科普动画：《地质减灾的关键在于消能》
发布时间： 2011-12-01发布部门：湖南水电学会所在位置：行业新闻 浏览次数： 127
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科普动画：《地质减灾的关键在于消能》
同学们！大家都知道，减少滑坡、崩岸和泥石流等地质灾害是我们人类所面临的重要课题，然而，恐怕很少有人注意到，治理地质减灾的关键却在于“消能”。
一、天然的消能结构是河流稳定的尼克点
河流周围的地质灾害，主要包括山体崩塌、滑坡、和泥石流等。崩塌是陡峭山坡上的岩石、破碎山体和坡积物，在振动或降雨等外力的触发下，沿陡坡散落的现象；滑坡是岩石或坡积物的整体，在外力或降雨作用下，沿着一个或者数个滑动面，从山上滑下的现象；泥石流是固体碎屑在水流的激发下，进入水流沿着沟谷的流动现象。触发这些地质灾害的，往往是地震或者暴雨，而形成这些地质灾害的前提条件，是河流的长期冲刷、下切所造成的滑坡势能，以及造成地球板块剧烈运动的大地震。
由于青藏高原的不断抬升，我国西南地区多数河流的坡降都在增加。在产生了极其丰富的水能资源的同时，也使得我国西南地区的河床都在下切。河床下切后增加了两岸的坡度，形成了深切的V形河谷。当河流的边岸被深切，陡峭到了一定程度之后，在地震或暴雨的激发下，就有可能发生崩塌和滑坡。此外，发生洪水时，如果有大量坡积物和碎石，带进山溪沟谷，就会形成泥石流。
大型滑坡和泥石流往往能堵塞河流，形成堰塞湖。各种各样堰塞湖的不断出现、消亡，构成了自然界中千姿百态河流、山川和湖泊。不过堰塞湖-特别是堰塞湖群，一旦稳定下来，发育成为河流的尼克点（即：河床纵剖面上急剧变陡的点）。就能形成天然的河床消能结构，可以极大的降低河流的继续下切，最终减少新的崩塌和滑坡灾害。如果打个比方说，一条正在往下深切的河谷，就象地球表面的一道伤口，而稳定的堰塞湖和尼克点结构，就是地球自愈所结的痂。所以，天然的消能结构，是河流稳定的关键。
二、山谷中的消能减灾问题：
当河流持续的侵蚀下切河床，将以溯源的方式向上游及各级支流的沟谷发展。引起上游支流和山谷的边坡变陡，诱发边坡失稳，并加剧整个流域的土壤侵蚀。以至于在汛期暴雨的作用下，很容易产生崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。此外，河床侵蚀下切还常常破坏沿河公路路基、冲毁桥梁、降低地下水水位以及破坏两岸的植被。植被的破坏，又将会造成更严重的冲刷和侵蚀。形成地质灾害频发的恶性循环。
山区沟谷中的水流，往往会随着季节和气候变化。这种流量的变化，可能会非常之大。最大与最小流量比值，常常可达几百倍甚至上千倍。高山峡谷产生地质灾害的机理，主要是由于山洪的巨大能量，对沟床和山体的侵蚀所造成的。当沟谷遭到山洪的侵蚀下切后，两侧边坡会因失稳，而崩塌或滑坡。一旦滑坡体滑入山洪，与水混合，就会变成破坏力强大的泥石流。因此，要防治山洪所造成的泥石流地质灾害，关键的因素之一是要消能。只有把山洪的能量控制住，不让它再继续下切沟谷，就可以减少，甚至杜绝地质灾害的发生。
传统的泥石流工程防治方式，主要包括建设拦挡坝、排导槽等等。人们在实践中已经自觉不自觉地利用到了消能的结构。例如，这个排导曹中，就有大量的消力砍，用来消耗泥石流的能量。但是，目前绝大多数的拦挡坝，还没有考虑到如何消能的问题。这些未考虑消能的拦挡坝，对中小型泥石流的拦挡，一般都是有效的。但是，当遭遇到特大泥石流时，不仅可能拦挡不住，而且还有可能由于冲毁拦挡坝，将以往所拦挡的沙石一并释放出来，造成更大的危害。
针对干旱河谷和5.12大地震震区，发生特大泥石流的潜在的高风险性，清华大学水利系在云南、四川、甘肃等地分别进行了，利用“人工阶梯-深潭”消能结构防治泥石流的野外试验。并取得了良好的试验效果。以文家沟为例。
文家沟位于5.12地震重灾区四川省绵竹市清平乡境内，是绵远河的一条支沟，震前的情况是：沟道总长2.9Km，流域面积7.8Km2。相对高差超过1500米。所在区域处于四川著名的鹿头山暴雨中心区，多年平均降雨量1514mm，多年24小时最大降雨量平均值160mm，最大日降雨量496.5mm，每小时最大降雨量49.8mm。
5.12地震引发了文家沟大滑坡，碎屑堆积体体积达到8160万立方。原来的文家沟，沟谷被滑坡体填埋，将沟底填高20~180米不等。2008年地震后的降雨，多次导致泥石流发生。同时在滑坡堆积体上，冲刷下切形成了新的水系。新生沟道非常不稳定，沟道比降大，中上游的坡度达到20°到24°。两侧岸坡陡峭，一般都在40~50°，最大达到80°。沟底稍被淘刷。就会出现崩塌。一般小雨全部渗流，大雨则引发泥石流。新生的文家沟是在滑坡体上淘刷切割而成的，主沟汇水面积4.5平方公里、长1.8公里；下切最深50米。
2009年5至6月间，清华大学水利系在新生的文家沟上游段，构筑了33级，总长450米的人工阶梯深潭系统。之所以选择新生沟谷的上游试验，一方面是要从源头将泥石流发生的可能性抑制在萌芽状态，另一方面，是由于上游的沟床比降最大，边坡坡度也是最大的，是山洪水能量最集中的区域，结构消能的效率也最高。
2009年7月17日文家沟的降雨量达90.9毫米，超过发生严重泥石流的2008年的最大日降雨量。在文家沟所处的清平乡境内，未治理的其它沟谷几乎都爆发了泥石流。多处阻断公路和河流，造成很大损失。当地很多群众的出行，不得不靠渡船。而经清华大学治理后的文家沟，则始终保持平安。只有局部的小规模泥石流发生，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洪水能量，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，文家沟获得国家970万元震后次生灾害防治资金后。决定在文家沟内建设20座拦挡坝以及排导槽，用常规的方法防治泥石流。原来清华大学所构筑的阶梯深潭系统被完全破坏。所有的巨石被炸开，用作建设拦挡坝的材料。这不仅使得沟道原有的消能功能丧失，而且沟床的阻力也减小，对山洪和泥石流只能拦挡，而不能消能。2010年拦挡坝竣工后不久，一场98.5毫米的降雨，就引发了大约450万立方米的特大泥石流，不仅20座坝完全溃毁，而且还造成7人死亡、7人失踪的重大生命财产损失。
这两次完全不同的治理效果充分说明：只拦挡而不消能的办法，不仅不能减少地质灾害，反而会有积蓄能量，把小的灾害汇聚成大灾害的相反作用。
传统的拦挡坝为什么不能抵御大规模泥石流呢？原因在于一般拦挡坝未设计消能结构，山洪和水流的能量不仅很少被削减，而且拦挡坝还有某种积蓄能量的作用。拦挡一定的泥石流后，坝体上游受到的压力会急剧增加。在降雨强度较大的情况下，水流造成沟床侵蚀和下切，最终一定会使拦挡坝基础的下游侧被掏空，造成拦挡坝的溃决。
拦挡坝难以抵御大泥石流的例子，也发生在2010年8月的舟曲，那里在5.12震前和震后，均修建过拦挡坝。然而，由于没有考虑到消能，拦挡坝突然溃决，对泥石流的控制，不仅没有起到预想的拦挡作用，反而让平时所拦蓄的泥沙，增加了泥石流的规模。形成了震惊中外的舟曲8.8特大泥石流灾害。
其实，用阶梯深潭结构进行消能减灾的方式，完全是一种向大自然学习的结果。从大量的野外观测中，我们可以发现，任何稳定的天然峡谷所具有的抗山洪能力，一般都在于，天然河谷中有自然形成的“阶梯深潭”消能结构。
如金沙江虎跳峡的堰塞体就是天然发育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 m。虎跳峡已经成为金沙江最重要的尼克点，假如这个尼克点被破坏，虎跳峡上游数百公里的河道将会急剧下切,产生大量的崩塌和滑坡。
阶梯深潭结构的消能减灾原理是：洪水流过每一级阶梯都会发生水跃，从1-3米高的阶梯跌入下游深潭，水流的大部分能量消耗在跌水和水跃中。阶梯深潭结构，造成极大的水流阻力，使得流速减小、水深增加、沟床稳定。阶梯深潭系统，不仅保护沟床不再下切，而且通常还会导致小幅度的淤积。使得两岸沟坡不再变陡，甚至略微变缓；坡上的滑坡碎堆积物也可以保持稳定；沟里能够形成水流，而不是泥石流。阶梯深潭结构也创造了不同河床底质、不同流速、不同深浅的水生生物栖息地和产卵地，有利于保持较高的生物多样性。
通过野外实验和测量发现，具有阶梯深潭结构的河流的底栖无脊椎动物的物种数量，比条件下，但无阶梯深潭的河段高3倍。而单位面积生物量则高10倍。所以，采用人工阶梯深潭结构的消能方式，防止山谷中的泥石流，不仅地质减灾的效果显著，同时由于岸坡的稳定，有益于周围植被的恢复生长和水生生物环境的改善，往往具有非常好的生态效果。
三、河流的消能减灾与水电开发
我国西南山区的河流蕴藏着极大的水流能量，同时也存在着极大的地质灾害隐患。水电开发建设的坝群，类似于天然河流中稳定后的堰塞坝群，对于降低滑坡势能、减少地质灾害将是非常有利的。
地质减灾的核心是消能，发育良好的天然阶梯深潭结构，能够自然的消能。所以，它能稳定河床，避免地质灾害。而水力发电的作用，则是通过驱动水轮机把水能转化为电能，同样也能起到消能减灾的作用。水力发电不仅达到了河流消能的目的，而且还能变害为利，让水能服务于人类社会。人类利用水能发电的技术，已经达到了比较高的水平。目前，高效率的水轮发电机，可以把96%以上的河水能量，转化为电能。如此高的能量转化率，在人类所发明的各种机械中，绝对是凤毛麟角。所以，水电站的消能效率是非常高的。
不过，当洪水期的水库泄洪时，河水不能通过水轮机被转化为电能，这时则需要通过大坝上的特殊结构，进行结构消能。通过多年的科研和反复的实践，现在水坝建设常用的结构消能有：射流消能、水跃消能、阶梯消能和孔板消能等多种成熟的结构消能方式。另外，对于那些没有发电功能的小水坝和泥石流拦挡坝，设计必要的消能结构，也是保障坝体安全的前提。
除此之外，水电站水库建成蓄水后，一般都会有一个地质灾害的集中释放期。当一座水库新建成蓄水以后，水位的上升对原有的山体边坡产生了侵蚀的作用。边坡被水浸泡后，土壤当中的空隙水压力增加。当水库突然泄水导致水位急剧下降时，土壤中的孔隙水压力来不及变化，而边坡外部的静水压力突然丧失，土体内外的压力不平衡，常常容易导致不稳定的边坡失稳，产生滑坡。
不过，发生这种情况的前提，是需要边坡本身就具备产生滑坡的地质和地形条件。所以，现代水库的建造和初期蓄水所产生的滑坡地质灾害，非但不是水库制造出了滑坡，而且还是为原有不稳定的地质滑坡体，提供一个集中释放的机会。因为，即使我们不修建水库，这个潜在的滑坡体也总有一天会爆发。例如，在受到地震晃动的影响，或者遭遇连续的强降雨的情况下，只要这个边坡吸收了足够的水分，也同样能造成孔隙水的压力增加，产生滑坡。
总而言之，水库的建造和蓄水通常可以为原有不稳定的地质滑坡体，提供一个集中释放的机会。这些不稳定的地质滑坡体，一旦在蓄水期被释放之后，今后再遭遇到任何暴雨或地震都很难再发生地质灾害。这种在水库蓄水的初期，通过严密的监测，让潜在的滑坡体在不长的时间内都释放出来的减灾方式，可以被看成是水电建设的减灾“免疫”。
经过水库多次蓄水的“免疫”考验后，水库库岸再次发生地质灾害的可能性非常低。例如，在汶川大地震发生时，距震中仅十几公里的坝高132米的沙牌水电站，大坝后的水库库岸，完好无损，而大坝前的自然边坡，滑坡、崩岸的现象则非常严重，惨不忍睹。这就是因为沙牌水电站建成以后，水库的多次蓄水，已经把那里潜在的地质滑坡体都释放掉了。即使再遇到大地震或者大暴雨，也很少有发生滑坡的可能。可见，水电建设的最佳地质减灾效果，一般会出现在水库建成蓄水几年之后，并且将能长期的发挥作用。
最后，我们需要强调的是：消能是减少地质灾害的最根本措施，这种科学理念，亟待普及和推广。而水力发电就是一个把河流水能转化为电能和消能的过程。有效的消能，不仅是保障水坝结构安全的最重要手段，而且还是减少河流沿岸地质灾害的最重要的措施之一。不过，我们还应该说明的是，虽然梯级水电站的消能，无疑将会有利于减少远期的地质灾害，但是，在建坝期间和运用的初期，如不采取必要的防范措施，也有可能会因为工程活动的扰动，而增加地质灾害。因此，只有科学的水电开发，才能真正起到减少地质灾害的作用。
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