一种泥石流灾害防治的生态-岩土协同构筑体

1.本发明属于泥石流防治技术领域，涉及一种泥石流灾害防治的生态-岩土协同构筑体。


背景技术：

2.山地灾害防治工程是山地灾害治理中的主要手段。经过几十年的实践，在兼顾工程效用与环境协调综合目标的指引下，泥石流灾害防治工程形成了岩土工程措施与生态工程措施两大类工程模式。其中岩土措施主要通过拦砂坝、谷坊、挡土墙、锚杆、导流槽等一系列“挡、防、排”措施实现泥石流等山地灾害的防治；生态措施主要通过布置活体植物，利用植被的机械特性与生物特性调节灾害形成条件。例如，在清水汇流区及泥石流形成区范围内种植水源涵养林，在泥石流形成区和流通区种植水土保持林，在流通区及其沟谷坡脚处种植护床防冲林，在泥石流堆积滩地上营造护堤固滩林等。
3.无论是岩土工程措施还是生态工程措施都在一定程度上起到了灾害防治的作用，但是也存在诸多问题。就岩土工程措施而言，施工量大，施工费用高昂，且施工对环境影响大，其使用的主要工程材料，如钢筋、混凝土等与环境不兼容；就生态工程措施而言，单纯的生态手段防治能力有限，且植被要发挥水土保持作用需要经过较长的生命周期。将岩土工程措施与生态工程措施相结合的工程模式，成为更有综合价值的防治工程方案。
4.然而，现有的将岩土工程措施与生态工程措施相结合的方案仍然未能实现泥石流拦排结合的协同防治，本领域亟需一种基于自然解决方案的泥石流拦排兼顾且与环境相融的的生态-岩土协同工程构筑体。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可以兼顾泥石流的拦排和生态环境修复的生态-岩土协同工程构筑体。
6.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
7.一种泥石流灾害防治的生态-岩土协同构筑体，所述构筑体包括若干个植物坝与若干个弧形挡墙；
8.各植物坝与各弧形挡墙一一平行对应地设置在山体沟道不同一侧上；各弧形挡墙的弦长不小于与之对应的植物坝的长度；
9.不同水平面上的植物坝在沟道横断面宽度方向呈错位排列，各植物坝形成的弯曲系数s为1.0-2.0，符合式(1)表达式：
[0010][0011]
其中，b为植物坝的宽度，d为任意两个植物坝各自长度和两者之间间距的总长。
[0012]
在本发明中，山体沟道为易发生泥石流的山谷或者因发生过泥石流而形成的山沟。本发明所述的平行是指植物坝与弧形挡墙处于同一高度，在高度上平行；本发明所述植
物坝的长度是指在沟道径流方向上的边长，所述植物坝的宽度是指在植物坝沟道横断面水平方向的边长。
[0013]
通过上述构筑体的设置，呈错位排列的各植物坝之间形成了类“s”型的通道。该通道的存在一方面是保证了部分泥石流的顺利流出，不至于在前中段由于完全强力的拦挡以致停淤形成堵塞造成新的威胁；同时，当沟道存在弯区时，存在一种泥石流的弯道超高或者爬高现象，泥石流的动能一部分转化成超高或者爬高的势能而被损耗掉，一部分来流作用于弯道的凸岸，彼此碰撞转化成内能消耗掉，这样使得植被弯道形成的凹岸和凸岸对泥石流的流动起到了减速的作用。
[0014]
在现有技术中，通过植被措施实现泥石流的防治时，通常采用全区域满铺型种植或者在沟道两岸种防淘林的方案。前者虽然利于防范泥石流的发生，但一旦发生泥石流后容易造成泥石流堆积而产生更大的潜在危害；后者一般仅仅有助于防止泥石流对坡脚的进一步淘蚀，对大规模泥石流的调控能力有限，进而不能有效的阻滞泥石流的运动，从而无论是在泥石流的防范还是治理方面均有明显不足。
[0015]
因此，人们往往通过在特定位置修建相应的岩土工程设置以补足现有种植植物方案在泥石流防治方面的缺陷。一般情况下，现有技术通常采用在沟道中上游设置用于挡拦泥石流中较大尺寸物质(如树干、大石等)的岩土工程措施(格栅坝，窗口坝等)，而在中下游种植生态林，实现泥石流的挡拦和过滤(如图3所示)。这种方式主要依赖岩土工程设施的精准设计和巧妙设置，通常需要考虑不同山体和沟道的实际地质和地形情况，实施难度非常大且难以复制推广。更为重要的是，如果泥石流强度不在预期之内，还很可能在岩土工程设施(如梳齿坝)上产生停淤，形成新的威胁，这进一步限制了该技术的实际应用。
[0016]
为了克服上述方案的缺点，现有技术还提出了在岩土工程设施的下游分级设置植物带的方案。该类方案设置的岩土工程设施通孔尺寸大，不易发生停淤，在泥石流的挡拦方面主要依靠沿流路方向上的植物带分段式(乔木带、灌丛带和草本带)设置，实现层层阻挡。该类方案虽然可以获得对低频小规模泥石流较好的减灾效果，但严重有赖于山体具有同时分段式种植乔木、灌丛和草本的立地条件及物种，并且某一段植物带结构易被大规模泥石流淤埋，致使其防治效果减弱，限制了该技术的适用范围；同时，单独布设的乔木带、灌丛带和草本带，不利形成植被类型多样的植物群落，生态修复效果欠佳，从而降低了植物坝整体的生态防治意义。
[0017]
本发明通过大量的摸索最终发现，当采用本发明的方案时，可以获得很好的泥石流应对效果。本发明的植物坝有助于生态的恢复，防止泥石流的发生；当泥石流发生后，能有效的实现对泥石流的挡拦和疏流，降低泥石流带来的灾害(见本发明实验例)。
[0018]
在本发明中，裁弯对流路的影响以及沟道下垫面形成的弯曲流路对泥石流的冲淤影响极其显著，二者对流水和泥石流既起到了输移的作用，同时由于流路弯曲形态存在，一方面增大了行进路程，使得能量和物质得到了极大的削减；另一方面，凹岸的迂回阻滞作用也极大削减了能量。综上作用使得沿程的破坏逐渐降低，最终起到了拦排的作用。
[0019]
优选地，所述植物坝宽度不小于所在沟道横断面宽度的二分之一，不超过所在沟道横断面宽度的五分之四。
[0020]
优选地，所述植物坝为正方形，所述弯曲系数s符合式(2)表达式：
[0021][0022]
其中，n为大于0但不限于正整数的正数。
[0023]
优选地，所述植物坝是乔灌草混植带，乔木与灌丛相间行植，相邻两行的乔木与灌丛错位，草本片植。
[0024]
通过优化植物的布置方式，形成同一空间内垂直方向上乔灌草的立体组合结构。该结构一方面能够通过乔木植被对泥石流大颗粒的拦截和对小颗粒的过滤，通过灌草植被对剩余泥石流颗粒的分离与拦截，从而实现对泥石流拦砂与水土分离的防治效果；另一方面，能够充分利用乔灌草的合理组合配置，加大沟道地表糙度，实现对泥石流的消能作用；同时，还能营造仿天然植物群落结构的生境，促进植物坝的生态功能。
[0025]
优选地，乔木之间株距为3-4米、行距为3-4米；灌木株距为1-2米、行距为1-2米。
[0026]
因为植物坝株行距的存在，泥石流一部分通过缝隙，使得在凸岸的冲击作用得到缓解，并输移一部分物质，减少凸岸物质的沉积。并且，这种减速作用在泥石流流量较小的情况下，往往在流通区就通过逐级消能而促使速度降低至停积下来。同时植物坝的存在减少了泥石流对沟道坡脚的冲刷和淘蚀。从长远来看，还可以通过增加或者减少某一边植物数量或者改变弯曲方向与角度灵活地调节泥石流运动与沉积，改变微地貌，不至于出现侵蚀或者堆积一边倒的现象。
[0027]
优选地，乔木高度为1.8-2.2米，灌丛高度为0.8-1.2米。
[0028]
控制乔木高度的目的在于抑制地上部分生长并促进根系发育，在利用发达的根系固定土体的同时避免过大的地上部分在外力作用下易于摇摆而对土体产生的反作用。控制灌丛高度的目的在于抑制灌丛的地上部分而促进根系的生长，利用发达的根系固定土体。
[0029]
优选地，所述弧形挡墙的弧度与所述弯曲系数s一致，弧形挡墙内弧面朝向植物坝。
[0030]
优选地，所述弧形挡墙的高度为3-5米，厚度为1-2米。
[0031]
所述弧形挡墙的材质包括岩石、钢材、混泥土中的任何一种。优选地，所述弧形挡墙可采用目标山体中的大石块。
[0032]
优选地，所述构筑体还包括设置在所述植物坝和弧形挡墙上游的、用于拦挡大尺寸物质的桩林坝。本发明所指的上游为位于地势更高的沟道上半部分。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
本发明实现了泥石流的综合防治，实现泥石流防治的既堵亦疏，在发挥泥石流防治及时性的基础上，营造良性的立地环境，减少泥石流形成条件。本发明可以显著拦排泥石流，降低泥石流造成的损害。
附图说明
[0035]
图1为本发明构筑体的示意图；
[0036]
图2为本发明实验例开展实验时的示意图；
[0037]
图3为现有技术的示意图。
具体实施方式
[0038]
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0039]
实施例1
[0040]
泥石流灾害防治的生态-岩土协同构筑体：方形植物坝错位排列在泥石流沟道方向上呈s型延伸，方形植物坝宽度b不小于所在沟道横断面宽度b的1/2，前后植物坝的间距等于n个植物坝的长度；弧形挡墙一一对应的设置在植物坝旁，弧形挡墙内弧面朝向方形植物坝，与植物坝平行相对；弧形挡墙弦长l不小于矩形植物坝长度b，弧形挡墙的弧度与植物坝形成的弯曲系数一致，挡墙高度控制在3-5米，厚度1-2米；材料采用就地取材的大石块。
[0041]
方形植物坝是乔灌草混植带，乔木与灌丛相间行植，相邻两行的乔木与灌丛错位；草本片植。乔木之间株距3-4米,行距3-4米，灌木株距1-2米，行距1-2米。乔木高度控制为1.8-2.2米，灌丛高度控制为0.8-1.2米。
[0042]
本实施例设置了不同植物坝的宽度和坝间距，如表1所示。
[0043]
表1
[0044][0045][0046]
植物坝宽(b)和直线流距(d)跟弯曲系数的关系可表达如下：
[0047][0048]
直线流距(d)为为任意两个植物坝各自长度和两者之间间距的总长。
[0049]
由于植物坝为方形，上式中d的长度是等于前后两座坝的长度加上中间的n个坝宽的间隔，即d＝b(n 2)。因此上式子又可写成：
[0050][0051]
其中，n为大于0但不限于正整数的正数。
[0052]
实验例
[0053]
如图所示，模型实验在长4米，宽70厘米的水槽中进行，分别设置20厘米宽的顺直沟道布置(对照组)，弯曲系数为1.05和1.1的弯曲沟道布置，用150(小型规模)、200(中型规模)、250l(大规模)容重为1.95g/cm3(物料粒径，按照实际泥石流统计学意义，进行了等比例放小，容重跟实际泥石流一致)的粘性泥石流在上述实验装置下进行。
[0054]
(1)物料池，用砖与水泥砌成，池底为漏斗状，便于浆体流出。水平横断面为边长1m的正方形，最大容量为350l。该部分用以盛装按蒋家沟泥石流实际容重设定的重塑泥石流
体。
[0055]
(2)流通槽，为长140cm、宽30cm、高30cm，搭放角度为30
°
的斜铁槽，上接物料池闸门，下连模拟泥石流沟谷区域。流通槽的角度设置主要是为从物料池出来的重塑泥石流体提供一个势能，保证有一定的速度，促使其能到达下面的“泥石流沟谷区”。
[0056]
(3)模拟泥石流沟谷，两侧是用砖所砌高为73cm的墙体，墙长435cm，两墙间距为70cm。模拟泥石流区内的坡度参照蒋家沟流通区实际坡度来设定的，为5
°
。
[0057]
(4)堆积区。根据预设的泥石流总量和实际蒋家沟堆积区的坡度，在模拟流通区后面挖掘的堆积区长5m，宽3m，坡度为5
°
，在其上铺一张3m
×
6m的彩条布，便于测量堆积扇体积。
[0058]
表1泥石流运移结果
[0059]