泥石流单双边防护堤防治效果对比——以曾达沟为例

王天健，胡桂胜，陈宁生*，侯儒宁，陈思华

（1.西藏大学，西藏 拉萨 850000；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3.高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁 810016；4.四川省华地建设工程有限责任公司，四川 成都 610081；）

0 引言

我国对泥石流的工程防治措施主要有预防、预警预报和治理三大类[1]。其中，泥石流的排导是治理泥石流灾害的重要工程措施之一，通过设计导流堤、急流槽、束流堤和排导槽等，减弱和引导泥石流流势，使泥石流按设计意图顺利排泄，从而减轻泥石流对目标工程的危害。但目前对泥石流排导工程的研究主要集中在排导槽尺寸的设计或沟床比降等措施上，对于排导槽防护堤的选型研究并不十分深入[2]。而且，在排导槽防护堤的选择上大多为单边防护堤。如四川省壤塘县石吾陇沟治理方案为在宗科河左岸设置单边防护堤，并加宽自然沟道，在堆积扇进行清淤工程[3]。四川省壤塘县茸郎沟泥石流治理方案为拦挡坝加单边防护堤[4]。所以现有研究未能认识到排导槽中单边防护堤和双边防护堤的优劣，使得在现有的泥石流工程防治过程中，存在一些不恰当的防治措施。

此次泥石流灾害中大量房屋、农田、道路和桥梁受损，造成直接经济损失1.52亿元。笔者认为，正是因为本次泥石流防治过程中存在一些不恰当的防治措施，使得泥石流灾害进一步加重与扩大。这将为以后泥石流的防治工程设计提供警醒与借鉴。

1 研究区概况

曾达沟位于成都市西北部，阿坝藏族羌族自治州西南部的金川县境内。沟口坐标N31°12′3.21″、E102°0′41.31″。东邻小金县，西南与甘孜州的道孚、丹巴两县接壤，西北和壤塘县毗邻，东北与马尔康县隔河相望（图1）。曾达沟距金川县城约48公里，S211省道从沟口通过，沟域内分布有曾达乡的6个行政村。

曾达沟位于四川盆地与青藏高原东南缘的过渡地带，地貌为高山峡谷地貌，地形切割剧烈，地形特征主要为高山、坡陡、谷深。境内北高南低，山脉为南北走向，河流由南向北流入大金川河。曾达沟为大金川河一级支流，汇流面积125.53km2，常年流水沟道，多年平均流量约5～8m3/s，汛期最大流量可达50m3/s。其主要补给源为大气降水、冰雪融水和地下水。

曾达沟区域气候属大陆性高原季风气候，日温差大，年温差小，冬不严寒，夏无酷暑，干湿分明，四季不明显。多年平均气温12.8℃，最冷月（1月）均温2.5℃，最热月（7月）均温20.7℃，无霜期多年平均184天。每年从11月至翌年4月为冬半年，日温差大，降水稀少（占年降水量的9%）；5月到10月为夏半年，降水显著增加（占年降水量的91%），且多以大雨、暴雨或连阴雨的形式出现。

曾达沟平面形态呈“梨”型，沟口至主沟分水岭长16.9km，沟域最高点高程4720m，沟口最低点高程2056m，相对高差2664m。全流域平均纵坡降约126‰，沟道下游总体较宽，向上游逐渐变窄变陡，局部宽窄相间。沟域内支沟发育，多呈“V”型。其上游为主沟沟源到张家沟段，支沟发育在主沟右侧，为张家沟，该段为清水区；中游为张家沟到四卡沟段，支沟有干海子沟、双海子沟、水卡子沟、倪家坪干沟、龙古沟、波岩沟、艾尔罗沟、坛罐窑沟、单鸡沟共9条支沟，该段冲淤结合，以冲为主，为流通区；下游为四卡沟到沟口段，支沟分别为四卡沟、卡子沟、白腊沟、龙灯沟、代都沟、小代都沟共6条支沟，为堆积区（图2）。

图2 曾达沟沟域图及排导槽分布图Fig.2 Domain map and drainage channel distribution map of Zengda Gully

曾达沟沟域内分布有三叠系中、上统区域浅变质岩，主要岩性为变质砂岩、板岩，属浅、滨海相碎屑岩夹碳酸盐岩沉积建造；以及新生界第四系松散堆积和冰水堆积层。构造不发育，无断层穿过。曾达沟位于鲜水河地震带和松潘地震带之间，按照“中国地震动参数区划图GB18306-2015”，抗震设防烈度为Ⅶ度，地震加速度为0.10g。

2 曾达沟单、双边防护堤灾后特征分析

本次曾达沟泥石流防治工程共有针对主沟两侧保护对象布置的排导槽防护堤共9段（1号防护堤到9号防护堤），总长度为2579.5m，其中：1号双边防护堤、2号单边防护堤、3号单边防护堤、4号双边防护堤、5号单边防护堤和6号单边防护堤建于主沟下游河谷，该段沟道呈“U”型谷，主沟自上而下逐渐变宽，宽度为164～260m，针对沿途道路、耕地和民房进行保护。7号单边防护、8号双边防护堤位于卡子沟到坛罐窑沟段的主沟河谷内。该段沟道相对下游较窄，成“V”字型。其中7号单边防护堤保护左侧道路和农户居住区。8号防护堤用于保护左侧公路和集体养猪场。9号单边防护堤位于波岩沟与主沟交汇处，该段沟道成“V”字型，谷底宽66.7m，底部发育曾达沟主河，河道位于谷底右侧，平均宽度8.6m，河道左侧为道路和民房。其分布如图2所示，其参数具体情况如表1所示。

表1 排导槽参数情况表

经实地勘察发现，曾达沟“6.27”泥石流灾害后，现存单边防护堤4处，其余2处均未发现。这4处单边防护堤所防护的建筑物、道路等工程，大多被破坏。3处双边防护堤则较好的保护了其防护的工程与建筑，且沟道内淤积物较少。其中2号单边防护堤沟道内有大量砾石，堤坝上有少部分石头，右侧地面明显有冲击痕迹；5号单边防护堤沟道内被淤满了，泥石流淤积物冲毁堤坝，冲上公路，冲毁房屋，并使得河道与目前公路互换位置（图3）。6号单边防护堤的沟道内有大量物质被冲出来堆积到公路上，河道左侧树林被冲刷；9号单边防护堤的沟槽内完全被泥石流的固体物质淤满了，左侧公路上也堆满了固体物质，使得河水改道到右侧（图4）。1号双边防护堤完全没有被破坏，仅堤坝上有部分淤痕，河道里有少量砾状岩石；4号双边防护堤部分被破坏，但沟道内淤积物极少，仅堤坝两侧有部分淤痕（图5）。8号双边防护堤左侧的道路被完好的保留下来了，虽然堤坝有部分损坏，但对路基没有太大影响。沟道内物质也极少，大部分都被冲走了；肋底槽中淤积物质较多，但大多为小块的淤积物质，其左侧公路稍有损毁（图6）。其具体受灾情况描述如表2所示。

图3 泥石流单边防护堤防护情况1Fig.3 Protection case1 of unilateral debris flow breakwater

图4 泥石流单边防护堤防护情况2Fig.4 Protection case 2 of unilateral debris flow breakwater

图5 泥石流双边防护堤防护情况1Fig.5 Protection case1 of bilateral debris flow breakwater

图6 泥石流双边防护堤防护情况2Fig.6 Protection case2 of bilateral debris flow breakwater

表2 堤坝受灾情况

出现上述情况的原因是，单边防护堤无法把泥石流淤积物限制在排导槽内部，使得泥石流淤积物向没有防护堤的一侧扩张，增加泥石流的携带物质和破坏力。增加了威力的泥石流破坏防护堤堤坝，让防护堤工程彻底失去其导流和排导的功能，继而毁坏其被防护的工程。所以单边防护堤沟道内及其两侧淤满了泥石流淤积物。而双边防护堤可以较好的把泥石流淤积物限制在其排导槽内，使得淤积物得以排出，故保护了排导槽所防护的庄稼、道路和建筑物，使得双边防护堤沟道内泥石流淤积物较少存留。

3 曾达沟单、双边防护堤阻力及淤积计算

泥石流单边防护堤会使得泥石流物质无法排出，是因为泥石流运动的阻力出现了变化，所以要确定泥石流运动阻力的大小。

泥石流运动是一种复杂的两相体运动。它的运动形式和阻力规律与泥石流的物质组成有关，因而不能简单地搬用计算水流阻力的曼宁公式或其修改公式。目前国内对于泥石流的研究结果表明[5]，泥石流在运动过程中存在两种阻力：一是泥石流具有非牛顿体的流变特性而产生的阻力；二是泥石流粗颗粒物质运动时受到离散的切应力而产生的阻力。所以根据阻力要素的组成情况不同，将泥石流运动划分为三种类型，即伪一相泥流、稀性泥石流和粘性泥石流。

其中伪一相泥流为细颗粒泥沙悬液，即泥石流中的泥流，是一种以细颗粒泥沙为主的流体，一般采用宾汉体的流变方程计算其阻力。粘性泥石流阻力的计算公式有拜格洛方程、康志成和熊刚提出的方程以及周必凡提出的的方程。稀性泥石流阻力的计算则采用和粘性泥石流相同的公式进行计算。因为稀性泥石流容重小，其泥石流内泥沙颗粒可分为三部分：由流体结构力支持的细颗粒悬浮质；以滚动、跳跃形式运动的粗颗粒推移质；以及介于二者间靠紊流支持的泥沙颗粒悬移质。随着含沙量的增大，泥石流粘性随之增加，而紊动不断减弱，颗粒接触碰撞的越来越严重，因而泥石流因剪切运动产生的离散力变得越来越重要。当含沙量增加到相当于容重1.8kg/m3后，泥石流紊动消失，就变成了粘性泥石流[6]。因此稀性泥石流是粘性泥石流的一种弱化状态。

本次曾达沟“6.27”特大型泥石流的容重可达1.684kg/m3，为稀性泥石流；所以采用粘性泥石流的公式计算稀性泥石流。

拜格洛认为泥石流为固液两相流[7]，他通过对泥石流流体颗粒间的作用力作了系统试验和测定，提出了拜格洛方程。但他所提出的方程中，认为泥石流流体是牛顿流体，这显然是错误的，所以笔者舍弃拜格洛方程不用。康志成和熊刚认为泥石流近似宾汉姆流体[8]，并按宾汉姆流体阻力方程导出匀速运动参数方程，通过实验确定流变参数，而提出了方程。但宾汉姆流体是一种纯粘性流体，显然也与稀性泥石流不一样，稀性泥石流是粘弹性的非牛顿流体，所以笔者舍弃康志成和熊刚提出的方程不用。周必凡认为泥石流为固体颗粒散体重力流[9]，具有基本符合库伦公式的剪切强度，并按固体颗粒散体重力流的观点建立的阻力运动的参数方程，通过实验确定其相应参数，提出了相应的泥石流阻力方程。笔者认为固体颗粒散体重力流理论十分符合稀性泥石流的运动问题[10]。所以本次稀性泥石流采用周必凡提出的泥石流运动阻力公式进行泥石流阻力计算。

通过引用周必凡泥石流运动阻力公式[11-12]式（1），计算本次泥石流防治工程中各防护堤处泥石流发生前后的泥石流运动阻力变化值：

其中：τh为泥石流运动阻力；τf为河床表层土体剪切强度；τ0为泥石流静剪切强度；fp为河床表层土体以上泥石流土体压力；φi为沟床土体饱和状态下的内摩擦角（室内剪切实验获得，取25°）；CΨ为泥石流土体的体积浓度；Cv0为泥石流土体的极限体积浓度；HC为泥石流平均泥深（现场实测，见表3泥石流堤坝附近泥石流阻力变化与侵蚀情况第2列）；γi为泥石流容重（室内筛分实验获得）；γ为水的容重；γy为沟床土体容重，取20kg/m3；θb为河床坡脚（现场实测，取15°）；A为Hamaker常数，取5×10-12；a为泥石流沙砾层数，取2；λ为泥石流流体线性浓度，取1.1；Pi为粒径级配每一级对应的质量；di为粒径级配每一级对应的粒径。

经计算得知泥石流运动阻力的确变大了（如表3泥石流堤坝附近泥石流阻力变化与侵蚀情况前4列数据所示）。但泥石流运动表现为冲刷沟床还是淤积在沟床上，则取决于泥石流运动剪切力与泥石流运动阻力的差的大小[11]，当泥石流的运动剪切力τc，克服其阻力τh后的余值，大于沟床质的抗剪强度τf时，沟床质产生运动，而形成冲刷。即当出现“τc-τh＞τf”时，泥石流运动表现为冲刷沟床；而出现“τc-τh＜τf”时，泥石流运动表现为淤积在沟床上。泥石流沟是否被侵蚀，使用泥石流侵蚀公式[11]式（2）进行计算：

其中：M为泥石流淤积参数；φm为泥石流土体动摩擦角（室内剪切实验获得，取25°）。若出现“tanθb＞M”时，泥石流运动表现为侵蚀沟床；若出现“tanθb＜M”时，泥石流运动表现为淤积在沟床上；若出现“tanθb=M”时，泥石流运动表现为正常排出。把各工程测量点数据代入泥石流侵蚀公式（2）中计算得出，结果均大于tanθb的值（0.27），所以泥石流运动表现为淤积在沟道内（如表3泥石流堤坝附近泥石流阻力变化与侵蚀情况后2列数据所示）。

表3 泥石流堤坝附近泥石流阻力变化与侵蚀情况

总结上述计算结果，泥石流运动到单、双边防护堤后均表现为阻力增大的特征，但是单边防护堤的阻力远远大于双边防护堤，是双边防护堤沟床所提供的阻力的1.51倍，所以其最终淤积情况明显严重于双边防护堤。

4 结论与建议

（1）在本次泥石流灾害防护工程中，随着泥石流的运动，防治工程被破坏，使得沟道旁大部分建筑物被损坏，造成了巨大的损失。其中，单边防护堤无法把泥石流淤积物限制在排导槽内部，使得排导槽内淤积了大量的泥石流物质，堵塞其沟道，破坏其排导槽防护堤，毁坏周边建筑物，造成灾害。双边防护堤可以较好的把泥石流淤积物限制在其排导槽内，所以其排导槽内泥石流淤积物特别少，少有排导槽防护堤被破坏，仅部分被损坏，其防护的民房、庄稼或道路，都未被破坏。

（2）在泥石流运动过程中，随着沟道的变宽与携带物质的增多，泥石流的物质组成不断变化。其中，水和泥石流淤积物形成的两相流体—非牛顿体的流变特性产生了巨大的阻力；而且随着泥石流流体的粗颗粒物质增多，使得泥石流运动时受到离散的切应力增大，故其产生的阻力也越来越大。综上所述，泥石流运动过程中所产生的运动阻力是增大的。

据泥石流阻力计算可知，泥石流单边防护堤沟床所提供的阻力是双边防护堤沟床所提供阻力的1.51倍。

（3）在泥石流防护工程中，排导槽选用双边防护堤可以有效减小泥石流运动阻力，使得排导槽内泥石流淤积物有效排出，从而减少泥石流防护工程中由于泥石流淤积物堵塞排导槽而造成的灾害。