山区河流泥石流灾害防治技术研究

陈野鹰 ，王俊杰

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；

2.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074）

我国是世界上泥石流较发育的国家之一，我国的泥石流主要分布于西南地区与新疆等地［1］。根据泥石流的运动特点，山区河流泥石流主要可分为坡面型（简称“坡面流”）与沟谷型（简称“沟谷流”）。在流动过程中，泥石流体内的高浓度水沙砾复合异相混合的固相物质主要按滚动或跃动状态迁移［2］。在流域内，无论是坡面流还是沟谷流，滑坡和泥石流通常相伴而生、互为因果，具有强烈的冲击、破坏作用［3］。能量巨大的泥石流体是冲毁土地、毁损交通设施与防治结构物的重要外在动力［4-7］，冲出谷口堆积在岸边的泥石流固相物质也是形成碍航险滩的主要物源。泥石流是山区河流形成碍航滩险、影响船舶安全航行的主要地质灾害之一。

堆积在岸边的泥石流冲积扇中的粘性物质受雨水再次浸泡后，发生软化、泥化，堆积物的稳定性降低。在动水压力与新生泥石流撞击力的联合作用下，冲积扇的沉积物再次失稳蠕动，冲积扇前沿向河心延伸，进一步恶化浅滩河段的通航条件。枯水季节甚至会造成河道断航，破坏当地正常的客货水运交通秩序。

本文通过山区河流泥石流形成机理、运动规律和成灾机制的研究，提出了生态修复、规范人为行为与工程结构相结合的泥石流综合防治技术，以期对山区河流泥石流灾害防治研究及治理提供参考。

1 山区河流泥石流生态防治

植被茂盛地区的岩土层能得到树叶与草本的庇护，弱化雨水特别是暴雨的冲击破坏效应，减少土粒受雨水冲击流动形成泥石流固相物源的几率。覆盖地面的落叶能阻挡雨水直接冲击土体、分散地表径流。不仅如此，植被根系伸入岩土层，层层交织呈网状（图1）［8］。在同一层土体中，根系犹如纤维，能够牢固土块，阻止裂缝发生。受植被根系固结的土体，土块的稳定含水能力显著增强，从而增加了土层的蓄水量。且受表面张力的作用，部分雨水滞留在枝叶或草丛上，每颗树木或小草形同一个小水库储蓄雨水，延长其在土层中的渗流过程，减缓渗透压力强度，提高土块的稳定能力，进而防止泥石流发生。

为了有效抑制降雨特别是暴雨对土层的冲击破坏，增强生态防治效果，提高控制泥石流的能力，可采取封山育林与人工造林相结合，交错种植乔木、灌木与草本植物，建立三级植被空间防护体系（图1）。

2 规范人类工程行为

受地形的限制，山区公路等基础工程建设需要切山削坡、改变环境、破坏地形地貌结构，大量弃倒土石形成了松散边坡（图2）。

降雨特别是暴雨时，松散土层快速吸水饱和导致基质吸力减弱，土体强度降低［3］，斜坡上的弃土吸水沉陷造成松散土层液化。相对于松散的弃土覆盖层，天然沉积层土体密实、孔隙率小、透水性差。通过松散弃土层渗透的雨水很快滞留在天然沉积层土体和松散弃土覆盖层的交界面上，形成软弱夹层，致使饱和松散弃土失稳沿软弱层滑动。在滑动过程中撞击、切割流动带上的稳定土块，使其解体失稳融入到流动体中。固相物质不断解体泥化形成泥石流，并沿坡面或沟槽冲下山坡、流入河道、堆积形成碍航险滩，影响船舶安全通行或降低河流航道等级。这类泥石流的主要固相物源是人类工程

活动制造的松散弃土，因而防治此类泥石流灾害、维护航道等级、保障船舶安全通行的根本是规范人类工程行为。研究分析发现，降雨特别是暴雨是松散弃土液化失稳滑动的主要因素，此外弃土直接倾倒在斜坡上和表面松散裸露也是造成土体失稳滑动形成泥石流的重要因素。当弃土坡面倾角大于10°～15°时，应先将自然边坡整治成宽度大于1.0 m的台阶型人工边坡（图3），然后才能倾倒弃土。

由于松散弃土被放置在台阶型边坡的水平面上，消除了土体自重下滑力，避免了雨水浸泡泥化的弃土沿倾斜软弱层滑动，进而增强了弃土的稳定性。同时可在松散的弃土上种植根壮叶茂类草本植物，利用草本茂盛枝叶的庇护，避免雨水直接冲击地表土体。利用伸入土层的根系团聚松散弃土，使其形成整体，增强自身的凝聚力、剪切强度和稳定性能，防止弃土失稳随雨水流动形成泥石流。

3 工程防治技术研究

根据山区河流泥石流形成机理、运动规律及制灾特点，可将其分为坡面流与沟谷流两种类型，不同类型的泥石流需要采用不同的工程措施。在多年试验研究的基础上，总结归纳出截流排水、拦粗排细、转向导流等几种典型的工程防治措施。

3.1 截流排水防治技术

坡面流流通距离短，从产流地到坡脚岸边堆积的流通距离不过百余

米。在流动过程中，泥石流流路分散、形如瀑布在斜坡上流动，且流动分布范围广，难以采用工程防治结构直接改变泥石流的流通路径。泥石流冲积扇易堆积于河岸，阻碍水流，在航道上形成浅滩急流，危及船舶航行安全。

首先，应在易发生雨水冲刷的地方，由上至下在不同高程沿山坡等高线方向设置截水沟。将雨水按高程分段截断汇入截水沟内，防止地表径流由山峰沿山坡连续流至山谷，降低雨水径流动能，减少或消除水流冲刷切割土块、破坏其整体性的能力；其次，在地质结构牢固、稳定性好的岩层上修建连接截水沟的纵向排水盲沟，形成横向截流和纵向排水相结合的截流式排水系统（图4）。

通过排水盲沟，将积蓄在截流沟内的雨水快速排入河流，由此可缩短雨水停留时间，减少岩土层中的渗流水量和渗透水压力，改善土质的物理力学指标，增强土体的整体性和抗滑稳定能力，阻止泥石流的产生。进而减少或消除山区通航河流泥石流灾害，确保水路运输畅通有序。

3.2 拦粗排细防治技术

山区河流除受坡面型泥石流影响外，沟谷型泥石流也是阻碍水流畅通、影响船舶安全航行的主要地质灾害类型。沟谷型泥石流汇流面积大，泥石流形成区物源丰富，流通距离相对较长。泥石流在流通过程中不断冲刷、切割沟岸、汇集物源，洪流量随泥石流流动逐渐增加。颗粒粗大、破坏力极强的沙砾块石容易集中于洪流前端形成明显的流动龙头。龙头能力巨大、冲出山谷流入河槽后会将大量的沙砾块石堆积在河岸。在外力反复作用下，堆积的沙砾块石重新失稳蠕滑伸入河中，形成碍航滩险，影响船舶的正常航行。沟谷流多分布在地质结构和地形地貌复杂、气候条件恶劣的地区，难于从泥石流形成的源头上实施控制防治工程。需根据泥石流流通区的特点，结合流通沟谷的地形地质条件，在流通区上不同位置、逐级修建既能拦截泥石流中粗颗粒固相物质、又能排泄细小粒径物质和液相浆体的拦渣坝（图5）。

当泥石流爆发后，位于流通区上游的拦渣坝拦截粗大的块砾石、下游的拦渣坝则负责拦截颗粒稍小的碎石，形成泥石流库，降低泥石流运动能量，调节泥石流洪量、固相物质粒径及总量，削弱泥石流的破坏力。拦渣坝还能抬高沟床，提高侵蚀基准面，对不良地质坡脚起掩埋与支护作用，增强山坡与沟床的稳定性，防止沟床切蚀，减少泥石流固体物质补给量，抑制泥石流的发育。受拦渣坝的制约，坝上游沟床纵坡减小，洪流流速降低，泥石流下泄物质粒径细化，抑制坝下游泥石流沟道的淤积演变［9］。从而实现拦粗排细、减少河岸泥石流固相物质堆积和细化堆积物粒径的目的。

3.3 转向导流防治技术

当泥石流冲出山谷后横向或大角度流入河道时，在岸边将形成泥石流冲积扇。冲积扇内固相物质堆积集中，在重力作用下堆积物中的自由水逐渐流失，固相物质固结密实，河水洪流冲击力也难将其冲散。受新生泥石流撞击力和动水压力的反复作用，固相物质会产生蠕动滑移，泥石流冲积扇缓慢向河中延伸，挤压河道形成碍航险滩（图6）。

在山区，泥石流爆发前必定先有降雨过程，雨水快速汇入河道形成山洪。为了利用洪水冲击流入河道内的泥石流固相物体，防治泥石流冲积扇集中堆积形成灾害，可在泥石流流通沟谷出口与河岸之间修建能抵抗泥石流冲击、改变洪流流向的弧形挡护导流结构（图7）。

利用弧形挡护导流结构的转向导流功能，调整出沟泥石流的运动方向，让其与水流方向一致，流动过程中逐渐脱离转向导流结构，泥石流中的固相物沿河岸分散滞留。再次洪流时冲向下游，形成河道泥沙的组成部分。流入河道中的固相物质未完成失水固结前，受到自身惯性与洪水冲击力的联合作用，能将固相物质进一步冲散、解体、不断细化，并随洪流带向下游。避免泥石流固相物质集中堆积、挤占河道、形成险滩、改变航道水流条件的灾害发生，维护了航道等级，能有效保障船舶安全通行。

4 结语

通过对山区河流泥石流的形成机理、运动规律、成灾机制等的研究分析，结合山区河岸地形地貌特征，将山区河流泥石流划分为坡面型与沟谷型，有利于泥石流灾害的预防与治理，符合山区河流泥石流实际。

基于土质结构原理与岩土稳定理论，建立了修复植被、规范人类工程行为与工程结构相结合的山区河流泥石流灾害综合防治措施。提出的截流排水方法，从源头上阻止了泥石流的形成和灾害的发生，是防治山区河流坡面型泥石流灾害的治本方法；山区河流泥石流拦粗排细灾害防治技术不仅能拦截泥石流中能量巨大、破坏力极强的粗大沙砾块石，同时减少了泥石流对沟岸的冲蚀与切割破坏，增强了岸坡的稳定，从根本上减少了泥石流洪流量，消除或弱化了泥石流灾害；导流转向泥石流防治结构能有效控制冲出沟口泥石流运动路径，改变了洪流流通轨迹，避免泥石流洪流直接冲入河道，能有效防止固相物堆积形成碍航险滩。

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