泥石流消能防治工程研究

张 猛

(黑龙江省桩基础工程公司，哈尔滨 150036)

泥石流消能防治工程研究

张 猛

(黑龙江省桩基础工程公司，哈尔滨 150036)

文章以跌落式和滑落式两种典型泥石流形态为主要研究对象,分析了泥石流龙头的运动特征、减阻现象、龙头的控制作用、形成条件，初步总结了和消能理论有关的泥石流形成机理、泥石流水力特征及能量传递机理。提出了建立涵盖稳定性、地质地貌、生态、景观的检测评价机制,完善并且拓展人工阶梯-深潭功能。并将阶梯-深潭系统消能功能和显著生态景观效应作为常用工程措施的重要补充加以利用，在广大的河流沟谷具有比较好的应用前景。

阶梯-深潭；泥石流；消能；山区河流

1 泥石流运动特征

经过野外观测和调查自然界有两种动力学特征和运动机理不相同的泥石流。具有“铺床过程”作用非牛顿体、弯道超高、无分选沉积物的黏滞性、多层间歇振流泥石流，由黏土、沙、砾石组成，减小粗糙河床阻力，可以减阻约30%。具有牛顿体性质的两相泥石流龙头由大石块组成形态陡峭高大，内部液体物质和固体物质相对运动，气泡不能溢出，产生气垫作用达到约25%的减阻效果。

1.1 泥石流龙头

在自然环境下,泥浆冲击大块卵石形成泥石流龙头，前锋高高隆起出现在坡降较大且流量较大区域。龙头具有存储能量和控制作用。泥石流运动过程中裹挟越来越多的固体物质，势能中得到的能量大于消耗的能量，高速运动水流同龙头一起运动并传递较大的动能，大颗粒物质向龙头部移动越来越高，直到泥石流龙头能量平衡。龙头形成之初，水流可以经过龙头，落到岸床上能量进一步消耗，速度降低落在龙头后。小颗粒速度快将能量传递给大颗粒，时间长了在岸坡上形成小颗粒层。整体惯性推动龙头运动相当长距离，直至衰减沉积。泥浆流中紊动使泥浆和卵石不流散。

1.2 泥石流的形成条件

观测发现泥石流固体物质补给来源绝大部分是崩塌滑坡的泥浆对岸床卵石的冲刷。形成泥石流因素是流体对卵石堆积层冲刷和液相流内部能量的传递强度。适当浓度的黏土泥浆有利于泥石流形成，也有利于泥石流的长距离运动。在自然环境下，泥石流液相黏土浓度在0.04-0.1之间。

2 阶梯—深潭消能机理及稳定性

阶梯-深潭系统在山区河流广泛分布，从湿润区常年河流到半干旱区河流均有分布。

自然条件下，阶梯—深潭是山区河床常见的三种结构之一,由一段陡坡和一段缓坡河床交替连接深潭形成。阶梯段由卵石和巨石组成。深潭里含有细沙、粗沙、少量砾石。许多山区河道沟谷没有自然发育或者需要相当长时期才能发育阶梯—深潭。在我国的四川、贵州、云南的河流中均存在发育良好的大比降河段控制结构的阶梯—深潭，河道含沙量都为零。其具有消耗泥石流能量和控制河床下切、垂向自动调节作用。文章仅研究阶梯—深潭最普遍的形态和流量情况。选取跌落式和滑落式两种典型形态。在野外实地选取10个样本，5个为滑落式，5个为跌落式。

2.1 阶梯—深潭消能机理

阶梯—深潭分为两种类型。①滑流式，水流运动紧贴阶梯，进入深潭。②类似小瀑布跌落方式进入深潭。阶梯—深潭对泥石流的消能机理是沟谷两侧的巨大石块对河流运行产生巨大的阻力降低流速，河流经过出水口排泄而出，河流中淤积的泥沙也能经过出水口排出，实现整个系统自动调整；河流经过阶梯形成类似的跌水状态，在深潭形成类似水跃状态，水沙分离，使作为泥石流一部分的水流能量消耗，进而达到消能。有资料显示，由圆木构成阶梯的阶梯—深潭结构所拦挡的泥沙达到年均泥沙量的123%。利用天然或人工阶梯-深潭系统可以稳定山区河流河床，减轻甚至抵御部分山洪泥石流灾害。

图1 阶梯—深潭示意图

2.2 阶梯—深潭稳定性

单个阶梯—深潭是连续阶梯—深潭发挥作用的基础。关键石块在冲刷的作用下有失稳的可能，进而破坏单个阶梯。关键石块发挥固定作用，对整个阶梯—深潭系统的稳定也有关系。防止阶梯—深潭失稳损毁关键是确定河流的最大洪峰流量，同时深潭的冲刷也对失稳产生一定影响。

3 泥石流防治工程设计与人工阶梯—深潭设计比较

3.1 常用工程措施的不足

漏窗坝、梳形坝、缝隙坝、柳桩坝等传统工程措施，在流通区域或堆积区域通过排导槽将泥石流排放到河谷、停淤场。拦挡措施和排导槽措施的缺点是坝体结构亟待优化，合理设置泄流口有效减小坝前冲击，提高抗冲击力，增加拦挡工程坝体高度、增加基础；填土工程的质量要求比较高，要夯实稳固。

3.2 人工阶梯—深潭工程对常用工程措施重要补充

复杂的泥石流运动机理及排导工程设计标准与实际情况差异，使有限容量拦排工程存在失稳可能，生物作用没有发挥之前，工程措施对恢复自然景观作用有限。山区阶梯-深潭纵向上保持完整形态,提高沟谷阻力、消耗泥石流能量，减小泥石流对下游破坏，有比较广泛的应用前景。用巨型漂石作为关键石块，大块卵石和漂石填充在关键石块周围互锁稳固。泥石流在阶梯呈现速度较低“舌”状淤积。在工程设计上拦沙坝、排导槽之间修建的或者自然环境形成的阶梯—深潭不是直接阻止泥石流，而是用跌水和水跃消耗其能量。如果深潭比较深面积比较大可将大石头和泥沙拦阻，客观上可以起到停淤场作用。

关键石块的直径、河道坡道、汛情流量影响单个阶梯—深潭。阶梯—深潭设计需要根据小流域水文情况计算，确定抵御洪水的最大洪峰值。单个阶梯—深潭的稳定稳定性受到上游来量的影响和关键石块的上游冲刷角决定。也就是阶梯—深潭失稳定往往是由于洪峰量过大和阶梯下游的深潭冲刷两者共同决定的。阶梯-深潭系统由于在水流冲刷的过程中形成，是河床阻力结构达到最大的形式。阶梯—深潭修建材料要能满足力学强度的要求，构建阶梯—深潭要求在稳定的沟谷内修建。利用阶梯-深潭系统的消能作用对泥石流沟进行治理，是一种主动的防御工事，通过建设消能结构来治理和正确管理可以减少甚至杜绝泥石流 灾害。

3.3 阶梯—深潭的生态景观效应

天然环境下河流冲刷，水体滞留在阶梯、深潭，形成多样化可持续水文环境。淤泥层在深潭阶段缓流区由泥沙颗粒沉积构成，多种生物在阶梯阶段将大小卵石作为栖息环境。河流经过阶梯—深潭形成不同的底质、不同流速、不同深浅的水生物栖息地和产卵地，而在此阶段形成紊流使内部温度和氧气分布均匀利于生物生存，栖息动物比相同气候条件下没有发育阶梯—深潭高出600-1000倍。在深沟、九寨沟阶梯—深潭发育比较良好的地区野外取样测算结果：深潭底栖息动物密度达552个/m2，生物量达5.96g/ m2，而临近的阶梯—深潭发育不良好的地区河底栖息动物的密度仅0.75个m2，生物量不到0.006g/ m2。

4 结 语

人工阶梯—深潭工程形成泥石流上游区，将地质地貌、能增加沟槽断面的蜿蜒的S型转弯结合起来和常规工程措施结合运用，实现泥石流治理工程的稳固。今后可建立人工阶梯—深潭稳定性、地质地貌、生态、景观的检测评价体系。当条件超过界限时，阶梯—深潭系统将发生改变，以其对地质地貌、坡度、河流水流强度、来沙过程、植物植树影响，可以确定该地区是否具有阶梯—深潭，及能否促进发育形成阶梯—深潭，使泥石流治理在理论和实践上取得长足发展。

[1]王兆印，漆力健，王旭昭.消能结构防治泥沙研究-以文家沟为例[J].水利学报，2012，43(03)：253-263 .

1007-7596(2017)10-0051-02

P642.23

B

2017-09-23

张猛(1979- )，男，黑龙江哈尔滨人，工程师。