摘要：泥石流主要发生在地形复杂，地质条件差的地区。泥石流危害巨大，破坏力强，来势凶猛。它是比滑坡、崩塌等更为严重的自然灾害。泥石流的发生，严重制约着卡贡弄巴地区社会经济的发展与进步。如何做好卡贡弄巴地区泥石流的防治工作，更好的促进当地可持续发展是当前工作的重点。本文主要根据通过松古改建工程对特大型泥石流地质灾害治理实验，研究对特大型泥石流地质灾害治理的方法。
关键词：卡贡弄巴、泥石流、治理与研究
1.前言
我国是一个多山的国家，山地与丘陵占国土面积的75%。卡贡弄巴地区偏僻且地形复杂，当地的泥石流更被称为亚洲第一大泥石流，且卡贡弄巴地区于2005年与2007年间均爆发了特大泥石流，给当地造成难以估量的损失。除此之外，卡贡弄巴位于川藏公路段，泥石流经常会对公路通行造成影响，这在无形中造成了巨大的财产损失。如今，泥石流问题已经被社会各界广泛关注，成为一个具有国际研究性的难题。
本课题以国道G318线川藏公路松古段整治改建工程C标段为平台，成立专题研发小组。通过认真研究设计文件，广泛收集相关的施工技术资料，结合实际情况加以分析，从该地区地理、水文条件、施工设备，施工工期和总体投资费用等方面加以考虑，通过对高海拔地区泥石流治理施工技术研究，总结在降雨量大、汇水面积广、冰川影响落差特别大的环境下，泥石流综合治理的方法。川藏公路松古段的政治改建工程项目主要位于西藏自治区林芝市波密县境内，该地区地势复杂多样，主要为山地河谷，中部为河谷区，周围则山地环绕，地势险峻。河谷在波密县以西呈“U”型，以东则呈“V”型，区域内有冰川发育。就气候来讲，该地区降水较多，昼夜温差大，日照时间长。就降水而言，地下水丰富且补给水源主要为大气降雨、冰雪融水及地表水。
2.卡贡弄巴地区泥石流成因
（1）地形条件。卡贡弄巴地区地形复杂多样，山地众多且较为陡峭，四周高中间低，山体破碎，植被生长情况不良，泥石流发生时拦截作用小。河谷地区地势平坦，这也为碎屑物质提供了堆积之处。
（2）地质条件。松散物质是泥石流的重要组成部分，该区域岩体破碎，且之前发生过较大的泥石流灾害，地表破坏较大，碎石堆积。除此之外，此处岩性结构疏松软弱，在长期的风力作用下岩层被破坏，这就为泥石流的形成提供了较多的松散物质。
（3）水文条件。卡贡弄巴地区降水较多，属于半湿润地区。且该区域内有冰川活动痕迹，冰川消融也是卡贡弄巴地区泥石流发生的诱因之一。
3.研究中的关键技术
（1）对西藏自治区松古段改建工程卡贡弄巴泥石流工程进行实地调研，制定测量采集、流速测定等数据采集方案，建立一个泥石流暴发数字模拟模型，通过相似模拟试验对卡贡弄巴特大型泥石流进行模拟试验研究；研究泥石流综合治理技术，建立泥石流危险度评价和风险度评价模型，为确定泥石流灾后评定原则和综合治理提供依据；
（2）采用CFD法，基于流动基本方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，对泥石流体动力学理论进行实验研究，为今后泥石流治理提供数据参考和借鉴；
（3）总结国内外关于泥石流基础理论研究成果的基础上，深入认识泥石流形成、运动和成灾机制，为发展新的减灾技术提供理论基础。
（4）根据以往的经验技术，并突破创新，结合当地的实际情况具体问题具体分析，确定出最合适的研究方案。
4.施工治理方案
（1）沟道整修。河谷内的沟道堆积有大量前期泥石流漂卵石，河道淤积严重，当泥石流发生时，沟道并不能起到良好的疏通作用。为了避免中小型泥石流在沟口淤积，要对沟道进行整修，对沟道内的淤积物进行清理，使其在泥石流发生之时起到良好的排泄疏通作用，减小泥石流的危害。
（2）抬高路基拦淤，局部布设大桥排导。由于公路距离沟口较近，泥石流对公路影响较大，可以利用河谷内有利地形，将现有的路基进行适当抬高，并在局部水路面设置大桥。一方面将泥石流停淤于公路内侧宽阔的低洼地带，另一方面采用大桥排导中小型泥石流，避免堆积物阻车断道，保障正常年份公路的安全畅通，同时确保过往车辆的行驶安全。另外，大桥净空较高，便于机械清理淤积在大桥下部及两侧的堆积物，保证大桥排导功能的正常发挥。
（3）设置格栅坝与桩林。由于沟道较为宽大平缓，这就具备了良好的库容条件。沟道内大漂石居多，在距离沟口约390m的位置和190m处分别设置格栅坝和桩林，对泥石流进行梯级防治，拦截大漂石，控制补给泥石流松散固体物质的数量，减小泥石流流速和冲击力，抬高沟床，减小侵蚀，稳定两岸崩塌、滑坡物质，降低泥石流对桥梁的冲击。格栅坝要设置前后两排，呈“品”字型布设，之间用“人”字梁连接，单桩共 12根。前后排桩净排间距 2.5m，前排桩截面 2.5×3.5m，迎水面为弧形，后排桩截面 2.5×3.5m的矩形断面，桩间距 6m，桩长 20m，其中地面以上 12m，基础埋深 8m，基础形式采用片筏基础。桩与桩之间采用连系梁连接，提高格栅坝整体稳定性，梁截面 0.8×1.0m，上下净间距 3m，前后排桩之间梁为人字形，同排桩之间梁为一字型，均采用 C30钢筋混凝土现浇。在施工过程中，要整平孔口地面，做好桩区地表截排水及防渗工作，孔口地面加筑适当高度的土埂，孔口应设围护栅和孔口罩盖，必要时孔口应设遮雨棚。
桩林距格栅坝下游方向约 200m，亦布设前后两排，呈“品”字型布设，之间不采用任何连接形式。桩间距6m，前后排桩净排间距3m，桩截面均为2×3m矩形,桩长10m，共30根。其中地面以上 5m，埋深 5m，采用 C30钢筋混凝土现浇。
（4）（4）设置导流堤和挑流坝。将西侧导流堤延伸于沟口，阻止泥石流向西侧发展，导流堤顶宽 2m，高 5m，基础埋深2m，长 950m，采用铅丝石笼堆筑，背坡采用原地碎石土回填夯实，坡率 1：2，顶宽 5m。在新建导流堤中部设置 2道挑流坝，强制性改变泥石流流向，防止乱流、偏流，使其导向大桥处排导，并合理利用堆积扇东面低洼地形，将部分泥石流堆积停淤。挑流坝间距 150m，每道长 140m，共长 280m，顶宽 3m，高 3m，基础埋深 2m，采用铅丝石笼堆筑，背坡采用原地碎石土回填夯实，坡率 1：2，顶宽 5m。
5.采用CFD法对泥石流进行研究
5.1 、CFD理论的基本原理
CFD(Computational Fluid Dynamics)是指通过计算机数值计算和图像显示技术，对包含有流体运动和热传导等相关的物理现象的系统而做的分析。自20世纪60年代以来，CFD迅速发展，如今这门学科也相当成熟。现代流体的研究方法主要包括理论分析、数值分析和实验研究三个方面。这些方法是针对不同的角度进行研究，三个方面互相补充。理论的分析研究是基础，能够表述参数的影响形式，为数值计算和实验研究提供有效的指导；试验是认识客观现实的重要实践手段，可以用来验证理论。和数值模拟的正确性。计算流体动力学通过提供模拟真实流动的经济手段补充理论及试验的空缺。CFD是在流动基本方程控制下对流体的数值模拟。应用这种模拟，我们可以看到复杂问题的流场内各个位置上基本物理量的分布情况，以及这些物理量的变化趋势。更重要的是，计算流体动力学提供了廉价的模拟、设计及优化的工具。计算流体动力学在数值研究上大体沿两个方向发展：一个是在简单的几何外形条件下，利用数值模拟的方法来发现一些基本的物理规律与现象；二是直接通过数值模拟来解决工程实际需要，为工程的设计提供参考和依据。理论的预测出自数学模型的结果，而不是出自物理模型的结果。采用CFD的方法对流体流动过程进行数值模拟，主要包括以下流程：
2、计算流体动力学理论
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)是基于流动基本方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程而进行的数值模拟。下面对这三个基本方程做一介绍。
质量守恒方程：
式中p是密度，t是时间，u是速度矢量，u、v、w是速度矢量u在x、y、z方向的分量。以上给出的是瞬态三维可压流体的质量守恒方程，若流体不可压，且密度p是常数，则式(3．1)变为：
若流动处于稳态，p不随时间变化则是(3．1)可写为：
动量守恒方程
任何流动系统都该满足动量守恒定律，该定律的实质是牛顿第二定律，按此定律可分别导出x、y、z方向的动量守恒方程：
式中P是流体微元上的压；其中txx、txy、txz是因分子粘性作用而严生的作用在微元体表面上的粘性作用力t的分量；Fx、Fy、Fz则是微元的体力。
式(3．5)对于任何流体均成立，对于牛顿流体上式有可以写为：
式中grad()=ə（）/əx+ə（）/əy+ə（）/əz,符号Su、Sv、Sw是动量守恒方程的广义源项，有Su=Fx+Sx，Sv=Fy+Sy，Sw=Fz+Sz。式(3．6)也称作运动方程，还称作Navier-Stokes方程。
能量守恒方程：
（3.7）
该式也可展开为：
其中T为温度，Cp是比热容，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源。
为了方便对各控制方程进行分析和求解，我们将三大基本控制方程写成统一
形式：
（3.9）
式(3-9)的展开形式为：
式中ф为通用变量；S为广义源；г为广义扩散系数。式(3．9)中的各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。
6.施工与环保并重
泥石流的发生很大程度上是因为环境的破坏，所以在施工治理过程中，必须加强环境保护，把工程建设成为“环保生态之路”。
（1）设置环境保护目标。要坚持“预防为主，保护优先、建设和保护并重”的原则，禁止施工废水废渣向沿途河道排放，处理好日常生活垃圾，防止水污染、大气污染，减少施工噪声对沿线居民和环境的影响。在施工过程中，尽量减少对区域植物的破坏，保持水土，维护好当地的生态环境。
（2）建立健全专职的环境保护管理机构。要成立环境保护小组，根据当地的施工情况个性化的制定环保细则。并设置环保监督员，负责检查督促各部门的环境保护工作。同时要加强宣传教育，强化施工人员的环保意识，使保护生态环境的理念深入让人心，明确保护环境的重大意义，让每个施工人员都参与到保护环境的工作中去，树立人与自然和谐相处的理念，自觉遵守各项环境保护的规章制度。
（3）做好防火工作。该地区森林覆盖率较高，乔灌木极为茂盛，施工时间处于秋冬季节，森林火线等级较高，所以必须做好森林防火工作。严格进行火源管理，切实消除火险隐患。禁止野外用火，加大防火巡查力度，加强生产用火的指导。另一方面，加强宣传教育，增强防火意识，同时也要加强领导，全面落实森林防火项目经理负责制，使森林防火工作重在落实措施、落实责任，贵在积极行动。
（4）保护野生植物。遵守国家有关环境保护的法令，在规定的施工活动界限之外的植物、树木，尽力维持原状，不能使用有害物质污染工地、河川。施工便道、施工现场生产、生活房屋，石料堆放和材料加工场等一切临时生产、生活设施的布置，以不占或少占植被区的地方生产、生活设施。除此之外，要组织全体职工学习《森林法》，使每个职工都牢固树立保护森林的观点，了解保护森林对人类发展的重大意义，使全员参与其中，形成全员保护意识。
7.施工治理的意义与成效
国道318线川藏公路松古段整治改建工程积极开展卡贡弄巴泥石流综合治理课题研究，并取得了一定的成果。波密地区由于降雨量丰富，泥石流、山体滑坡地质灾害频发，破坏农田、房屋、道路，甚至会引发许多并发性灾害，阻碍了波密地区的发展。本项目切入实际的对泥石流灾害成因充分分析，进行泥石流模拟实验，分析在不同治理模式的情况下泥石流的危害，对比泥石流危害程度，确定泥石流综合治理的形式；通过相似模拟试验对卡贡弄巴特大型泥石流进行模拟试验研究；研究泥石流综合治理技术，建立泥石流危险度评价和风险度评价模型，为确定泥石流灾后评定原则和综合治理提供依据；并采用CFD法，基于流动基本方程：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，对泥石流体动力学理论进行实验研究，为今后泥石流治理提供数据参考和借鉴；总结国内外关于泥石流基础理论研究成果的基础上，深入认识泥石流形成、运动和成灾机制，为发展新的减灾技术提供理论基础。从整个治理成效来看，该施工对卡贡弄巴地区的泥石流防治工作有着巨大作用，取得了良好成效。这次施工也为其他地区泥石流防治工作提供经验，具有良好的经济效益和社会效益。
结语：泥石流是近年来特大自然灾害之一，它也严重制约着卡贡弄巴地区社会经济的发展与进步。为了更好的实现人与自然的和谐发展，促进卡贡弄巴地区的可持续发展，必须做好泥石流的防治工作，深入了解泥石流的成因，因地制宜的进行治理，最大程度上减小泥石流对该地区的影响。
参考文献：
[1]罗德富.泥石流与自然保护.中国科学院程度地理研究所.泥石流论文集（1）.重庆：科学技术文献出版社重庆分社.
[2]刘金鹏等.甘肃河西地区泥石流沟分布特征与易发性评估研究[J].冰川冻土，2013
[3]陈鹏宇，乔景顺，彭祖武，谢凯，余宏明，基于等级相关的泥石流危险因子筛选与危险度评价[J].岩土力学.2013（05）
论文作者:柴茂林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/22
标签：泥石流论文; 方程论文; 地区论文; 流体论文; 沟道论文; 数值论文; 动量论文; 《基层建设》2018年第1期论文;