豐沙鐵路某泥石流成因分析及防治措施

王延濤　袁曉波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100080)

The Cause Analysis and Control measures of Debris Flow at one Place of the Railway Fengtai to Shacheng

WANG Yantao　YUAN Xiaobo

豐沙鐵路某泥石流成因分析及防治措施

王延濤袁曉波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100080)

The Cause Analysis and Control measures of Debris Flow at one Place of the Railway Fengtai to Shacheng

WANG YantaoYUAN Xiaobo

摘要豐沙鐵路位于太行山脈北端，受地質(zhì)構(gòu)造影響，泥石流災(zāi)害廣泛存在。根據(jù)對工點的現(xiàn)場勘查、區(qū)域地質(zhì)資料分析，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等方面對泥石流形成機制進(jìn)行闡述。該泥石流屬于構(gòu)造及暴雨引起崩塌型泥石流，泥石流爆發(fā)對既有鐵路危害非常大。通過對泥石流溝的形成原因及物源量分析，泥石流溝松散物源總量為6.3×104m3，動儲量約2.05×104m3。泥石流溝量化評分顯示沖溝泥石流易發(fā)程度為極易發(fā)。結(jié)合泥石流溝及既有結(jié)構(gòu)物情況，采用谷坊壩、主動網(wǎng)、擋墻、攔渣壩、防撞梁等綜合治理方法，以達(dá)到整治泥石流的目的。

關(guān)鍵詞鐵路泥石流成因防治措施綜合整治

1概述

位于山區(qū)的鐵路公路等交通線，不可避免地要穿越泥石流活動區(qū)，跨越較多的泥石流溝。一到雨季來臨，往往集中爆發(fā)不同規(guī)模的泥石流，造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害。

2008年汶川地震后，強降雨引發(fā)了G213映秀到徹底關(guān)段21條山溝爆發(fā)泥石流，造成極嚴(yán)重的災(zāi)害[1]，導(dǎo)致G213多次中斷；2010年、2011年G213因強降雨發(fā)生泥石流，沖毀了400多米路基，并使岷江改道，耿達(dá)、臥龍鎮(zhèn)等成孤島，斷絕了與外界的交通聯(lián)系；2013年，京廣線張灘至土嶺區(qū)間因持續(xù)強降雨發(fā)生了泥石流、邊坡溜坍等，造成京廣線中斷行車，廣州火車站所有列車停運，上萬名旅客滯留廣州火車站。泥石流常常導(dǎo)致交通中斷，危及交通行車，同時阻斷了部分地方對外的交通聯(lián)系，嚴(yán)重威脅人民生命財產(chǎn)安全。

如何有效的預(yù)防、治理泥石流，減小泥石流并監(jiān)測泥石流動向顯得十分必要。以豐沙鐵路某泥石流溝為例，該沖溝曾經(jīng)出現(xiàn)過小型崩塌及石塊沖出沖溝的現(xiàn)象，由于規(guī)模較小，并未造成事故。調(diào)查期間，既有攔渣壩后面已經(jīng)淤滿堆積物，導(dǎo)流槽中有部分新近沖出及掉落的石塊。擬針對泥石流區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及泥石流溝自身情況分析泥石流成因，并探討預(yù)防治理泥石流的工程方法，為同類地區(qū)同類工程提供借鑒。

豐沙線總體上呈NW方向橫穿西山，鐵路出石景山南(站)后基本沿永定河兩岸溯水而上。工作區(qū)屬于太行山脈北端的西山山區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤、半干旱大陸季風(fēng)區(qū)，四季分明，區(qū)內(nèi)物理風(fēng)化作用強烈；新近構(gòu)造運動比較活躍，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，泥石流災(zāi)害極為活躍。在泥石流災(zāi)害分布圖中，豐沙線屬于溫潤低山丘陵暴雨泥石流災(zāi)害區(qū)，災(zāi)害等級為極嚴(yán)重到嚴(yán)重[2-7]。

2工程水文地質(zhì)條件

2.1　地形地貌

工點屬于丘陵低山地貌，受構(gòu)造侵蝕作用強烈，沖溝整體上呈樹枝形，主溝由兩條支溝呈“Y”形匯集，支溝又由兩條小支溝匯集，如圖1所示。沖溝最高點海拔高度約870 m，河道海拔高程約400 m，沖溝出口與鐵路交角約80°，與公路正交。鐵路在該處為一跨10 m鐵路橋，橋大里程方向為隧道，沖溝出口下游為河道。沖溝中植被較少，覆蓋率約20%～30%，多為灌木及雜草。沖溝寬度8～20 m，溝長度約1 500 m，溝中堆積體厚度約3～5 m，兩側(cè)山體較為破碎嚴(yán)重，石塊磨圓。目前設(shè)置有一導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽寬度為15 m。出口處橋梁凈空僅1.8 m，泥石流易對鐵路橋危害較大；線路左側(cè)43 m處設(shè)置一道漿砌片石攔砂壩，高1.0 m，寬約10 m。沖溝出口左側(cè)隧道口有主動防護(hù)網(wǎng)，右側(cè)部分設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)。

圖1　勘查區(qū)地貌影像

2.2　地層巖性

從區(qū)域調(diào)查來看，工點巖性從老到新主要為：

元古界震旦系高于莊組(Z1g)，以白云巖類碳酸巖鹽為主，夾薄層砂巖及頁巖，巖性的可分性較好。

楊莊組(Z2y)，白云質(zhì)砂巖、紫紅色的粉砂泥晶白云巖，與下伏的高于莊組呈平行不整合接觸。

迷霧山組(Z2w)，主要為白云巖，巖石結(jié)構(gòu)為粗晶狀，具有細(xì)而密的紋帶，與下伏高于莊組呈假整合接觸。

白堊系下統(tǒng)東嶺臺組(K1d)，主要為流紋質(zhì)熔接凝灰?guī)r及火山碎屑沉積巖。

圖2　勘查區(qū)地質(zhì)圖

進(jìn)入沖溝，主溝的左側(cè)主要為花崗巖，裂隙發(fā)育。右側(cè)為白色晶體狀石英砂巖與灰?guī)r，巖層破碎，破碎帶厚度約5 m，產(chǎn)狀220°∠50°，薄層—中厚層，節(jié)理裂隙發(fā)育，3～5條/m，L1：150°∠80°；L2：255°∠60°。

2.3　地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于華北板塊西北部褶皺造山帶內(nèi)，構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為一系列NE—SW向大背斜和大向斜，彼此大致平行斜列，構(gòu)成復(fù)式褶皺，并伴有一系列NE—SW向的壓性斷裂。

該沖溝構(gòu)造較為復(fù)雜，主溝及支溝I為侵入巖與震旦系迷霧山組巖層界線。沖溝形成原因主要為侵入巖使迷霧山組巖層抬升，巖層破碎。地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。

2.4　水文地質(zhì)

地下水主要類型有松散層上層滯水、孔隙水和基巖裂隙水。主要賦存于Q4del、Q4c+dl層中，大氣降雨補給，沿斜坡向下排泄。

表層花崗巖和灰?guī)r賦水性較差，地形切割深，縱坡大，主要接受大氣降水、地表水補給，地下水徑流短，排泄快，地下水貧乏。

2.5　人類活動

沖溝兩側(cè)山體較高，植被較少，人類活動較少。沖溝主要人類活動為沖溝中的攔渣壩。

3泥石流形成原因及安全性評價

3.1　形成原因

(1)構(gòu)造作用

沖溝受多次燕山期侵入巖侵入，沖溝Ⅰ為侵入巖與震旦系迷霧山組巖層界線，加上斷層、河流沖切、風(fēng)化剝蝕等作用，沖溝表面巖層極度破碎。

(2)降雨

根據(jù)資料分析，水是誘發(fā)泥石流的重要外因，在連續(xù)降雨季節(jié)或者暴雨過后，泥石流病害最為嚴(yán)重。

在連續(xù)降雨條件下，雨水沿孔隙滲入到表層破碎的巖體或是土體(特別是進(jìn)入沖溝的左側(cè)破碎的堆積體)，使巖體或土體至飽水狀態(tài)，增加了其容重，降低了力學(xué)強度，軟化了裂隙充填物，產(chǎn)生靜水壓力，導(dǎo)致斜(邊)坡失穩(wěn)，發(fā)生滑坡、崩塌、落石、坡面溜坍等地質(zhì)病害。

沖溝兩側(cè)山體坡度較陡，橫斷面呈“V”字形谷，坡面儲水能力較差。在遭遇強降雨時，降雨沖刷掏蝕破碎的坡面，直接將坡面物質(zhì)帶到?jīng)_溝中。經(jīng)測量，沖溝匯水面積約0.35 km2，沖溝在短時間匯集大量雨水，并迅速升高水位。沖溝在匯集了兩側(cè)的水流后，將坡面沖刷攜帶的泥土與石塊裹挾沖出，形成泥石流。

(3)形成區(qū)特征

泥石流溝的形成區(qū)主要為支溝Ⅰ與支溝Ⅱ的區(qū)域，支溝Ⅰ左側(cè)主要為侵入巖，右側(cè)為楊莊組(Z2y)白云巖，強風(fēng)化，原巖不透水，植被稀少，易產(chǎn)生地表散流與暴流，短時間內(nèi)使沖溝水位上升。節(jié)理裂隙發(fā)育、密集，地表水與地下水沿節(jié)理活動，造成泥石流溝兩側(cè)巖層疏松，崩塌現(xiàn)象一般，泥石流物源豐富。

泥石流溝整體上呈樹枝形，由支溝Ⅰ與支溝Ⅱ匯集成一條主溝。支溝Ⅰ長度約805 m，支溝Ⅰ的支溝約430 m，支溝Ⅰ平均縱坡降約為456‰；支溝Ⅱ長度約690 m，支溝Ⅱ的支溝約420 m，支溝Ⅱ平均縱坡降約為430‰；主溝長度約325 m，平均縱坡降約為263‰。

支溝Ⅰ兩側(cè)坡度相對較緩，約30°，匯水面積約0.15 km2，植被一般，主要為灌木，覆蓋率20%～30%。支溝Ⅰ沖溝有彎道，雨水匯集后對彎道處的坡腳沖刷較大；支溝Ⅰ兩側(cè)巖石破碎，左側(cè)堆積體中含砂礫較多，易被沖刷。降雨將裹挾較多的泥沙，為泥石流的形成匯集水源及砂。

支溝Ⅱ兩側(cè)坡度較陡，多大于40°，兩側(cè)巖石處于強風(fēng)化—中風(fēng)化之間，植被一般，主要為灌木，覆蓋率30%～40%。支溝Ⅱ沖溝順直，泥砂主要來源為沖溝兩側(cè)破碎的巖石。

主溝亂石堆積，溝床粗糙率較大，支溝Ⅰ和支溝Ⅱ匯合后主溝坡度變緩，不利于泥石流排導(dǎo)；加上主溝較窄，下切較深，主溝支溝Ⅰ和支溝Ⅱ流水匯集后，水流流量突然變大，使得泥石流沖擊破壞力變大，不斷沖蝕主溝兩側(cè)破碎巖層的坡腳，引發(fā)兩側(cè)坡體的崩塌[9,10]，增加了泥石流的物源，成為暴雨時泥石流的隱患(如圖3)。

圖3　主溝地貌

(4)物源條件

由于沖溝兩側(cè)巖層破碎，沖溝內(nèi)泥石流松散物源豐富，支溝、主溝兩側(cè)均為較為破碎的巖體，巖層較老，長期受到雨水等的侵蝕剝離作用。整個沖溝都可視作為物源區(qū)，物源類型主要為坡面侵蝕物源、崩塌體物源、溝道堆積物源。

主溝兩側(cè)坡面侵蝕固體物源總量約為4.5×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約1.5×104m3；兩處崩塌體物源總量約為1×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約0.3×104m3；可以看到以前修建的攔渣壩中已經(jīng)積滿了堆積物，溝內(nèi)松散固體堆積物厚度約2～3 m，固體物源總量約為0.8×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約0.25×104m3。溝域內(nèi)共計有松散固體物源量6.3×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約2.05×104m3[10]。

由此可見，坡面松散體是泥石流溝的主要物源。在強降雨作用下，支溝坡面中的泥沙首先被沖出，支溝Ⅰ和支溝Ⅱ中的泥水匯合后，裹挾溝域中堆積的石塊，形成強勁的泥石流[11]。匯集后的泥石流將啟動主溝溝床內(nèi)堆積的堆積物，形成更大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。

3.2　易發(fā)性評價

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[12](DT/T0220—2006)對泥石流的易發(fā)性進(jìn)行量化的評估及評判。易發(fā)程度評判標(biāo)準(zhǔn)見表1，得分為119分，易發(fā)程度為極易發(fā)。

根據(jù)勘察成果，主溝兩側(cè)巖體破碎，邊坡坡腳強烈沖刷，沖刷高度3～4 m，巖體穩(wěn)定性差，形成泥石流物源；溝域的泥沙補給，使泥石流爆發(fā)時挾裹能力增強。溝谷縱坡坡降127‰～278‰，溝心寬度4～6 m，局部僅為3 m，增大了泥石流的發(fā)生頻率，泥石流溝的沖出速度、能量以及對兩側(cè)山體的沖刷力增大。

4防治措施

正確、客觀地認(rèn)識泥石流對鐵路的危害程度，對泥石流災(zāi)害的客觀地評價，可區(qū)分出整治的急迫程度，采取有效的防治措施，使有限人、財、物力在恰當(dāng)?shù)臅r間用到恰當(dāng)?shù)牡胤?，使泥石流危害降到可控范圍?nèi)。

表1　泥石流溝易發(fā)程度量化評分

4.1　已有工程分析

工點沖溝只有一個出口，出口處有一鐵路和公路。鐵路以一跨10 m的鐵路橋，凈空約1.8 m，而溝內(nèi)最大巨石直徑約2 m。泥石流從橋底沖出后，有一段導(dǎo)流槽，以幫助泥石流迅速排出，但由于通道長度較長，約30 m。導(dǎo)流槽易堆積石塊，堆積后，后續(xù)的泥石流極易對橋梁產(chǎn)生危害。導(dǎo)流槽末端為一斜坡，斜坡下公路以路基形式通過，泥石流沖出后，堆積在公路上，造成公路斷道。在隧道進(jìn)口處，山體采用主動防護(hù)網(wǎng)對山體進(jìn)行防護(hù)(如圖4)。

圖4　泥石流溝出口地貌

4.2　泥石流防治措施

該泥石流溝總體穩(wěn)定性較差，泥石流溝出口處為鐵路橋與公路，加上溝域內(nèi)堆積物較多，匯水面積較大，強降雨下溝內(nèi)極易形成泥石流，建議對該工點進(jìn)行重點整治(如圖5所示)。

圖5　泥石流溝防治平面

支溝Ⅰ和支溝Ⅱ是泥石流的主要產(chǎn)沙區(qū)，其中由于支溝Ⅰ巖層非常破碎，支溝Ⅰ是主要的泥沙產(chǎn)區(qū)。應(yīng)加強對支溝Ⅰ的綠化[14]，并在支溝Ⅰ彎道處設(shè)置一道谷坊壩，主要用于減緩溝道水動力條件，減弱對彎道坡腳的沖刷，同時降低泥石流容重，并調(diào)節(jié)下游泥石流洪峰流量。

主溝是泥石流溝的主要物源區(qū)，支溝Ⅰ和支溝Ⅱ混合了泥沙的水流匯合后，會裹挾主溝中石塊，形成強勁的泥石流，所以應(yīng)減少主溝中的物源參與泥石流。采取的措施主要有：

①為避免主溝中兩處崩塌因坡腳沖刷崩塌后參與泥石流，應(yīng)在兩處崩塌前清除部分堆積物，各設(shè)置一道擋墻。擋墻兼具護(hù)坡作用和防止泥石流對坡腳的沖刷作用，并適當(dāng)將沖溝順直，減少泥石流對坡腳的沖刷，并起到穩(wěn)定坡體的作用[14]。根據(jù)現(xiàn)場勘察泥石流的沖刷程度，采用擋墻護(hù)坡，擋墻高度設(shè)置為5 m。

②在沖溝豐臺側(cè)采用主動防護(hù)網(wǎng)對坡面進(jìn)行護(hù)坡，主要范圍在1號攔渣壩到鐵路。主動防護(hù)網(wǎng)能限制坡面巖石土體的風(fēng)化剝落，將落石控制在一定范圍內(nèi)運動。主動防護(hù)網(wǎng)能將在壩體控制以外的落石給予一定約束，避免落石滾落直接危害線路。

③擬在主溝局部狹窄區(qū)段、主要物源分布區(qū)布置攔渣壩3座。攔渣壩是對泥石流的主要消能措施，可攔擋泥石流中的固體物質(zhì)，降低流體重度。通過壩體的削峰減流作用調(diào)節(jié)泥石流流體峰值流量，增加下游排導(dǎo)工程或自然溝道的安全性。同時通過泥石流物質(zhì)回淤壓腳起到穩(wěn)固溝床和減輕溝岸滑坡的作用[15]。多道壩形成了一個階梯消能措施，泥石流經(jīng)過壩體時形成水躍，能消散泥石流能量的62%～67%[16]。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，于鐵路橋上游50 m、130 m、180 m分別設(shè)置一道攔渣壩，并在攔渣壩下游約5 m處再設(shè)置1道高度約1 m的消能壩，再次減小從攔渣壩流出泥石流的能量。

對于既有的結(jié)構(gòu)物應(yīng)采取一定的防護(hù)措施，在既有橋梁前面設(shè)置一道防撞梁。防撞梁能承受掉落或沖出的石塊一定沖擊力，避免石塊直接沖擊橋梁，起到保護(hù)橋梁主體結(jié)構(gòu)的作用。

在導(dǎo)流槽出口修建一個渡槽跨越公路，將泥石流經(jīng)過導(dǎo)流槽跨越公路，避免泥石流直接沖入公路，毀壞路基，中斷行車。

安裝監(jiān)控設(shè)備，汛期進(jìn)行重點監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備能及時直接反應(yīng)監(jiān)控地點的現(xiàn)場狀況，可及時做出應(yīng)對措施，節(jié)約處理事故的時間，及時恢復(fù)行車。

5結(jié)論

本文工點位于豐沙鐵路，在燕山期的侵入巖的作用及附近斷層影響作用，沖溝兩側(cè)巖體破碎且松散，為泥石流的形成提供了大量的物源，目前松散物源總量為6.3×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約2.05×104m3。在降雨的作用下，沖溝兩側(cè)已發(fā)生了兩處較大的崩塌，在強降雨作用下極易形成強勁的泥石流。目前主溝兩側(cè)的崩塌呈加劇發(fā)展的趨勢，泥石流有趨于更嚴(yán)重的趨勢。

根據(jù)沖溝地質(zhì)與泥石流爆發(fā)情況，該泥石流溝為構(gòu)造及暴雨引起崩塌型泥石流。主溝目前沖刷較為嚴(yán)重，應(yīng)及時對沖溝進(jìn)行防治。通過對沖溝修建谷坊壩、主動網(wǎng)、擋墻、攔渣壩、防撞梁來對泥石流及邊坡落石進(jìn)行防護(hù)，在泥石流對鐵路、公路形成災(zāi)害前進(jìn)行防治、監(jiān)控。

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中圖分類號：P642.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0041-05

作者簡介：第一王延濤(1974—)，男，碩士，高級工程師。

收稿日期：2015-05-25