害着居民人身安全和山区经济发展。随着我国脱贫攻坚任务和西部开发进程的逐步推进，保障人类生命财产安全和工程设施正常运维的需求与对山区小流域自然灾害防治防控能力之间的矛盾日益突出。如何有效防治山区泥石流灾害，降低致灾风险，是研究人员重点关注的科学问题。

目前泥石流灾害防治工程以岩土防治措施为主，生态工程措施为辅。常见的泥石流岩土防治措施包括：在泥石流沟道中利用拦挡工程拦截阻滞固体物源或利用排导工程将物源导流至指定位置，拦挡工程如拦砂坝(张庆丰，2018)，梳齿坝(赵健，2007)，谷坊坝(曾庆利等，2005)，桩板墙(吴红刚等，2017)以及柔性较大、排水效果良好的格宾石笼(张亚飞等，2013)等，排导工程如导流堤、急流槽等(李德基，1997)；在泥石流堆积扇位置利用停淤工程将松散物源拦滞停积(崔鹏，2009)；还有针对桥梁、隧道、路基及其他工程设施设置穿越工程或防护工程进行规避、防护，以抵御或消除泥石流对工程结构的冲击破坏、淤埋侵蚀等(赵健，2007；Wang et al.，2018)。

在实际工程中常常利用多种防护手段组成泥石流综合防治工程措施。如结合拦砂坝、排导槽和配套的过槽桥等一系列防护工程，设置为拦挡导流坝(徐飞飞等，2018)；设置格宾坝-桩板墙组合结构，在桩板墙迎水面一侧设置格宾坝，减弱泥石流对桩板墙的冲击作用，也保证泥石流流体物质的及时排出(李慈航等，2017)。以及将传统直线型重力拦挡坝改造为翼墙型拦挡坝(李斌等，2017)；将传统悬臂式桩板墙改造为衡重式桩板墙(刘国楠等，2013)等。

许多研究人员还从理论计算(陈洪凯等，2006；孙昊等，2018)、模型试验(黄远红等，2018；王东坡等，2019；王友彪等，2019)和数值模拟(王秀丽等，2015；冯帅等，2017)等方向针对泥石流的灾害效应和不同工程措施防灾减灾效益进行了研究。显然，岩土工程措施在山区小流域泥石流灾害防治中的治理经验十分丰富，理论研究工作较为充分，取得了良好的实际运用效果。

生态工程措施对泥石流灾害的防治研究也起步较早(陈循谦，1985；杜榕桓等，1995)。常见的泥石流生态防治措施主要是在泥石流沟域范围进行封山育林、植树造林、退耕还林等，扩大流域内植被覆盖率，因地制宜建立工程防护林、经济林等林区林带(唐晓春等，2000；崔鹏等，2005；罗清虎等，2018)。在突降暴雨或持续性降雨条件下，生态工程能够拦截降雨，阻滞降雨形成的地表径流，降低其对坡面的侵蚀程度，控制泥石流的发育规模，减少泥石流暴发频率(付江涛等，2014)；同时，植物根系对边坡土体也具有一定的锚固效应，增强土体抗剪强度，提高边坡稳定性(言志信等，2010；Rajesh et al.，2011)。对生态工程措施的防灾减灾机理研究已从水文效应和根土作用力学效应两方面取得了一定的认识，但对具体防治措施的减灾效益评价等研究目前较少涉及。

在泥石流防治工程实际应用过程中，岩土工程措施很少考虑对生态环境的影响，且由于岩土体的时空变异性，时常出现设计参数优化不够，泄洪能力或抗冲击能力不够，造成防护措施失效等情况(王根龙等，2011)，从长远来看限制了防灾减灾效益的持续发挥。而生态工程措施虽在发挥灾害防治效益的同时，能够顾及到改善自然环境，保护生态平衡，但植物本身的生长周期决定了生态工程见效慢，且植被的脆弱程度也限制了生态工程的全天候无差别发挥防灾减灾效益。因此，有必要研究生态工程-岩土工程协同减灾效应(Cui et al.，2013)，设计山区小流域泥石流协同减灾方案，既要实现迅速有效地防控泥石流灾害的目的，又能在保护生态环境的前提下达到持续发挥防治效益的要求。

本文以热水河流域的老洼沟和分叉沟两处典型泥石流沟道为研究对象，通过野外工程地质勘查和数值模拟分析的方法，揭示泥石流灾害的成因机制，评价不同泥石流灾害防治工程的减灾效益，最后针对两处典型泥石流沟道提出生态工程-岩土工程协同作用的防治减灾方案设计。

1 泥石流成因机制分析

1.1 研究区地质环境

研究区位于四川省凉山彝族自治州喜德县安宁河流域热水河小流域，针对泥石流灾害风险较大的老洼沟和分叉沟，调查研究区地质环境，分析泥石流形成发育条件，揭示泥石流灾害成因机制。

1.1.1 地形地貌

老洼沟地形总体上属于中低山地貌，沟域形态较为狭长，如图1卫星影像图所示。主沟近SN向展布，长度5.28ikm，沟域面积6.1ikm2。沟域海拔最高点位于泥石流沟道北侧，高程为3057im；海拔最低点位于泥石流沟口，高程为1923im，相对高差达1134im，纵坡降为21.5%。老洼沟泥石流形成区高程在2500im以上，地形较为陡峻。流通区位于沟域中下部。该区沟谷岸坡地形较缓，沟床宽缓平坦呈“U”型。植被稀疏，多为浅草或灌木丛覆盖，在修路、采矿等工程活动的影响下，坡面侵蚀严重，结构较为松散如图2所示。在暴雨或持续降雨条件下，沟道岸坡易产生崩滑等灾害，随后作为松散固体物源进入沟道参与泥石流活动。堆积区沟床开阔平坦，主要为泥石流块碎石堆积。由于老洼沟中下游沟道纵坡降较缓，在一般的水动力条件下沟床松散堆积物源难以主动启动，但如果遭遇大暴雨或持续降雨，水动力条件增强，大量沟床松散堆积物源将被揭底、掏蚀、裹挟形成大规模泥石流。

图1 老洼沟和分叉沟卫星影像图

图2 老洼沟泥石流流通区

分叉沟地形陡峻，沟域形态整体呈扇形，发育有3条支沟，沟谷形态呈“V”型，如图1卫星影像图所示。主沟NW-SE向展布，沟长1.55ikm，沟域面积1.13ikm2。沟域最高点位于东侧支沟沟头，高程2213im；最低点位于沟口前缘，高程1827im，相对高差386im，纵坡降为24.9%。分叉沟泥石流形成区地形陡峻，植被稀疏，坡面侵蚀严重，边坡坡度达50°至65°，基岩全风化至强风化，浅表覆盖大量松散堆积物。其中西侧支沟滑坡可见明显的滑坡陡坎，目前仍在发育，滑动方向120°，稳定性极差，如图3所示。流通区沟谷岸坡地形较陡，两岸边坡地形坡度达到40°，浅表松散堆积物丰富。由于沟头形成区滑坡稳定性较差，当滑坡坡脚物质被掏蚀，滑坡前缘产生变形，滑坡稳定性持续降低，可能引发大规模变形失稳，沿途侵蚀刮铲流通区松散堆积物进入沟道，补给泥石流。堆积区开阔平坦，纵坡降较小，3条支沟交汇于主沟。

图3 分叉沟西支沟滑坡

1.1.2 地层岩性

沉积地层是研究区内主体地层，分布面积最广，出露有元古界前震旦系、古生界震旦系、中生界三叠系、侏罗系、白垩系和新生界第四系地层，缺失寒武系、志留系、泥盆系地层。前震旦系地层岩性主要为千枚岩、大理岩、杂砂岩等；震旦系地层岩性为白云岩和石英砂岩等；中生界三叠系、侏罗系、白垩系地层岩性出露包括泥岩、粉砂岩、石英砂岩及钙质砂岩等；第四系地层岩性以褐黄色、暗紫色黏质粉土、黏土与砂卵砾石层为主。

1.1.3 地质构造

研究区属川滇南北构造带北段，分属于泸定—米易台拱、江舟—米市断陷两个Ⅲ级构造单元区域，受安宁河断裂带和东部普雄河断裂带的影响，历史上长期以东西向挤压应力为主。主要地质构造线方向近南北向，自北西向南东构造变形减弱。其中安宁河断裂是区内形成时代最早的一条南北向大断裂，发生于晋宁期，定型于喜山期早期。由多条现今仍在强烈活动的平行断裂组成，断面东倾，倾角60°～80°。该断裂具有南北延长远、破碎带宽、垂向切割深的特点，在新构造时期活动较强烈。

1.1.4 降雨和水文条件

研究区属亚热带季风性气候，全年分干湿季，多年平均降雨量1013.5imm。每年5月至10月，随着季风的进入，雨量剧增，降雨量占全年总降雨量的88.4%，暴雨主要集中在6月至7月间。根据区内地下水的水理性质、水力特征及赋存条件可大致划分为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水两大类。松散堆积层孔隙水分布于河谷平原和山间盆地，但总体上分布面积小，其富水性也较差。基岩裂隙水赋存于浅部基岩裂隙中，区内强风化基岩节理裂隙发育，裂面贯通性好，透水性好，裂隙水不易富集；中风化以下岩体完整性好，不易透水，因而成为基岩裂隙水主要的赋存空间。区内地表水系发达，水资源丰富，流量随季节而变化。河流冲刷侵蚀及洪水、地下水体活动等对地质灾害的形成和发育具有较大影响。每年汛期降雨量增大，地表径流增多，对边坡的冲刷和河流的侵蚀作用增强，如图4所示；地下水位的升高，也会降低土体稳定性，造成边坡失稳，发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。

图4 地表径流侵蚀边坡

老洼沟和分叉沟沟域近似呈扇形，沟域面积较大，沟谷形成区地形坡度陡峻，有利于大气降水和地表径流的汇集。从沟道边坡、岸坡及沟床内的松散堆积物等来看，沟道内物源非常丰富，为泥石流的形成发育提供了充足的物源条件。而充沛的大气降水及其形成的坡面径流等则为泥石流的形成发育提供了水源和水动力条件。这些基本条件共同导致了泥石流灾害的发生。

1.2 泥石流成因机制

通过上述区域地质环境调查和泥石流形成发育条件分析，老洼沟和分叉沟泥石流的成因机制主要是在突降暴雨或持续降雨条件下，大量地表径流汇集于沟道，泥石流形成区的边坡浅表物质及崩滑物质等各类松散固体物源在地表径流作用下夹带坡面侵蚀松散堆积物运移至沟谷中。运移过程中物源本身具有的势能向动能转化，形成速度极快、破坏力极强的泥石流龙头，冲击、掏蚀、揭底中下游流通区和堆积区沟谷岸坡坡脚以及沟道河床，岸坡崩滑松散物源和河床松散堆积物又被裹挟加入泥石流中。此时含有较多固体物源的泥石流具有强大的下蚀作用和充足的水动力条件，在向下游运移的过程中，通过揭底、冲蚀、卷动等作用将沟床原有的松散堆积物也带入泥石流，这种滚雪球的方式导致沟道中泥石流物源含量迅速并持续增多，从而暴发泥石流灾害。

2 泥石流防治措施的减灾效益评价

为了探讨不同泥石流防治工程的减灾功能，设计适用于山区小流域泥石流灾害的协同防治方案，本文通过数值模拟方法分别对岩土防治措施与生态-岩土协同防治措施的减灾效益进行分析评价，为建立生态工程措施与岩土工程措施协同作用的泥石流防灾减灾模式提供参考。

考虑到泥石流的运动学特征和动力学特征，基于有限元法和有限差分法等连续介质方法的数值模拟软件无法满足对泥石流防灾减灾效益的模拟分析，而离散元法则十分擅长动态问题的求解。因此，本文采用基于矩阵离散元法计算原理的数值模拟软件MatDEM(刘春等，2019)进行泥石流灾害防治措施减灾效益的模拟分析。

2.1 矩阵离散元建模

矩阵离散元法通过将生成的具有一定物理力学性质的颗粒单元进行重力堆积，建立初始地层模型。然后通过切割初始地层模型或在二次开发平台中自定义函数来构建具有特定几何形态的块石结构体、树木结构体和拦挡坝结构体模型。将生成的结构体模型导入数值模拟平台中构建数值模型，如图5a所示的岩土防治措施和图5b所示的生态-岩土协同措施两种泥石流防治工程数值模型。其中：岩土防治措施的模型中包括沟道结构体，块石结构体，拦挡坝结构体；生态-岩土协同措施的模型是在岩土措施的基础上添加了树木结构体。

图5 泥石流防治工程数值模型

考虑到离散元软件单元数目和计算效率的限制，构建大比例尺高精度泥石流沟道模型不够经济，且可能丢失小尺度模型，如防治工程模型等的细节特征等。因此，建模过程中结合泥石流沟道特征和实际防护工程对数值模型进行简化。在数值模型中设置沟道模型长6im，宽4im，坡度为30°，块石模型尺寸按照平均粒径设置为0.5im，拦挡坝模型采用墙体模型，高2im，宽4im。沟道中的生态防护工程主要是发挥树干拦截物源块石的减灾效用，因此树木模型简化为圆柱树桩模型。根据现场调查的植被发育情况，树木模型的树径设置为0.4im，并在块石模型的运动范围按照间距1im×1im进行排列。

在矩阵离散元软件MatDEM中，计算模型采用线弹性模型，通过颗粒间虚拟的法向弹簧和切向弹簧来表征颗粒间的相互作用，利用软件内置的宏微观力学参数转换公式自动训练获取模型材料物理力学参数(Liu et al.，2013，2017)，参数取值具体见表1，块石模型参数参考灰岩物理力学性质，拦挡坝模型按当地泥石流防治工程设计C30混凝土取值，树木模型则采用研究区主要林木类型桦树力学参数取值。然后进行时间步迭代计算求解，根据模拟结果分析评价不同防治工程措施的减灾效益。

表1 模型材料物理力学参数

为了更形象地说明泥石流固体物源块石与不同防治工程措施之间的作用过程，定量表达各自的防灾减灾功效，本文将对块石模型与拦挡坝模型和树木-拦挡坝组合模型作用过程中的能量转化过程进行分析，通过直观的系统能量转化与守恒间接评价不同防治工程措施的拦挡消能效益。

2.2 岩土防治措施减灾效益评价

如图6为泥石流块石模型与拦挡坝模型相互作用过程的能量转化曲线，可以看出，0～2.4is是块石模型从沟道上游运移至下游的过程，2.4～4is是块石模型在拦挡坝处发生碰撞并最终停积的过程。结合图7热能变化曲线可知，块石最初的重力势能在4is之内转化为近5300 J的摩擦热和阻尼热，以及一部分块石与拦挡结构的弹性势能和动能。

图6 岩土措施防护过程能量转化曲线

其中：在0～2.4is之间，块石模型的重力势能在运移过程中先是转化为近3300 J的系统热能和1800 J的块石动能。2.4is时能量出现突变：系统热能突增至4000 J，块石动能突降至1000 J，同时块石与拦挡结构的弹性势能也有少量增加，这一时刻是块石模型碰撞到拦挡坝模型产生的能量变化响应。2.4is之后，是块石模型与拦挡坝模型的碰撞、反弹，最终停积的过程。块石模型的重力势能、运动过程中产生的动能和弹性势能全部转化为系统热能耗散。

从能量转化时空分布来看，系统能量最终转化为热能5300 J。其中：在拦挡结构对块石模型进行拦截之前，块石在沟道运移过程中转化的摩擦热达3300 J，占总能量之比为62.3%。其余2000 J的能量则在块石模型与拦挡坝结构的相互作用过程中转化为热能。表明泥石流固体物源块石在沟道运移过程损耗能量62.3%，泥石流拦挡坝消耗了其余37.7%的能量。

由此可见，在块石被拦挡坝拦截之前，重力势能除转化了一部分块石动能外，大部分能量在块石运移过程中已经转化为热能耗散掉，最终块石停积在拦挡结构处，避免了固体物源对下游沟道的冲击、掏蚀和淤埋。

2.3 生态-岩土协同措施减灾效益评价

同样对生态-岩土工程模型能量转化过程进行分析。如图8能量转化曲线所示，0～1.5is之间是块石模型与树木模型碰撞的过程，块石携带的大部分能量在这一阶段已经消耗掉，结合图9热能变化曲线可知，块石的重力势能主要转化为摩擦热。1.5～5is是块石模型离开生态工程区域、与下游拦挡坝模型相互作用的过程。

图8 生态-岩土措施防护过程能量转化曲线

图9 生态-岩土措施防护过程热能变化曲线

块石模型在沟道运移过程中，率先受到上游树木模型的阻滞与拦挡，其携带的重力势能有3500iJ在0～1.5is之间迅速转化成近3100iJ的系统热能，以及400iJ的动能和弹性势能。且能量转化曲线显示，这个过程中块石的动能变化剧烈，一度达到1500 J以上，但在与树木模型相互碰撞、摩擦的过程中，块石动能和弹性势能迅速减少，相继转化为摩擦热。随后，在1.5～5is的过程中，能量曲线趋于平稳，块石模型运移至拦挡坝模型处碰撞、反弹，最终停积下来，系统能量最终全部转化为近5000 J的热能。

从能量消减贡献来看，物源块石模型共携带5000iJ左右的能量，在沟道运移过程中与树木模型相互作用共消耗3500iJ，占总能量之比达到70%；在下半段沟道运移过程与拦挡坝模型作用过程中消耗能量1500iJ，占总能量之比为30%。显然，与上文岩土措施防护下的能量消减占比相比，有生态工程措施的情况中，物源块石携带的能量能够更快地、更多地转化为摩擦热消减掉。

这一结果表明，生态防护措施能够对泥石流物源进行有效阻滞和拦挡，物源块石在与生态防护措施作用过程中消耗了大部分能量，极大地减轻了岩土工程措施的防灾减灾负担，有助于岩土工程措施更有效、更持久地发挥减灾效益，将泥石流物源拦截在防护工程位置。

对比两种不同泥石流防治措施的能量转化过程和热能变化曲线，岩土工程措施下的物源能量转化曲线在与下游拦挡坝相互作用时才出现显著波动(图6)；而生态-岩土协同措施下的能量转化过程集中是在物源与上游生态工程相互作用阶段，后期运移至拦挡坝位置的能量波动已经趋于平稳(图8)。另一方面，岩土工程防治措施下的热能变化曲线为下凸型(图7)，表明泥石流物源在初期与沟道摩擦、碰撞等过程中能量消减较慢，后期在拦挡结构的拦截下，物源能量迅速消减；而生态-岩土工程防治措施下的热能变化曲线为上凸型(图9)，表明泥石流物源在上游生态工程措施的作用下，能量消减速率较快，物源携带的大部分能量被消耗掉。这一结果也证明了生态-岩土工程协同措施对泥石流灾害防治的有效性，且较岩土工程减灾措施具有一定的优势。

3 泥石流协同防治方案设计

根据上文对不同防治工程模型减灾效益的数值模拟分析结果，结合山区小流域对生态环保的要求，可以在泥石流灾害防治工程设计中设置沟道生态工程措施对固体物源进行阻滞，消耗泥石流物源的大部分能量，再设置岩土工程措施对泥石流物源完成拦截。

下面分别对热水河流域的老洼沟和分叉沟两处典型泥石流沟道进行生态工程-岩土工程协同减灾方案设计(图10，图11)。

图10 老洼沟协同防治方案设计

图11 分叉沟协同防治方案设计

老洼沟主沟较长，沟域面积较大，沟道上游形成区存在不稳定斜坡。因此，首先需要对形成区潜在不稳定斜坡进行边坡支护，减少崩塌滑坡等重力侵蚀物源。然后对局部植被稀疏的区域进行植被恢复。根据不同地形坡度和土壤类型，选择适宜的乔木、灌木、草本植物组合进行种植，稳固形成区边坡浅表松散土层，控制坡面侵蚀程度，减少水土流失。从根本上减少泥石流物源的产生，降低泥石流灾害发生频率和危害程度。

对于流通区的防治方案，首先是对两侧岸坡进行植被恢复，减少坡面侵蚀物源进入沟道；然后在老洼沟狭长的沟道内按照一套乔木、灌木、草本植物搭配一级拦挡坝或谷坊的组合分批次、分间距地设置，形成生态工程阻滞和岩土工程拦截的梯级防护体系。在恢复植被降低沟道边坡侵蚀程度、植物组合稳固沟床阻滞固体物源运移、拦挡工程拦截泥石流固体物源的协同作用下，可以将绝大部分泥石流物源停积在流通区，减少泥石流向下游运移产生冲击、下蚀和淤埋等灾害效应。

最后，在堆积区设置导流堤和停淤场，将泥石流流体进行分流，避免对下游河床的侵蚀，甚至形成山洪等灾害，剩余部分固体物源则可以停积在指定区域，统一清理。

分叉沟主沟长度较短，沟域面积较小，但沟道纵坡降较大，地形陡峻，且西侧支沟沟头发育一处滑坡。此外，分叉沟形成区还存在多处潜在不稳定斜坡，潜在泥石流物源量极大。因此，针对分叉沟泥石流防灾减灾方案的设计，首要任务应是形成区发育的滑坡以及潜在不稳定斜坡进行削坡减载或锚固支护，提高边坡稳定性，避免崩塌滑坡等灾害产生大量固体物源。除及时治理滑坡外，同样应对形成区进行植被恢复。提高植被覆盖率同样可以稳固边坡，减轻坡面侵蚀程度，从而减少物源的产生。

与老洼沟平缓狭长的流通区不同，分叉沟流通区长度较短，且纵坡降大，基岩强风化至全风化，工程地质条件较差。在这样的地质条件下，采取沟道生态工程措施难以达到良好的减灾效果。因此，在流通区沟道按照一定间距设置拦挡坝、谷坊或格宾石笼等具有良好导排水功能的拦挡装置阻截固体物源的运移，并快速排导由上游汇集的坡面及沟道径流，然后在地形及土壤条件适宜的沟道两侧岸坡种植乔木、灌木和草本植物组合，稳固边坡，减少泥石流物源，减轻拦挡工程的承灾耗能负担，控制物源的产生和运移。

最后，在堆积区设置导流堤和停淤场，将形成区和流通区汇集的泥石流流体分流至热水河主河道，避免对居民区和农田牧场等的侵蚀和冲刷等，并将剩余的固体物源拦截在设置的停淤场范围，待统一清理。

4 结 论

(1)根据热水河流域的老洼沟和分叉沟两处典型泥石流发育沟道野外调查结果，上游形成区地形陡峻，纵坡降较大，为泥石流物源和降水、地表径流等的运移提供了有利的地形地貌条件；沟道边坡崩滑灾害、坡面侵蚀以及沟床松散堆积物再搬运提供了丰富的泥石流物源；而雨季充沛的降水及其形成的坡面径流和沟道径流又为泥石流的形成发育提供了良好的水源条件和水动力条件。这些基本条件共同导致泥石流灾害的发生。

(2)对不同防治措施的减灾效益进行数值模拟分析，根据泥石流物源运移停积全过程的能量消减贡献情况，在只有岩土工程措施的情况下，块石模型携带的能量有62.3%是在沟道运移过程中转化为热能，其余37.7%的能量是被拦挡工程消耗；而在生态-岩土工程协同措施的情况下，块石模型携带的能量有70%在与上游生态工程碰撞、摩擦等过程中消耗掉，其余30%的能量则由后半部分的岩土工程承载。表明生态-岩土工程协同措施能够更快地、更多地消减泥石流物源携带的能量，有效阻滞和拦挡泥石流固体物源。

(3)以泥石流防治工程减灾效益评价结果为依据，分别对老洼沟和分叉沟两处典型泥石流灾害发育沟道按照形成区、流通区和堆积区不同区域灾害发育特征，提出对应的生态工程-岩土工程协同作用防治方案设计，为建立山区小流域泥石流灾害生态工程-岩土工程协同减灾模式提供参考。