泥石流治理工程防灾能力的动态变化与优化措施分析——以大地沟泥石流治理工程为例

魏万鸿，宿 星，刘兴荣，杨 涛，张国信，刘 迪，张丽娟，安亚鹏

(甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000)

泥石流是山区常见的自然灾害现象，具有突发性及流速快、流量大、破坏力强等特点。随着大量泥石流治理工程的实践，目前已形成一套完整的以工程措施和生物措施为主[1]，“稳、拦、排、停”相互结合的泥石流灾害治理模式[2]，取得了显著的效益。

“稳”指通过稳固坡面及沟道固体松散物质，减少泥石流固体物质补充来源，结合引导水流和截水等工程手段，达到减灾的目的；“拦”指在沟道中设置拦挡坝，拦蓄泥石流，截留固体物质，防止泥石流下泄后致灾；“排”则是通过建设排导堤等工程，使泥石流安全通过保护区向下游排泄；“停”则是在一定区域设置停淤场，疏散泥石流流体，达到削减泥石流规模的效果。

通常情况下，泥石流治理工程的防灾减灾能力，是在治理工程与泥石流发育过程的相互作用中逐渐降低的。一方面，由于主体工程的破损[3]及工程使用寿命的问题，其防护能力会逐年下降，“稳、拦、排”能力会随之降低；另一方面，经过多次泥石流过程，拦挡坝内会逐渐淤积固体物质甚至淤满，最后失去拦蓄能力，致使减灾能力降低甚至消失。因此，如何使泥石流防治工程发挥长期效益，是治理工程较关键的任务之一。我们以大地沟泥石流治理工程为例，对泥石流治理工程效果的实现及防灾能力的变化进行分析和探讨，进而提出工程优化措施建议，以期为泥石流防治工程发挥长期效益提供技术参考。

1 大地沟泥石流概况

大地沟位于甘肃省宕昌县城北部，属岷江一级支流，主沟流域面积4.35 km2，呈葫芦状，流域内滑坡、崩塌和不稳定斜坡较发育。主沟道长3.2 km，平均比降为17.5%，切割深度500～700 m，在沟口形成了长0.7 km、面积约0.24 km2的洪积扇地貌。流域松散固体物质约570万m3，单位面积补给量130万m3/km2，为泥石流的发育提供了丰富的固体物质来源。区内多年平均降水量633.8 mm，6—9月份降水量占全年降水量的61%，24 h最大降雨量73.2 mm，1 h最大降雨量56 mm，30 min最大降雨量49.7 mm，10 min最大降雨量26.9 mm，具有降水集中、暴雨多、强度大等特点。这种高强度的降水为泥石流的形成提供了充沛的水源和足够的水动力条件[4]。

治理前大地沟泥石流重度为18.0 kN/m3，100年一遇泥石流流量为152 m3/s，属黏性泥石流，灾害发生频率较大，20世纪80—90年代发生过6次严重的泥石流灾害，伤亡30余人[5]。大地沟是一典型致灾性泥石流沟道，沟口正对宕昌城区，并穿城而过，沟道沿线人口密集，泥石流直接威胁着宕昌县城的安全，严重制约着宕昌县的社会稳定和经济发展。

2 大地沟泥石流治理过程及工程效果分析

2.1 大地沟泥石流治理过程

宕昌县是甘肃省开展泥石流治理工作较早的地区之一，20世纪80年代就在沟道内修建了多道泥石流拦挡坝，但均在历次泥石流暴发过程中被冲毁。

1997年开始进行了较为系统的综合治理。1997年一期治理工程采取了以拦为主、以排导和生物措施为辅的综合治理措施，修建了拦挡坝18道(总库容49.02万m3)、排导渠1 288 m、停淤场5 780 m2、涵洞8道，实施坡改梯、育林种草面积2.53 km2[6]；2009年二期治理工程对坝体进行了维修及加高处理，并增加1道拦挡坝(新增库容20.2万m3)[6]；2014年三期治理工程又对部分拦挡坝进行了加高和修复，新增2道拦挡坝(新增库容2.46万m3)[7](图1)。

图1 大地沟泥石流治理工程平面图

2.2 泥石流治理工程效果分析

大地沟泥石流治理工程实施20多年来，通过修建拦挡坝、排导渠、停淤场及实施绿化工程，“稳、拦、排、停”相结合，取得了明显的治理效益，大地沟没有再出现致灾性泥石流，保护了工程区人民群众的生命财产安全，达到了治理目的。

大地沟一期工程实施前泥石流重度为18.0 kN/m3，治理工程实施后稳固了沟床及坡面，大量减少了泥石流固体补给物质，泥石流重度降至16.7 kN/m3，泥石流性质也相应地发生了改变，由原来的黏性向稀性过渡[4]。二期、三期工程在维修加固原拦挡坝的基础上，采取加高坝体、新增拦挡坝的措施，增加了拦蓄库容，巩固了治理成果。

大地沟泥石流治理工程之所以产生较好的效果，主要是通过治理工程，有效稳固了沟床及坡面，拦蓄了大量泥石流固体物质，降低了下泄泥石流重度。治理工程实施以来，沟道内拦挡坝持续保持着一定的有效拦蓄库容，至2020年底，总拦蓄固体物质69.63万m3(见表1)。不难发现，“稳、拦”在大地沟泥石流治理中起关键作用。其中“稳”由于拦挡坝的存在，是一个持续发挥效益的过程，效益保持静态；而“拦”由于拦挡坝的逐渐淤积，有效库容减少，其防灾减灾的能力逐渐衰减，一旦库容淤满，其“拦”的功能将消失，新形成的泥石流将无阻碍地下泄，超过排导渠排泄能力时，将形成泥石流灾害。大地沟泥石流治理二期工程开始时，沟道内剩余库容不足1万m3，三期工程开始时，剩余库容仅0.54万m3，二期、三期工程上马的一个主要原因就是拦挡坝剩余库容不足，工程实施后也取得了良好的防灾减灾效益。

表1 大地沟拦蓄库容调查统计 万m3

3 大地沟泥石流治理后的危险性评价及工程优化措施

3.1 大地沟泥石流治理后的危险性评价

拦挡坝的“稳、拦”在大地沟泥石流治理中起关键作用，但2020年底剩余库容仅2.05万m3左右，因此对大地沟泥石流治理工程的防灾能力及危险性进行分析刻不容缓。

大地沟现状泥石流以稀性为主，泥石流重度为16.7 kN/m3，随着库容的淤满，未来泥石流重度降低势头急剧减弱，将基本维持在16.7 kN/m3左右。大地沟泥石流在1%、2%、5%的发生频率下(分别为100年一遇、50年一遇、20年一遇)下泄流量分别为80.4、66.7、45.8 m3/s[7]，而城区排导沟最大过流能力仅为40 m3/s[5]，加之原设计停淤场由于种种原因，其停淤面积已由原设计的5 780 m2减少至300 m2，停淤量仅为360 m3[7]，“停”的作用有限，因此出现20年一遇以上泥石流时，将不可避免地发生泥石流灾害。

从表1可以看出，1998—2009年间，大地沟泥石流拦挡坝平均年拦蓄固体物质量为4.37万m3，2009—2015年间平均年拦蓄固体物质量为3.44万m3，2015—2020年间为0.19万m3，全部22年间平均年拦蓄固体物质为3.17万m3，总的拦蓄量达到69.63万m3。未来10年内大地沟泥石流拦挡库容全部淤满后，发生泥石流灾害的可能性较大，由于沟口区域为宕昌县主城区，人口密集，因此对大地沟泥石流的危险性应加以重视。

3.2 大地沟泥石流治理工程优化措施

大地沟泥石流治理工程通过实施“稳、拦、排、停”及绿化工程措施，取得了明显的效益。但由于“停”的作用有限，“排”的能力不足，随着其未来“拦”的功能消失，仅仅依靠“稳、排”的作用难以有效防止泥石流灾害的发生。因此，对泥石流治理工程进行优化整改，是当务之急。

对大地沟泥石流沟道，仍需按“稳、拦、排、停”及绿化工程措施进行优化整改。大地沟泥石流沟道穿过宕昌县主城区，对城区排导沟进行改道或拓宽以增加排导能力的可能性较小，解决“排”的能力不足的问题较为困难，且周期较长。因此，在保持绿化工程措施的情况下，增加拦挡库容，恢复、加强“拦”的功能，是解决当前问题的措施之一。

3.2.1 防灾有效库容及安全流量的确定

大地沟泥石流治理前重度为18.0 kN/m3，治理后为16.7 kN/m3，据此计算出大地沟泥石流流量后，按下列公式计算一次泥石流过程总量[8]，计算结果见表2。

表2 大地沟一次泥石流过程总量统计

Q=0.202TQc

(1)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(2)

式中：Q为一次泥石流过程总量，m3；T为泥石流历时，取3 000 s；Qc为泥石流最大流量，m3/s；QH为一次泥石流冲出固体物质总量，m3；γc为泥石流重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；γH为泥石流固体物质的重度，kN/m3。

由表2可知，当大地沟内拦挡坝有效拦挡库容为2.78万～9.21万m3时，可有效拦截20～100年一遇规模泥石流；当大地沟内拦挡坝有效拦挡库容为1.24万～4.11万m3时，可有效拦蓄20～100年一遇规模泥石流中的固体物质。治理后不同发生频率下一次泥石流过程总量为2.78万～4.87万m3，因此当拦蓄库容达到3万～5万m3时，可基本满足防灾减灾的要求。治理工程实施20多年来，沟道内拦挡坝群库容长期处于有效拦截及拦蓄状态，实现了治理工程目的。

目前大地沟排导渠仍为1997年一期工程所建，原设计最大过流能力仅为40 m3/s，因此泥石流安全流量应小于40 m3/s,以35 m3/s为宜。

3.2.2 治理工程优化措施

(1)可通过新建拦挡坝或加高拦挡坝的方法增加有效库容，这也是二、三期工程的首选方法。经过三期治理工程，沟道内已有21道拦挡坝，其中7道拦挡坝在二、三期工程中已经加高，大部分坝体加高的可能性小。受沟道内地形地质条件的制约，可供选定的坝址较少，新设或加高拦挡坝以增加库容困难较大。

(2)加强拦挡坝清淤工作。大地沟泥石流治理三期工程增设了部分清淤道路，具备清淤条件，可对沟内下游的15、16、17号等拦挡坝进行清淤作业，使有效库容维持在安全合理的范围内。

(3)保持拦挡坝防灾库容，保证泥石流安全下泄的第三个方法是设置过流式拦挡坝[9]。过流式拦挡坝由主坝体、溢流堰、泄流洞组成，并满足以下三个条件：①溢流堰及泄流洞过流能力满足保证拦挡坝安全的泥石流最大流量；②泄流洞下泄流量小于保证下游防护区安全的最大下泄安全流量；③拦挡坝及坝群总库容能有效拦挡设防标准下泥石流最大一次总冲出量(图2)。泥石流发生时，通过泄流洞以安全流量下泄，大量泥石流被暂时拦挡滞留于过流式拦挡坝库区并限制下泄流量，延长了泥石流下泄时间，从而保证下游安全，实现防灾减灾目的。泥石流结束后，各库区暂时拦蓄的泥石流绝大部分通过泄流洞下泄，剩余少量淤积物可通过后期洪水或小规模泥石流冲刷携带自然清理，进一步清空库容，从而实现有效库容的重复利用。

图2 过流式泥石流拦挡坝及坝群结构示意

就大地沟泥石流的治理工程而言，可选择库坝区地形地质条件较好、固床作用较小、便于实施的已建拦挡坝(如6、11、17号坝)，改造为过流式拦挡坝；也可在适当位置新建，满足总体库容3万～5万m3、下泄流量小于35 m3/s，即可产生防灾减灾效果。

当然，前述三种措施并不是孤立的，将清淤、新建拦挡坝和设置过流式拦挡坝三种方法结合起来，才能实现治理工程长期防灾减灾的目的。

4 结 论

我们在分析大地沟泥石流的治理过程、治理效益发挥及防灾能力动态变化过程的基础上，结合大地沟实际，对泥石流治理后的危险性及今后工程优化措施进行了探讨，主要结论如下：

(1)大地沟泥石流治理工程采用“稳、拦、排、停”及绿化工程等综合措施，取得了较好的防灾减灾效益。

(2)拦挡坝的“稳、拦”功能在大地沟泥石流治理中起关键作用，三次治理工程的实施均抓住了这个关键点，治理效果明显。

(3)随着泥石流固体物质的淤积，有效库容减少或淤满，拦挡坝“稳”的作用持续发挥，但“拦”的功能将减小或消失，“排、停”能力不足，工程防灾减灾能力减弱。若不采取措施，未来大地沟发生泥石流灾害的可能性较大。

(4)针对大地沟治理工程现状，在保持绿化工程措施的情况下，以增加拦挡库容、保证泥石流安全下泄为重点，提出利用过流式拦挡坝“滞”的作用，通过增加泥石流下泄时间，限制下泄流量，保证泥石流以安全流量下泄，并通过后期洪水或小规模泥石流冲刷，进一步清空库容，从而实现有效库容的重复利用。