椿芽树沟潜在泥石流动力学特征及防治工程探讨

满兵

（河北省水文工程地质勘查院，石家庄050021）

1 引言

持续性和滞后性是强地震引起的泥石流灾害的主要特征。地震为泥石流的暴发提供丰富的物质基础，从而产生许多潜在的泥石流[1]。以都江堰市龙池镇南岳村7 社的椿芽树沟泥石流为例，该泥石流地处“5.12”特大地震灾害重灾区，受“5.12”强震影响，2008 年和2009 年均发生过一次泥石流，严重威胁到村民的生命安全和经济安全。本文通过研究该泥石流的动力学特征，并进一步探讨治理方案，为彻底治理泥石流灾害提供了依据。

2 椿芽树沟泥石流概况

都江堰市龙池镇南岳村椿芽树沟为老泥石流沟，该泥石流沟位于都江堰市龙池镇北部8km，沟内物源条件较为丰富，特别是受“5.12”强震影响，致使沟内物源量更加丰富，地形也更为陡峻，有利于地表降水和泥沙淤积。此外，沟域内降水较为充足，使得该泥石流易发程度较高，危险性较大。椿芽树沟一旦发生较大规模泥石流灾害，其威胁对象主要为沟口的4户农家乐。因此，对其进行应急治理是必要而紧迫的。

椿芽树沟沟域形态近似菱形，其中短轴0.6km、长轴1.5km，沟域面积约为0.6km2，沟域最高点位于西北侧顶部，高程为2000m，最低点位于龙溪河河口，高程为1200m，相对高差约800m。椿芽树沟由一条主沟和2 条支沟组成。主沟由西向东汇入龙溪河。2 条支沟，一条是由西北方向汇入主沟（Ⅰ号支沟），一条由西南方向汇入主沟（Ⅱ号支沟），长度均较短。

椿芽树沟泥石流沟域组成区主要为典型的形成区、流通区和堆积区。主沟与Ⅱ号支沟交汇处以下至较窄段两岸崩滑现象发育，导致有较多的堆积物，是固体物源的主要区域，该区域标定为形成区，即物源区；以下段依次为泥石流流通区和堆积区。泥石流区域划分见图1。

图1 椿芽树沟泥石流地质灾害分布图及防治工程布置图

3 泥石流特征参数计算

椿芽树沟泥石流基本特征值通过现场调查获取，计算指标主要为拟设拦挡工程部位所需参数[2，3]。

3.1 泥石流流体密度

根据现场调查，泥石流形成区崩塌堆积物的主要成分粒径由大到小为砾石、碎石、中粗砂及少量粉质黏土，因此，物质来源在结构特征上也以上述物质为主。由上述特征可知，该泥石流为稀性泥石流。综合考虑配浆法与查表法结果，确定泥石流密度为1.745t/m3。

3.2 泥石流流量

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》频率为P的暴雨洪水设计流量如表1 所示。

表1 椿芽树沟流域各剖面峰值流量计算m3/s

3.3 流速计算

根据现场调查，地震后松散堆积体以砾石、碎石、砂等物质为主，从堆积物的颗粒级配分析可看出，物质来源在结构特征上也以砾石、碎石为主，其次是砂和粉质黏土，从而确定该泥石流以稀性泥石流为主，可采用西南地区计算稀性泥石流公式计算其泥石流流速，计算结果见表2。

表2 椿芽树沟流域各剖面泥石流流速、冲高及爬高计算表

3.4 一次泥石流过流总量

以P=2%的雨洪法计算峰值流量，综合确定泥石流峰值流量为23.35m3/s；根据调查访问，2008 年泥石流持续约40min，P=2%泥石流按持续50min 计算，即取T=3000s；设计频率P=2%泥石流一次冲出量为Q=1.42×104m3。

3.5 一次泥石流固体冲出物

泥石流密度γc=1.745t/m3，水的密度γw=1t/m3，泥石流固体物质密度γH=2.61t/m3，据此计算出固体物质冲出总量为QH=5400m3。

3.6 泥石流整体冲压力

按DZ/T 0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》进行计算，整体冲压力在拟布设拦挡工程部位中的4 个断面处进行计算，分别为：5-5'断面、8-8'断面、12-12'断面、17-17'断 面 的 泥 石 流 冲 击 力 分 别 为：43.91kN、6.95kN、31.60kN、30.08kN。

3.7 泥石流爬高和最大冲起高度

按DZ/T 0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》进行计算，此外仍选择拟设拦挡工程的4 个断面进行计算，计算结果详见表2。

3.8 泥石流弯道超高

按DZ/T 0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》计算泥石流弯道超高，在拟设排导槽处超高为1.1m。该处泥石流径流深1.0m，超高为2.1m，会产生大量淤积，使得泥石流可能涌入附近村庄，因此需要在弯道处设置防护措施。

4 防治工程探讨

4.1 防治方案制订

根据潜在泥石流沟的特点提出2 种治理方案：方案一为“排拦”治理思路，采用“谷坊坝+梳齿坝+单边防护堤+V 型排导槽”进行治理；方案二为“拦排结合”的治理思路，选用“重力式拦挡坝结合下游排导工程”进行治理，保证下游安全。

1）方案一：谷坊坝+梳齿坝+排导槽+防护。

从椿芽树沟沟道特征上分析，该沟道上游纵坡大距离短，沟道下游缓，局部地段呈陡缓相间的特点；上游沟道宽度窄，下游宽，局部有宽窄相间的特点，在局部沟道较窄的垭口部位有设置谷坊坝的有利条件，建谷坊坝的长度相对较小，坡度缓利于施工，上游的宽谷地带，拦挡较多的泥石流物质，因库容较大，对泥石流峰值流量的调节作用效果显著。在泥石流形成区沟的两侧有几个崩滑体，通过修建谷坊坝淤积能起到固源压脚的作用。梳齿坝设置在沟道流通区域，具有拦、排兼容的功能。

椿芽树沟沟道下游特征为：堆积区横穿老堆积扇区，沟道不同位置有不同程度堵塞，堵塞程度为中等，主河与沟口锐角相交，修建排导槽的条件基本具备，但需要对沟道进行清理。

据此，建议防治方案为：分别在椿芽树沟5-5′、6-6′、7-7′ 3 个剖面处修建1 座谷坊坝，起到拦截物源的作用；在8-8′剖面处修建1 座梳齿坝，可拦截大粒径块石，排导小粒径块石，减少到达沟道下游的固体物源量，降低泥石流容重；在下游位置沟左岸修建单边防护堤；在沟出口位置修建排导槽，减少对当地居民的损失。

2）方案二：“重力拦挡坝+排导槽”。

保留方案一中8-8′剖面处重力拦挡坝，其作用为拦挡物源、削峰减流和减少到达下游的固体物源量，在一定程度上可以调节下游泥石流洪峰流量，降低对排导槽的压力；在拦挡坝前至沟口修建排导槽，并对该段沟道进行清理疏通。将泥石流物质顺畅地导入龙溪河，保护村民的安全。

4.2 方案对比

以上2 种治理方案，方案一对泥石流的治理是基于以“排拦”为主的原则进行设计的，拦挡的作用同样是拦粗防细，修建排导槽是为了尽量提高泥石流在主沟下游的流速，从而减少泥石流淤积；同时，减小了在居民点的河道曲率，增大了曲率半径，减小弯道超高，保护居民点安全。方案二是以“拦排结合”原则进行设计的，拦挡的作用是拦粗排细，修建排导槽是为了提高泥石流在主沟下游的流速，减少泥石流淤积。每个方案均技术可行，但又各有特点。

从工程投资上来说，方案一运用梳齿坝，其投资小于重力拦挡坝，因此，在工程投资方面，方案一优于方案二。

方案一在建设过程中尽量利用了原有地形，对环境影响较轻，与原始环境协调一致，而方案二是在原沟道中重新开挖修建排导槽，在一定程度上改变了原有环境，因此，方案一环境协调性优于方案二。

通过对上述2 种方案的安全性、经济性和有效性的比较，综合考虑方案的实施效果、治理程度和工程投资，以地震后居民点安全为首要考虑因素，推荐方案一为最终方案。

5 结语

1）在现场调查的基础上，计算了椿芽树沟泥石流的静力和动力学特征参数，为泥石流的治理提供了依据。

2）根据泥石流情况实际分析结果，对泥石流的治理提出了2 种治理方案，通过技术经济方面对比，最终选定“谷坊坝+梳齿坝+排导槽+防护槽”为治理措施。