一种防治沟道泥石流启动的综合治理措施及其设计方法

本发明属于泥石流防治工程领域，特别涉及一种工程措施和生态措施相结合的沟道泥石流综合防治技术及其设计方法。

背景技术：

19世纪50年代至80年代的大面积森林砍伐使得甘肃省白龙江流域的森林覆盖率大大降低，导致低山区内植被严重退化，加之陡坡土地开垦极为普遍，致使黄土区、松散坡积区失去植被保护而大量裸露，加剧了泥石流、滑坡等地质灾害的发生。同时，流域内软弱岩体广泛分布，土壤贫瘠，水分涵养能力差，加上沟床普遍存在巨厚(厚度达50米左右)的松散堆积物，为泥石流提供了充足的物源条件。此外，流域内地形高差大，干热型河谷型气候突出，植被破坏后难以恢复，不断恶化的生态环境与泥石流过程的恶性反馈机制，使得白龙江流域成为我国泥石流四大高发区之一。据陇南市自然资源局统计，白龙江流域中游(甘肃舟曲-武都段)泥石流发生频率最高，危害严重的泥石流沟共有490多条。因此，针对泥石流沟内的大量松散物质，及泥石流过程中侵蚀堆积特征，发明环境友好的物源控制工程对白龙江流域泥石流灾害的有效防治和生态环境保护具有重要的现实指导意义，对于类似区域泥石流灾害的综合防治也具有重要的借鉴意义。

目前，泥石流防治的核心思路是水石分离技术。如cn103556602公开了一种防治沟道泥石流启动的结构体，结构体由至少一个防治结构单体构成，防治单体包括框架梁、多根钢管桩和石笼，以期平整沟床底面、加固松散堆积颗粒、缓和水流流态、降低混合流侵蚀能力，从而缓和侧蚀和溯源侵蚀强度。cn110952508a公开了一种山洪、泥石流的灾害防治方法，包括沿沟谷设置多个拦挡坝，每个拦挡坝溢流缺口处安装溢流雨水收集件，通过将流域内汇集的水及时导走，杜绝了过量的山洪雨水对沟谷的下方的土石的冲刷，从而降低了泥石流的发生概率和风险。

此外，cn112081071a公开了一种在山洪泥石流沟道形成区采用的拦砂坝的生态型组合，当拦砂坝数量≥2时，首先通过计算回淤长度确定拦砂坝间距，再通过坝前和坝后的沟道两岸及沟道内规划不同植被增强生态组合效果：一方面对泥石流进行有效拦挡，提高沟道糙率，减少沟岸物质参与泥石流活动，降低泥石流冲击力与流速，实现逐级消能，提高工程结构使用寿命；另一方面为生态防治措施从经验定性型向指标定量型转变提供了新的基础。

然而正如cn107059891a背景技术所述，泥石流拦蓄工程存在的主要问题是工程量大和使用的限制条件较多，而生态工程尽管投资小、能改善自然环境，但沟谷中种植的植物容易受到降雨和水流的侵蚀，且发挥效用的时间长，不能有效防治泥石流的发生。

已有的研究表明，生态措施具有滞留降水、保持水土、调节径流的功能，特别是植被根系具有固土稳沟的作用，因此，山区生态恢复会使得泥石流的启动阈值变大，泥石流规模减小，且随着植被的生长其这种作用将不断增强。人们对工程措施和生态措施相结合的泥石流综合治理措施愈加重视。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种在泥石流形成区沟道中用于防治泥石流启动的工程措施和生态措施相结合的泥石流综合防治措施，该综合措施可就地取材且实施简易，能够从源头对泥石流危害进行主动防治，提高泥石流灾害防治措施的治理效果。

本发明的另一目的是提供上述防治沟道泥石流启动的综合治理措施的设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种防治沟道泥石流启动的综合治理措施，包括：

⑴在泥石流启动区设置谷坊群抬高侵蚀基准面；

⑵将结构体埋设在泥石流沟床上，结构体表面与沟道齐平，结构体由至少一个结构单体构成，结构单体为石笼网方格，沟床表层设置加强层，石笼网内部填充有不易风化的岩石，石笼网方格中间为原始沟床；

⑶在石笼网方格中间种植乔木和/或灌木，种植的植被首选根系发达且耐旱涝的乡土物种。

优选地，上述石笼网采用直径1mm-4mm且表面设有镀锌层和/或油漆层的铁丝，菱形编织，布设层数为1-3层，层间通过铁丝连接；上述加强层为3-5层菱形铁丝网编制而成，层间通过铁丝连接；上述结构单体间通过铁丝连接。

优选地，上述乡土物种种植时行间距为0.2-1m，丛间距为0.2-1m，且呈“品”字型排列，待乔木高度2.0m时进行“打顶”处理。

本发明还提供了上述防治沟道泥石流启动的综合治理措施在干热河谷生态系统修复或改造方面的应用。

本发明还提供了上述防治沟道泥石流启动的综合治理措施的设计方法，具体技术方案如下：

步骤s1：调查泥石流沟道的基础参数，确定防治沟道泥石流启动的结构体所在泥石流沟道的基础参数，包括：

确定需防治的沟道泥石流启动区沟床物质的粘聚力c，沟床物质饱和重度γs，沟床倾角θ，沟床松散物质厚度hm，沟床物质内摩擦角ψ，沟床摩擦系数μ，以及需防治泥石流的最大流深h，最大流速v，泥石流重度γm；

通过考虑颗粒碰撞、摩擦和浆体作用的voellmy模型来表征泥石流对沟床表面的流动剪应力τd；

式中，ξ为液相作用参数，根据室内土工实验求得，或取经验值100-400；

步骤s2：根据摩尔库伦准则，令泥石流施加在沟床上的剪应力和沟床重力的分力的总和等于沟床粘聚力和沟床抗滑力的总和，求得泥石流侵蚀沟床极限深度dmax。

式中，γw为水体重度，b为孔隙水压力参数，根据室内土工实验求得，或取经验值0.3-0.4；

步骤s3：通过原位实验和/或室内实验确定临界根系抗拔深度ξupr；

式中，β为暴露根系生物量占根系生物总量的比例，ξr为根系生长深度，br(z)为无量纲的根系生物量，bcr为拔根时暴露根系生物量；

综上，可得到结构体埋设深度d：

步骤s4：确定结构体埋设深度d后，需根据沟床横截面确定结构体尺寸a，并根据泥石流对沟床表面的流动剪应力τd确定结构体内植被种植数量n，

式中，τs为植被单株抗拔力，a为结构单体内沟床面积。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

(1)本发明在泥石流形成区设置谷坊群提高沟道的侵蚀基准面以抑制溯源侵蚀；通过布设石笼网并种植植被的措施稳固沟床，抑制泥石流沟床的物质启动，同时保证植被种植初期不被拔根。

(2)通过经济、简易的工程措施和生态措施的结合，不但可以最大程度阻断泥石流形成过程中物源的补给，抑制泥石流的形成，植被地上部分的拦挡作用和根系的加筋作用还能增加水流的粗糙度，削弱水动力条件，从而达到预防和制止泥石流发生或减小其规模，减轻其危害程度的目的。

(3)从长远角度来看，泥石流综合防治措施能够借助工程措施保证综合治理初期的防治效果及生态工程实施初期不被摧毁，还依靠生态工程防治效果逐年增加的特点弥补岩土工程防治效果逐年降低和后期维护费用较高的缺陷；此外，还能逐步提高沟谷的控沙能力，有效改善干热河谷的生态系统功能。

附图说明

图1为本发明中泥石流形成区综合治理立体示意图；

图2为本发明中泥石流形成区综合治理侧视示意图；

图3为本发明中一个具体实施例的谷坊示意图；

图4为本发明的一个具体实施例的结构单体示意图；

图5为本发明的一个具体实施例的结构体的俯视示意图；

图6为本发明的一个具体实施例的结构体和生态措施的侧视图附图标记；

附图标记：1-结构单体，2-谷坊，3-沟床，4-乔木，5-灌木，11-石笼网，12为块石。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

构林坪泥石流沟位于甘肃省陇南市武都区角弓镇，流域面积20.7km²，主沟长6.1km，沟道平均纵比降约12.5°，地形高差约1950m，沟道内有50m左右的松散堆积物，且沟道旁滑坡发育，易发生水力型泥石流。根据资料统计，2012年至2020年期间，构林坪沟共发生超过16次较大规模的泥石流活动，下游构林坪村的大片农田和房屋缺乏有效保护，受泥石流灾害威胁较大。

1.基础参数获取

本发明泥石流启动防治结构选址于泥石流形成区平均宽度约16m的沟道，根据野外调查和室内土工实验得到需防治的泥石流的基础参数如下表所示：

2.综合防治措施设计

根据式1确定需防治泥石流对沟床的最大流动剪应力τd为9.15kpa，根据式2确定泥石流最大下蚀深度dmax为2.9m。刺槐林龄为4年时，通过现场根系挖掘和冲刷实验确定ξr为0.8m，β为0.9，因刺槐为浅根系乔木，根据式3得到ξupr为0.55m。为增大安全系数，根据式4得到具体设计中结构体埋设深度d为3m。

谷坊群设计：就地取材布设谷坊2，谷坊2底宽3m，顶宽1m，埋深3m，出露高度1m，谷坊2间距15-30m，目的在于提高沟床3的侵蚀基准面，同时抑制溯源侵蚀。

结构单体设计：为加固沟床松散堆积体，在谷坊2间的沟床3上布设长×宽为2.5m×2.5m的石笼方格结构单体1(含结构单体边宽0.5m，因此，a为4m²)，目的在于平整硬化沟床，增加沟床中松散堆积物的稳定性，为生态措施提供有利生存空间。

生态措施设计：石笼方格结构单体1内的沟床3上种植根系发达且耐旱涝的乡土乔木4，乔木4为刺槐，刺槐林龄为4年时，通过原位单株拉拔实验得到单株平均抗拔力约为2.5kn，可根据式5求得n为14.64，为增大安全系数并保证存活率，n取16。种植的植株呈品字形分布，行间距为0.5m，丛间距为0.5m。为减小植被受风的载荷的影响，待植株高度左右2.0m时进行打顶，同时进行立体种植，配合种植灌木5，灌木为胡枝子。

最后应说明的是：以上所述仅为优选实施案例，并不用于限制本专利，尽管参照前述案例进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施案例所描述的技术方案进行修改或组合，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围以内。