泥石流灾害治理技术及应用

据调查，全国有29个省、市、自治区、直辖市分布有泥石流沟约8500多条，辖区居民常受其危害和影响。为了消除危险减少损失，国家及地方近年来投入了大量的人力物力，采取行之有效的防治措施去治理。基于以上原因，在学习《中国泥石流》一书后，针对基层单位的需求，对泥石流治理技术方法进行了简化、归纳、总结，希望能对您有所帮助。一、概述泥石流灾害的治理是在泥石流的形成、流通、堆积区内，采取相应的治理工程（如蓄水、引水工程，拦挡、支护工程，排导、引渡工程，停淤工程及改土护坡工程等），以控制泥石流的发生和危害。泥石流的治理工程通常适用于泥石流规模大，暴发不很频繁、松散固体物质补给及水动力条件相对集中，保护对象重要，要求防治标准高、见效快、一次性解决问题的情况。治理工程主要有治水、治土和排导等为主的方案（图1）。（一）治水为主的方案利用蓄水、引水和截水等工程控制地表洪水径流，削减水动力条件，使水土分离，稳定山坡。辅之少量拦挡、排导工程稳定部分土体，适用于水力类泥石流沟的治理。（二）治土为主的方案利用拦挡、支护工程，拦蓄泥石流固体物质，稳定沟岸崩塌及滑坡；同时辅以排导、截水工程等。适用于土力类崩塌滑坡型泥石流沟的治理。（三）排导为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）综合治理方案在具体实施泥石流的防治时，宜采取坡面、沟道兼顾，上下游统筹的综合治理方案。一般在沟谷上游以治水为主，中游以治土为主，下游以排导为主。通过上游的稳坡截水和中游拦挡护坡等，减少了泥石流固体物质，控制了泥石流规模，改变了泥石流体的性质，有利于下游的排导效果，从而控制泥石流的危害。在实施泥石流防治的工程措施的同时，还应与生物措施和其他措施（如行政法令措施等）相结合，这样才能保证其防治效益的有效发挥。由于工程措施需花费大量的人力、物力和财力，因而工程方案的规划设计应充分考虑有关社会、经济和环境生态的综合论证。二、排导工程（一）泥石流排导槽泥石流排导槽是由人工构筑的槽形建筑物，其作用是将泥石流顺利地排泄到指定的区域，使保护对象免受破坏。排导槽结构简单、实用，功能可靠，效益明显，施工及维护方便，寿命长，造价低。它是泥石流防治中应用广泛的工程结构。排导槽既可单独使用，也可在流域综合治理中与拦挡工程结合使用。排导工程的作用主要是排泄泥石流，控制泥石流流通区或堆积区的危害。它包括排导槽、渡槽、停淤场、导流堤、束流堤等多种类型。其中排导槽、渡槽和停淤场为最常用的排导工程。修建排导槽一般应具备以下条件：（1）保证排导槽的排导断面，使泥石流在流动过程中不产生漫溢。（2）排泄区要有足够的坡度，或者通过一定的工程措施能创造足够的坡度，保证泥石流在排导槽内不淤不堵，顺畅排泄。一般来说，排泄稀性泥石流的坡度为3～10%，粘性泥石流为5～18%。（3）排泄区要比较顺直或通过截弯取直变得比较顺直，以有利于泥石流流动。（4）要有充足的停淤场所，以保证泥石流通过排导槽导流后不带来新的危害。（二）泥石流渡槽泥石流渡槽通常建于泥石流沟流通段或流通——堆积段，与铁路、公路、水渠、管道或其它线形设施立体交叉。泥石流通过上面的渡槽以急流形式通过，流速及输移效率较高，是泥石流灾害防治常采用的一种排导工程。使用条件：（1）泥石流暴发较为频繁，高含沙水流水交替出现，有冲刷条件的沟道。（2）泥石流最大流量不超过200m3/s，其中固体物粒径最大不超过1.5m的中小型泥石流。（3）具有足够的地形高差，满足线路设施立体交叉净空的要求。（4）进出口顺畅，基础有足够的承载力并具有较高的抗冲刷能力。（5）沟道迁徙无常，冲淤变化急剧，流量、容重和固体物粒径变幅很大的高粘性泥石流和含巨大漂砾的水石流则不宜采用或慎用。（三）明洞工程泥石流明洞与渡槽类似，往往当渡槽的宽度超过它的跨度后，就被称为明洞。明洞顶上一般都有1米以上的土层覆盖，故保持了沟床的自然形态。排泄的最大泥石流流量及漂砾直径均大于渡槽。明洞的适用条件（1）泥石流规模大，流体中含有大石块较多的沟谷，当沟口高差满足线路净高要求时，可采用明洞排泄。（2）泥石流沟床纵坡很大，修建渡槽又在构造上有困难，亦可采用明洞。（3）线路在堆积扇底下穿过，标高又略低于洞顶，且泥石流淤积、漫流不很严重（或可控制），还可明挖施工者，应采用潜埋明洞。（4）线路经过流通区沟底穿过，若能满足洞顶标高要求，又可明挖施工者，可在流通区范围内采用明洞通过，这样可以缩短两端隧道长度。明洞在我国铁路及公路泥石流防治中使用较多，西北地区的青藏、宝成、宝天、天兰及南疆等铁路线上都有修建明洞渡槽的范例。（四）泥石流停淤场泥石流停淤场是根据泥石流的运动和堆积机理，将运动着的泥石流引入预定地段，令其自然减速，停淤或修建拦蓄工程迫使其停淤的一种泥石流防治工程设施。1．选址（1）大型堆积扇两侧的地；（2）扇面低凹地；（3）扇尾至主河之间的平缓阶地；（4）相邻两泥石流沟堆积扇的扇间凹槽；（5）在宽谷宽窄各异的明显差别时，通过开凿洞，将泥石流排入邻近流域的开阔场地上停淤，是一种简便可靠的方法。2．类型（1）沟道停淤场位于泥石流沟谷中与沟道平行成带状。停淤场可以利用的面积主要为沟旁漫滩，也包括一部分低洼地。在泥石流沟下游有宽而较长的漫滩或低阶地，且未被耕作利用时，才可能选用。（2）堆积扇停淤场位于泥石流沟口至主河之间的堆积扇上。选择堆积扇的一部分或大部分作为泥石流停淤场地。（3）跨流域停淤场利用邻近流域的低洼地作停淤场。在适合的地形条件、工程简单和选价较低时选用此种类型。3．布置（1）沟道停淤场成条带状1）选择合适的引流口。一般选在沟床跌水的上游，两岸坚固的狭窄断面处或布置在弯道凹岸一侧。2）修建导流、控制设施，对入流的高程、深度、宽度进行限制，控制进入停淤场的泥石流流量，流速和流向。3）保持场内地面坡度一致，清除流路上较大的反坡、垄岗等障碍物。4）沿沟岸一侧修筑围堤，防止泥石流返回沟道流走。5）在停淤场尾部设集流沟，将漫过的流体或高含沙水流集中排出停淤场外。（2）堆积扇停淤场成扇形1）根据泥石流性质和堆积扇的形状特征，在拟定的停淤区内划出停淤场范围。2）调整山口以外出流段的沟床纵坡，人为束窄沟道断面，加大过流泥深，以造成漫流停淤。3）修建引导槽，将泥石流引入停淤场内，沿槽的两侧和尾部开溢流口，使泥石流温流停淤。4）有条件时也可就近打通梁脊，将泥石流排至邻近流域不能利用的堆积扇上停淤。（3）围堰式停淤场无一定形状通常是在泥石流沟口外，利用废弃河道或干涸湖沼或洼地停淤。在低矮的缺口处构筑围堰，造成封闭地形，将泥石流引入停淤。4．结构设计泥石流停淤场的组成结构物有：拦挡坝、引流口、导流堤、围堰、分流墙或集流沟等。停淤场的首部及尾部工程使用期限较长，可采用圬工结构。其它工程设施由于使用年限短，随淤积增加需逐渐加高、更替，多采用土石混合结构，铁丝笼石堤，编篱石堤或土堤，常按经验进行布置并拟定其结构尺寸。二、拦挡工程拦挡工程的作用是拦蓄泥石流固体物质，稳定沟岸崩塌及滑坡，减小泥石流冲刷和冲击力，抑制泥石流发育和暴发规模。拦挡工程通常建于泥石流形成区或形成——流通区沟谷内，其主要类型包括拦砂坝（实体重力坝）和格栅坝等。（一）拦砂坝（实体重力坝）拦砂坝是泥石流防治中的一种骨干工程，修建在泥石流形成区中下游或流通区内的永久性工程。拦砂坝，以圬工重力式结构采用得较为普遍。拦砂坝的功能是：拦蓄泥砂，调节下泄泥石流的流速、流量和规模，降低其危害作用，抬高局部沟床，控制沟道侵蚀基准，形成大范围回淤，稳定沟岸及崩滑体。拦砂坝在泥石流灾害防治工程中运用较多，并在工程实践中创造了多种新的结构形式。1．主要类型按照坝库规模（坝高、拦蓄量）大小和主要功能的不同，可大致分为：谷坊和拦砂坝两类。（1）谷坊及谷坊群谷坊是用于泥石流沟道治理的低矮拦挡建筑物，具有类似挡土墙形式的梯形横断面。由于承受流体压力和泥石流冲击力，谷坊横断面比一般挡土墙厚大，基础埋置较深。坝身留有多层筛状排水孔，充分排泄坝前堆积层中的潜水，减小坝体渗透压力和浮力，以改善坝体结构稳定性。谷坊顶部中央设溢流口，排泄泥石流和洪水，两端非溢流段坝肩嵌入岸坡起支撑作用。谷坊的有效高度一般低于5m，基础埋深2～3m，拦淤库容数十至数百立方米，一般当年即可淤满。谷坊淤满后，其功能充分发挥，这是谷坊和拦砂坝的主要区别之处。谷坊的功能是：拦砂节流；抬高局部沟段的侵蚀基准，护床固坡；减缓回淤段沟床纵坡，减小冲刷，抑制泥石流发育。谷坊一般沿沟道成群布置，谷坊之间相互衔接，沿沟道形成梯级。建于流域上游水土严重流失区，以节流固床护坡为主，一般在小流域治理规划中，修筑梯级谷坊群，使成为一个有机的整体，其功效更佳。（2）拦砂坝多建在主沟或较大的支沟内。通常坝高大于5m，接砂量在1000～1000000m3之间甚至更大。2．坝址选择（1）选在口狭肚阔、坝肩高度足够、上游沟段平缓、地基坚固的部位；（2）选在支沟汇口和弯道的下游，跌坎的上游。坝肩避开集水槽和冲沟，不允许在老的崩塌、滑坡体上建坝。（3）选在有利于坝下游消能和防冲，便于和下游排导工程相联结处，即沟谷顺直，流势稳定，地基坚固处。（4）选在距离材料源地较近、运输方便、施工场地开阔和便于施工与运行管理之处。（5）坝址选择还应符合铁路、公路、矿山、水利和城建等部门的有关规定，避开不利于建坝的地质构造地带。3．坝下消能泥石流过坝后下落的能量很大，坝下游的局部冲刷下切是坝体失事的重要原因。建筑在砂砾石基础上的坝体，更易因坝下冲刷引起底部被掏空，而造成坝体倾覆破坏。冲刷的范围和深度即与坝高和流体性、单宽流量的大小有关，也与沟床堆积物的组成和性质等多种因素有关。根据某些泥石流防治工程的观测，冲刷深度一般在3～10m以上。坝下消能的原理是通过流体之间或流体与沟床物质之间的相互作用，应用柔性材料做垫层。坝下消能主要有以下措施。（1）副坝工程在坝下游另建一座或几座低拦砂坝（称副坝），用设消力池的方法消除或减弱落下流体的冲刷力，以防止深冲刷。主坝与副坝之间的间隔和重复的高度是消弱冲刷的关键因素，主坝高度大、溢流水较深时，副坝的高度也要增大。冲刷深度和形态随主、副坝之间的距离而变化，当距离短时，冲刷向坝基方向伸展，这是很危险的，应特别注意。实际应用时多采用经验公式计算。坝高越小，所选的系数应越大。为了处理副坝下游的冲刷，可根据需要设置第二、三座副坝。（2）潜坝工程在坝下游一定距离设置潜坝（或齿墙）稳定沟床，控制坝下游冲刷坑的发展。潜坝与主坝间的距离应根据冲刷坑的尺寸而定，潜坝埋深亦应根据流体对沟床的冲刷深度变化及下游沟床的演变情况综合确定，根据需要还可设置多道潜坝。（3）在狭窄地形或坚固岩岸区，可修建拱基坝或桥或拱形基础重力坝，使坝体自身具有较好的受力特性和自保能力，从而达到坝基冲刷时，确保坝体安全。（4）护坦工程当坝基的基础为砂砾石层、粒径比较小时，可在坝下游设置护坦工程防止冲刷。护坦一般按水平布设，并与下游沟床高程一致。当沟床坡度陡时，可作降坡，但会加大对护坦下游的冲刷，故应加大主坝的基础埋深，尽量减缓坡度。护坦尾部多会出现冲刷，故需设齿墙。齿墙后应紧贴河床布设一段石笼、大石铺砌的海漫等。除以上方法外，还有副坝和护坦并用及副坝和副坝之间加大石块或砌块石的方法等。副坝工程实用于输送砾石粒径大、流量大、坝高的沟道上；拱基型及桥式拱型对中高坝及多种类型的泥石流都比较适用，但对泥石流等细粒流体拦蓄条件欠佳。（二）格栅坝格栅坝是用于稀性泥石流和水石流防治的一种工程结构。它能拦蓄泥石流中粗大颗粒，排走泥沙、细砾和流体中的自由水，使进入坝库的泥石流很快被疏干，达到水土分离。泥石流停淤固结之后，格栅和坝体受力减小，安全性增加。以混凝土、钢筋混凝土、浆砌石、型钢等为材料，将坝体做成横向或竖向格栅，或做成平面、立体网格，或做成整体格架结构的透水型拦砂坝称为格栅（拦砂）坝。格栅坝不仅能拦蓄大量的泥沙、石块，而且能起到调解泥沙的效果，因此，人们亦称此类坝为泥沙调解坝。与实体重力坝相比，它具有受力条件好、节省材料、施工方便，拦石排水效果好，利于库坝维护管理等优点。格栅坝最适合于拦蓄含巨石、大漂砾的水石流、稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流与洪水相间出现的沟道；而不适用于拦蓄崩滑体和间发性粘性泥石流。1．格栅坝类型按结构型式与构造分类，格栅坝包括在实体圬工重力坝上开切口或布置过流格栅而形成的切口坝、缝隙坝、梁式坝、梳齿坝、耙式坝、筛子坝和由杆件系统（立柱、锚索和框架等）组成的格子坝、网格坝和桩林等。按几何形态分类，格栅坝包括平面形、立体形。平面形格栅坝主要用于沟谷狭窄、坝体较低、泥石流规模和作用荷载均较小的情况；立体形格栅坝则主要用于坝体较高、泥石流规模较大、作用荷载和格栅的空间尺寸较大的情况。按使用材料和受力状况分类，格栅坝分为用浆砌石、混凝土、钢筋混凝土和钢材制作的整体性较好的刚性结构坝和用钢结构、钢索等制作的柔性结构坝。2．主要类型设计要点介绍（1）梁式坝1）梁的间隔应做成可以调整的，以便可以随时根据库内淤积情况、泥石流活动情况和下游冲刷淤积情况将梁的间隔进行调整。2）横梁以采用高强度钢筋混凝土预制件为好，便于施工安装，又利于使用过程中拆卸或更换。3）梁的间隔为：d/h=1.0～1.5d为空隙净高，h为梁高。4）采用高为h，宽为b的矩形断面，且使h/b=1.5～2.0，筛分率按e=V1/V2计算。V1为一次泥石流过程中，库内的泥沙滞留量；V2为通过坝体下泄的泥沙量。使用正常的梁式坝筛分效果一般应达到：当流失粒径Dc=0.5DM（DM为流体中的最大粒径）时，滞留库内的泥沙百分比为20%。当间隔相同时，水平梁比竖梁的筛分效果高30%。5）同一沟段布置的梁式坝；依筛孔大小依次向下布置，应该使串的坝系有最高的筛分效率。6）考虑坝体的稳定性问题和横梁过流面的磨蚀问题。7）考虑人工或机械方法清理坝库淤积问题。（2）切口坝1）齿状溢流口布置在坝的顶部，采用窄深或梯形断面、矩形断面或三角形断面。2）切口坝的闭塞条件为：不闭塞（1）≤1.5闭塞（2）b为切口宽，时，切口对不同流量的流体有抑制作用。当：＞2～3，≤1.5时，切口坝可以充分发挥拦砂、节流和调整坝库淤积库容的效果。式中，和分别为中小洪水和大洪水可挟带的最大粒径。3）切口深通常取=1～2，h为切