一种基于多级分流排泄的大型泥石流综合防治方法与流程

本申请涉及一种泥石流防治技术，尤其涉及一种基于多级分流排泄的大型泥石流综合防治方法。

背景技术：

泥石流灾害是我国地质灾害主要类型之一，其分布广泛，爆发频繁，严重影响山区居民的生命财产安全和山区工程建设与正常运行。针对大型低频泥石流，由于其规模大、冲击力强、暴发的不确定性和灾害异常严重等特点，以及治理难度大和治理费用高等因素限制，越来越受到人们关注。如2010年8月7日发生在甘肃甘南藏族自治州舟曲县特大型泥石流，泥石流冲出量达750万m³，冲毁沟道内4座拦砂坝，造成1148人失踪，337人死亡。2010年8月13日四川岷江流域红椿沟发生大型泥石流，红椿沟流域面积约20km²，形成泥石流达300万m³，其中超过100万m³直接进入岷江并堵塞岷江，造成对岸映秀镇多人伤亡和财产损失。

随着我国西部大开发的深化，西部山区经济发展和工程建设活动将越来越活跃，而对泥石流的防治的需求也将越来越旺盛且迫切。在以往泥石流防治设计中，人们多采取拦挡、排导和停淤等防护措施对中小规模进行治理，并取得一定效果，但大型泥石流总是沿单一沟道集中输移，规模大且冲击力超强，又加上泥石流流量在各防治工程中分配极不均衡，一旦泥石流规模超过防治工程设防标准，将会发生灾难性的破坏，导致已修建好的排导槽、谷坊坝、拦砂坝等防护工程被瞬间超强冲击力的泥石流破坏和冲毁，从而发生堵溃而产生泥石流规模放大效应；另外，大型泥石流往往形成大型泥石流堆积扇，由于堆积扇区沟道比降较缓且弯道多，泥石流常常发生乱流改道和淤堵溃决，造成难以采取有效工程措施对其进行针对性治理。

技术实现要素：

本申请的目的在于提出一种多级分流排泄的调量降能减速，调配泥石流流量，的一种基于多级分流排泄的大型泥石流综合防治方法。

本申请是这样实现的：一种基于多级分流排泄的大型泥石流综合防治方法，其包括以下步骤：a：确定不同频率下泥石流峰值流量qt；b：确定可向主沟排泄泥石流的峰值流量q1；c：当qt≤q1时，则只采用主沟排泄工程进行泥石流防治；当qt>q1时，进行步骤d；d：在出山口以上流域采用拦挡工程组合，并计算确定通过拦挡工程拦截的泥石流峰值流量qb；e：当qt≤q1+qb时,则采用主沟排泄工程和拦挡工程组合进行泥石流防治；当qt>q1+qb时，进行步骤f；f：确定进入一级支沟进行分流排泄的峰值流量qt1，qt1＝qt-q1-qb；g：确定可向一级支沟排泄泥石流的峰值流量q2；h：当qt1≤q2时，则采用主沟排泄工程、拦挡工程和一级支沟排泄工程进行泥石流防治；当qt1>q2时，进行步骤i；i：重复步骤f至h，其中第n级支沟进行分流排泄的峰值流量qtn，qtn＝qt-q1-qb-q2……-qtn-1，可向n级支沟排泄泥石流的峰值流量qn+1；直至经分流工程排泄后的剩余泥石流满足相应支沟工程控制断面过流流量要求。

进一步的，步骤a中，确定不同频率下泥石流峰值流量的依据为历史泥石流灾害现场调查法或小流域水文计算方法。

进一步的，步骤b中，q1＝过流断面面积w1×流速v1。基于主沟道输移能力和主沟工程控制断面允许过流流量要求从而进行确定。

进一步的，步骤d中，先根据拦挡工程的类型、数量、库容以及泥石流性质，估算拦挡工程的拦砂率，再计算通过拦挡工程拦截的泥石流峰值流量qb。拦挡工程需要根据具体情况进行调查分析，其方法为现有技术。

进一步的，步骤d中，拦挡工程为拦砂坝或谷坊或二者的结合。

进一步的，取qb＝(0.2-0.8)qt。选值时与拦砂坝或谷坊的数量、库容、高度、泥石流性质等多种因素有关，目前主要根据经验确定，一般取qb＝(0.2-0.8)qt。

进一步的，qt取自qp＝x％；其中qp表示不同设计频率的泥石流峰值流量，p＝1/设计年限×100％。

进一步的，步骤g中，基于一级支沟输移能力及其下游工程控制断面允许过流流量要求；确定可向一级支沟排泄泥石流的峰值流量q2。

采用小流域水文计算方法计算不同频率下泥石流峰值流量qt，计算公式为：式中：qw为某一频率暴雨洪水设计流量(m³/s)，可参见各地区水文手册进行计算；为泥石流流量增加系数，du为泥石流沟道堵塞系数，一般取值介于1.0-3.0；qt为与qw同频率下泥石流峰值流量(m³/s)；γc为泥石流容重(t/m³)，一般根据实地灾害调查或堆积物颗粒组构确定；γw为清水比重(t/m³)，一般取值为1.0；γs为泥石流中固体物质比重(t/m³)，根据固体物质岩性成分而定，一般取值为2.4-2.7。

历史泥石流灾害调查方法，计算泥石流峰值流量qt，再根据其发生日期，确定其经验频率，该方法常在无资料或少资料采用，或在有资料地区与小流域水文计算流量对比验证；具体步骤如下：首先在泥石流流域中下段选取沟道顺直、沟床比降均一、冲淤相对均衡和泥痕比较清晰的沟段，然后测量沟道断面尺寸，并计算过流断面面积ac，测量沟床纵坡比降j，按照泥石流流速计算方法计算断面平均流速vc，最后根据qt＝ac×vc，确定某一频率下泥石流峰值流量，接下来与水文计算流量对比或现场调访目击者证实，综合确定该次泥石流的发生频率。

qb＝(0.2-0.8)qt，系数选取依据可参考《泥石流防治指南》(周必凡等编著)。

主沟为天然沟壑或者人工修葺

大型泥石流往往存在较大的形成流通区(一般位于泥石流沟的中游地段，多为峡谷地形，谷坡急陡，沟床纵比降大，多陡坎或跌水)和堆积扇(是泥石流固体物质停积地段，位于泥石流沟的下游，多呈扇形或锥形，大小石块混杂堆积，地面垄岗起伏，坎坷不平)，且扇面上存在多级天然支沟。首先在条件允许情况下，在出山口之前布设多级拦挡工程，并确定经拦挡工程后出山口处泥石流剩余流量，经出山口后，在最大限度利用主沟输移能力基础上，将剩余流量与下游工程控制断面(桥梁等)最大允许排泄流量对比分析，确定是否需要向支沟分流排泄及相应分流流量和分级级数。

基于泥石流流量沿程合理调配和供需平衡，对泥石流防治工程体系进行合理规划和配置：如果泥石流能全部通过主沟工程控制断面进行排泄，且不致产生严重冲击和冲刷危害，则仅采用主沟排泄工程进行泥石流防治；在主沟排泄工程基础上，如果泥石流峰值流量超过主沟工程控制断面过流流量，则优先取拦挡和排泄工程组合进行泥石流防治；如果经主沟拦挡和排泄工程后的泥石流峰值流量仍大于主沟工程控制断面过流流量，则需采用拦挡、分流和排泄的工程组合进行泥石流防治，在出山口处将部分泥石流排泄进入一级支沟，充分利用一级支沟排泄能力，如果一级支沟泥石流峰值流量超过一级支沟工程控制断面过流流量，则需再次进行分流，以此类推，直至分流支沟泥石流流量满足其相应工程控制断面过流流量。

本申请时一种基于多级分流排泄的大型泥石流防治方法，也是一种大型泥石流防治工程体系规划设计方法。

由于实施上述技术方案，本申请通过在出山口之前布设多级拦挡工程，并确定经拦挡工程后出山口处泥石流剩余流量，经出山口后，在最大限度利用主沟道输移能力基础上，确定是否需要向支沟分流排泄及相应分流流量和分级级数；对泥石流流量进行沿程合理调配和供需分配，采用拦挡、分流和排泄工程组合进行泥石流防治，以降低泥石流规模和冲击力，控制形成泥石流的条件。

具体实施方式

本申请不受下述实施例的限制，可根据本申请的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

实施例一，某泥石流沟流域面积为16.35km²，主沟长7.23km，平均比降为130‰。采用本申请的泥石流防治方法，在最大限度利用天然沟道排泄输移能力基础上，分析泥石流暴发频率为20年一遇情况下，泥石流流量沿程调配和泥石流防治工程规划和配置，具体步骤如下：

a：根据历史泥石流灾害调查法，确定20年一遇频率下泥石流峰值流量qt(一般工程设防标准)；首先在泥石流沟出山口以上段选取沟道顺直、断面变化不大、冲淤平衡沟段，并测量历史泥石流最大泥痕高度，经计算泥石流最大过流断面面积ac＝40m²，沟床纵比降j＝0.16，根据泥石流堆积土土样组构分析确定泥石流容重γc＝13.7kn/m³，按照泥石流流速经验公式法计算流速vc＝2.72m/s，根据实地调访确定本次泥石流20年一遇峰值流量qt＝ac×vc＝qp＝5％＝108.8m³/s。

b：基于主沟输移能力和工程控制断面允许过流流量，确定可以通过主沟向下游排泄的泥石流峰值流量q1；通过现场调查堆积扇缘处公路桥梁的过流断面面积w1＝54m²，沟道比降为j＝0.15，按照泥石流流速经验公式计算流速v1＝2.4m/s，故可确定工程控制断面允许过流流量q1＝w1×v1＝118.8m³/s，即可向主沟排泄泥石流的峰值流量。

c：由于满足qt≤q1，故可仅采取主沟排泄工程进行泥石流防治。

本例步骤a中得到qt＝108.8m³/s作为主沟排泄工程峰值流量设计值。

实施例二，某泥石流沟流域面积为16.35km²，主沟长7.23km，平均比降为130‰。与实施例一不同之处在于重点分析泥石流暴发频率为50年一遇情况下，泥石流流量沿程调配的泥石流防治工程规划和配置。具体步骤如下：

a：根据小流域水文计算方法(即配方法)，确定50年一遇频率下泥石流峰值流量qt。实施例一可知通过流域历史灾害调查和室内试验确定，20年一遇泥石流容重为γc＝13.7kn/m³，根据不同频率下泥石流容重统计关系，确定50年一遇泥石流容重为γc＝14.8kn/m³；泥石流体重固体重度γs＝27kn/m³，清水重度γw＝10kn/m³，泥石流沟道堵塞系数du＝2.0，按照小流域水文方法计算得到50年一遇清水流量qw＝75.4m³/s，泥石流流量增加系数则50年一遇泥石流峰值流量qp＝2％＝qt＝136.49m³/s。

b：基于主沟输移能力和工程控制断面允许过流流量，确定可以通过主沟向下游排泄的泥石流峰值流量q1＝118.8m³/s。

c：由于qp＝5％<q1≤qp＝2％，则主沟允许排泄流量难以满足50年一遇泥石流过流流量要求，不能采用单一主沟排泄工程，而需增加拦挡工程。

d：通过对出山口以上地形地质条件勘测，并考虑施工难易程度和经济技术可行性，确定修建谷坊和拦砂坝等拦挡工程数量、规模和位置，一般拦挡工程设计标准同工程设防标准，均为p＝5％，据此初步估算通过拦挡工程拦截的泥石流峰值流量qb＝0.3qp＝5％＝32.64m³/s。

e：由于满足qp＝2％＝qt＝136.49≤qb+q1＝32.64+118.8＝151.44m³/s，故采用主沟排泄工程和拦挡工程组合进行泥石流防治。

根据主沟最大排泄输移能力和沿程流量调配原则，本例步骤b得到q1＝118.8m³/s作为主沟排泄工程峰值流量设计值，则qt-q1就应作为拦挡工程拦截泥石流峰值流量qb计算值，故拦挡工程设计的拦截泥石流峰值流量为qb＝qt-q1＝17.69m³/s。

实施例三，某泥石流沟流域面积为16.35km²，主沟长7.23km，平均比降为130‰。与实施例一的不同之处在于重点分析泥石流暴发频率为100年一遇情况下，泥石流流量沿程调配的泥石流防治工程规划和配置。具体步骤如下：

a：根据小流域水文计算方法(即配方法)，确定100年一遇频率下泥石流峰值流量qt。根据不同频率下泥石流容重统计关系，确定100年一遇泥石流容重为γc＝15.7kn/m³；泥石流体重固体重度γs＝27kn/m³，清水重度γw＝10kn/m³，泥石流沟道堵塞系数du＝2.0，按照小流域水文方法计算得到100年一遇清水流量qw＝90.8m³/s，泥石流流量增加系数则100年一遇泥石流峰值流量qp＝1％＝qt＝188.85m³/s。

b：基于主沟输移能力和工程控制断面允许过流流量，确定可以通过主沟向下游排泄的泥石流峰值流量q1＝118.8m³/s。

c：由于q1<qp＝1％，则主沟允许排泄流量难以满足100年一遇泥石流过流流量要求，不能采用单一主沟排泄工程，需增加拦挡工程。

d：通过对出山口以上地形地质条件勘测，并考虑施工难易程度和经济技术可行性，确定修建谷坊和拦砂坝等拦挡工程数量、规模和位置，初步估算通过拦挡工程拦截的泥石流峰值流量qb＝0.5qp＝5％＝54.4m³/s。

e：由于满足qp＝1％＝qt＝188.85>qb+q1＝54.4+118.8＝173.2m³/s，故还需采用分流工程进行泥石流防治。

f：根据泥石流流量沿程调配和供需平衡原则，步骤a得到100年一遇频率下泥石流峰值流量qt＝188.85m³/s，步骤b得到通过排洪沟可向主沟排泄泥石流峰值流量q1＝118.8m³/s，步骤d得到通过拦挡工程后拦截的泥石流峰值流量qb＝54.4m³/s，最终确定进入一级支沟进行分流排泄的峰值流量qt1，相应流量qt1＝qt-q1-qb＝188.85-118.8-54.4＝15.65m³/s。

g：基于一级支沟输移能力及其下游工程控制断面允许过流流量要求，确定可向一级支沟排泄泥石流的峰值流量q2。通过现场调查堆积扇缘处公路涵洞的过流断面面积w2＝30m²，沟道比降为j＝0.11，按照泥石流流速经验公式计算流速v2＝2.2m/s，故可确定一级支沟工程控制断面允许过流流量q2＝66m³/s。

h：由于qt1<q2，经主沟拦挡和排泄后的剩余泥石流全部能通过一级支沟排泄工程向下游输移，则采用主沟排泄工程、拦挡工程和一级支沟排泄工程进行泥石流防治。

实施例四，某泥石流沟流域面积为16.35km²，主沟长7.23km，平均比降为130‰。与实施例一的不同之处在于重点分析泥石流暴发频率为200年一遇情况下，基于泥石流流量沿程调配的泥石流防治工程规划和配置。具体步骤如下：

a：根据小流域水文计算方法(即配方法)，确定200年一遇频率下泥石流峰值流量qt。根据不同频率下泥石流容重统计关系，确定200年一遇泥石流容重为γc＝17.5kn/m³；泥石流体重固体重度γs＝27kn/m³，清水重度γw＝10kn/m³，泥石流沟道堵塞系数du＝2.0，按照小流域水文方法计算得到200年一遇清水流量qw＝150.2m³/s，泥石流流量增加系数则200年一遇泥石流峰值流量qp＝0.5％＝qt＝325.45m³/s。

b：基于主沟输移能力和工程控制断面允许过流流量，确定可以通过主沟向下游排泄的泥石流峰值流量q1＝118.8m³/s。

c：由于q1<qp＝0.5％，则主沟允许排泄流量远远不能满足200年一遇泥石流过流流量要求，不能采用单一主沟排泄工程，需增加拦挡工程。

d：通过对出山口以上地形地质条件勘测，并考虑施工难易程度和经济技术可行性，确定修建谷坊和拦砂坝等拦挡工程数量、规模和位置，初步估算通过拦挡工程拦截的泥石流峰值流量qb＝0.8qp＝5％＝87.04m³/s。

e：由于满足qp＝0.5％＝qt＝325.45>qb+q1＝87.04+118.8＝205.84m³/s，故还需采用分流工程进行泥石流防治。

f：根据泥石流流量沿程调配和供需平衡，步骤a得到200年一遇频率下泥石流峰值流量qt＝325.45m³/s，步骤b得到通过排洪沟可向主沟排泄泥石流峰值流量q1＝118.8m³/s，步骤d得到通过拦挡工程后拦截的泥石流峰值流量qb＝87.04m³/s，最终确定进入分流排泄的峰值流量qt1，相应流量qt1＝qt-q1-qb＝325.45-118.8-87.04＝119.61m³/s。

g：基于一级支沟输移能力及其下游工程控制断面允许过流流量要求，确定可向一级支沟排泄泥石流的峰值流量q2。上述可知第一级支沟工程控制断面允许过流流量q2＝66m³/s，即一级支沟允许排泄泥石流流量。

h：由于qt1>q2时，经主沟拦挡和排泄后泥石流峰值流量qt1大于允许通过一级支沟工程控制断面过流流量q2(也就是剩余泥石流全部能通过一级支沟排泄工程向下游输移)，确定向第二级支沟分流流量qt2＝qt1-q2＝119.61-66＝53.61m³/s，故需进行第二级分流以满足剩余泥石流顺利排泄。

i：重复步骤f至h，基于二级支沟输移能力及其下游工程控制断面允许过流流量要求，确定可向二级支沟排泄泥石流的峰值流量q3。通过现场调查次二级沟堆积扇缘处公路涵洞的过流断面面积w3＝32m²，沟道比降为j＝0.09，按照泥石流流速经验公式计算流速v3＝1.8m/s，故可确定二级支沟工程控制断面允许过流流量q,3＝57.6m³/s，即二级支沟允许排泄泥石流流量。由于qt2＝53.61<q3＝57.6，故经主沟拦挡和排泄以及一级支沟分流后，剩余泥石流能通过二级支沟排泄工程向下游输移，故则采用主沟排泄工程、拦挡工程、一级支沟排泄工程和二级支沟排泄工程进行泥石流防治。

根据主沟、支沟输移能力及其下游工程控制断面允许过流流量要求以及现有天然沟道的运载能力计算，确定主沟和支沟是否由天然沟道形成、是否需要人工修缮、次级与上一级沟间的连接位置修缮、阻拦工程的修葺位置及数量等问题。

本申请充分利用主沟排泄工程、拦挡工程、多级支沟排泄工程，充分利用多级分流排泄的调量降能减速作用，调配泥石流流量，限制泥石流速度，减低泥石流冲击冲刷力，控制形成泥石流水动力条件，实现不同频率泥石流安全排泄，制止或减轻泥石流灾害，保障泥石流沟口村镇居民和重大工程建设的安全；在充分利用天然沟道排泄能力基础上，对大型泥石流防治工程进行合理规划和配置，实现对泥石流流量沿程合理调配和供需平衡。

以上技术特征构成了本申请的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要技术特征，来满足不同情况的需要。