神農(nóng)架車溝泥石流應(yīng)急治理方案剖析

聶邦亮, 葉義成 , 李小勇 , 王金波

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434020; 2.湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),湖北 宜昌 443100)

車溝泥石流位于湖北省神農(nóng)架林區(qū)紅坪鎮(zhèn)溫水村大草坪—車溝一帶。受暴雨及神農(nóng)架飛機(jī)場在泥石流源頭處集中排水影響,車溝流域于2013年7月共發(fā)生6次泥石流,陸續(xù)產(chǎn)生的泥石流堆積體共計(jì)約24.8×104m3。泥石流共造成4戶居民房屋、3 333 m2耕地被毀,并造成河道堵塞、209國道交通中斷,直接經(jīng)濟(jì)損失約800萬元。在完成了車溝泥石流的勘查及應(yīng)急治理工程設(shè)計(jì)后,2014年2月車溝泥石流應(yīng)急治理工程竣工。歷經(jīng)3年暴雨的檢驗(yàn),防治工程充分發(fā)揮了作用,應(yīng)急治理效果良好。

1 泥石流特征

根據(jù)車溝泥石流勘查成果[1],車溝泥石流具有典型山間溝谷型泥石流的特征,具有明顯的形成區(qū)(物源區(qū))、流通區(qū)、堆積區(qū)。

1.1 形成區(qū)特征

車溝泥石流形成區(qū)后緣高程2 520 m,前緣高程2 100 m,橫向?qū)挾?20 m,縱向長825 m,平面形態(tài)呈倒梯形。形成區(qū)頂部的神農(nóng)架飛機(jī)場地形平坦,匯水面積大,在降雨時(shí)形成的地表徑流主要排向其南側(cè)的泥石流物源區(qū)。

形成區(qū)主要由三條呈樹枝狀分布的縱溝組成,編號(hào)依次為1#、2#、3#溝。神農(nóng)架機(jī)場南側(cè)的兩個(gè)排水口分別位于2#、3#溝頂部。

1#溝橫向?qū)?50 m,縱向長550 m,深2～5 m,坡度25°～40°。1#溝堆積有大量修建機(jī)場廢棄的碎塊石,體積約5.5×104m3。但據(jù)勘查結(jié)果,1#溝內(nèi)的人工堆積碎塊石穩(wěn)定性較好,且因機(jī)場排水系統(tǒng)未從1#溝排水,故1#溝堆積物不屬于車溝泥石流形成區(qū)(物源區(qū))。

2#溝呈“V”形,沖溝頂寬12～55 m、深7～28 m,兩側(cè)斜坡坡度50°～60°,長520 m。2#溝兩側(cè)斜坡由第四系坡積碎石土組成,土石比4∶6～3∶7,厚度一般5～15 m,最大厚度達(dá)28 m。2#溝處的碎石土層為車溝泥石流的主要固體物質(zhì)來源,“V”形溝槽亦因強(qiáng)勁水流沖刷形成。其存留的固體物質(zhì)總量仍有約33×104m3。

3#溝總長720 m,上段呈 “V”形,頂寬20 m、深3～7 m;中、下段呈“U”形,寬5～8 m,深0.5～1.5 m。3#溝大部溝底基巖出露,上段東側(cè)及下段溝床兩側(cè)覆蓋土層較薄(0.5～1.0 m),僅上段西側(cè)分布有厚度較大的坡積碎石土,體積約3.7×104m3。

1.2 流通區(qū)特征

車溝泥石流流通區(qū)全長3 400 m。流通區(qū)高程1 700 m以上地形較陡,兩岸斜坡坡度30°～60°,溝道切割深30～50 m,寬5～12 m,溝道縱坡降為250‰;高程1 700 m以下地形相對(duì)較緩,兩岸斜坡坡度20°～40°,溝道切割深30～60 m,寬15～40 m,溝道縱坡降為150‰。流通區(qū)溝底及兩側(cè)岸坡基本為基巖出露,僅局部溝底及兩側(cè)岸坡分布少量泥石流殘留的碎石土,估算流通區(qū)殘留固體物質(zhì)總量約2×104m3。

1.3 堆積區(qū)特征

車溝泥石流堆積區(qū)位于車溝出口一帶與溫水河交匯處,堆積區(qū)平面形態(tài)呈“T”形。泥石流堆積體厚度為2～6 m,平均厚度約4.0 m,堆積區(qū)總面積62 000 m2,總體積約24.8×104m3。

圖1 2013年7月車溝流域降雨量與泥石流體積關(guān)聯(lián)直方圖Fig.1 Histogram of rainfall in the gully in July 20131.降雨量;2.泥石流體積。

2 主要影響因素

2.1 人類工程活動(dòng)

車溝泥石流暴發(fā)的主要誘因?yàn)樯褶r(nóng)架飛機(jī)場降雨集水在泥石流源頭處集中排放,在集中水流的沖刷、侵蝕作用下,破壞了土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定,并為泥石流提供了強(qiáng)大的水動(dòng)力條件,從而導(dǎo)致泥石流的產(chǎn)生。

2.2 強(qiáng)降雨

從搜集的車溝流域2013年7月降雨資料(圖1)分析,2013年7月12日15:30-16:30當(dāng)?shù)匦r(shí)降雨量達(dá)59 mm,該時(shí)段的暴雨首次激發(fā)了車溝泥石流;7月13日降雨量為20.9 mm,再次形成較大規(guī)模泥石流;7月19、20日的降雨量為27.5、29.7 mm,車溝流域又產(chǎn)生了較大規(guī)模泥石流;7月27-29日,日降雨量為14.3～14.5 mm,降雨量明顯較之前減小,但由于降雨持續(xù)時(shí)間較長,仍然產(chǎn)生了較大規(guī)模的泥石流。從2013年7月車溝產(chǎn)生的數(shù)次泥石流與降雨量的關(guān)系分析,暴雨和連續(xù)降雨是促發(fā)泥石流的主要因素。

3 應(yīng)急治理工程方案剖析

3.1 應(yīng)急治理工程方案

3.1.1 治理工程方案一:3級(jí)谷坊壩

(1) 設(shè)計(jì)條件。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的工程地質(zhì)條件分析,物源區(qū)的1#溝溝床處人工堆積的5.5×104m3碎塊石現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好,產(chǎn)生變形破壞的可能性小;2#溝存留的固體物質(zhì)體積尚有約33×104m3,由于前期沖刷切割的溝槽最大深度已達(dá)28 m,且溝槽坡度達(dá)50°～60°,自身穩(wěn)定性極差,將會(huì)在強(qiáng)降雨及機(jī)場集中排水沖刷作用下進(jìn)一步產(chǎn)生坍滑形成泥石流;3#溝殘留的松散堆積體約3.7×104m3,亦將會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生變形破壞形成泥石流;流通區(qū)溝道殘存的泥石流體積約為2.0×104m3,在下一次泥石流活動(dòng)時(shí)將再次參與活動(dòng)。因此,在不改變現(xiàn)狀成災(zāi)因素的條件下,車溝流域?qū)磉€有可能形成的泥石流總量約為38.7×104m3。

(2) 治理工程方案。剩余總量為38.7×104m3的松散固體物質(zhì)在后期可能形成新的泥石流,為防止其產(chǎn)生進(jìn)一步的危害,須將其攔截于流通區(qū)溝道內(nèi)。

根據(jù)實(shí)地勘查的工程地質(zhì)條件,該方案在位于流通區(qū)下游高程1 682 m、1 617 m、1 583 m的溝道內(nèi)共布設(shè)3級(jí)谷坊壩[2]。從上至下各級(jí)谷坊壩的設(shè)計(jì)庫容依次為16.87×104m3、7.69×104m3、15.05×104m3,總庫容量為39.61×104m3,可滿足堆積38.7×104m3泥石流固體物質(zhì)的需要(圖2)。

3.1.2 治理工程方案二:水源改治+1級(jí)谷坊壩

(1) 設(shè)計(jì)條件。前文已述及,物源區(qū)的2#溝存留的大量松散固體物質(zhì)為車溝泥石流的主要物源,且機(jī)場集中排水是引發(fā)泥石流的主導(dǎo)因素,因此,若將2#溝頂部的機(jī)場排水口封閉,改由其他地段排放,則將大幅減少泥石流固體物質(zhì)來源。基于這一思路,將2#溝水源改治后其存留的固體物質(zhì)在自然條件下將逐步趨于穩(wěn)定,根據(jù)工程地質(zhì)類比坡率法分析[3],按照同類物質(zhì)結(jié)構(gòu)的斜坡自然休止坡率1∶1.5計(jì)算,可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定物質(zhì)體積約11.0×104m3,加上3#溝及流通區(qū)的固體物質(zhì),形成區(qū)水源改治后可能變形破壞產(chǎn)生泥石流的固體物質(zhì)總量約為16.7×104m3。

(2) 治理工程方案。①水源改治。將潛在危害最大的2#溝出水口封閉,將2#溝水源引導(dǎo)入固體物源少、斜坡穩(wěn)定性較好的3#溝(圖2)。2#溝—3#溝之間的連接段保持原2#溝過水?dāng)嗝?2#溝匯入3#溝之后的出水口溝段過水?dāng)嗝娓鶕?jù)二條溝的總流量重新設(shè)計(jì)為寬2.5 m、深1.5 m。

②1級(jí)谷坊壩。據(jù)測算形成區(qū)水源改治后可能產(chǎn)生泥石流的固體物質(zhì)總量約為16.7×104m3,方案一中布設(shè)于高程1 682 m處的第一級(jí)谷坊壩設(shè)計(jì)庫容為16.87×104m3,即可滿足泥石流固體物質(zhì)的庫存要求。

圖2 車溝泥石流應(yīng)急治理工程平面布置圖Fig.2 Layout plan of emergency management of gully debris flow1.第四系堆積層;2.谷坊壩;3.水源改治工程。

3.2 治理工程方案剖析

3.2.1 治理方案思路剖析

采用3級(jí)谷坊壩工程的第一套治理方案,未針對(duì)引發(fā)泥石流的關(guān)鍵因素(集中排水)采取相應(yīng)工程措施,而是對(duì)后期可能產(chǎn)生的泥石流固體物質(zhì)進(jìn)行全面攔截,第一套治理方案為被動(dòng)治理的設(shè)計(jì)方案。第二套治理方案采取水源改治+1級(jí)谷坊壩的工程措施,則有針對(duì)性地將潛在危害最大的2#溝水源改由3#溝排放,最大限度地減少了后期可能產(chǎn)生泥石流的固體物質(zhì)來源,然后再布設(shè)1級(jí)谷坊壩將仍有可能產(chǎn)生的少量泥石流固體物質(zhì)進(jìn)行攔截,即可達(dá)到對(duì)車溝泥石流進(jìn)行有效治理的目的。第二套治理方案為有針對(duì)性的主動(dòng)治理、輔以被動(dòng)治理的綜合設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 施工難度對(duì)比分析

第一套治理方案的3級(jí)谷坊壩工程均位于車溝峽谷內(nèi),需修建施工臨時(shí)便道,谷坊壩工程所需的大量砂石料均需通過二次轉(zhuǎn)運(yùn)抵達(dá)施工現(xiàn)場,施工難度大。第二套治理方案中的水源改治工程位于神農(nóng)架機(jī)場停機(jī)坪附近,交通運(yùn)輸方便,施工條件好;第二套治理方案僅需建1級(jí)谷坊壩,較方案一大大減少了二次轉(zhuǎn)運(yùn)工程量。方案二較方案一的施工難度對(duì)比優(yōu)勢明顯。

3.2.3 工程投資對(duì)比分析

第一套治理方案預(yù)算治理工程投資為429萬元,第二套治理方案預(yù)算治理工程投資為193萬元,方案二較方案一節(jié)省投資236萬元、投資比例為1∶2.2,工程造價(jià)大為降低,經(jīng)濟(jì)效益更為突出。

3.3 治理工程方案綜合剖析

車溝泥石流治理工程設(shè)計(jì),在實(shí)地查明工程地質(zhì)條件及致災(zāi)因素的基礎(chǔ)上,擬定了兩套治理工程方案,兩套方案均能達(dá)到有效治理泥石流的目標(biāo)。采取水源改治+1級(jí)谷坊壩的第二套方案,主動(dòng)從改治引發(fā)泥石流的水源著手,最大限度地減少了后期泥石流的固體物源,施工難度及工程投資均明顯優(yōu)于第一套治理方案。因此,第二套方案被確定為車溝泥石流治理的最終方案。

車溝泥石流應(yīng)急治理工程于2014年2月竣工,已歷經(jīng)3個(gè)水文年的檢驗(yàn),治理效果十分理想。治理工程竣工后的2014年雨季,車溝流域再次產(chǎn)生的泥石流固體物質(zhì)全部被攔截于已建成的谷坊壩內(nèi),且之后的2015、2016年再未暴發(fā)大規(guī)模泥石流。目前谷坊壩內(nèi)的泥石流堆積體頂面距離壩頂1.2 m,說明設(shè)計(jì)階段預(yù)測估算的后期泥石流固體物質(zhì)總量是準(zhǔn)確的,設(shè)計(jì)方案是科學(xué)合理的,后期運(yùn)行結(jié)果也驗(yàn)證治理工程取得了成功。

4 結(jié)語

車溝泥石流地質(zhì)條件復(fù)雜,危害性大。應(yīng)急治理工程設(shè)計(jì)在查明誘發(fā)因素及工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,擬定了二套治理設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)比分析,從降低泥石流形成區(qū)水動(dòng)力條件方面著手,選定針對(duì)性強(qiáng)、施工難度小、工程投資少的第二套方案為最終的實(shí)施方案。應(yīng)急治理工程實(shí)施后歷經(jīng)三個(gè)水文年的檢驗(yàn),未再次造成泥石流災(zāi)害損失,治理效果顯著,達(dá)到了既定治理目標(biāo)。泥石流是山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害,近年來由于礦山開采、工程建設(shè)引發(fā)的泥石流亦逐步趨多,車溝泥石流的應(yīng)急治理工程取得的成功經(jīng)驗(yàn),為同類泥石流的治理提供了新的設(shè)計(jì)理念和思路。

[1] 湖北省地質(zhì)環(huán)境總站.神農(nóng)架林區(qū)紅坪鎮(zhèn)車溝泥石流應(yīng)急治理工程設(shè)計(jì)[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2013.

[2] 湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.湖北省神農(nóng)架林區(qū)松柏鎮(zhèn)黃羊溝泥石流防治工程可行性研究報(bào)告[R].武漢:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2003.

[3] 趙明階,何光春,王多垠.邊坡工程處治技術(shù)[M].第三版.北京:人民交通出版社,2007.