消能驯服泥石流

2010年8月12日晚，暴雨挟持着松动的山石、泥土倾泻而下，四川省绵竹市清平乡文家沟的拦挡坝很快就被泥石流冲垮，只剩下一个有裂痕的坝体。文家沟泥石流治理工程刚刚于当年7月28日完工，其中包括20个拦坝和2条排洪沟，却在顷刻之间毁于一旦。泥石流的威力不可谓不大。我国2011年发生的多起泥石流灾害以及发生于2010年的甘肃舟曲和绵竹清平乡特大泥石流灾害，都暴露出我们在泥石流灾害防治上的缺陷。

　　

　　高发的泥石流灾害

　　

　　作为一种严重的地质灾害，人们一直在与泥石流进行斗争。工程治理泥石流是泥石流防治中的一项重要措施。到目前为止，世界上治理泥石流的方法主要有建立拦挡坝、排导槽和渡槽，治理的理念则是拦挡。拦挡坝主要是将泥石流拦挡在沟谷里；排导槽能使泥石流绕过城镇最终被排导入江；渡槽主要是保护铁路、公路。这些防护措施对防治一般泥石流是有效的，但对特大型泥石流来说，防治效果不佳。

　　从近年来的气候变化看，全球进入一个气候紊乱期。极端气候和特大暴雨事件增多。我国山区发生特大泥石流灾害的概率大大增加，特别是干旱河谷和地震崩塌滑坡区发生特大泥石流灾害的概率较高。干旱河谷是发育在我国云贵高原、黄土高原、青藏高原的一种特殊的地貌单元，其特点是高原上深切出宽阔的河谷，它比周围高原明显干旱。干旱河谷植被覆盖度低，由于长期干旱和风化，流域内积累了大量的土石碎屑，遭遇突发暴雨时容易发生滑坡和特大泥石流。干旱河谷附近气温高河谷宽，又有江河灌溉之利，有许多城镇和村庄。一旦发生泥石流就会造成较大灾害，如甘南舟曲县特大泥石流灾害即是一例。2008年的汶川地震则造成了四川西部山区大量松散物质的堆积，孕育了特大泥石流暴发和群发的条件。尽管震区崩塌、滑坡的松散物质比较粗大，不会长距离运动；但是非常容易堵塞江河形成堰塞湖和造成局部河道改变流向，从而造成较大山洪灾害。

　　既然特大泥石流灾害难以拦挡，面对这些灾害我们是不是束手无策呢了？或许以消能为理念的人工阶梯－深潭系统，可以给泥石流治理带来一线曙光。

　　

　　阶梯-深潭结构什么样

　　

　　了解人工阶梯-深潭系统之前，让我们先来认识一下阶梯－深潭系统。

　　阶梯－深潭系统是山区河流中一种河床结构现象，河床由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈一系列阶梯状。在自然条件下，高坡降山区河流的大石块在洪水作用下重新排列，形成能够在洪水中屹立不动的一系列阶梯状组合结构。每一个阶梯都由巨石堆迭而成。这种河床结构能够大大增加水流的阻力，极大消耗水流的动能，从而使得水流流速降低，最终起到保护河床沉积物、稳定河道的作用。

　　大江大河里也有阶梯-深潭结构，大多发育在因大型滑坡和崩塌形成并稳定后的堰塞坝上，例如金沙江虎跳峡和雅鲁藏布大峡谷。阶梯-深潭系统在生态学上具有特殊意义。该系统的发育一方面受到水流、泥沙、流域植被的影响，另一方面又反过来改变水流状态、泥沙分布、河床底质、河边植被发育，改变生物的栖息地和水生生物的生态条件。阶梯-深潭系统会增大河床抗冲刷力，稳定河床和岸坡，在一定的温度和降水条件下，这个系统的两岸可以发育出良好的植被。

　　由于细颗粒泥沙在深潭河段的缓流区沉积下来形成卵石、沙和淤泥层，阶梯和主流河段河床则由较大的卵石和石块构成，这样的河流具有适宜多种生物生活栖息的条件。阶梯段水流中存在强紊流，使水体内部温度和氧气分布均匀，深潭段水深流缓，形成遮蔽条件。阶梯-深潭创造了不同底质、不同流速、不同深浅的水生物栖息地和产卵地，不仅较大的两栖动物和水生物可以在此生存，幼小的生物也能找到躲避捕食动物和急流的地方。这种多样性的栖息地有利于保持较高的生物多样性，防止单个物种密度偏高。水流通过阶梯时会卷吸进大量空气气泡，使水中溶解氧含量增加，提高了水流降解污染物的能力。

　　阶梯－深潭系统的山区河流具有健康的生态环境，并且有较高的天然生态环境的稳定性。近年来，这种系统已被德国、意大利、美国、韩国、加拿大等国家应用于山区河流的生态修复，并在大坡度河床的稳定性维护和生态改善上取得了一定成效。

　　

　　人工消能是关键

　　

　　阶梯－深潭结构消能减灾的机理，在于消减水流动能、控制河流下切、稳定岸坡和减少侵蚀。

　　以我国西南地区为例，青藏高原的隆起导致河流的坡降增加，因而其周边的河流都在下切。下切的河流增加了两岸的坡度，形成深切的V形河谷。岸坡陡峭到了一定的程度之后，在地震、暴雨激发下容易发生崩塌和滑坡。崩塌和滑坡会将大量坡积物和碎石带进江河和山溪沟谷，一旦发生洪水，很容易形成泥石流。如果崩塌、滑坡或者长期风化形成的松散碎屑量很大，而且水流能量足以携带大量固体物质，就会形成特大泥石流。

　　因此，要解决山洪所造成的地质灾害，关键因素之一是要消能。

　　阶梯-深潭结构就能做到这一点。通过这种结构消能，可以完全控制河流下切，减少滑坡势能。

　　稳定的天然峡谷所具有的抗山洪冲刷能力主要来自于自然形成的“阶梯-深潭”消能结构。如虎跳峡已经发育出良好的阶梯-深潭结构,巨大的石块抵抗了水流的冲刷,消耗了水流能量,水流势能急降213米。虎跳峡已经成为金沙江最重要的尼克点。所谓尼克点，是指河床纵剖面上坡降急剧变陡峭的河段，例如黄河壶口瀑布和九寨沟的诸多堰塞坝。如果虎跳峡的尼克点被破坏,虎跳峡上游数百公里会急剧下切,大量的崩塌和滑坡就会发生。除了岩石河床形成的瀑布，尼克点基本都由一系列阶梯-深潭结构形成。

　　既然经验和教训都证明，特大泥石流不能拦挡，常规泥石流治理方法对于防治特大型泥石流效果不佳，那么，使用自然发育的阶梯－深潭结构，是不是就可以了呢？

　　答案是否定的。因为形成自然发育的阶梯－深潭结构需要一定的条件和至少几十年的时间，现有的泥石流沟都很难自然形成该结构。人们只能通过模仿天然形成的结构建设人工阶梯-深潭系统，来达到快速减轻甚至消除特大泥石流灾害的目的。

　　阶梯-深潭系统把水流能量消耗在阶梯结构产生的阻力、跌水和水跃上，使其不能携带粗大的石块，大大减小了挟沙力和灾害性。这种方法可以有效控制较小的泥石流，极大减弱特大泥石流灾害。如果把常规谷坊坝和阶梯-深潭消能结构结合，前者抬高侵蚀基准面，后者减小水流能量，对特大泥石流的防治也能达到很好的效果。

　　

　　消能效果如何

　　

　　2009年，清华大学泥石流治理课题组在四川清平乡文家沟滑坡体上模仿天然阶梯－深潭系统防治泥石流，取得了良好的治理效果。

　　文家沟位于“5·12地震”极重灾区绵竹县清平乡境内，是绵远河的一条支沟，流域面积7.8平方千米。沟口最低点海拔标高883米，源头最高点顶子崖的海拔2402米。处于四川鹿头山暴雨中心区，多年平均降雨量1514毫米，最大日降雨量497毫米，小时最大降雨量50毫米。“5·12地震”引发文家沟大滑坡，为震区第二大滑坡体，碎屑堆积体体积8160万方。原来的文家沟被滑坡体填埋，厚度50～180米。2008年震后的降雨引发多次较大泥石流，同时在滑坡堆积体上冲刷形成新的水系。新生沟道很稳定，中上游的沟道坡降10°～20°。两侧岸坡很陡，一般在35°～50°，一旦沟底遭到冲刷下切两岸就会崩塌。小雨全部渗流，大雨则引发泥石流。

　　在这里建造人工阶梯-深潭系统的关键是将冲沟两边20～50米高的岸坡上直径1～5米的巨石下放到沟底，并使其堆迭成图4中的结构。课题组仅仅花费20万元便在新生沟谷下切最深的上游段构筑了长450米、共有33级的人工阶梯-深潭系统。每一级阶梯有一到两个巨石作为骨架，其他较小的石块围绕它们叠瓦式堆放。水流经过阶梯跃起，紧接着从用石块堆成的1～3米高的阶梯跌入其下方的深潭，水流的大部分能量都被消耗在跌水和水跃中，从而使得水流冲刷能力减弱，避免其侵蚀河床、岸坡和输送泥沙。人工阶梯-深潭系统由此保护沟床不再下切，甚至还能让沟床发生小幅度的淤积，两岸边坡不再变陡，或者略微变缓；坡上的滑坡碎屑堆积物也可以保持稳定；降雨时沟里能够形成水流而不是泥石流。

　　根据测量和分析，阶梯-深潭系统消减泥石流能量的原理类似于水库大坝下游的消能系统，可以看作是阶梯消能和水跃消能的综合，它可以消减65％～80％的水流动能。这样一来，使得能够激发泥石流的洪水流量提高了3～4倍。2009年一个汛期5场暴雨的考验表明：以增阻消能为目的的阶梯-深潭系统成功地控制了泥石流。文家沟所处的清平乡境内未治理的沟谷几乎都爆发了泥石流。文家沟则始终安然无恙，只有局部的很小规模泥石流，没有造成任何生命财产损失。

　　试验结果证明，人工阶梯-深潭完全可以有效地消耗水流能量，减少泥石流的发生，并大大降低泥石流的规模和破坏力。

　　遗憾的是，2010年初，文家沟投入近1000万元进行震后次生灾害防治，沟内兴建20座拦挡坝防治泥石流。原来清华大学构筑的阶梯-深潭系统被完全破坏。但是，20座拦挡坝竣工不到一个月，就被8月12日晚上的一场暴雨山洪完全摧毁。由于失去了消能结构的保护，水流动能在下行过程中愈来愈大，冲刷沟床，使下切岸坡崩塌，引发450万立方米的特大泥石流。所有拦挡坝在一夜间完全溃毁。泥石流造成12人死亡和大量的财产损失。文家沟下切近50米，沟谷扩宽近百米，向上游溯源侵蚀130多米。

　　拦挡坝为什么不能抵御大规模泥石流？原因在于拦挡坝下没有设计消能结构，小型泥石流可以被拦挡，大洪水发生时，拦挡坝反而起到积蓄能量的作用。由于坝系抬高了水位，增加了两岸松散堆积物的浸泡体积和浸泡时间，在地下水和地表水的共同作用下，高速水流导致沟床侵蚀下切，此时的拦挡坝不仅不能减灾，还因坝体溃决加大了灾害的规模。在云南，2010年也发生多处泥石流拦挡坝溃坝的例子。

　　

　　人工阶梯-深潭结构亟待推广

　　

　　尽管文家沟3年的泥石流防治对比结果非常鲜明，很有说服力，但是，采用阶梯-深潭消能法防治特大泥石流还是未能迅速推广。其主要原因是，采用消能方法防治泥石流在国际上还是第一次，学术界还未能普遍认同这一做法，人们需要更多的试验证据。而且，人工阶梯-深潭系统的推广应用还有一些施工管理和技术问题需要解决。比如，目前在很多泥石流沟里没有大石块，怎样采用钢筋混凝土预制件替代大石块制作阶梯并使其具有同样的消能和景观效果还需要研究解决。

　　不过，至少我们在防治泥石流灾害时，有了更多的选择。

　　【责任编辑】赵菲