城镇泥石流防灾减灾综合治理体系构建——以四川省凉山州西昌市生态城市建设为例

廖 桂 英

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

泥石流是一种广泛分布于世界各国具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害；是山区沟谷或山地坡面上，由暴雨、冰雪融化等水源激发的，含有大量泥沙石块的，介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。泥石流流动的全过程一般只有几个小时，短的只有几分钟,大多伴随山区洪水而发生。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最少为15%，最高可达80%左右，因此比洪水更具有破坏力,主要是冲毁城镇、企事业单位、工厂、矿山、乡村，造成人畜伤亡，破坏房屋及其他工程设施，破坏农作物、林木及耕地。此外，泥石流有时也会淤塞河道，不但阻断航运，还可能引起水灾。

中国西部多为山区 ,泥石流异常发育 ,类型相当齐全 ,几乎发育着除火山泥石流以外的各种类型泥石流。近年来，随着地震的频繁发生，使得山体松动,产生裂隙,直接引发山体滑坡；地震后由于山体本身出现裂隙疏松等情况,加之洪水严重，就会诱发泥石流滑坡等地质灾害。本文以西昌市为例，提出在采取泥石流防治的工程性措施的同时,通过防灾救灾建设的一系列非工程性措施的支撑，建立一种融合系统性与动态性的全新综合治理方案，以达到对泥石流全方位、全过程深入解决的目的。

1 工程背景及概况

西昌市位于四川省西南部，是凉山彝族自治州的州府。流经西昌市中心城区的主要河流为海河及其支流东河、西河。

据西昌市气象站实测资料统计，该地区多年平均气温16.9℃，极端最高气温36.6℃，极端最低气温-3.8℃；多年平均蒸发量(20 cm蒸发皿)1 961.8 mm；多年平均年降水量973.7 mm。东河和西河流域的洪水主要由暴雨形成，大洪水多出现在6～9月。由于东河地处安宁河暴雨区的波及范围，暴雨常具有突发性，强度大、历时短；同时还具有笼罩面积小的特点，其空间分布不均，各地暴雨发生时间相应性较差。据东河水文站近年实测资料，洪水过程具有明显的山区洪水特点。

西昌东河、西河近20年来每年雨季频发洪水，并有部分物质冲出沟口进入西昌城区河道。现状分析表明，东河、西河仍存在泥石流暴发的潜在条件，而频繁暴发的泥石流已经对处于沟口部位的西昌市造成了洪涝灾害和重大经济损失，对城市的安全度汛构成严重威胁。与此同时在西昌东、西河流域上游，水土流失严重，影响了位于流域下游的西昌水环境和城市安全。

本文通过现场调查研究与相应的测试分析手段相结合的方法，对东河及西河流域所在的地形地貌、地层岩性、地质构造、沟内松散物源分布、水源条件等泥石流形成要素作了详细调查。结合水文气象资料对泥石流运动参数和暴发频率、规模及其对大坝部位淤积及危害程度进行了分析评价，提出水沙分离，固源拦挡的工程措施。优先对沟内松散物源进行固源综合治理，近期以拦挡为主，并全面开展固源、拦挡综合治理措施。

2 综合治理设计概述

2.1 治理思路

总结对国内外相关文献检索和工程实例，泥石流防治措施主要有以下3种：

(1)工程措施。包括排导工程(即导流工程和排放工程)和拦挡工程(即拦碴坝)。

(2)生物措施。在沟域内斜坡地带进行植物造林、育草，防治水土流失。

(3)综合整治措施。采取多种工程措施和生物措施，在流域内对山水林田统一规划，综合治理，以防止或减少泥石流的危害。

泥石流防治工程措施应遵循以下原则：

(1)因地制宜，突出重点，针对性防治，技术可靠，经济合理。

(2)稳、拦、排相结合原则。“稳”即稳定物源，包括稳定沟道两侧及沟床内的松散物源，从而达到减少参与泥石流活动的固体物质，减小其规模的目的；“拦”则指通过拦挡措施使泥石流流速减小，同时拦挡一部分固体物质，降低其冲击力；“排”即排导措施，通过导流堤将泥石流体排至泥石流沟以下主河，防止其漫流淤积成灾。

目前泥石流治理工程中常用的方法及思路包括：以避为主、水沙分离、固源拦挡。拦挡工程是用以控制组成泥石流的固体物质和雨洪径流，削弱泥石流的流量、下泄总量和能量，减少泥石流对下游经济建设工程冲刷、撞击和淤积等危害。而水土保持措施主要是从源头上控制水土流失和泥石流物源，改善水质及免受泥石流危害，达到改善流域生态环境，减少入河泥沙；涵养水源，提高流域植被覆盖率，维护流域生态安全的目的。

虽然常规的方法多年来已经得到广泛应用，但是其方式已经很难应对震后复杂的地灾状况，“系统+动态”的创新治理思路，在理论和实践上都逐步得到全面贯彻和应用。原本常常单独使用的手段，被“打包”综合使用，“上固”“中停”“下排”等方式被系统“排兵布阵”，在泥石流治理的各个环节织起一张密实的防护网，可使原有功效成倍放大。而“系统”之外的另一个关键词“动态”，则是指动态的观测预警机制及专家咨询机制，辅以创新的治理方法，从头到尾全面布防，逐级化解泥石流的威胁。

2.2 西昌东河、西河泥石流治理方案设计

针对西昌的具体情况，结合前述创新治理思路，我们提出具有西昌特色的治理方案。

(1)在泥石流上游物源区加强固源工程建设，减少泥石流物源量。

(2)在泥石流流通区下游末端沟口较近的区域内，地形、地质条件较好，交通、施工相对较方便处建设泥石流拦挡坝，将东河、西河泥石流拦蓄在拦挡坝库内。在发生超标准强度泥石流，或常年泥石流和河床推移质占用一定拦挡坝库容后，可采用挖运库内堆积物，腾空部分库容，以迎接河床后续泥石流和推移质量。

(3)针对东河、西河泥石流由沟内地表汇水带动松散物源而形成的主要原因，从根源上对东、西河泥石流进行治理，优先对沟内松散物源进行固源综合治理。修建谷坊、拦砂坝、挡墙、沟道岸滩防护工程等工程措施，形成层层截流拦沙、节节防洪蓄水的综合保护体系，结合水土保持林、经果林、护岸护滩林等林草工程措施，使东、西河流域林地面积大幅度增加，坡面径流得到有效控制，生态环境得到改善，使全流域泥石流得到全面综合治理。

(4)借鉴国内外先进经验，利用公司在水文、地质、工程、监测等多专业合作的优势，结合信息化技术手段，设计一个有效的泥石流监测预警系统，对泥石流灾害开展预测、预警、应急监测与跟踪评估，全方位服务于西昌东、西河泥石流治理与防治工作，为西昌城市防洪安全提供信息化支撑。

3 综合治理措施设计

泥石流综合治理的原则是对不同河段全面规划、突出重点、有所侧重。上游以植树造林、水土保持为主，防止水土流失；中游以修建拦砂坝、护坡、挡土墙、桩林、排导槽、渡槽为主，稳定边坡，拦挡松散沉积物，减少物源；下游以修建导流堤、停淤场等排导工程，将泥石流导向远离建筑物或道路的地方。工程措施具有工期短、见效快、效益明显等特点，但使用过久或流量过大时则易被破坏。生物措施见效慢，稳定土层薄，但时间越长效果越好，可以恢复生态平衡。两者各有长处，可以结合使用。在西昌的治理方案设计过程中，前期以工程措施为主，稳定边坡，促进林木生长，后期以生物措施为主，减少水土流失，两者形成有机结合的整体。

3.1 东、西河泥石流工程治理措施

3.1.1 东河泥石流治理工程设计

(1)东河泥石流拦挡坝选址。东河流域松散物源及拦挡坝具体位置见图1。拟选东河泥石流拦挡坝坝址位于东河中游河段，坝址所处河段基本属于泥石流流通区的下游末端附近，泥石流对拦挡坝坝体的冲击力相对较弱，建坝条件良好，在该部位修建拦碴坝大致可拦截整个流域泥石流启动物质的90%以上，效果显著。

图1 东河流域松散物源及拦挡坝具体位置示意

东河拦挡坝坝址河床覆盖层较薄，地层岩性为冲洪积与泥石流混杂堆积漂(块)卵石；坝顶高程以下岸坡基岩裸露，岩体完整性较好，岸坡覆盖层分布位置较高。

坝址区两岸地形完整、对称，河流总体流向为S50°W转为近EW向再转为N6°E，呈向左岸突起的河湾。坝址区岸坡覆盖层为崩坡积堆积(Q4col+dl)和地滑堆积(Q4del)，左岸大多基岩裸露。河床覆盖层一般厚度6.8～11.6 m。坝址河床覆盖层结构密实，压缩性低，承载力高；下伏基岩岩体呈弱风化、弱卸荷。

(2)东河泥石流拦挡坝总体布置方案。根据东、西河泥石流特性，参考《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239—2004)，经综合研究：东河泥石流治理工程安全等级为二级，工程主要建筑物为二级建筑物，工程设计标准按照降雨强度50年一遇泥石流一次冲出量设计。拦挡坝需要拦截的总泥石流量为50.4万m3。

溢流堰顶高程1 770.00 m对应库容达到50.7万m3。本方案只考虑设置一道拦挡坝，以确保遭遇50年一遇降雨形成的泥石流时能完全容纳一次性冲出的泥石流量。

东河泥石流拦挡坝由溢流坝段和非溢流坝段两部分组成，坝体总长87.07 m，其中溢流坝段长50.0 m，非溢流坝段长37.07 m；坝体上游坝面铅直，下游坝面坡比为1 ∶0.8，非溢流坝段坝顶宽6 m。大坝建基面高程1 746.00 m，基础置于基岩上。坝体各部位的工作条件及受力条件不同，对混凝土材料性能指标的要求也不同，为了满足坝体各部位的不同要求，同时为了节省工程投资，把安全和经济统一起来，对坝体的混凝土进行分区。坝体上部采用C15混凝土，坝体下部采用C25混凝土。

3.1.2 西河泥石流治理工程设计

(1)西河泥石流拦挡坝选址。西河流域松散物源及拦挡坝具体位置见图2。西河泥石流发育特征和动力特征分析如下：

①泥石流发育区河段河道纵坡降陡，河床宽窄不一，库容小，泥石流冲击力大，拦挡泥石流效果差，不宜修建拦挡坝。

②泥石流流通区河道纵坡降较陡，河床宽窄相间，库容较小，泥石流的冲击力较大，拦挡泥石流效果较差。

③泥石流堆积区河段河道纵坡降较缓，河床河道宽，库容大，泥石流冲击力较小，适宜修建拦挡坝，拦挡泥石流的效果好。

④根据西昌东、西河现场调查及按泥石流动力特征分析，泥石流流通区段冲击力较大，堆积区段泥石流冲击力较小。因此，拦挡坝选在泥石流堆积区段可以减轻冲击影响，确保拦挡坝的安全。

图2 西河流域松散物源及拦挡坝位置示意

西河拦挡坝坝址左岸坡地形较陡，基岩裸露；右岸大多为覆盖层，仅坡脚基岩出露，岸坡地形较缓。坝址位于河流弯道处，左岸为冲刷岸，右岸为堆积岸，两岸地形对称性较差。西河拦挡坝址区河流总体流向为S5°W转为S75°W向再转为N5°W，平面形态呈“S”形。河谷呈顺斜向谷。坝址区分布的覆盖层为第四系残坡积堆积(Q4el+dl)块碎石土、冲洪积与泥石流混杂堆积(Q4pl+al)漂(块)卵石；基岩为白垩纪下统小坝组下段(K1x1)浅紫色中粗粒长石石英砂岩夹红色、砖红色泥岩或页岩。坝址河床覆盖层结构密实，压缩性低，承载力高，但透水性强；下伏基岩呈弱风化、弱卸荷。

(2)西河泥石流拦挡坝总体布置方案。根据东、西河泥石流特性，参考《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239—2004)，经综合研究：西河泥石流治理工程安全等级为二级，工程主要建筑物为二级建筑物，工程设计标准按照降雨强度50年一遇泥石流一次冲出量设计。拦挡坝需要拦截的总泥石流量为44.04万m3。

溢流堰顶高程1 753.50 m对应总库容达到46万m3，可确保当遭遇50年一遇降雨形成的泥石流时，能完全容纳一次性冲出的泥石流量。

拦挡坝由溢流坝段和非溢流坝段两部分组成，坝体总长115.25 m，其中溢流坝段长50 m，非溢流坝段长65.25 m；坝体上游坝面铅直，下游坝面坡比为1 ∶0.8，非溢流坝坝顶宽6 m。大坝建基面高程1 725.25 m，基础置于基岩上。坝体各部位的工作条件及受力条件不同，对混凝土材料性能指标的要求不同，为了满足坝体各部位的不同要求，同时为了节省投资，把安全和经济统一起来，所以对坝体的混凝土进行分区。坝体上部采用C15混凝土浇筑，坝体下部采用C25混凝土浇筑。

东西河属于典型的高山区沟谷型泥石流，从泥石流堆积体现场地质调查情况看，属于过渡型偏黏性泥石流。溢流部分采用格栅时，格栅容易破坏，并且对格栅的设计要求高、造价大，遭大块石的冲击损坏后不易修复；全部采用渗水孔，结构整体性好，遭大块石的冲击能力强，局部撞坏后也容易修复。所以，本阶段拦挡坝推荐采用排水孔形式进行水、砂分离。坝体泄洪采用开敞式溢流坝形式。

3.2 东、西河泥石流治理水土保持措施

3.2.1 项目区基本情况

西昌东、西河流域位于青藏高原的东南端，属横断山脉的大凉山系，其主要山脉以南北向为主，走向受构造控制明显，主要山脉与河流(山间盆地)具有相间展布的特征。区内按地貌成因形态类型可分为侵蚀堆积河谷平原及山间盆地区、剥蚀构造中山区和侵蚀构造高山区等。西昌东、西河流域水土保持综合治理项目区属剥蚀构造的低中山区。

西昌东、西河流域水土流失类型以水力侵蚀为主，其次为重力侵蚀。水力侵蚀的主要形式为面蚀，多发生在坡耕地、荒山荒坡、森林破坏区、河谷两侧等，侵蚀面积大，分布广；沟蚀主要发生在陡坡耕地、荒山荒坡，发育普遍，危害大；重力侵蚀主要有滑坡、崩塌等几种形式；泥石流兼有水力侵蚀和重力侵蚀的特点，突发性强，破坏性极大。

东河流域中游区域植被良好，飞播造林较为茂盛，其余区域植被较差，飞播林遭到严重破坏，水土流失严重。

西河流域中下游区域植被良好，飞播造林较为茂盛，其余区域植被较差，飞播林遭到严重破坏，水土流失严重。

3.2.2 项目组成与工程总体布置

西昌东西河流域水土保持综合治理工程是西昌东西河流域泥石流治理工程的重要组成部分，建设目的主要是从源头上控制水土流失和泥石流物源，避免西昌城区段河道土石淤积、改善水质及免受泥石流危害。

建设任务主要为：

(1)治理水土流失，改善流域生态环境，减少入河泥沙；

(2)涵养水源，提高流域植被覆盖率，维护流域生态安全；

(3)防止泥石流等地质灾害；

(4)改善农村生产条件和生活环境，促进农村经济社会发展。

西昌东西河流域水土保持综合治理项目包括东河和西河2个流域的水土保持综合治理，共分为10个区块进行水土保持综合治理，其中东河流域6个区块，西河流域4个区块。各区块水土保持综合治理工程主要包括沟道治理和坡面治理两类，其中沟道治理措施主要包括：支毛沟治理工程(沟埂、谷坊、生态桩)、拦砂坝工程(拦砂坝)、沟道滩岸防护工程(丁坝、沟道疏浚、挡土墙)；坡面治理措施主要包括：梯田工程(坡改梯及配套的耕作道路)、小型蓄排水工程(蓄水池、沉沙池等)、林草工程(水土保持林、经果林、护岸护滩林)、封育治理工程(疏林补植)、其他措施(取水口、管道、围栏、水土保持宣传栏、宣传手册等)。水土保持工程布置总框架详见图3。

3.3 东、西河泥石流监测与预警系统

3.3.1 泥石流监测与预警系统建设目标

西昌东、西河泥石流监测预警系统的建设目标是建成一个以雨水情信息、工程监测信息、泥石流监测信息为基础，通信系统为保障，计算机网络系统为依托和预警系统为中心的监测预警信息系统。要求该系统先进实用、高效可靠，能为西昌市水务防汛部门及时提供防汛信息，为突发泥石流调度决策和指挥抢险救灾提供有力的技术支持和科学依据。

(1)与西昌市各区县防汛办公室以及相关部门先进、高效、可靠的信息交互通道，实现防汛信息资源共享、防汛调度畅通无阻。

(2)提高整个西昌市泥石流预警水平，配合工程防治措施及工程安全监测技术，可有效且提前应对泥石流灾害事故，避免人员伤亡和财产损失，维护西昌市经济和社会的可持续发展，巩固安定团结的局面。

图3 水土保持工程布置总框架

(3)能实时、完整地完成各类防汛及泥石流预警信息的收集、传输、处理和存储。

(4)能为防汛和泥石流应急管理和决策实施提供现代化管理手段。

3.3.2 泥石流监测与预警系统总体设计

(1)系统架构。西昌市东、西河泥石流监测预警系统是将数据采集、在线监测、预警预报、应急指挥等泥石流非工程防治管理工作通过信息化手段进行有机的平台整合，以数据平台为中心，运用信息传输网和物联网为纽带，通过“智能感知、智能分析、智能预警、智能调度、智能处置”等功能体系，实现泥石流防治业态和信息化管理理念的充分结合，以更加精细和动态的方式开展泥石流监测与应急管理工作，达到自动化监控、在线化运行、智能化预警、科学化决策的智慧状态。

(2)应用流程。西昌市东、西河泥石流监测预警系统核心在监测数据，通过监测数据采集、接入，完成系统数据源建设，基于统一的软硬件基础设施支撑，完成系统数据中心搭建，通过标准的SOA服务架构，完成数据资源的查询统计、预测分析、报表生成、二三维可视化等功能，为系统管路用户提供统一的在线监测、泥石流预警、安全分析评估、应急响应等应用，总体业务流程如图4所示。

图4 西昌市东、西河泥石流监测预警系统应用流程

4 结论与展望

泥石流防治的原则是全面规划、重点突出，根据泥石流发生条件、活动特点及危害状况综合地制定防治规划。本文以西昌市为例，通过分析泥石流灾害形成原因及对城镇造成的危害,针对东、西河现有物源及潜在泥石流隐患，提出了“固源+拦挡”的综合治理方案，优先对沟内松散物源进行固源综合治理措施，结合拦砂坝的拦挡来达到良好的治理效果。系统性地提出了综合治理的方案，在采取泥石流防治的工程性措施的同时,通过防灾救灾建设的一系列非工程性措施的支撑,从根本上达到防灾减灾的目标,构建生态安全的城市。

中共中央总书记习近平指出：“山水林田湖是一个生命共同体，人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。”而西昌市作为四川省生态文明城市建设的样板城市，东、西河流域作为山水林田湖一体的生态系统治理的实践缩影，着力打破“种树只管种树、治水仅顾治水、护田单纯护田”的意识误区，实施系统治理，推进流域综合管控。在稳定长期的防治和水土保持工作中，总结研究出充分体现“工程治理与生物治理相结合、治理与开发相结合”的“西昌模式”，并向全国推广，整体保护、系统修复、综合治理，努力维护和重建生态过程，保持系统的整体性、完整性，最终构建相互协调、联通的自然生态系统、人工生态系统和社会经济系统共同体。