人工阶梯－深潭防治地震区泥石流的探索

漆力健，王兆印，黄华东，陈社鸿

(1.四川农业大学水利水电学院，四川雅安 625014;2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084;3.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

汶川地震引发了龙门山断裂带范围内大量的崩塌、滑坡、堰塞湖等次生山地灾害，给震区人民带来惨重的灾难。在河谷、山坡上形成大量的松散堆积物，估算震区地震侵蚀总量超过50×108m3［1-4］;在震后的这几年，在地震重灾区普遍暴发了泥石流，造成了新的人员伤亡和重建的基础设施被毁，加重了灾情。汶川地震重灾区的泥石流活动在震后5 a内进入极度活跃期，在今后10 a内将处于高度活跃期，而且持续时间将达20～30 a［1-3］。在重灾区因为地形陡峭，平地稀少，无论现在还是将来，沟口两侧都是生产建设的首要选择，而这些地方往往又是泥石流威胁最大的区域。2008年至今，重灾区许多建在沟口的居民安置点都面临泥石流的威胁，如绵竹清平、安县高川的多处安置点多次遭受泥石流破坏。为了保障震区人民生命财产和重要设施的安全，对泥石流进行及时防治是非常必要的，地震泥石流需要比一般情况下的泥石流治理投入十倍以上的资金。文家沟泥石流在2010年第一次按照常规方法治理时投入2000万元，当年治理工程就完全损毁，后投入2.6亿元进行高强度治理才见成效。对于危害性一般的众多泥石流沟，如果都进行高强度治理，一方面需要投入巨额资金，再者治理工程的修建时间也要很长，两方面的困难就需要寻找新的快速防治泥石流的方法。

阶梯-深潭系统是山区河流常见的一种微地貌形态，阶梯与深潭交替出现，河床纵向呈现一系列阶梯状。阶梯由大石块构成，高度从20cm到几米不等。阶梯-深潭系统在四川的山区河流中分布很普遍。阶梯-深潭的形成是河床在水流的强烈冲刷下，在纵向上的不断调整形态以增大水流阻力、消耗水流能量的目的，最终达到稳定的过程。研究发现阶梯-深潭系统有助于加剧水流漩滚和紊动，对水流消能起很好的作用［5-6］。人工阶梯-深潭系统在国外已被应用于控制山区河流的侵蚀下切，在维持河床稳定和改善生态上取得了显著成效［7-10］，但还没有应用于泥石流治理，尤其是地震区泥石流的防治。本文选择5.12地震极重灾区的绵竹文家沟巨型滑坡体上进行人工阶梯-深潭治理泥石流的野外实验，希望能为震区泥石流治理提供一种新思路。

1 实验区

文家沟位于“5.12”地震极重灾区绵竹清平乡境内，是绵远河左岸的一条支沟，总长2.9 km，流域面积7.8 km2(图1)。流域范围属构造侵蚀低—中山地貌、斜坡冲沟地形。沟口最低点海拔890 m，源头分水岭处最高点顶子崖的海拔标高2402m，相对高差超过1500m。该地区处于四川著名的鹿头山暴雨中心区，多年平均降雨量1514 mm，多年24 h最大降雨量平均值160 mm，最大日降雨量496.5mm，小时最大降雨量49.8mm。降雨集中在6～9月，降雨量占全年80%以上。震前流域内植被茂密，景色秀丽，是一处原生态的旅游胜地，从未发生过泥石流。

滑坡发生区的构造位置位于龙门山断裂带之中央断裂(映秀-北川断裂)的南东侧(下盘)3.5km处。区内出露地层主要为古生界细碎屑岩、碳酸盐岩。滑坡体为石炭系总长沟组上部的厚大碳酸盐岩岩层，岩性较为单一。

图1 文家沟滑坡体及地震前后的沟谷变化Fig.1 Wenjiagou landslide deposit and old and new Wenjiagou channels

“5.12”地震主震发生期间，文家沟沟源顶内，滑行的水平距离约1 300 m，滑坡体落地后以弹跃步进的方式迅速运行到沟口，总体运行距离超过3 000 m，在沟谷内形成的堆积体呈台阶状展布。滑坡形成的松散堆积物方量约8160×104m3，将文家沟由源头到沟口沟床填高20～180 m不等(图2)。滑坡堆积体的物质组成主要为石炭系总长沟组的生物碎屑灰岩、泥晶灰岩，夹少量细碎屑岩，岩性较为单一。文家沟大型滑坡体堆积物的粒度垂向分布具有上粗下细的特征，地表以粒径为0.5～1 m的岩块为主。

图2 文家沟地震前后深泓线及堆积体纵剖面Fig.2 Bed profiles of the old and new Wenjiagou channels and the landslide deposit in 2008

2008年震后至当年9月中旬，文家沟在日降雨量超过30 mm/d时就会发生泥石流。9月24日降雨量达88mm，暴发大规模的泥石流，在松散堆积体右侧形成一条贯穿滑坡体的冲沟，约有90×104m3的泥石流将绵远河完全堵塞，将河床抬高3～10 m。新发育的冲沟汇水面积约4.50 km2、长度1.80 km;沟床平均坡降为188‰，沟内平时没有水流。沟谷呈V型，下切最深超过50 m(图3)。上游段沟床平均坡降约311‰，冲沟边坡坡度多在40°～50°，最陡处超过80°。

图3 文家沟滑坡体上游深切的泥石流沟Fig.3 New Wengjiagou gully developed during debris flows on the landslide deposit

根据2008年9月24日泥石流目击者的描述，泥石流发生时在较远处都能感觉到震动很大，龙头流速在1～2 m/s。当泥石流在地势较平处停止时，水流会以约5 m/s的速度流出。可见液相和固相之间存在明显的相对运动，泥石流头部运动阻力很大。取泥石流堆积物配制四个泥石流样品，并请泥石流目击者判定，测得泥石流容重为2.10～2.27×103t/m3。泥石流的固体物质以石块为主，粒径0.5 mm以下的黏土和砂土不到6%。从以上的调查结果表明，文家沟的泥石流在地震后的初期具有高容重、慢速、两相流的特点［10］。这种泥石流一般情况下对人畜危害不大，但因对降雨强度要求很低，发生频率高。

2 野外实验

实验选择文家沟滑坡体主冲沟上游段，长约450 m。选择此段的目的是从源头抑制泥石流形成。泥石流起动之初的规模小，破坏性不强，若在起动阶段将触发泥石流的水流能量消耗，则可以避免泥石流灾害［11］。

人工阶梯-深潭系统构筑简单，所需材料较少，自重小，结构上具有一定的自我调整能力，能够适应松散堆积体的沉降密实过程。阶梯按叠瓦形式布置，在平面形态上布置成反拱形以提高整体的稳定性(图4)。人工阶梯高度和阶梯间距参照经验式布置［12］:

式中:H——阶梯高度;

L——阶梯之间的距离;

J——河床坡降。

图4 阶梯－深潭结构示意图Fig.4 Sketch map of step-pool systems

2009年05月进行实验的施工，以沟谷原有的散布大石头和从两侧堆积体顶部人工撬落的大石头为主，根据沟谷地形构筑阶梯，共布置33级阶梯结构(图5(a))，阶梯高度一般在1～2.5m，阶梯间距离在10～15m，并在弯道处垒了高1m多的石块护坡避免边坡底部淘蚀，沟床床质颗粒较细位置设置铁石笼护坦。采用电子经纬仪对修筑人工阶梯前后及汛期前后的纵剖面和横断面进行测量。精度为0.1mm的自记雨量计(JFZ-01)安放在文家沟沟口左侧的居民楼顶。

图5 文家沟的阶梯－深潭结构Fig.5 Artificial step-pool systems construction in wenjiagou

3 实验结果讨论

在2009年6月28日43 mm的降雨和其后另外两次20mm左右的降雨，上游来水的能量被阶梯-深潭系统耗散，速度降低，携带的沙石沉积在深潭段(图5(b))。7月17日和9月8日日降雨量大于90 mm，均超过2008年9月24日发生大型泥石流的最大降雨量。7月17日在试验段右侧山体与滑坡体交界处的支沟暴发小规模泥石流冲入实验段的中游位置，导致实验段下游近一半阶梯结构被破坏，沟谷溯源下切，引起边坡垮塌，沟谷扩宽。而上游的阶梯-深潭结构基本上保持稳定，而且边坡没有受到影响。这表明稳固的阶梯-深潭系统能够有效阻止沟床下切，从而稳定沟谷边坡，并且提升了泥石流暴发的降雨量临界值。

经历2009年各次降雨后，第12级以上阶梯-深潭结构保持稳定，沟谷的变化主要为淤积(图6(a))。在第22级下游的部分则在失去阶梯结构的保护后，每次25 mm/d以上的降雨都会引起明显的冲淤变化(图6(b))，沟床在整体上表现为下切。虽然在下游河道内也还有一些1～2m粒径大石头，但是没有形成阶梯结构，孤立石头难以对水流起到足够的消能抗冲刷作用。这些情况表明阶梯-深潭作为一个整体性的消能结构有利于沟床稳定。

图6 阶梯－深潭系统的沟段纵剖面变化图Fig.6 Comparison of bed profile in different periods after the artificial step-pools finished in 2009

震后2008年期间文家沟暴发的几次泥石流，以9月24日(降雨量88mm/d)的泥石流规模为最大，导致清平乡再次受灾。而在2009年，只在7月17日(降雨量91.2 mm/d)出现一次小规模的泥石流，约1×104m3，停留在沟内，对于当地的生活生产没有产生不利影响。下游段阶梯结构的毁坏，在强降雨时此区域已难以抑制泥石流的形成。上游段的阶梯则是起到了增阻消能的作用，上游区域泥石流暴发的可能性得以抑制。后来对损坏的阶梯结构进行了修复加固，在2009年9月8日降雨量达到96 mm时，没有暴发泥石流。在文家沟，2008年几乎在降雨量超过30mm/d时都会暴发泥石流。理论分析也表明:在阶梯-深潭系统构筑后，文家沟激发泥石流的降雨量需提高到原来的3倍以上［13］。

而对文家沟附近区域的调查显示:在距离文家沟7 km的范围内，有5条2008年发生规模较大的泥石流的冲沟，其中4条均在2009年暴发了泥石流，没有暴发泥石流的南天门沟主要原因是在沟内已自然发育出稳固的阶梯-深潭结构。文家沟下游的小岗剑泥石流在2009年3次长时间阻断清平乡与外界联系的唯一通道，至今仍然每年在汛期多次堵断交通。上游的黑洞岩、雍家沟均在2009年7月、9月间暴发泥石流，每次出沟的物质均在10×104m3以上，阻断公路和绵远河，致使当地刚刚恢复生产的矿井陷入停顿。从时间还是空间上对比都表明:阶梯-深潭系统控制泥石流和维护河道稳定的作用非常明显。

在野外试验的同时，对文家沟的右支沟内天然形成的阶梯-深潭系统进行了调查，以更深入了解阶梯-深潭的特性。根据对典型天然阶梯-深潭的实测数据进行了不同流量下的数值模拟。模拟采用κ-ε紊流模型，用有限体积法对偏微分方程组进行离散，压力和速度的耦合采用收敛性较好的SIMPLE法;对于水气交界自由面采用VOF方法追踪模拟。上游的边界条件根据实测值给定，在出流边界上给定压力为当地大气压的出流条件，在固壁上给定法向的速度为零和无滑移条件，近壁的黏性底层采用壁函数法处理。

实测流量为Q=0.02m3/s。还模拟了其他三种工况的情况，即Q=0.10m3/s，Q=0.20m3/s以及Q=0.40m3/s。模拟结果显示(图7)，水流触潭区有明显的水跃漩滚出现。小流量情形下水平面和纵剖面上环流非常明显，环流几乎涉及整个深潭的范围，使得来流与潭内水体充分接触，极大的提高了消能效率。天然阶梯-深潭结构是在某一次洪水过程中形成，在形成后的相对小流量条件下，有一定自动调节能力，从而使结构优化，流速分布合理，保证高效的能量耗散及河床的进一步稳定。阶梯深潭的出现使河床的纵剖面上变得更加曲折，促进了河床阻力升高［13］。

单位时间内单位重量水体的势能耗散率可以用下式表达［14］:

图7 水平剖面流速矢量图Fig.7 Velocity vector of horizontal cross section

式中:y——河段高差(图4);

t——时间;

x——河段长度;

V——平均流速;

J——河流比降。

相比于没有形成河床结构的同一河道，阶梯-深潭系统发育的河道中的河段长度会有明显的增加，大者可达30%以上［13］，而且水流在深潭内形成水跃，此过程中水体混掺进入大量的气泡，水流的剧烈紊动以及环流作用，大量的水流能量得以耗散，数值模拟计算的结果表明消能率最高可达97%，即使在大流量时也在83%以上。同时增大了水流滞留潭内的时间，使得出潭的水流流速与入潭流速相比显著降低，也使得整个河段的平均流速下降。这样，式(2)中的V和J都会大幅减小，使得阶梯-深潭系统发育良好的河流系统能够接近甚至达到最小单位能量耗散率V·J=min的条件;即阶梯深潭发育的情况下河流系统将更易趋于或达到动态平衡，可以提升河流系统的稳定性。

在“5.12”地震前，震区内的河流大多处于或接近于动态平衡的状态，地震的强烈破坏带来大量的松散物质，河流系统的原有稳定性失去。从这种新的不稳定状态重新达到稳定，如果完全依靠河流系统的自我调整可能需要很长的时间。许多侵蚀下切的山区河流没有发育或者需要很长时间才能发育出良好的阶梯-深潭系统。在震区河流重新稳定的过程中，通过构筑人工阶梯-深潭系统加速其稳定的进程，对减少灾害的发生具有重要意义。

另一方面，通过四个工况的数值模拟结果看到，随着流量的增大，阶梯-深潭的水流消能率出现明显下降(图8)。同时由图7看到，在同一深潭内大流量时的流态与小流量时有较大的不同，小流量时的流场具有多个完整的漩涡存在，充分混掺消能后出口水流流态平顺;大流量时，虽然水体的混掺表现更为强烈，但是水流的余能较大，出口水流流速和紊动较大。虽然阶梯-深潭保持着很高的消能率(图8)，但当流量增加至最小流量的20倍时，相应的出口余能的比例也相应增加6倍，将对下游河道稳定性产生不利影响。流量增加，水流平均流速增大，单位重量水体的能耗率(V·J)值将随之增大，偏离平衡状态越远;当偏离稳定值太多，整个系统可能会失去稳定性质，过渡到一个完全不同的状态［15］。对于阶梯-深潭系统来说，就相当于大量的水流能量难以耗散时，出口流速增大，最终会导致阶梯-深潭的破坏;而结构破坏后，河道的消能率进一步降低，进入下游的水流能量增加，整个系统的平衡状态也会打破。当消能率降低到一定程度时，可能引起下游连续性冲刷破坏，河床阻力随之减小很多，甚至溯源下切导致阶梯深潭系统的整体破坏(图6(b))，最后阶梯-深潭系统遭受严重冲刷而消失，更严重可能引起泥石流的暴发。2009年7月文家沟人工阶梯-深潭系统的下游部分被破坏即是如此。

图8 阶梯深潭消能率与流量关系Fig.8 The relationship between energy dissipation ratio and discharge in step-pool

本次实验的历时较短，实验治理范围仅限于沟道的上游，当受到其他区域的水流能量汇入影响或发生高强度降雨，超出阶梯-深潭结构所能够承受的能力时，可能导致下游段部分的阶梯-深潭被破坏，这对利用人工阶梯-深潭系统治理震区泥石流方法提出了值得探讨的问题。由于治理的沟道还可能会受到流域内其他无防治措施区域的不利影响，因而需从流域整体上治理泥石流才可能获得最好的效果。在很多地方广泛运用拦挡坝防治泥石流，作为整体性和坚固性更高的拦挡坝可以拦淤部分泥沙，抬高侵蚀基准面，减少边坡的垮塌，而阶梯-深潭则将水流能量耗散以保护沟床不被下切。将阶梯-深潭系统与坝高较低的拦挡坝综合运用，在流域内将二者合理的布置，提升防治工程的减灾能力和自身的稳定性，将会更有效的发挥阶梯-深潭控制泥石流的作用。

基于消能的思路防治泥石流，是一种有效的减灾措施［13，16-18］。在这一方面的研究尚少，如何量化阶梯-深潭结构各参数，将人工阶梯-深潭系统治理泥石流沟的方法运用于实际工程治理中，还需要进行更多的野外试验以及增加试验时间的跨度，继续深入探索。

4 结论

2009年文家沟野外实验的结果表明:模拟山区河流中自然发育的阶梯-深潭结构治理震区泥石流，所需材料较少，施工时间短，结构上具有一定的自我调整能力，对控制和减轻泥石流灾害的效果明显，人工阶梯-深潭系统是一种值得继续探索的治理震区泥石流的新方法。阶梯-深潭的出现增加了河床阻力，具有高效的消能作用，人工阶梯-深潭系统可以有效阻止河床下切侵蚀并稳定滑坡堆积体。阶梯-深潭系统发育的河流可以提升河流系统的稳定性。在震区小流域恢复稳定的过程中，通过构筑人工阶梯-深潭系统加速泥石流沟谷稳定的进程，对减少灾害的发生具有重要意义。阶梯-深潭系统高效消能，但相对松散，坚固的拦挡坝可固床护坡，将二者综合运用于受到地震影响的泥石流沟可能会具有更好的防治效果。

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