椿芽樹溝潛在泥石流動力學(xué)特征及防治工程探討

滿兵

（河北省水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊050021）

1 引言

持續(xù)性和滯后性是強(qiáng)地震引起的泥石流災(zāi)害的主要特征。地震為泥石流的暴發(fā)提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生許多潛在的泥石流[1]。以都江堰市龍池鎮(zhèn)南岳村7 社的椿芽樹溝泥石流為例，該泥石流地處“5.12”特大地震災(zāi)害重災(zāi)區(qū)，受“5.12”強(qiáng)震影響，2008 年和2009 年均發(fā)生過一次泥石流，嚴(yán)重威脅到村民的生命安全和經(jīng)濟(jì)安全。本文通過研究該泥石流的動力學(xué)特征，并進(jìn)一步探討治理方案，為徹底治理泥石流災(zāi)害提供了依據(jù)。

2 椿芽樹溝泥石流概況

都江堰市龍池鎮(zhèn)南岳村椿芽樹溝為老泥石流溝，該泥石流溝位于都江堰市龍池鎮(zhèn)北部8km，溝內(nèi)物源條件較為豐富，特別是受“5.12”強(qiáng)震影響，致使溝內(nèi)物源量更加豐富，地形也更為陡峻，有利于地表降水和泥沙淤積。此外，溝域內(nèi)降水較為充足，使得該泥石流易發(fā)程度較高，危險性較大。椿芽樹溝一旦發(fā)生較大規(guī)模泥石流災(zāi)害，其威脅對象主要為溝口的4戶農(nóng)家樂。因此，對其進(jìn)行應(yīng)急治理是必要而緊迫的。

椿芽樹溝溝域形態(tài)近似菱形，其中短軸0.6km、長軸1.5km，溝域面積約為0.6km2，溝域最高點位于西北側(cè)頂部，高程為2000m，最低點位于龍溪河河口，高程為1200m，相對高差約800m。椿芽樹溝由一條主溝和2 條支溝組成。主溝由西向東匯入龍溪河。2 條支溝，一條是由西北方向匯入主溝（Ⅰ號支溝），一條由西南方向匯入主溝（Ⅱ號支溝），長度均較短。

椿芽樹溝泥石流溝域組成區(qū)主要為典型的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。主溝與Ⅱ號支溝交匯處以下至較窄段兩岸崩滑現(xiàn)象發(fā)育，導(dǎo)致有較多的堆積物，是固體物源的主要區(qū)域，該區(qū)域標(biāo)定為形成區(qū)，即物源區(qū)；以下段依次為泥石流流通區(qū)和堆積區(qū)。泥石流區(qū)域劃分見圖1。

圖1 椿芽樹溝泥石流地質(zhì)災(zāi)害分布圖及防治工程布置圖

3 泥石流特征參數(shù)計算

椿芽樹溝泥石流基本特征值通過現(xiàn)場調(diào)查獲取，計算指標(biāo)主要為擬設(shè)攔擋工程部位所需參數(shù)[2，3]。

3.1 泥石流流體密度

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，泥石流形成區(qū)崩塌堆積物的主要成分粒徑由大到小為礫石、碎石、中粗砂及少量粉質(zhì)黏土，因此，物質(zhì)來源在結(jié)構(gòu)特征上也以上述物質(zhì)為主。由上述特征可知，該泥石流為稀性泥石流。綜合考慮配漿法與查表法結(jié)果，確定泥石流密度為1.745t/m3。

3.2 泥石流流量

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》頻率為P的暴雨洪水設(shè)計流量如表1 所示。

表1 椿芽樹溝流域各剖面峰值流量計算m3/s

3.3 流速計算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，地震后松散堆積體以礫石、碎石、砂等物質(zhì)為主，從堆積物的顆粒級配分析可看出，物質(zhì)來源在結(jié)構(gòu)特征上也以礫石、碎石為主，其次是砂和粉質(zhì)黏土，從而確定該泥石流以稀性泥石流為主，可采用西南地區(qū)計算稀性泥石流公式計算其泥石流流速，計算結(jié)果見表2。

表2 椿芽樹溝流域各剖面泥石流流速、沖高及爬高計算表

3.4 一次泥石流過流總量

以P=2%的雨洪法計算峰值流量，綜合確定泥石流峰值流量為23.35m3/s；根據(jù)調(diào)查訪問，2008 年泥石流持續(xù)約40min，P=2%泥石流按持續(xù)50min 計算，即取T=3000s；設(shè)計頻率P=2%泥石流一次沖出量為Q=1.42×104m3。

3.5 一次泥石流固體沖出物

泥石流密度γc=1.745t/m3，水的密度γw=1t/m3，泥石流固體物質(zhì)密度γH=2.61t/m3，據(jù)此計算出固體物質(zhì)沖出總量為QH=5400m3。

3.6 泥石流整體沖壓力

按DZ/T 0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行計算，整體沖壓力在擬布設(shè)攔擋工程部位中的4 個斷面處進(jìn)行計算，分別為：5-5'斷面、8-8'斷面、12-12'斷面、17-17'斷 面 的 泥 石 流 沖 擊 力 分 別 為：43.91kN、6.95kN、31.60kN、30.08kN。

3.7 泥石流爬高和最大沖起高度

按DZ/T 0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行計算，此外仍選擇擬設(shè)攔擋工程的4 個斷面進(jìn)行計算，計算結(jié)果詳見表2。

3.8 泥石流彎道超高

按DZ/T 0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》計算泥石流彎道超高，在擬設(shè)排導(dǎo)槽處超高為1.1m。該處泥石流徑流深1.0m，超高為2.1m，會產(chǎn)生大量淤積，使得泥石流可能涌入附近村莊，因此需要在彎道處設(shè)置防護(hù)措施。

4 防治工程探討

4.1 防治方案制訂

根據(jù)潛在泥石流溝的特點提出2 種治理方案：方案一為“排攔”治理思路，采用“谷坊壩+梳齒壩+單邊防護(hù)堤+V 型排導(dǎo)槽”進(jìn)行治理；方案二為“攔排結(jié)合”的治理思路，選用“重力式攔擋壩結(jié)合下游排導(dǎo)工程”進(jìn)行治理，保證下游安全。

1）方案一：谷坊壩+梳齒壩+排導(dǎo)槽+防護(hù)。

從椿芽樹溝溝道特征上分析，該溝道上游縱坡大距離短，溝道下游緩，局部地段呈陡緩相間的特點；上游溝道寬度窄，下游寬，局部有寬窄相間的特點，在局部溝道較窄的埡口部位有設(shè)置谷坊壩的有利條件，建谷坊壩的長度相對較小，坡度緩利于施工，上游的寬谷地帶，攔擋較多的泥石流物質(zhì)，因庫容較大，對泥石流峰值流量的調(diào)節(jié)作用效果顯著。在泥石流形成區(qū)溝的兩側(cè)有幾個崩滑體，通過修建谷坊壩淤積能起到固源壓腳的作用。梳齒壩設(shè)置在溝道流通區(qū)域，具有攔、排兼容的功能。

椿芽樹溝溝道下游特征為：堆積區(qū)橫穿老堆積扇區(qū)，溝道不同位置有不同程度堵塞，堵塞程度為中等，主河與溝口銳角相交，修建排導(dǎo)槽的條件基本具備，但需要對溝道進(jìn)行清理。

據(jù)此，建議防治方案為：分別在椿芽樹溝5-5′、6-6′、7-7′ 3 個剖面處修建1 座谷坊壩，起到攔截物源的作用；在8-8′剖面處修建1 座梳齒壩，可攔截大粒徑塊石，排導(dǎo)小粒徑塊石，減少到達(dá)溝道下游的固體物源量，降低泥石流容重；在下游位置溝左岸修建單邊防護(hù)堤；在溝出口位置修建排導(dǎo)槽，減少對當(dāng)?shù)鼐用竦膿p失。

2）方案二：“重力攔擋壩+排導(dǎo)槽”。

保留方案一中8-8′剖面處重力攔擋壩，其作用為攔擋物源、削峰減流和減少到達(dá)下游的固體物源量，在一定程度上可以調(diào)節(jié)下游泥石流洪峰流量，降低對排導(dǎo)槽的壓力；在攔擋壩前至溝口修建排導(dǎo)槽，并對該段溝道進(jìn)行清理疏通。將泥石流物質(zhì)順暢地導(dǎo)入龍溪河，保護(hù)村民的安全。

4.2 方案對比

以上2 種治理方案，方案一對泥石流的治理是基于以“排攔”為主的原則進(jìn)行設(shè)計的，攔擋的作用同樣是攔粗防細(xì)，修建排導(dǎo)槽是為了盡量提高泥石流在主溝下游的流速，從而減少泥石流淤積；同時，減小了在居民點的河道曲率，增大了曲率半徑，減小彎道超高，保護(hù)居民點安全。方案二是以“攔排結(jié)合”原則進(jìn)行設(shè)計的，攔擋的作用是攔粗排細(xì)，修建排導(dǎo)槽是為了提高泥石流在主溝下游的流速，減少泥石流淤積。每個方案均技術(shù)可行，但又各有特點。

從工程投資上來說，方案一運用梳齒壩，其投資小于重力攔擋壩，因此，在工程投資方面，方案一優(yōu)于方案二。

方案一在建設(shè)過程中盡量利用了原有地形，對環(huán)境影響較輕，與原始環(huán)境協(xié)調(diào)一致，而方案二是在原溝道中重新開挖修建排導(dǎo)槽，在一定程度上改變了原有環(huán)境，因此，方案一環(huán)境協(xié)調(diào)性優(yōu)于方案二。

通過對上述2 種方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性和有效性的比較，綜合考慮方案的實施效果、治理程度和工程投資，以地震后居民點安全為首要考慮因素，推薦方案一為最終方案。

5 結(jié)語

1）在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，計算了椿芽樹溝泥石流的靜力和動力學(xué)特征參數(shù)，為泥石流的治理提供了依據(jù)。

2）根據(jù)泥石流情況實際分析結(jié)果，對泥石流的治理提出了2 種治理方案，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面對比，最終選定“谷坊壩+梳齒壩+排導(dǎo)槽+防護(hù)槽”為治理措施。