“水石分离”在泥石流灾害防治工程中的应用

文联勇，谢 宇，李 东，王 勇

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059;2.四川省地质工程集团公司，成都 610017)

1 研究背景

目前我国对泥石流灾害的防治手段主要有拦挡工程(拦挡坝、格栅坝、梳齿坝等)、排导工程(排导槽、渡槽)、护坡固底工程(护坡挡墙、谷坊坝群、潜坝或肋板、护坡导流堤)、生物工程等［1－2］，以上这些防治手段多为针对保护对象或泥石流松散物源而设，但鲜有针对泥石流成因三要素之一的地表流水进行拦截疏引而采取的防治工程。在地形条件不能改变、松散物源治理难度较大、拦挡停淤不可行的情况下，如能将产生泥石流的地表流水控制住，也能达到控制泥石流发生的作用，因此，在上游将地表流水进行拦截疏排，以避免在物源区水石相会，是泥石流治理工程中的另一种思路。

下面以绵竹文家沟泥石流为例，在上游设施拦截疏排工程，将来水引到邻近一号支沟，从而达到水石分离防治泥石流发生的目的。

2 泥石流概况

图1 文家沟泥石流总平面图Fig.1 Distribution of Wenjiagou debris flow

文家沟泥石流位于川西龙门山山区，流域面积约7.81km2，平面形态呈口袋型，腹大口小、汇水条件极好，主要由主沟和左右2条支沟形成树枝状水系(见图1):主沟长约4.8km、流域面积5.59km2，原为一暴雨型流水冲沟，受2008年汶川“5·12”大地震诱发的一个巨型滑坡，经过多次撞击铲刮山体后形成的滑坡碎屑流在中下游段形成长约2.6km、厚30～180 m、方量约5 900×104m3的松散体堆积，目前仅在沟谷右侧有一深切狭窄的冲沟径流(见图2);右侧一号支沟长约3.18km、流域面积1.65km2，为一常年流水清水沟，在主沟下游汇入;左侧二号支沟原长0.84km、流域面积0.57km2，因滑坡碎屑流掩埋现已成伏流排泄。

2008年9月24日因区内强降雨导致文家沟发生了第一次泥石流灾害。本次泥石流冲出固体物质约90×104m3，造成沟口200余m公路被掩埋、绵远河河道堵塞致使河水淹没对岸一个村庄，并在地震形成的滑坡碎屑流堆积体上形成了一条长约1km、深10～30 m的狭窄冲沟。

为防止松散堆积体上新近形成的深切冲沟再次揭底侵蚀下切形成泥石流灾害，当地政府在次年就组织施工单位在中游深切冲沟内修建了19座浆砌块石谷坊坝和一座拦挡坝。2010年7月31日在文家沟综合治理工程还未完工之际，当地发生了1h降雨量达51.7mm的强降雨，降雨汇聚的地表流水诱发深切冲沟两侧边坡发生滑塌造成沟道被堵，进而使大量谷坊坝库容很快被淤积填满，部分土体在混合流水后形成泥石流向下游冲出，翻坝流体则强烈冲刷尚未设护坦的坝下沟道，致使冲沟内的9座谷坊坝被泥石流冲毁或掩埋。

图2 汶川“5.12”地震后文家沟沟谷Fig.2 Wenjiagou gully after the megaquake in Wenchuan

2010年8月12－13日，文家沟再次降下总降雨量达227.5mm、最大1h降雨量达70mm的罕见特大暴雨，降雨汇聚的流水倾泻而下，造成布设在深切沟道内的谷坊工程全部失效破坏并形成溃决型泥石流。此次泥石流规模极大、破坏力极强，国内外罕见。据调查，在短短的4h内该次泥石流共冲出固体物质约450万m3，并将原沟道向下深切30～50m、向两侧拓宽100多m，形成一狭窄而陡峻的“V”型沟槽(见图3);泥石流堆积体形成长约1.6km的壅塞体并将绵远河完全堵塞，致使绵远河河流改道向右岸推移约300m、清平乡棋盘村、园包村和清平乡场镇被泥石流和洪水掩埋［3］，造成的直接经济损失超过4.3亿元［4］，为近几年来我国罕见的特大型泥石流灾害。

图3 文家沟中段深切冲沟Fig.3 Deep downcutting ravine in the mid-stream of Wenjiagou gully

2010年9月18日上午，文家沟因降雨强度达18.5mm/30 min、12.5mm/5 min 的强降雨再次暴发泥石流灾害，泥石流下泄量达17×104m3，将在沟口进行抢险疏浚和勘查的设备冲毁或掩埋。

3 泥石流特点及成因

文家沟泥石流为典型的地震次生地质灾害——地震诱发产生的滑坡堆积体在后期降雨汇聚流水作用下产生泥石流，主要有以下特点。

3.1 拉槽成沟、堵溃现象明显

文家沟内堆积的滑坡碎屑流物质密实度松散、固结程度差、强度低、透水性好，在流水冲刷作用下很快就在堆积体上冲出一条径流通道，大量汇聚的流水将通道揭底冲刷下切，并很快拉槽成沟;汇聚的流水在沟道内揭底侵蚀下切到一定程度后造成两侧沟坡高陡，进而发生沟坡滑塌堵塞沟道;当堵沟形成的堰塞体不能承受流水或流体压力时就会发生溃决现象，溃决产生的强大作用将上游饱水土体快速带走后在沟谷内形成一个个宽度较大的“大肚子”。

3.2 发生泥石流的降雨触发点低、发生频率高

由于文家沟沟床坡降大、冲沟两侧边坡陡、沟内堆积物方量大且松散，在流水作用下极易发生泥石流，泥石流发生的触发点较常规大大降低。据已发生几次泥石流的降雨资料统计，当10 min降雨量为10～15mm时该冲沟就会发生中－大型泥石流。

3.3 松散物源量多、固源难度大

文家沟内堆积的松散物源为2008年“5·12”大地震时发生的滑坡碎屑流堆积物，储量达5 000多万m3，物质成分为灰岩碎块石、粉质黏土等混杂堆积，堆积层厚且均匀性极差，沟床土质较松软、边坡稳定性低，在该松散体上修建固源工程难度极大。

3.4 沟谷下切快、泥石流规模大、危害性大

沟内堆积物厚且松散、沟床坡降大，在流水经过时，沟谷揭底下切极快、两侧岸坡也极易坍滑，为泥石流的发展壮大提供了物源。“8·13”特大泥石流发生时在不到4 h的时间里中游段冲沟就下切了30～50 m，形成了一陡峻的“V”型沟槽。

沟谷快速下切导致大量松散物质混入沟道流水中，且两侧沟坡也极易产生滑塌堵沟溃决，因此文家沟每次发生泥石流的规模均较大，一次性泥石流下泄量一般都在10万m3以上，对沟口及主河道两侧居民和下游清平场镇造成极大的危害和威胁。

3.5 各功能区分界明显

汇水区主要为上游1 300 m平台以上约4.38km2瓢状区域、物源区则主要为中游长1.3km的条带状深切冲沟区、流通堆积区为下游沟道及绵远河河床，各功能区之间相互独立、分界明显。

3.6 典型地震次生地质灾害

文家沟泥石流为典型的地震次生地质灾害，受汶川“5·12”大地震影响明显，如文家沟主沟因沟谷内堆积有大地震诱发文家沟滑坡产生的滑坡碎屑流松散体而发生了泥石流，而邻近的一号支沟因无该滑坡碎屑流堆积物则未发生泥石流。

根据对文家沟数次泥石流发生时的影像资料及事后调查资料分析，文家沟泥石流成因主要为上游降雨汇聚的大量流水在流经中游段深切冲沟时对沟底进行揭底冲刷下切、对两侧岸坡进行侧蚀进而使冲沟不断加深加宽，同时两侧新形成的边坡不断垮塌造成沟道堵塞而后溃决并最终形成泥石流(见图3、图4)。

图4 文家沟中游深切冲沟段主要物源区典型断面Fig.4 Typical section of the debris source area in the deep downcutting ravine in the mid-stream of Wenjiagou gully

4 治理思路及方案选择

文家沟泥石流因其物源丰富、泥石流爆发频率高、且规模大、危害性大、治理难度大而闻名，因中游冲沟内沟深坡陡、物源丰富且稳定性差、上游汇水面积大，再次爆发大型甚至特大型泥石流的可能性极大，选用传统的拦挡排工程不能达到治理效果，必须用新的思路设计泥石流治理方案。

4.1 排导方案

文家沟所在绵远河主河道区为宽缓河谷、河床坡降仅13‰左右，河水疏沙能力较差，泥石流进入主河道后将堵塞绵远河。2008年的“9·24”泥石流下泄量达30×104m3，将绵远河堵塞形成堰塞湖;2010年“8·13”泥石流下泄量达450×104m3，将绵远河1.6km的河道直接堵塞淤高5～10 m，造成下游清平场镇被泥石流和洪水淹没。绵远河再也不能承受文家沟再次发生泥石流，因此文家沟泥石流治理工程不能考虑采用排导工程利用主河流水疏沙的防治方案。

4.2 拦挡停淤方案

若采用拦挡停淤工程，仅能考虑泥石流堆积在从文家沟沟口至深切冲沟沟口一段长约850 m、宽40～150 m、高差约70 m的宽谷区，但即使在沟口修建高50 m高的拦渣坝，该区域也仅有200×104m3的库容，这对沟内数千万方的松散物源来讲简直就是杯水车薪，何况要在新近堆积的饱水的泥石流堆积体上修建如此高的拦渣坝，无论从技术还是造价上来讲也是非常困难的。所以要想在沟口修建拦挡停淤工程的防治方案也不可行。

4.3 固底护坡固源方案

考虑到参与文家沟泥石流的主要物源为中游段长约1.3km的深切冲沟底及两侧的松散堆积物，该部分堆积物参与泥石流的方式主要为在流体冲刷揭底下切、侧蚀导致下边坡滑塌后堵塞沟道形成泥石流，因此若能将该段冲沟的松散物质固定在原处，即使上游来再多流水也不会形成泥石流。

要达到对深切冲沟固床护坡目的，一般在沟底设密集谷坊坝群和在沟底设防冲护底加两侧护坡挡墙2种方案。

前一种方案对于一些沟坡和沟底均较稳定的老冲沟可行，但对文家沟这种新近堆积的松散体组成的沟道和边坡不是很合适。首先，在固结程度较差的沟底上修建的谷坊工程极易因地基变形而破坏;其次，松散的边坡在流水作用下极易产生坍滑堵沟;最后，流水易从谷坊坝两侧或基底新开槽成沟冲出造成谷坊坝失效破坏，这种情况在“8·13”泥石流发生过程中得到了应验(泥石流发生后沟内原修建的谷坊坝无一幸免全部破坏、而且溃坝后产生的溃坝效应还加大了泥石流的规模和破坏性)。

后一种方案可采用圬工结构、钢筋混凝土结构或钢筋石笼、钢绳网石笼等柔性结构进行防冲护底和护坡:①由于文家沟深切冲沟段沟坡陡、坡降大、土质松软，采用圬工结构进行固底护坡虽造价便宜，但存在防治工程因地基变形、流水冲刷等极易破坏失效的风险;②采用钢筋混凝土结构虽可以达到固底护坡的功能，但这种刚性结构会因地基变形后极易在工程结构表面产生变形裂缝，造成工程破坏失效的假象，在1.3km的深切沟道内浇筑钢筋混凝土固底护坡工程施工难度较大且造价较高;③采用钢筋石笼或钢绳石笼等柔性结构进行固底护坡时，也存在施工困难、使用寿命较短和造价高的缺点。

4.4 截水分流方案

据计算，文家沟主沟1 300 m平台以上汇水区域在降雨频率为1%，2%，5%，10%，20%时汇聚流水的洪峰流量分别为118.82，105.42，87.91，73.83，59.13 m3/s，但在经过中游段物源区到达深切冲沟口形成泥石流后流量分别为1 019.98，899.89，743.64，618.21，488.10 m3/s，上游汇聚流水在经过中游段物源区1.3km的深切冲沟后大量松散物质混入致使流体流量增加了近9倍，所以治理文家沟泥石流的关键是如何避免上游流水冲刷中游深切冲沟的松散体，从而减少或防止边坡滑塌形成泥石流。由于文家沟泥石流汇水区和物源区相互独立，若能将上游汇聚的地表水在上游就引离中游段主要物源区，避免流水冲刷深切冲沟沟底和岸坡，则可以避免因流水冲刷导致沟道下切、岸坡坍塌进而产生泥石流。邻近的一号支沟基岩裸露、岸坡稳定、排泄口位于主沟主要物源区以下，是理想的排泄通道，若能在物源区和汇水区交接区域(1 300 m平台)设拦截引水工程(引水隧洞或引水明渠)将上游汇聚的地表水体引到邻近的一号支沟内，通过一号支沟向下排泄流水以绕避主沟内的松散物源区，使得上游来水和中游物源区的土石达到“水石分离”(见图5)，从而可达到避免因流水通过中游段深切冲沟造成冲刷揭底下切、岸坡侧蚀坍塌堵沟进而发生泥石流的目的。

图5 文家沟上游分流引水方案平面布设Fig.5 Layout of flow diversion project in the upstream of Wenjiagou gully

从上面分析可以看出，采用在上游截水分流来控制泥石流发生的防治方案是可行的，且明显优于其它方案。截水分流工程中隧洞引水方案长435 m的引水隧洞可将汇集水体引排至一号支沟左侧冲沟、引水明渠方案则需要开挖长780 m的引水明渠绕过主沟和一号支沟之间的分水山脊将汇集流水引向一号支沟左侧冲沟，因而隧洞引水工程优于明渠引水工程。

5 隧洞引水工程设计

隧洞引水工程主要有引水隧洞、集水池、导流堤、底格栏栅等。

5.1 引水隧洞工程

引水隧洞设计过流能力按降雨频率2%、洪峰流量105.42 m3/s进行设计，按降雨频率1%、洪峰流量118.82 m3/s校核。引水隧洞总长435 m，明挖衬砌段长80 m、暗挖衬砌段长355 m，隧洞起点高程1 288 m、出口高程1 265.5 m、坡降0.05;隧洞过流断面采用直墙圆拱型，为方便施工隧洞直墙高3.5～6.5 m、拱高1.75 m、底宽4.5 m，最小过流断面面积20.56 m2，洞壁采用厚500～800mm的钢筋混凝土衬砌(见图6)。经验算，在水深1.7 m时引水隧洞过流流量达119.6 m3/s，远大于降雨频率为1%时洪峰流量118.82 m3/s的标准要求。

5.2 集水池工程

集水池修建在1 300 m平台中下部，主要功能为对上游来流水进行沉渣降速。集水池采用下沉埋入式，底宽 26 m、长 100 m、深 3 m、顶宽 42 m、长118 m，四周面坡坡比1∶4，设计最大集水库容为1.889×104m3，集水池四壁一底采用钢筋混凝土衬砌。

5.3 导流堤和底格栏栅

为汇流上游流水，在集水池至左岸基岩斜坡间用开挖集水池基坑土石堆填碾压形成导流堤，以拦截上游流水进入集水池，导流堤长210 m、顶宽2.5 m，迎水侧坡比 1∶2、背水侧坡比1∶3。

为防止碎块石进入引水隧洞，在集水池下游侧设4道天窗式底格栏栅(见图7)，每道底格栏栅长70 m、宽2 m、格栅网用Φ20钢筋焊接形成。底格栏栅透水面积可保证设计流量能顺利进入排水廊道。

6 效果分析

文家沟泥石流主要是因上游4.38km2汇水区降雨后汇聚的地表水在流经主沟中游长1.3km的深切冲沟段时，对沟底进行冲刷揭底下切、对两侧岸坡侧蚀造成坍塌堵沟溃决进而发生的。因此文家沟泥石流防治工程通过在远离物源区的1 300 m平台中部修建拦截引水工程后使得上游来水体大部分通过引水隧洞排向邻近的一号支沟、深切冲沟段仅有少量地表径流甚至仅有地下水径流，从而有效地避免泥石流再次发生。2011年汛期的几场大暴雨对文家沟“水石分离”工程进行了检验，如7月3日的165mm降雨、7月4日的130mm降雨、8月19日的182.4mm，降雨文家沟都未爆发泥石流，上游来流水均顺利从引水隧洞排向邻近一号支沟，由此说明“水石分离”治理泥石流的方案是可行的。

图6 文家沟上游引水隧洞断面Fig.6 Section of the flow diversion tunnel in the upstream of Wenjiagou gully

图7 上游引水工程集水池及底格栏栅纵断面Fig.7 Longitudinal profile of the catch basin and screening grids of the flow diversion project

7 结论

泥石流治理工程应根据各自的特点制定合适的治理措施，特别要针对泥石流成因三要素地形、物源、水源选择治理措施，当有条件控制上游水源时尽量针对水源采取控制工程，以达到在源头控制泥石流产生的目的，这就是“水石分离”泥石流治理理念。在文家沟若能真正做好上游截水引流工程，达到“水石分离”，将能切实保证不再发生大型泥石流，达到泥石流治理的效果。

［1］DZ/T0220－2006，泥石流灾害防治工程勘查规范［S］.(DZ/T0220－2006，Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization［S］.(in Chinese))

［2］DZ/T0239－2004，泥石流灾害防治工程设计规范［S］.(DZ/T0239－2004，Specification of Prevention Engineering Designs for Debris Flow［S］.(in Chinese))

［3］四川省地质工程集团公司.绵竹市清平乡文家沟“8·13”特大山洪泥石流灾害应急勘查报告［R］.成都:四川省地质工程集团公司，2010.(Sichuan Geological Engineering Group.Report on the Emergent Investigation for the 8·13 Catastrophic Debris Flow at Wenjiagou，Qingping town，Mianzhu City［R］.Chengdu:Sichuan Geological Engineering Group，2010.(in Chinese))

［4］余 斌，马 煜，吴雨夫.汶川地震后绵竹市清平乡文家沟泥石流灾害调查研究［J］.工程地质学报，2010，18(6):827－836.(YU Bin，MA Yu，WU Yu-fu.Investigation of Severe Debris Flow Hazards in Wenjia Gully of Sichuan Province after the Wenchuan Earthquake［J］.Journal of Engineering Geology，2010，18(6):827－836.(in Chinese))