中巴鐵路奧依塔克至沙湖段泥石流特征分析及防治對(duì)策

黃　勇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

The Analysis and Prevention of Debris Flow from Aytag to Shahu Section Along the China to Pakistan Railway

HUANG Yong

中巴鐵路奧依塔克至沙湖段泥石流特征分析及防治對(duì)策

黃勇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

The Analysis and Prevention of Debris Flow from Aytag to Shahu Section Along the China to Pakistan Railway

HUANG Yong

摘要中巴鐵路穿越帕米爾高原，其中奧依塔克至沙湖段泥石流極其發(fā)育，嚴(yán)重控制鐵路走向方案及工程設(shè)置，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主，從地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、氣候、水源等條件系統(tǒng)分析泥石流災(zāi)害形成的原因，結(jié)合該地區(qū)泥石流災(zāi)害的特征，提出泥石流地區(qū)選線的基本原則及“排導(dǎo)、攔截、滯留”等治理措施。

關(guān)鍵詞中巴鐵路泥石流新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)冰川地質(zhì)災(zāi)害防治對(duì)策

1自然概況

1.1　地形地貌

擬建中巴鐵路奧依塔克至沙湖段長(zhǎng)約110 km，位于新疆克州阿克陶境內(nèi)，鐵路主要沿蓋孜河兩岸展線，走行于昆侖山高山峽谷區(qū)，線路高程由1 700 m展線爬升至3 300 m。蓋孜河河谷寬200～1 000 m，下游較寬，上游較窄，具常年流水，水量較大，每年5月至9月為洪水期，12月至次年2月為枯水期。蓋孜河兩岸基巖裸露，植被稀少，地勢(shì)高聳，山峰高度達(dá)6 000 m以上，最高峰公格爾峰海拔7 649 m，谷底與山頂高差達(dá)2 000～4 000 m。海拔在4 200vm以上山體為積雪、冰川所覆蓋。

1.2　地質(zhì)條件

該區(qū)位于昆侖山地槽褶皺帶構(gòu)造單元中的西昆侖山褶皺系，屬喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)帶，受印度板塊向青藏板塊的俯沖、碰撞和擠壓的影響(見(jiàn)圖1)，區(qū)域地殼強(qiáng)烈隆升，形成地勢(shì)險(xiǎn)峻的高山峽谷地貌[1]，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造極其強(qiáng)烈，主要的斷裂有布倫口斷裂(巖石圈斷裂)等。地震活動(dòng)相對(duì)頻繁和強(qiáng)烈，屬高烈度地震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.20～0.30g。

區(qū)內(nèi)巖性為古生界和元古界的砂巖、灰?guī)r、石英巖等沉積巖，以及變質(zhì)砂巖、片巖、大理巖、片麻巖、板巖等變質(zhì)巖，局部出露有花崗巖、閃長(zhǎng)巖等巖漿巖，巖體多為硬質(zhì)巖，受多期地質(zhì)構(gòu)造作用影響，巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，巖體完整性差。

1.3　氣象條件

中巴鐵路奧依塔克至沙湖段位于帕米爾高原，屬大陸性高山氣候，冬季漫長(zhǎng)，夏季短暫，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，日溫差大。

高山峽谷區(qū)年平均氣溫在5 ℃以下，隨海拔高度的升高氣溫逐漸降低，氣溫最高在7月，在海拔2 100 m處7月平均氣溫22.5 ℃，海拔3 600 m，7月平均氣溫13.9 ℃，海拔3 600～5 700 m氣溫低于10 ℃。年平均降水量為80 mm，降雨量雖然稀少，但主要集中在7、8月，日最大降水量達(dá)28.4 mm，極易形成暴雨，在山坡的底部和中部，雨雪量少，在超過(guò)4 877 m的高度，降水多為固態(tài)形式，大冰積累區(qū)的年降水量在1 000 mm以上。

2泥石流分布類(lèi)型及特征

奧依塔克至沙湖段線路沿蓋孜河蜿蜒爬升，蓋孜河兩岸泥石流發(fā)育，可謂“逢溝必泥石流”，泥石流松散堆積體隨處可見(jiàn)，堆積物厚度根據(jù)泥石流規(guī)模厚度不等，一般厚度1～8 m，規(guī)模較大厚度達(dá)20 m，物質(zhì)成分主要以水石流為主，屬稀性泥石流，黏性物質(zhì)少，多為塊石、礫石等。

泥石流發(fā)育地段主要為蓋孜河支溝溝口及坡度較緩、巖體破碎的山坡坡腳。主要發(fā)生在每年的7、8月，爆發(fā)頻率高、規(guī)模大，每年均有發(fā)生，遇暴雨及高溫天氣，發(fā)生的頻率和規(guī)模更大。

本段溝谷形泥石流和山坡形泥石流均有發(fā)育，由于其流域形態(tài)不同，其分布、特征危害程度也不同，總體而言溝谷形泥石流規(guī)模以大型為主，危害程度嚴(yán)重-中等，山坡形泥石流規(guī)模以中型為主，但分布廣泛，危害程度中等(見(jiàn)表1)。

圖1　中巴鐵路板塊構(gòu)造示意

特征溝谷型山坡型分布范圍分布于蓋孜河兩側(cè)大型支溝中坡度較緩(25°~45°)、巖體破碎的山坡坡面及坡面沖溝溝口形態(tài)特征溝谷形態(tài)明顯,支溝長(zhǎng)一般大于5km,基巖裸露無(wú)植被覆蓋,溝谷平均縱坡3%~15%,溝谷上游為形成區(qū)和流通區(qū),溝口為堆積區(qū),堆積區(qū)呈扇形,部分泥石流物質(zhì)直接沖入蓋孜河流中溝床及坡面基巖裸露,無(wú)植被,溝床淺、陡,一般溝床延伸至半山腰,部分延伸至山頂,溝谷長(zhǎng)度0.5~3km,縱坡與山坡坡度基本一致,為25°~45°,流通區(qū)不明顯,形成區(qū)與堆積區(qū)直接相連,堆積物呈錐形,堆積于山體坡腳下物質(zhì)來(lái)源及成分主要來(lái)自支溝兩側(cè)破碎松散風(fēng)化巖體、冰磧物、冰緣堆積物、崩塌體堆積物等,泥石流成分以水石流為主,黏性物質(zhì)少,多為塊石、礫石,塊石粒徑一般0.1~1m,個(gè)別可達(dá)5~8m主要來(lái)自蓋孜河岸山體坡面破碎松散風(fēng)化巖體、崩塌體堆積物、冰磧物等。泥石流成分以水石流為主,基本無(wú)黏性物質(zhì),多為礫石、塊石,粒徑一般0.05~0.5m,個(gè)別可達(dá)1~5m規(guī)模及危害程度松散固體物質(zhì)豐富,泥石流規(guī)模以大型為主,個(gè)別特大型,危害程度嚴(yán)重-中等松散固體物質(zhì)較豐富,泥石流規(guī)模以中型為主,個(gè)別大型,危害程度為中等,個(gè)別嚴(yán)重

3泥石流發(fā)育的原因分析

中巴鐵路奧依塔克至沙湖段泥石流頻發(fā)有特殊的地質(zhì)背景，同時(shí)又受水文氣候等條件控制。該地區(qū)為高山峽谷地貌，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁，巖體破碎是泥石流發(fā)育的內(nèi)因[2]，降雨集中，氣溫升高導(dǎo)致冰雪融化形成洪水是外因。

3.1　地質(zhì)背景

該區(qū)域?qū)倥撩谞柛咴捎诎鍓K運(yùn)動(dòng)，分離出的印度板塊以較快的速度向北移動(dòng)、擠壓，其北部發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺斷裂和抬升，新生代以來(lái)一直處于造山運(yùn)動(dòng)中[3]，促使昆侖山隆生為陸地，脫離波濤洶涌的遼闊海洋，隨著印度板塊繼續(xù)向北插入古洋殼下，并推動(dòng)著洋殼不斷發(fā)生斷裂，帕米爾高原逐年抬升，形成今天的高原地貌格局[4]。

(1)陡峻的地形

地質(zhì)構(gòu)造控制著地貌的發(fā)育，地殼的抬升導(dǎo)致高原、山脈的形成；地殼抬升的同時(shí)，河流不斷下切侵蝕及風(fēng)化剝蝕，高差加劇，又導(dǎo)致高山峽谷的形成[5]。這些為泥石流的形成創(chuàng)造了地形條件，既有陡峻的地形，又有較大的溝床。

(2)豐富的松散物質(zhì)

該區(qū)域?yàn)楣派纭⒃沤绲纳皫r，灰?guī)r，片麻巖等硬質(zhì)巖，這些硬質(zhì)巖體處于高寒的多風(fēng)地帶，晝夜溫差大，長(zhǎng)期受強(qiáng)烈的風(fēng)蝕、熱脹冷縮、凍融[6]等物理風(fēng)化作用，巖體風(fēng)化極其嚴(yán)重[7]；另外，板塊的擠壓運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂極其發(fā)育，致使巖體破碎，這些都為泥石流提供了豐富的碎屑物質(zhì)來(lái)源。

該區(qū)域?qū)傥骼錾降卣饚В卣鸹顒?dòng)十分強(qiáng)烈，從1931年至今，該區(qū)域發(fā)生5.0～5.9級(jí)地震28次，6.0～6.8級(jí)地震14次。地震活動(dòng)破壞了地表巖體的結(jié)構(gòu)，使得巖體更容易風(fēng)化，加速了崩塌、滑坡等各類(lèi)災(zāi)害的發(fā)育進(jìn)程[8]，同時(shí)也為泥石流提供了更多的物質(zhì)來(lái)源。因此，地震也是誘發(fā)泥石流的一個(gè)因素[9]。

另外，蓋孜河兩側(cè)的山體海拔大多在4 000～6 500 m，由于長(zhǎng)期受冰川作用[10]，在山體表面形成了大量的冰磧物[11]，均由砂礫、塊石等組成，也為泥石流提供了豐富的碎屑物質(zhì)來(lái)源。

3.2　水文氣象

雨水是泥石流發(fā)生必不可少的外因，水既是泥石流的液相物質(zhì)，同時(shí)也是泥石流形成的激發(fā)因素和水動(dòng)力條件。

雖然奧依塔克至沙湖段屬?lài)?yán)寒高山氣候，降雨量少，年平均降雨量?jī)H84.9 mm，但月最大降雨量(7月)為46.5 mm，7～8月降雨量可占年降雨量的70%～80%，日最大降雨量可達(dá)28.4 mm，有形成暴雨可能；在7～8月氣溫回升，海拔4 200 m以上高山覆蓋的冰川、積雪開(kāi)始消融[12]。降雨形成的暴雨及冰雪強(qiáng)烈消融，極易在短時(shí)間形成大量的流水，為泥石流的發(fā)生創(chuàng)造了有利的外部條件。

3.3　植被環(huán)境

該地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，干旱少雨，山體植被稀少，基巖裸露，因構(gòu)造及風(fēng)化作用形成的大量碎屑物質(zhì)無(wú)法得到保護(hù)，極易受雨水沖刷而帶走。

3.4　人為因素

近年來(lái)，由于中巴公路的改擴(kuò)建，水電站等重大工程的修建，在開(kāi)挖取料、開(kāi)山削坡、隧道開(kāi)挖等過(guò)程中，容易造成新的滑坡、崩塌、棄渣亂堆等情況，這些人類(lèi)的活動(dòng)都為泥石流提供了更多的松散物質(zhì)來(lái)源。

4泥石流對(duì)鐵路工程的危害

泥石流具有突發(fā)性，有極大的破壞力，對(duì)鐵路工程的危害主要表現(xiàn)在沖毀路堤和橋梁，掩埋鋼軌，堵塞涵洞等方面，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成“道壞車(chē)毀人亡”的悲劇。

4.1　侵蝕作用

泥石流中的固體物質(zhì)直接沖擊鐵路路堤、橋墩等，特別是流速快、粒徑大的塊石沖擊力極大，可直接摧毀鐵路路堤甚至橋墩；泥石流具有極強(qiáng)沖刷作用，長(zhǎng)期作用會(huì)底蝕溝床，掏空橋梁墩臺(tái)和護(hù)坡基礎(chǔ)，對(duì)工程安全造成極大的隱患。

4.2　堆積作用

在泥石流堆積區(qū)，因流速的不斷減少導(dǎo)致泥石流中的固體物質(zhì)停止運(yùn)動(dòng)而滯留地表，如鐵路工程以橋涵形式通過(guò)該區(qū)域，會(huì)造成對(duì)涵洞或橋跨的淤積，長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致堵塞涵洞，造成排水不暢，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致泥石流上道掩埋軌道。

5防治對(duì)策

泥石流是擬建中巴鐵路奧依塔克至沙湖段最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，其危害性大、破壞力強(qiáng)，且長(zhǎng)期存在。因此，合理的選線方案和有效的防治措施尤為重要。泥石流防治可從地質(zhì)選線、工程設(shè)置、工程治理3方面進(jìn)行。

5.1　地質(zhì)選線

奧依塔克至沙湖段是泥石流發(fā)育的強(qiáng)烈區(qū)，在方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)從地質(zhì)選線上將泥石流的危害降至最低。

(1)繞避

發(fā)育旺盛的特大型、大型泥石流，泥石流群以及淤積嚴(yán)重的洪積扇，線路應(yīng)繞避。

特大型、大型泥石流及泥石流群危害大，發(fā)生頻率高，無(wú)法根治，在選線設(shè)計(jì)階段應(yīng)該進(jìn)行繞避。

(2)遠(yuǎn)離

當(dāng)支溝中泥石流物質(zhì)堵塞主河道時(shí)，線路應(yīng)該遠(yuǎn)離堵河嚴(yán)重地帶。

支溝中的泥石流物質(zhì)排入河道造成堵塞，擠壓河床、沖刷岸坡，線路應(yīng)遠(yuǎn)離河岸，避免因沖刷掏蝕地基而失穩(wěn)。

對(duì)于坡面泥石流地段，線路應(yīng)禁止陡坡掛線或走行于坡腳下，遠(yuǎn)離坡面泥石流，與之保持一定的安全距離，避免因泥石流的爆發(fā)而沖毀鐵路工程。

(3)跨越

當(dāng)泥石流溝無(wú)法繞避需跨越時(shí)，避免在由陡變緩的變坡處、泥石流溝谷轉(zhuǎn)彎處、急驟變窄處跨越，應(yīng)選擇在溝床固定、主流較穩(wěn)定、水流較順直處通過(guò)，宜與主流正交。

泥石流在溝床縱坡變緩處因消能而造成淤積，大量的淤積堵塞橋涵會(huì)危及線路安全；由于泥石流具有直進(jìn)性和較大沖擊力，遇到溝床急彎會(huì)發(fā)生猛烈的撞擊和沖起爬高，如鐵路工程在溝谷轉(zhuǎn)彎處跨越則會(huì)造成更嚴(yán)重的危害。

5.2　工程設(shè)置

在泥石流地區(qū)，線路方案確定后，應(yīng)該根據(jù)泥石流的規(guī)模和特征，采用合理的工程設(shè)置，“宜橋則橋，宜隧則隧”，切不可因降低工程造價(jià)而以路代橋，壓低線路高程等，造成災(zāi)難性后果。

(1)橋隧選擇

在經(jīng)規(guī)模中等或較大的泥石流溝谷時(shí)，可采用高橋、大跨的形式通過(guò)，并做好橋墩的保護(hù)措施；在經(jīng)特大泥石流或泥石流群時(shí)，可采用隧道方式下穿泥石流溝而徹底繞避，但應(yīng)預(yù)留足夠的抗沖蝕頂板厚度。

線路通過(guò)坡面泥石流地段，如無(wú)遠(yuǎn)離條件時(shí)，可采取橋梁方式在泥石流的堆積區(qū)下游通過(guò)。

(2)橋涵凈空選擇

根據(jù)泥石流的規(guī)模，輸送大塊石所需的高度，使用年限內(nèi)淤積的厚度等確定線路的高程、橋梁的孔跨及涵洞的孔徑，確保有足夠的凈空使得泥石流安全通過(guò)。

5.3　治理措施

奧依塔克至沙湖段山高溝深，地處嚴(yán)寒干旱的高山氣候區(qū)，自然條件惡劣，植被難以成活，采用植樹(shù)造林、植草等水土保持預(yù)防措施無(wú)實(shí)施的可能。山體高2 000～4 000 m，采取削坡、擋土、排水等坡面治理措施實(shí)施困難。結(jié)合該區(qū)域的自然環(huán)境條件，可采取排導(dǎo)、滯流、攔截等工程治理措施(見(jiàn)表2)。

表2　奧依塔克至沙湖段泥石流治理工程措施

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中圖分類(lèi)號(hào)：P642.23； U212.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0071-04

作者簡(jiǎn)介：黃勇(1983—)，男，2006年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土工程專(zhuān)業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-02-10