樺林隧道進(jìn)口泥石流形成原因、啟示及防治建議

■程文鑫

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

1 前言

根據(jù)黃春鵬等[1]的研究表明,福建省內(nèi)山區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較少,規(guī)模一般不大,但泥石流具有爆發(fā)突然、來勢迅猛、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，且常兼有崩塌、滑坡等多重作用，危害性極大，所以研究泥石流的性質(zhì)、特點(diǎn)及形成原因， 對識(shí)別、 預(yù)防及治理山區(qū)泥石流災(zāi)害具有重要意義。

柘福高速公路樺林隧道位于閩東山區(qū)，2008 年7 月由于該區(qū)域發(fā)生特大暴雨， 使隧道進(jìn)口西北側(cè)約400m處采石場棄渣堆積體產(chǎn)生滑塌；2016 年受第14 臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”、17 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”帶來的強(qiáng)降雨影響，采礦場開挖形成的邊坡出現(xiàn)滑塌，滑塌邊坡下方為一狹窄陡深的溝谷，滑塌體與大量雨水混合后在溝谷中形成泥石流， 泥石流在樺林隧道進(jìn)口寬緩處堆積，形成了滑塌-泥石流鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害，造成隧道口導(dǎo)流槽淤堵，嚴(yán)重威脅高速公路的行車安全(如圖1)。 本文通過工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、原位測試等多種勘察方法，詳細(xì)查明了泥石流的地質(zhì)背景、分布特征、 形成原因等， 通過計(jì)算分析劃分出該泥石流類型特點(diǎn)，并提出合理可靠的泥石流工程防治建議。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌及氣象氣候

場區(qū)屬低山剝蝕丘陵地貌， 泥石流區(qū)形成區(qū)山體坡度約20～35°，其后緣山體最高峰高程約710m，距樺林隧道進(jìn)口堆積區(qū)高差達(dá)340m。泥石流流通區(qū)主要為形成區(qū)與堆積區(qū)中部的山間沖溝，沖溝縱坡較陡，約為35～50°。

泥石流區(qū)地處寧德福安市， 屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)， 溫暖濕潤， 四季基本分明。 年平均降水量1350～2050mm， 主要集中于3 至9 月：3～4 月為春雨季節(jié)，5～6月為梅雨季節(jié)，7～9 月為臺(tái)風(fēng)雷陣雨季節(jié)，10 月至次年2月為少雨季節(jié)。 暴雨主要集中在5～9 月份。

圖1 泥石流工程地質(zhì)平面圖

2.2 地層巖性

場區(qū)上部主要為采石場人工堆積的棄渣(Q4ml)、崩坡積層(Qcol+dl)，下伏為燕山晚期侵入花崗巖(γ53)、侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)及其風(fēng)化層。

人工堆積棄渣分布于采石場作業(yè)區(qū)內(nèi)， 形成粘性土夾碎石堆積體，厚約4～7m，含約10%～15%碎石，塊徑3～7cm，結(jié)構(gòu)雜亂無序。

崩坡積層主要分布于采石場作業(yè)平臺(tái)下，厚度約4～12m，以粘粉粒為主，粘性一般，碎石含約10%～20%，呈次棱角狀，粒徑2～8cm，錘擊易碎，局部夾粒徑20～50cm 的塊石。

燕山晚期侵入花崗巖(γ53)主要呈肉紅、淺灰色混雜，中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)；侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)主要呈青灰色，基質(zhì)主要為火山塵級玻璃質(zhì)及隱晶質(zhì)物質(zhì)。具體巖土層分布詳見圖2 及圖3：

圖2 A-A’地質(zhì)剖面圖

圖3 B-B’地質(zhì)剖面圖

2.3 水文地質(zhì)條件

泥石流區(qū)山體坡度約20～50°，總匯水面積約0.2km2。泥石流流通區(qū)山間沖溝，坡度為35～45°，沖溝位于地表水徑流集中區(qū)。 強(qiáng)降雨天氣下匯集的水流對上部松散物質(zhì)的侵蝕、掏挖作用引起坡體滑塌，滑塌物質(zhì)又在水流作用下沿沖溝順流而下?？辈槠陂g溝內(nèi)局部見地表水流，流量約50m3/d，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)性影響變化較大。

勘察期間測得場地內(nèi)鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深11.3～22m(雨天)，地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水。

2.4 泥石流基本特征

2.4.1 泥石流形成區(qū)特征

如圖4 所示， 將泥石流形成區(qū)分為A、B、C 三個(gè)區(qū)域：采石場施工平臺(tái)以上部分定義為A 區(qū)，采石場施工平臺(tái)下部滑塌體定義為B 區(qū)， 泥石流流通區(qū)上部溝口位置定義為C 區(qū)。

圖4 泥石流形成區(qū)分區(qū)圖

A 區(qū)為廢棄的采石場，因開挖開采山體新鮮基巖，而留下廢棄的大量松散堆積體，體積約20000m3，主要成分為殘坡積土與花崗巖風(fēng)化層及開采后的碎塊石， 碎石直徑一般0.2～1.0m 不等。 堆積體巖土體經(jīng)8～10 年自然沉積后，巖土體結(jié)構(gòu)尚緊密，目前自然狀態(tài)下尚穩(wěn)定，在暴雨作用下可能形成溜塌。

B 區(qū)為采石場作業(yè)平臺(tái)邊緣邊坡， 在強(qiáng)降雨等外力作用下出現(xiàn)崩塌，下部坍塌坡面長約90m,最高約28m，坡度近50°， 廢棄采石場作業(yè)平臺(tái)內(nèi)發(fā)育多組張拉裂縫，裂縫寬約50～115cm，局部下錯(cuò)約20cm，說明崩塌體已向后牽引形成滑坡變形體，目前正處于蠕動(dòng)變形階段，易發(fā)生進(jìn)一步滑塌。

C 區(qū)為泥石流流通區(qū)上部溝口的崩滑堆積物堆積區(qū)，以粘性土為主，含大量碎石，巖土體結(jié)構(gòu)雜亂松散，極不穩(wěn)定，強(qiáng)降雨后在雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下。

2.4.2 泥石流流通區(qū)特征

流通區(qū)主要為形成區(qū)下方一山間溝谷， 相對高差約220m，縱坡坡度35～50°，河溝較狹小(一般寬8～15m 左右，局部地段溝道寬度僅3～5m 左右)，且該溝段區(qū)域性抬升劇烈， 因此溝道下切較為強(qiáng)烈， 局部地段可見基巖出露，這些特點(diǎn)決定，在具備較強(qiáng)的水動(dòng)力條件時(shí)，泥石流下蝕作用通常大于堆積作用， 其沖淤特征表現(xiàn)為以沖為主的特點(diǎn)，易于泥石流的流通。另外，溝谷兩側(cè)植被發(fā)育，自然坡體較穩(wěn)定， 目前暫不具備為泥石流提供大量物源條件。

2.4.3 泥石流堆積區(qū)特征

堆積區(qū)位于樺林隧道進(jìn)口處， 該處為兩沖谷的交匯處，面積1500m2，其中南西向的沖溝常年流水，雨季水量較大。 泥石流松散堆積體的成分以粘性土為主， 夾有約35%的碎塊石，碎塊石直徑一般0.2～0.8m 不等，厚度3～7m 不等(如圖5)。 水溝下游溝口段，平面形態(tài)呈喇叭型，前緣直抵東西向沖溝的東南側(cè)岸坡，寬約40m。堆積區(qū)溝道相對較窄，且溝道較淺，這種條件決定該溝段沖淤特征以淤為主的特點(diǎn)，但在東西向沖溝水流加大的情況下，其沖刷作用將加劇。

圖5 堆積區(qū)松散堆積體

3 相關(guān)計(jì)算

3.1 形成區(qū)崩滑堆積體穩(wěn)定性計(jì)算

3.1.1 參數(shù)選取

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)考慮如下兩種工況：

(1)天然條件,崩坡積層天然密度采取土工試驗(yàn)成果的平均值，取17.6kN/m3；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取直接快剪試驗(yàn)成果，粘聚力c=17.5kPa，內(nèi)摩擦角Φ=15.4°；

(2)暴雨條件，崩坡積層飽和密度采取土工試驗(yàn)成果的平均值，取18.3kN/m3；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取飽和快剪試驗(yàn)成果，粘聚力c=15.5kPa，內(nèi)摩擦角Φ=13.2°。

3.1.2 計(jì)算分析

選取典型剖面A-A’ 及B-B’(圖1 及圖2)， 利用GEO-SLOPE 軟件進(jìn)行不同工況下崩滑體穩(wěn)定性計(jì)算，結(jié)果如表1。

表1 滑塌體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算分析可知，A 區(qū)自然狀態(tài)下尚穩(wěn)定，在暴雨作用下可能形成溜塌；B 區(qū)為采石場作業(yè)平臺(tái)邊緣下滑塌體，目前正處于蠕動(dòng)變形階段的不穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨下易發(fā)生進(jìn)一步滑塌；C 區(qū)為泥石流流通區(qū)上部溝口的崩滑堆積物堆積區(qū)，目前正處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，強(qiáng)降雨后在雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下， 坡體總體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須及時(shí)進(jìn)行加固治理。

3.2 泥石流流速計(jì)算

根據(jù)調(diào)查訪問， 現(xiàn)場采用物源方量及水的體積比法測定泥石流流體重度， 經(jīng)取樣測算該泥石流平均重度為γC=1.35t/m3，其值小于1.60t/m3，為稀性泥石流，考慮該處爆發(fā)泥石流需較大的降雨量和強(qiáng)大的水動(dòng)力條件， 而雨量大則流體性質(zhì)將更偏于稀性，因此其平均流速 采用鐵二院稀性泥石流計(jì)算公式計(jì)算：

其中泥石流泥砂修正系數(shù)

φ=(γC-γW)/(γH-γC)

式中參數(shù)根據(jù)取樣試驗(yàn)成果結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值如下：

γH——泥石流固體物質(zhì)比重，采用2.63t/m3；

γW——水容重(1t/m3)；

R——水力半徑，取平均泥深1.2()；

I——泥位縱坡率，取沖溝縱坡率0.7。

經(jīng)計(jì)算，泥石流的平均流速約為3.77m/s。

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q 計(jì)算方法是根據(jù)泥石流歷時(shí)T(s)和最大流量Qc(m3/s)及其流體在運(yùn)動(dòng)過程中暴漲暴落的特點(diǎn)，據(jù)調(diào)查訪問及文獻(xiàn)記錄，2008 年該處發(fā)生泥石流一次泥石流為近年發(fā)生的最大一次泥石流， 流量約36m3/s，歷時(shí)約1h， 按照 《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220－2006)附錄I 提供公式進(jìn)行計(jì)算：

Q=0.264TQc

式中Q——一次泥石流過程總量(m3)；

T——泥石流歷時(shí)(s)；

Qc——泥石流最大流量(m3/s)；

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量QH(m3)按下式計(jì)算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

經(jīng)計(jì)算，該泥石流一次泥石流總量為34214m3，泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量QH為7347m3。

4 泥石流的形成原因分析

4.1 地形因素

便于集水、集物的地形是泥石流發(fā)育的必要條件。泥石流區(qū)整體山高溝深， 地勢陡峻： 上游形成區(qū)為三面環(huán)山、 一面出口的漏斗狀， 該地形便于水和碎屑物質(zhì)的匯集；中部流通區(qū)山間溝谷，相對差大，縱坡降較陡，河溝較狹小，且該溝段區(qū)域性抬升劇烈，溝道下切較為強(qiáng)烈，該地形便于水及物料的迅猛傾瀉， 且利于水流對溝道表層巖土體的侵蝕； 下游堆積區(qū)隧道進(jìn)口為南北兩側(cè)高中間地的山谷，且隧道修建后中部地形較平坦開闊，易于碎屑物質(zhì)的堆積。

4.2 人為因素

人為破壞原有山坡穩(wěn)定是泥石流發(fā)生的誘因。 近年來工程建設(shè)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)逐年加劇，在人類各生產(chǎn)活動(dòng)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，自然生態(tài)環(huán)境卻遭到嚴(yán)重破壞，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，并且呈現(xiàn)日趨嚴(yán)重的態(tài)勢。樺林隧道進(jìn)口坡體上方的采石場就是當(dāng)?shù)卮迕駸o計(jì)劃任意開采石料，破壞了原有山體巖土體平衡，棄渣又隨意堆積在山坡上， 造成坡體上部加載后在強(qiáng)降雨等外力作用下出現(xiàn)發(fā)生滑塌， 從而形成人工堆積-滑塌-泥石流的鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害。

4.3 巖土體因素

豐富的物料來源是泥石流形成的根本原因。 泥石流形成區(qū)坡體表層人工堆積棄渣、 崩坡積層及流通區(qū)上部溝口的崩滑堆積物堆積區(qū)，以粘性土為主，含大量碎石，這些均具有孔隙比大(e＞0.91)、結(jié)構(gòu)松散雜亂的特性，下部的花崗巖、 凝灰熔巖風(fēng)化層多為粘性土或裂隙不發(fā)育的巖石，透水性較差，在一定程度上屬于隔水層，這勢必造成坡體上部松散的巖土體易處于飽水狀態(tài)，極不穩(wěn)定，屬于不穩(wěn)定巖土體。 上述不穩(wěn)定巖土體總計(jì)約56000m3，均可作為泥石流形成區(qū)的物質(zhì)來源，在強(qiáng)降雨條件下，大量雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下。

4.4 水文氣象因素

短時(shí)間大量水的來源是泥石流觸發(fā)直接原因。 泥石流形成區(qū)山體坡度較陡， 高差達(dá)340m， 總匯水面積約0.2km2；流通區(qū)山間沖溝，位于地表水徑流集中區(qū)，強(qiáng)降雨天氣下匯集的水流對上部松散物質(zhì)的侵蝕、 掏挖作用引起坡體滑塌， 滑塌物質(zhì)又在水流作用下沿沖溝順流而下。 由前言中所述泥石流形成的歷史可知，一般每隔5～10 年暴雨條件下上部不穩(wěn)定巖土體發(fā)生滑塌，暴發(fā)雨強(qiáng)一般大于4mm/10mim。

5 總結(jié)與啟示

5.1 泥石流類型劃分

綜合以上調(diào)查訪問及計(jì)算分析結(jié)果，僅憑《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T0220-2006) 無法完全描述樺林隧道進(jìn)口泥石流特性，筆者在對比分析《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)、《工程地質(zhì)手冊》(第五版)及相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)認(rèn)為該泥石流屬暴雨條件下的坡面侵蝕+崩滑復(fù)合式小型低頻率稀性泥石流，一般每隔5～10 年暴雨條件下發(fā)生，暴發(fā)雨強(qiáng)一般大于4mm/10mim。

5.2 隧道口選址

隧道口選址應(yīng)盡量避開上部有人工開挖等不穩(wěn)定斜坡體且斜坡體下具備陡峻沖溝的地形， 即避開潛在泥石流洪積扇的擴(kuò)散范圍， 以免泥石流發(fā)生時(shí)淤堵導(dǎo)流槽引發(fā)隧道口變形失穩(wěn)，甚至堆積物直接擁堵隧道。

5.3 治理關(guān)鍵

根據(jù)以上分析， 樺林隧道進(jìn)口泥石流的發(fā)生與上部形成區(qū)廢棄采石場的崩滑堆積體是密不可分的， 所以治理該泥石流的關(guān)鍵是崩滑塌堆積體的處理及潛在滑坡體的防治。

5.4 政府應(yīng)加強(qiáng)管控

人為因素是該泥石流觸發(fā)的誘因， 故建議政府相關(guān)部門加強(qiáng)工程建設(shè)及采礦活動(dòng)管控， 禁止隨意開挖人工高陡邊坡、堆棄廢石礦渣等。

6 泥石流防治方案及處理建議

6.1 泥石流形成區(qū)防治

根據(jù)以上對泥石流區(qū)的分析， 治理該泥石流關(guān)鍵是形成區(qū)崩滑堆積體的處治，建議采取“削坡減載+錨索框架+排水工程”的綜合治理方案。

6.1.1 削坡減載

對形成區(qū)邊坡采用分級放坡開挖， 起到刷方減載的作用，開挖施工應(yīng)制定嚴(yán)格的施工組織設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，自上而下采用逆作法，最后清除崩滑堆積體。

6.1.2 錨索框架

由于坡體存在不利結(jié)構(gòu)面， 且不穩(wěn)定坡體的厚度局部較大， 因此建議在滑坡體中部采用錨索框架方法進(jìn)行加固，錨桿錨固段應(yīng)穿過潛在滑動(dòng)面進(jìn)入穩(wěn)定地層，并在坡面采取框架格子梁。

6.1.3 排水工程

水是滑坡形成的關(guān)鍵因素， 必須減少雨季地表水滲入滑坡體，應(yīng)設(shè)置完善的邊坡地表和地下排水系統(tǒng)：在斜坡后緣的穩(wěn)定地層上設(shè)置環(huán)形截水溝； 在坡體設(shè)置仰斜式排水孔排引坡內(nèi)地下水，同時(shí)，對坡面采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，防止雨水的沖刷或大量滲入坡體。 治理邊坡時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行坡頂排水系統(tǒng)施工， 雨季時(shí)應(yīng)做好水的排導(dǎo)和防護(hù)工作。

6.2 泥石流流通區(qū)及堆積區(qū)防治

一般采取綜合治理方案， 常用的治理措施包括工程措施和生物措施。

6.2.1 工程措施

(1)在主溝中游建泥石流攔砂壩，攔截泥砂和漂木，削減泥石流規(guī)模和容重。 堆積在攔砂壩上游的泥砂還可以反壓坡腳，起到穩(wěn)定坡岸作用。

(2)在溝道下游或堆積扇上建泥石流排導(dǎo)槽，將泥石流排泄到指定地點(diǎn)， 防止沈海復(fù)線高速公路樺林隧道進(jìn)口段遭受泥石流破壞。

6.2.2 生物措施

泥石流治理的生物措施主要指保護(hù)、 恢復(fù)森林植被和科學(xué)地利用土地資源，減少水土流失，恢復(fù)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境，改善地表匯流條件，進(jìn)而抑制泥石流活動(dòng)。

無論在治理期還是后期隧道運(yùn)營期， 都應(yīng)監(jiān)測泥石流區(qū)的降雨過程和降雨量(或接收當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)信息)，根據(jù)以上分析判斷降雨激發(fā)泥石流的可能性； 監(jiān)測溝岸滑坡活動(dòng)情況和溝谷中松散土石堆積情況， 分析滑坡引發(fā)泥石流的危險(xiǎn)性，在泥石流形成區(qū)設(shè)置觀測點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)形成泥石流后， 及時(shí)向高速公路樺林隧道進(jìn)口段發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

7 結(jié)論

(1)綜合以上調(diào)查訪問及計(jì)算分析結(jié)果，筆者總結(jié)認(rèn)為該泥石流屬暴雨條件下的坡面侵蝕+崩滑復(fù)合式小型低頻率稀性泥石流， 一般每隔5～10 年暴雨條件下發(fā)生，暴發(fā)雨強(qiáng)一般大于4mm/10mim。

(2)治理該泥石流關(guān)鍵是形成區(qū)崩滑塌堆積體的處理及潛在滑坡體的防治，建議采取“削坡減載+錨索框架+排水工程”等綜合治理措施；對該泥石流流通區(qū)及堆積區(qū)應(yīng)進(jìn)行工程措施及生物措施綜合進(jìn)行的防治方式。

(3)隧道口選址應(yīng)盡量避開潛在泥石流洪積扇的擴(kuò)散范圍。

(4) 政府相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)工程建設(shè)及采礦活動(dòng)管控，禁止隨意開挖人工高陡邊坡、堆棄廢礦渣等。