泥石流災(zāi)害治理技術(shù)及應(yīng)用

據(jù)調(diào)查，全國有29個省、市、自治區(qū)、直轄市分布有泥石流溝約8500多條，轄區(qū)居民常受其危害和影響。為了消除危險減少損失，國家及地方近年來投入了大量的人力物力，采取行之有效的防治措施去治理?；谝陨显?，在學(xué)習(xí)《中國泥石流》一書后，針對基層單位的需求，對泥石流治理技術(shù)方法進行了簡化、歸納、總結(jié)，希望能對您有所幫助。一、概述泥石流災(zāi)害的治理是在泥石流的形成、流通、堆積區(qū)內(nèi)，采取相應(yīng)的治理工程（如蓄水、引水工程，攔擋、支護工程，排導(dǎo)、引渡工程，停淤工程及改土護坡工程等），以控制泥石流的發(fā)生和危害。泥石流的治理工程通常適用于泥石流規(guī)模大，暴發(fā)不很頻繁、松散固體物質(zhì)補給及水動力條件相對集中，保護對象重要，要求防治標準高、見效快、一次性解決問題的情況。治理工程主要有治水、治土和排導(dǎo)等為主的方案（圖1）。（一）治水為主的方案利用蓄水、引水和截水等工程控制地表洪水徑流，削減水動力條件，使水土分離，穩(wěn)定山坡。輔之少量攔擋、排導(dǎo)工程穩(wěn)定部分土體，適用于水力類泥石流溝的治理。（二）治土為主的方案利用攔擋、支護工程，攔蓄泥石流固體物質(zhì)，穩(wěn)定溝岸崩塌及滑坡；同時輔以排導(dǎo)、截水工程等。適用于土力類崩塌滑坡型泥石流溝的治理。（三）排導(dǎo)為主的方案利用排洪道、渡槽等工程，排泄泥石流，控制泥石流的危害。（四）綜合治理方案在具體實施泥石流的防治時，宜采取坡面、溝道兼顧，上下游統(tǒng)籌的綜合治理方案。一般在溝谷上游以治水為主，中游以治土為主，下游以排導(dǎo)為主。通過上游的穩(wěn)坡截水和中游攔擋護坡等，減少了泥石流固體物質(zhì)，控制了泥石流規(guī)模，改變了泥石流體的性質(zhì)，有利于下游的排導(dǎo)效果，從而控制泥石流的危害。在實施泥石流防治的工程措施的同時，還應(yīng)與生物措施和其他措施（如行政法令措施等）相結(jié)合，這樣才能保證其防治效益的有效發(fā)揮。由于工程措施需花費大量的人力、物力和財力，因而工程方案的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)充分考慮有關(guān)社會、經(jīng)濟和環(huán)境生態(tài)的綜合論證。二、排導(dǎo)工程（一）泥石流排導(dǎo)槽泥石流排導(dǎo)槽是由人工構(gòu)筑的槽形建筑物，其作用是將泥石流順利地排泄到指定的區(qū)域，使保護對象免受破壞。排導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)簡單、實用，功能可靠，效益明顯，施工及維護方便，壽命長，造價低。它是泥石流防治中應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)。排導(dǎo)槽既可單獨使用，也可在流域綜合治理中與攔擋工程結(jié)合使用。排導(dǎo)工程的作用主要是排泄泥石流，控制泥石流流通區(qū)或堆積區(qū)的危害。它包括排導(dǎo)槽、渡槽、停淤場、導(dǎo)流堤、束流堤等多種類型。其中排導(dǎo)槽、渡槽和停淤場為最常用的排導(dǎo)工程。修建排導(dǎo)槽一般應(yīng)具備以下條件：（1）保證排導(dǎo)槽的排導(dǎo)斷面，使泥石流在流動過程中不產(chǎn)生漫溢。（2）排泄區(qū)要有足夠的坡度，或者通過一定的工程措施能創(chuàng)造足夠的坡度，保證泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)不淤不堵，順暢排泄。一般來說，排泄稀性泥石流的坡度為3～10%，粘性泥石流為5～18%。（3）排泄區(qū)要比較順直或通過截彎取直變得比較順直，以有利于泥石流流動。（4）要有充足的停淤場所，以保證泥石流通過排導(dǎo)槽導(dǎo)流后不帶來新的危害。（二）泥石流渡槽泥石流渡槽通常建于泥石流溝流通段或流通——堆積段，與鐵路、公路、水渠、管道或其它線形設(shè)施立體交叉。泥石流通過上面的渡槽以急流形式通過，流速及輸移效率較高，是泥石流災(zāi)害防治常采用的一種排導(dǎo)工程。使用條件：（1）泥石流暴發(fā)較為頻繁，高含沙水流水交替出現(xiàn)，有沖刷條件的溝道。（2）泥石流最大流量不超過200m3/s，其中固體物粒徑最大不超過1.5m的中小型泥石流。（3）具有足夠的地形高差，滿足線路設(shè)施立體交叉凈空的要求。（4）進出口順暢，基礎(chǔ)有足夠的承載力并具有較高的抗沖刷能力。（5）溝道遷徙無常，沖淤變化急劇，流量、容重和固體物粒徑變幅很大的高粘性泥石流和含巨大漂礫的水石流則不宜采用或慎用。（三）明洞工程泥石流明洞與渡槽類似，往往當渡槽的寬度超過它的跨度后，就被稱為明洞。明洞頂上一般都有1米以上的土層覆蓋，故保持了溝床的自然形態(tài)。排泄的最大泥石流流量及漂礫直徑均大于渡槽。明洞的適用條件（1）泥石流規(guī)模大，流體中含有大石塊較多的溝谷，當溝口高差滿足線路凈高要求時，可采用明洞排泄。（2）泥石流溝床縱坡很大，修建渡槽又在構(gòu)造上有困難，亦可采用明洞。（3）線路在堆積扇底下穿過，標高又略低于洞頂，且泥石流淤積、漫流不很嚴重（或可控制），還可明挖施工者，應(yīng)采用潛埋明洞。（4）線路經(jīng)過流通區(qū)溝底穿過，若能滿足洞頂標高要求，又可明挖施工者，可在流通區(qū)范圍內(nèi)采用明洞通過，這樣可以縮短兩端隧道長度。明洞在我國鐵路及公路泥石流防治中使用較多，西北地區(qū)的青藏、寶成、寶天、天蘭及南疆等鐵路線上都有修建明洞渡槽的范例。（四）泥石流停淤場泥石流停淤場是根據(jù)泥石流的運動和堆積機理，將運動著的泥石流引入預(yù)定地段，令其自然減速，停淤或修建攔蓄工程迫使其停淤的一種泥石流防治工程設(shè)施。1．選址（1）大型堆積扇兩側(cè)的地；（2）扇面低凹地；（3）扇尾至主河之間的平緩階地；（4）相鄰兩泥石流溝堆積扇的扇間凹槽；（5）在寬谷寬窄各異的明顯差別時，通過開鑿洞，將泥石流排入鄰近流域的開闊場地上停淤，是一種簡便可靠的方法。2．類型（1）溝道停淤場位于泥石流溝谷中與溝道平行成帶狀。停淤場可以利用的面積主要為溝旁漫灘，也包括一部分低洼地。在泥石流溝下游有寬而較長的漫灘或低階地，且未被耕作利用時，才可能選用。（2）堆積扇停淤場位于泥石流溝口至主河之間的堆積扇上。選擇堆積扇的一部分或大部分作為泥石流停淤場地。（3）跨流域停淤場利用鄰近流域的低洼地作停淤場。在適合的地形條件、工程簡單和選價較低時選用此種類型。3．布置（1）溝道停淤場成條帶狀1）選擇合適的引流口。一般選在溝床跌水的上游，兩岸堅固的狹窄斷面處或布置在彎道凹岸一側(cè)。2）修建導(dǎo)流、控制設(shè)施，對入流的高程、深度、寬度進行限制，控制進入停淤場的泥石流流量，流速和流向。3）保持場內(nèi)地面坡度一致，清除流路上較大的反坡、壟崗等障礙物。4）沿溝岸一側(cè)修筑圍堤，防止泥石流返回溝道流走。5）在停淤場尾部設(shè)集流溝，將漫過的流體或高含沙水流集中排出停淤場外。（2）堆積扇停淤場成扇形1）根據(jù)泥石流性質(zhì)和堆積扇的形狀特征，在擬定的停淤區(qū)內(nèi)劃出停淤場范圍。2）調(diào)整山口以外出流段的溝床縱坡，人為束窄溝道斷面，加大過流泥深，以造成漫流停淤。3）修建引導(dǎo)槽，將泥石流引入停淤場內(nèi)，沿槽的兩側(cè)和尾部開溢流口，使泥石流溫流停淤。4）有條件時也可就近打通梁脊，將泥石流排至鄰近流域不能利用的堆積扇上停淤。（3）圍堰式停淤場無一定形狀通常是在泥石流溝口外，利用廢棄河道或干涸湖沼或洼地停淤。在低矮的缺口處構(gòu)筑圍堰，造成封閉地形，將泥石流引入停淤。4．結(jié)構(gòu)設(shè)計泥石流停淤場的組成結(jié)構(gòu)物有：攔擋壩、引流口、導(dǎo)流堤、圍堰、分流墻或集流溝等。停淤場的首部及尾部工程使用期限較長，可采用圬工結(jié)構(gòu)。其它工程設(shè)施由于使用年限短，隨淤積增加需逐漸加高、更替，多采用土石混合結(jié)構(gòu)，鐵絲籠石堤，編籬石堤或土堤，常按經(jīng)驗進行布置并擬定其結(jié)構(gòu)尺寸。二、攔擋工程攔擋工程的作用是攔蓄泥石流固體物質(zhì)，穩(wěn)定溝岸崩塌及滑坡，減小泥石流沖刷和沖擊力，抑制泥石流發(fā)育和暴發(fā)規(guī)模。攔擋工程通常建于泥石流形成區(qū)或形成——流通區(qū)溝谷內(nèi)，其主要類型包括攔砂壩（實體重力壩）和格柵壩等。（一）攔砂壩（實體重力壩）攔砂壩是泥石流防治中的一種骨干工程，修建在泥石流形成區(qū)中下游或流通區(qū)內(nèi)的永久性工程。攔砂壩，以圬工重力式結(jié)構(gòu)采用得較為普遍。攔砂壩的功能是：攔蓄泥砂，調(diào)節(jié)下泄泥石流的流速、流量和規(guī)模，降低其危害作用，抬高局部溝床，控制溝道侵蝕基準，形成大范圍回淤，穩(wěn)定溝岸及崩滑體。攔砂壩在泥石流災(zāi)害防治工程中運用較多，并在工程實踐中創(chuàng)造了多種新的結(jié)構(gòu)形式。1．主要類型按照壩庫規(guī)模（壩高、攔蓄量）大小和主要功能的不同，可大致分為：谷坊和攔砂壩兩類。（1）谷坊及谷坊群谷坊是用于泥石流溝道治理的低矮攔擋建筑物，具有類似擋土墻形式的梯形橫斷面。由于承受流體壓力和泥石流沖擊力，谷坊橫斷面比一般擋土墻厚大，基礎(chǔ)埋置較深。壩身留有多層篩狀排水孔，充分排泄壩前堆積層中的潛水，減小壩體滲透壓力和浮力，以改善壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。谷坊頂部中央設(shè)溢流口，排泄泥石流和洪水，兩端非溢流段壩肩嵌入岸坡起支撐作用。谷坊的有效高度一般低于5m，基礎(chǔ)埋深2～3m，攔淤庫容數(shù)十至數(shù)百立方米，一般當年即可淤滿。谷坊淤滿后，其功能充分發(fā)揮，這是谷坊和攔砂壩的主要區(qū)別之處。谷坊的功能是：攔砂節(jié)流；抬高局部溝段的侵蝕基準，護床固坡；減緩回淤段溝床縱坡，減小沖刷，抑制泥石流發(fā)育。谷坊一般沿溝道成群布置，谷坊之間相互銜接，沿溝道形成梯級。建于流域上游水土嚴重流失區(qū)，以節(jié)流固床護坡為主，一般在小流域治理規(guī)劃中，修筑梯級谷坊群，使成為一個有機的整體，其功效更佳。（2）攔砂壩多建在主溝或較大的支溝內(nèi)。通常壩高大于5m，接砂量在1000～1000000m3之間甚至更大。2．壩址選擇（1）選在口狹肚闊、壩肩高度足夠、上游溝段平緩、地基堅固的部位；（2）選在支溝匯口和彎道的下游，跌坎的上游。壩肩避開集水槽和沖溝，不允許在老的崩塌、滑坡體上建壩。（3）選在有利于壩下游消能和防沖，便于和下游排導(dǎo)工程相聯(lián)結(jié)處，即溝谷順直，流勢穩(wěn)定，地基堅固處。（4）選在距離材料源地較近、運輸方便、施工場地開闊和便于施工與運行管理之處。（5）壩址選擇還應(yīng)符合鐵路、公路、礦山、水利和城建等部門的有關(guān)規(guī)定，避開不利于建壩的地質(zhì)構(gòu)造地帶。3．壩下消能泥石流過壩后下落的能量很大，壩下游的局部沖刷下切是壩體失事的重要原因。建筑在砂礫石基礎(chǔ)上的壩體，更易因壩下沖刷引起底部被掏空，而造成壩體傾覆破壞。沖刷的范圍和深度即與壩高和流體性、單寬流量的大小有關(guān)，也與溝床堆積物的組成和性質(zhì)等多種因素有關(guān)。根據(jù)某些泥石流防治工程的觀測，沖刷深度一般在3～10m以上。壩下消能的原理是通過流體之間或流體與溝床物質(zhì)之間的相互作用，應(yīng)用柔性材料做墊層。壩下消能主要有以下措施。（1）副壩工程在壩下游另建一座或幾座低攔砂壩（稱副壩），用設(shè)消力池的方法消除或減弱落下流體的沖刷力，以防止深沖刷。主壩與副壩之間的間隔和重復(fù)的高度是消弱沖刷的關(guān)鍵因素，主壩高度大、溢流水較深時，副壩的高度也要增大。沖刷深度和形態(tài)隨主、副壩之間的距離而變化，當距離短時，沖刷向壩基方向伸展，這是很危險的，應(yīng)特別注意。實際應(yīng)用時多采用經(jīng)驗公式計算。壩高越小，所選的系數(shù)應(yīng)越大。為了處理副壩下游的沖刷，可根據(jù)需要設(shè)置第二、三座副壩。（2）潛壩工程在壩下游一定距離設(shè)置潛壩（或齒墻）穩(wěn)定溝床，控制壩下游沖刷坑的發(fā)展。潛壩與主壩間的距離應(yīng)根據(jù)沖刷坑的尺寸而定，潛壩埋深亦應(yīng)根據(jù)流體對溝床的沖刷深度變化及下游溝床的演變情況綜合確定，根據(jù)需要還可設(shè)置多道潛壩。（3）在狹窄地形或堅固巖岸區(qū)，可修建拱基壩或橋或拱形基礎(chǔ)重力壩，使壩體自身具有較好的受力特性和自保能力，從而達到壩基沖刷時，確保壩體安全。（4）護坦工程當壩基的基礎(chǔ)為砂礫石層、粒徑比較小時，可在壩下游設(shè)置護坦工程防止沖刷。護坦一般按水平布設(shè)，并與下游溝床高程一致。當溝床坡度陡時，可作降坡，但會加大對護坦下游的沖刷，故應(yīng)加大主壩的基礎(chǔ)埋深，盡量減緩坡度。護坦尾部多會出現(xiàn)沖刷，故需設(shè)齒墻。齒墻后應(yīng)緊貼河床布設(shè)一段石籠、大石鋪砌的海漫等。除以上方法外，還有副壩和護坦并用及副壩和副壩之間加大石塊或砌塊石的方法等。副壩工程實用于輸送礫石粒徑大、流量大、壩高的溝道上；拱基型及橋式拱型對中高壩及多種類型的泥石流都比較適用，但對泥石流等細粒流體攔蓄條件欠佳。（二）格柵壩格柵壩是用于稀性泥石流和水石流防治的一種工程結(jié)構(gòu)。它能攔蓄泥石流中粗大顆粒，排走泥沙、細礫和流體中的自由水，使進入壩庫的泥石流很快被疏干，達到水土分離。泥石流停淤固結(jié)之后，格柵和壩體受力減小，安全性增加。以混凝土、鋼筋混凝土、漿砌石、型鋼等為材料，將壩體做成橫向或豎向格柵，或做成平面、立體網(wǎng)格，或做成整體格架結(jié)構(gòu)的透水型攔砂壩稱為格柵（攔砂）壩。格柵壩不僅能攔蓄大量的泥沙、石塊，而且能起到調(diào)解泥沙的效果，因此，人們亦稱此類壩為泥沙調(diào)解壩。與實體重力壩相比，它具有受力條件好、節(jié)省材料、施工方便，攔石排水效果好，利于庫壩維護管理等優(yōu)點。格柵壩最適合于攔蓄含巨石、大漂礫的水石流、稀性泥石流和挾帶大量推移質(zhì)的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流與洪水相間出現(xiàn)的溝道；而不適用于攔蓄崩滑體和間發(fā)性粘性泥石流。1．格柵壩類型按結(jié)構(gòu)型式與構(gòu)造分類，格柵壩包括在實體圬工重力壩上開切口或布置過流格柵而形成的切口壩、縫隙壩、梁式壩、梳齒壩、耙式壩、篩子壩和由桿件系統(tǒng)（立柱、錨索和框架等）組成的格子壩、網(wǎng)格壩和樁林等。按幾何形態(tài)分類，格柵壩包括平面形、立體形。平面形格柵壩主要用于溝谷狹窄、壩體較低、泥石流規(guī)模和作用荷載均較小的情況；立體形格柵壩則主要用于壩體較高、泥石流規(guī)模較大、作用荷載和格柵的空間尺寸較大的情況。按使用材料和受力狀況分類，格柵壩分為用漿砌石、混凝土、鋼筋混凝土和鋼材制作的整體性較好的剛性結(jié)構(gòu)壩和用鋼結(jié)構(gòu)、鋼索等制作的柔性結(jié)構(gòu)壩。2．主要類型設(shè)計要點介紹（1）梁式壩1）梁的間隔應(yīng)做成可以調(diào)整的，以便可以隨時根據(jù)庫內(nèi)淤積情況、泥石流活動情況和下游沖刷淤積情況將梁的間隔進行調(diào)整。2）橫梁以采用高強度鋼筋混凝土預(yù)制件為好，便于施工安裝，又利于使用過程中拆卸或更換。3）梁的間隔為：d/h=1.0～1.5d為空隙凈高，h為梁高。4）采用高為h，寬為b的矩形斷面，且使h/b=1.5～2.0，篩分率按e=V1/V2計算。V1為一次泥石流過程中，庫內(nèi)的泥沙滯留量；V2為通過壩體下泄的泥沙量。使用正常的梁式壩篩分效果一般應(yīng)達到：當流失粒徑Dc=0.5DM（DM為流體中的最大粒徑）時，滯留庫內(nèi)的泥沙百分比為20%。當間隔相同時，水平梁比豎梁的篩分效果高30%。5）同一溝段布置的梁式壩；依篩孔大小依次向下布置，應(yīng)該使串的壩系有最高的篩分效率。6）考慮壩體的穩(wěn)定性問題和橫梁過流面的磨蝕問題。7）考慮人工或機械方法清理壩庫淤積問題。（2）切口壩1）齒狀溢流口布置在壩的頂部，采用窄深或梯形斷面、矩形斷面或三角形斷面。2）切口壩的閉塞條件為：不閉塞（1）≤1.5閉塞（2）b為切口寬，時，切口對不同流量的流體有抑制作用。當：＞2～3，≤1.5時，切口壩可以充分發(fā)揮攔砂、節(jié)流和調(diào)整壩庫淤積庫容的效果。式中，和分別為中小洪水和大洪水可挾帶的最大粒徑。3）切口深通常取=1～2，h為切