生物谷坊在白沙冲泥石流治理中的应用

赫念学，李星宇，张奇林

(云南地质工程勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650041)

泥石流的治理技术源于水土保持工程，在20世纪60年代即已形成了工程措施与生物措施并举，“稳、拦、排”结合的综合防治工程体系[1]。生物措施防治泥石流，主要是利用自然森林植被具有的防沙固土、截留雨水、增强土壤渗透能力、减少地表径流、固持松散土质、调节洪水的独特功能，使泥石流少发或灾害减轻[2]。谷坊是应用比较普遍的泥石流防治工程，特别是浆砌石谷坊[3]在泥石流防治中应用较多。常规的泥石流谷坊一般采用浆砌石或埋石混凝土等土木工程实体坝，在泥石流沟中施工时，受场地条件限制，其施工材料搬运困难，一般均需修建专门的运输道路，但在山高坡陡的泥石流沟中修建运输道路，不可避免地会造成地形地貌破坏，并会产生工程弃渣，形成新的泥石流物源，而采用生物谷坊代替实体谷坊，则施工材料可大量减少。不同泥石流或同一泥石流的不同地段，泥石流冲刷强度、岩土体性质也存在很大的差异，因此在泥石流沟中实施生物谷坊时，需因地制宜地采用不同类型的生物谷坊或者采用实体坝与生物谷坊相结合的形式，以达到治理泥石流的目的。

有关植被在泥石流物源防治中的生态作用的研究开始较早[4-6]。对于规模较小的坡面型泥石流，通常在沟道内修筑一些用于稳定沟床的谷坊，在沟坡上采用植树造林、封山育林育草等大面积的生物措施进行防治[7]；生物谷坊也被广泛应用于沟道水土流失的治理[8-9]，张日俊等[10]对沙棘柔性坝的生态恢复效应做了初步研究，但有关生物谷坊在泥石流防治中的作用和成功经验的研究和报道较少。本研究以云南个旧白沙冲泥石流治理为试验案例，对生物谷坊在泥石流治理中的设计要点及应用条件进行了分析研究，以期为泥石流的生态治理提供借鉴和参考。

1 白沙冲泥石流概况

白沙冲处于云南省个旧市大屯海西岸，属亚热带山地季风气候区，年均降水量1 603.3 mm，日最大降雨量108.9 mm，沟水直接汇入大屯海，总体呈东西展布，整个流域面积约13.24 km2，流域相对高差约1 420 m，主沟长约4.1 km，平均坡降约13%，为典型的沟谷型泥石流沟。流域范围内主要岩性为燕山期中粒黑云母花岗岩，下游分布有三叠系个旧组碳酸盐岩。由于流域内历史上存在无证露天采山砂活动，植被被破坏，因此形成大面积的土壤强侵蚀区(见图1)。现状流域内发育13处崩塌、坍塌，22条活动性冲沟，泥石流主沟松散层厚2.0～20.0 m，平均厚约3.0 m，沟床平均宽约20.0 m。白沙冲泥石流固体松散物储量约为1 676.3万m3，其中可移动固体松散物量约为30.2万m3，其物质组成以砾砂、含碎石黏性土为主，碎石、块石次之。

图1 项目区2010年土壤侵蚀Google影像

白沙冲泥石流暴发频率为0.3～1.5次/a，泥石流浆体重度平均值15.5 kN/m3,为稀性泥石流；一次刷深0.2～0.5 m，从泥石流堆积扇扇顶向下游淤高0.1～0.5 m；泥石流流速为3.21～4.83 m/s，且从流通区上游至中下游速度逐渐增大，从流通区中下游至堆积区速度逐渐减小。

2 白沙冲泥石流的生物谷坊设计

根据白沙冲泥石流特点，将生物谷坊布设在泥石流即将启动或刚启动的位置，即布置在主沟最上游实体坝上游，泥石流形成区与流通区的交界位置(见图2)，共布置23条,每条长约30 m、宽1 m，每座谷坊之间距离约25 m。

图2 生物谷坊布设位置影像

2.1 布设区立地条件

布设区浅表层岩土体为砾砂、含碎石黏性土，土壤pH值5.5～6.2，属微酸性土，厚度一般大于2.0 m，质地较疏松。砾砂中砾石直径一般0.2～2 cm，含量20%～30%，砾石成分为黑云母花岗岩。该区无霜期长，沟内有间歇性水流，沟床比降小于10%。

2.2 树种选择

用于生物谷坊的树种，应选择具有深根性、根系发达、耐贫瘠、耐干旱、适应性强等特点的树种，应充分考虑流域的气候条件，从海拔、年均降水量、全年日照时数等生态条件来确定植物[9]，也要求具有速生、耐淹或大枝扦插容易成活等特点[11]。根据布设区的立地条件，调查和访问当地林业部门，选择适合的、生长迅速的优良乡土树种。项目区树种确定主要有白杨和滇柳。白杨和滇柳均具有适应能力强、生长快速、根系发达、固土能力强的特点，且均适合在沙壤中生长。

2.3 生物谷坊设计

生物谷坊设计为3行，选择胸径5～10 cm、高度大于3.5 m的白杨、滇柳植株，株行距0.5 m×0.5 m，呈梅花形交互种植。种植穴用Φ150 mm钢管钻进1.5 m深后插入树木(无根)，并用客土加化肥充填压实。在每行植株的下部从地面起向上按10 cm间距横向编织竹竿，每行编织11排，高1 m，竹竿直径1 cm；在上部距地面2.0 m处每行编制竹竿1排，竹竿直径2 cm。竹竿以细铁丝或铅丝绑扎。典型设计见图3。

图3 生物谷坊典型设计示意(单位：cm)

3 生物谷坊的效果评价

白沙冲泥石流生物谷坊按上述设计施工(见图4)，实施一年后，树木成活率超过95%，与周边环境相协调(见图5)，且固定沟床松散固体物质明显(见图6)，拦挡固体物质效果也较为显著(见图7)。据初步统计，已固定和拦挡可移动松散固体物质约1万m3，减缓了骨干实体坝的库容压力，初步估算可使实体坝延缓2～3年满库，同时使白沙冲泥石流沟内破坏的地形地貌得到恢复，环境得到很大的改善，相应地也减少了实体坝施工时修建专门运输道路、开挖基础所产生的工程弃渣。

图4 生物谷坊刚实施时

图5 生物谷坊全貌

图6 生物谷坊固土效果

图7 生物谷坊拦挡效果

4 结论与探讨

从白沙冲泥石流生物谷坊的实施及运行效果来看，应结合泥石流特点因地制宜地在泥石流沟中布设生物谷坊。总结起来有以下几点：

(1)在选择生物谷坊对泥石流进行治理时，为了有效拦挡和固定泥石流松散物质，建议采用实体坝与生物谷坊相结合的形式对泥石流沟进行综合治理。

(2)生物谷坊布设地段一是选择在泥石流形成区与流通区交界地段，以便在泥石流未启动时就将其固定和拦挡住；二是选择在泥石流沟床较为平缓且第四系松散物质相对较厚的地段，以便植物生长有合适的立地条件。

(3)在选择生物谷坊树种时，应结合泥石流沟本地植物品种和布设点土壤特点综合确定。

(4)实施生物谷坊时，其材料运输可不必修建专门的运输道路，也不需基础开挖，从而可减少或避免对地形地貌的破坏，还可减少弃渣的产生，即在修复地形地貌的同时也可减少泥石流物源量。

(5)泥石流实体坝施工成本较大，且随着时间的推移实体坝将逐渐被淤满，其拦挡作用将逐渐消失，而生物谷坊的树木随时间的推移将不断生长，其拦挡和固定松散物质的作用也随之增强。

(6)生物谷坊在拦挡和固定泥石流松散物质的同时也增加了植被覆盖率，改善了泥石流沟内的生态环境，使泥石流治理工程与周边自然环境相协调，试验结果对泥石流治理工程的绿色设计、绿色施工具有较好的借鉴和参考价值。