溝谷泥石流活動特征對公路安全威脅及應(yīng)對措施

吳 斌，唐紅波，張 斌，喬文號，尹小濤

(1. 云南大永高速公路有限公司, 云南 大理 671000；2.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650200;3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗室， 湖北 武漢 430071；4.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

山區(qū)高速公路建設(shè)經(jīng)常需要穿跨臨山側(cè)的各種沖洪積地貌，工程建設(shè)過程中，需要高度關(guān)注由此帶來的泥石流安全威脅[1-2]。大永高速公路八代村-楊家凹段，穿跨一系列大規(guī)模沖積扇和典型泥石流溝谷，需要評估由此帶來的安全和技術(shù)保障問題。

山區(qū)高速公路建設(shè)，由于調(diào)高和線形要求，經(jīng)常沒有多少選擇的余地，所以面臨很多安全控制問題。面對泥石流的威脅，經(jīng)常造成建設(shè)和運(yùn)營的風(fēng)險，多數(shù)條件很難保障長期安全可控目標(biāo)[3-4]。這是高速公路的線狀特點(diǎn)造成的，其勘察設(shè)計是有限范圍做出的常規(guī)方案。而泥石流的遷移特征，往往又是全影響域覆蓋的[5-9]。這個矛盾決定了橋、涵、路基應(yīng)對沖洪積和溝谷地質(zhì)條件的針對性往往不強(qiáng)或者嚴(yán)重不夠。矛盾的解決需要全新的齊抓共管理念和局部加強(qiáng)及補(bǔ)充專項工作才能有效應(yīng)對[10-15]。

本文以大永高速公路八代村—楊家凹段為例，分析不同溝谷泥石流活動性和動力特征，探討當(dāng)前設(shè)計措施下高速公路穿跨方式的合理性和存在的問題。在大范圍工作的基礎(chǔ)上，查漏補(bǔ)缺，為泥石流安全風(fēng)險控制提供綜合安全管控建議。相關(guān)工作可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況及潛在問題

1.1 泥石流溝谷和線路關(guān)系簡介

永勝縣地處我國西南地區(qū)，區(qū)域活動斷裂發(fā)育，現(xiàn)代地殼活動強(qiáng)烈，造成工程區(qū)山體滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，極大的增加了公路工程建設(shè)的中長期安全風(fēng)險。為保障高速公路建設(shè)施工的安全和建成后公路的正常運(yùn)行，以八代村—楊家凹段大規(guī)模沖積扇為研究對象，結(jié)合這一區(qū)域的地質(zhì)條件，展開可能影響高速公路路基和橋梁結(jié)構(gòu)安全的洪積扇地質(zhì)調(diào)查，主要調(diào)查內(nèi)容包括區(qū)域地形地貌、區(qū)域地質(zhì)、物質(zhì)組成及特點(diǎn)、氣候特點(diǎn)、水文條件、洪積扇形態(tài)等，然后就可能的工程問題進(jìn)行分析，并提出針對性的設(shè)計建議和工程處治措施。線路和八代村-楊家凹段沖積扇的關(guān)系，見圖1。

圖1 沖積扇和在建高速關(guān)系圖

1.2 潛在工程安全問題

在建的大永高速公路(麗江段)以橋梁、涵洞和路基型式從八代村—楊家凹段大規(guī)模沖積扇通過，沖洪積物質(zhì)堆積區(qū)位于山麓斜坡沖溝溝口寬緩地帶，平面上呈喇叭狀，受程海斷裂帶的影響，地形坡度一般在5°～15°之間，長、寬幾百米至一千米不等，堆積物厚度一般在15 m～20 m，局部>30 m，堆積體巖性以碎石、角礫為主，夾雜含角礫黏性土，形成一系列山前洪積扇(裙)。

圖2 大規(guī)模沖積扇(黑粗線為公路示意)

根據(jù)地形資料，可以判斷八代村-楊家凹段沖洪積扇區(qū)目前還有活動沖溝，地面調(diào)查也證明了這一點(diǎn)，整個扇區(qū)有4個活動溝谷，上部的主溝活動性相對較強(qiáng)，目前設(shè)置了橋梁，其余部位設(shè)置了涵洞，主溝內(nèi)的多級擋墻和攔石壩基本已經(jīng)淤滿，主溝穩(wěn)定性較差，對工程的影響主要為物源堆積場的規(guī)劃問題；支溝總體物源有限，主要是來水量的準(zhǔn)確估算問題。

2 溝谷泥石流活動性評價

2.1 溝谷泥石流現(xiàn)狀調(diào)查和工程穩(wěn)定性定性評價

2.1.1 八代村溝谷

八代村泥石流沖積扇具有典型的山口堆積地貌特征，為多期次作用結(jié)果，分區(qū)明顯，調(diào)查結(jié)果見圖3。

圖3 八代村沖溝調(diào)查照片

根據(jù)上述泥石流溝谷地面調(diào)查，所得泥石流活動性和潛在工程影響結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)過對八代村泥石流溝谷的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)深部溝谷攜帶山體固體物質(zhì)較多，多數(shù)為崩塌堆積物，坡面調(diào)查發(fā)現(xiàn)的孤石尺寸及其空間分布可以佐證一點(diǎn)；同時部分活動性較強(qiáng)的溝谷，如1#溝設(shè)置多道攔砂壩和擋墻，已基本淤滿，說明主溝具有一定活動性。

(2) 物源區(qū)和流通區(qū)，溝谷局部存在側(cè)壁邊坡穩(wěn)定問題，往下穩(wěn)定性趨好；但是溝谷掏侵蝕作用隨著能量的消減往下逐步降低。不穩(wěn)定的區(qū)域主要集中在溝內(nèi)有限范圍，溝間山脊相對穩(wěn)定，有多年耕種記錄和人類工程活動為證。

(3) 目前八代村泥石流沖積扇還在發(fā)展中，幾個溝谷的活動性，從左往右逐步降低，八代村沖溝會威脅橋梁安全，其余沖溝存在過水?dāng)嗝娌蛔愕膯栴}。

2.1.2 栗山村溝谷

栗山村泥石流溝谷地質(zhì)特征典型且明顯，地面調(diào)查結(jié)果見圖4。

圖4 栗山村沖溝調(diào)查圖

根據(jù)上述泥石流溝谷地面調(diào)查，所得泥石流活動性和潛在工程影響結(jié)論如下：

(1) 溝內(nèi)既有攔阻擋措施基本淤滿，說明溝谷泥石流具有一定活動性，但程度比八代村稍低；根據(jù)沖溝內(nèi)歷史泥石流夾攜的塊石最大粒徑空間分布規(guī)律可知，未來仍存在爆發(fā)較大泥石流的可能，建議提高公路涵洞過水能力，并在過水涵兩側(cè)路基處設(shè)置防沖侵蝕的護(hù)面墻措施。

(2) 調(diào)查發(fā)現(xiàn)1994年修建的擋水墻基礎(chǔ)沖侵蝕最大深度超過3 m，沖侵蝕作用仍在發(fā)展中，尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在修建過水構(gòu)筑物時，基礎(chǔ)埋深深度應(yīng)大于該影響深度，預(yù)估在當(dāng)前常規(guī)埋深基礎(chǔ)上仍需加深約1.5 m。

2.1.3 楊家凹溝谷

楊家凹泥石流溝谷地質(zhì)特征典型且明顯，地面調(diào)查結(jié)果見圖5。

圖5 楊家凹沖溝調(diào)查圖

根據(jù)上述泥石流溝谷地面調(diào)查，所得泥石流活動性和潛在工程影響結(jié)論如下：

(1) 溝內(nèi)植被豐茂，發(fā)現(xiàn)的大樹和塊石共生關(guān)系，說明其近百年沒有大規(guī)模爆發(fā)記錄，近期爆發(fā)的特點(diǎn)為小規(guī)模泥石流。

(2) 沖溝匯水面積在8.3 km2～10 km2左右，在百年一遇的強(qiáng)降雨作用下，設(shè)計采用的3 m×3 m的蓋板涵難以有效排出匯集的強(qiáng)降水，且沖溝附近地勢相對較低，存在水毀路基的危險，需要加強(qiáng)涵洞斷面，以增強(qiáng)過水能力。

2.2 溝谷泥石流動力學(xué)特征及其工程威脅評價

2.2.1 泥石流動力學(xué)特征

在地面調(diào)查和測試的基礎(chǔ)上，依據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范[15]的有關(guān)規(guī)定和計算公式，對上述溝谷泥石流的重度、流速及沖擊力等動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評估。

(1) 泥石流重度。研究區(qū)的泥石流為多期次堆積產(chǎn)物，本文利用目擊者訪視和現(xiàn)場測量的方法，綜合確定的平均重度18.0 kN/m3。

(2) 泥石流流速。流速測算采用成都山地所推薦的適用于西南地區(qū)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算：

(1)

式中：K流速系數(shù);Hc計算斷面平均泥深,m;Ic泥石流水力坡度，可用溝床坡度代替。計算結(jié)果統(tǒng)計列于表1，后續(xù)不做特殊說明，默認(rèn)列于表1。

(3) 泥石流流量。泥石流流量測算主要采用形態(tài)調(diào)查法，即調(diào)查獲取最高泥位及其對應(yīng)的流通斷面數(shù)據(jù)，公式為：

Qc=AcVc

(2)

式中:Ac斷面過水面積；Vc泥石流平均流速。

(4) 一次泥石流總量及沖出固體物質(zhì)總量。根據(jù)泥石流的歷時和最大流量，按泥石流暴漲暴落的特點(diǎn)，將其過程概化為一個理想五邊形，一次泥石流總量Wc和沖出固體物質(zhì)總量Wc計算公式如下：

Wc=19TQc/72

(3)

(4)

式中：Ws和Wc單位為m3，T為泥石流歷時,Qc為最大流量,γc為泥石流重度，γs為土或石重度，γw為水重度。

(5) 泥石流沖擊力。單個塊體沖擊墩、臺、柱的作用力：

(5)

式中:F為大塊石沖擊力,Pa;E為彈性模量，Pa；J為構(gòu)件截面中心軸慣性模量，m4；L為構(gòu)件長度，m；W為塊石重量，t。

考慮建筑物形狀的流體整體沖壓力估值公式：

(6)

式中:δ為泥石流整體沖壓力，Pa；Vc為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；λ為建筑物形狀系數(shù)，圓形取1，矩形取1.33，方形取1.47。

依據(jù)調(diào)查獲取的上述三個溝谷的泥石流動力特征指標(biāo)，結(jié)果統(tǒng)計列于表1。

2.2.2 泥石流的工程威脅及應(yīng)對措施

(1) 針對溝谷沖挖掏侵蝕的固幫措施。針對存在溝谷側(cè)幫侵蝕的路基段、橋梁段和涵洞段，需要采取固幫措施，問題和應(yīng)對見圖6。

(2) 涵洞疏排能力不足及其應(yīng)對措施。以楊家凹沖溝為例，說明涵洞工程存在的問題和應(yīng)對措施。涵洞斷面設(shè)計，需要考慮沖溝來水量，沖溝的侵蝕對其基礎(chǔ)的影響，迎水面水毀的可能性，楊家凹沖溝常年流水，匯水面積較大，存在涵洞過水能力不足的問題，需要加大斷面尺寸，同時需要考慮迎水面路基固坡+硬底+導(dǎo)水，見圖7。

表1 泥石流動力特征計算結(jié)果統(tǒng)計表

圖6 沖溝侵蝕問題和應(yīng)對措施

圖7 涵洞問題和應(yīng)對措施

(3) 橋梁凈空不足及其應(yīng)對措施。八代村沖溝位置以橋梁形式通過，上游面堆積物太高靠橋面太近，橋下凈空不足。該溝活動性較強(qiáng)，所以需要采取上部溝谷束腰+橋下清出足夠凈空+U型渡槽快速通過綜合措施，盡可能往下游疏導(dǎo)堆積(見圖8)。

圖8 橋梁問題和應(yīng)對措施

2.2.3 基于測斜監(jiān)測的沖積扇邊坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)調(diào)查，該區(qū)系列沖洪積扇，坡面基本穩(wěn)定，多年耕種記錄表明溝間山脊穩(wěn)定狀態(tài)良好，溝內(nèi)局部存在侵蝕崩塌的可能，沖洪積扇整體穩(wěn)定。根據(jù)埋設(shè)的測斜孔監(jiān)測表明，變形主要發(fā)生在路基挖填施工作業(yè)期間，最大側(cè)向位移約1.3 mm，影響深度約25 m。經(jīng)過兩個雨季的監(jiān)測，深部位移不再發(fā)展，邊坡整體穩(wěn)定(見圖9)。

圖9 八代村沖洪積扇深部位移曲線

3 高速公路穿跨大規(guī)模沖洪積扇安全控制技術(shù)指南

3.1 基于穩(wěn)定分區(qū)思想的選線建議

對于大規(guī)模沖洪積扇，根據(jù)歷史、現(xiàn)狀和未來一段時期的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合工程重要性等級，對其進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性分區(qū)。

基于環(huán)境擾動小、安全可控和最優(yōu)化原則，選擇線形。

3.2 不同穿跨方式及其安全控制要素

根據(jù)分區(qū)結(jié)果，在穩(wěn)定區(qū)可以選擇路基方式通過；危險區(qū)或者泥石流直接影響區(qū)，可以選擇橋涵方式通過；潛在威脅區(qū)，建議采取防護(hù)條件下的路基方式通過。不同方式的安全控制要點(diǎn)如下：

(1) 不同技術(shù)手段的基礎(chǔ)要落在侵蝕影響深度之下的穩(wěn)定地基上，即橋、涵、路基的基礎(chǔ)埋深要考慮侵蝕影響深度。

(2) 橋涵凈空或者斷面，要充分考慮流域總體匯水的影響和來水可以順利疏通，建議進(jìn)出段采取加速通過方式。

(3) 路基和橋涵的迎水面要考慮固坡措施，防止沖刷和水毀。

3.3 工程和環(huán)境相結(jié)合的減災(zāi)調(diào)控技術(shù)

工程建設(shè)對該區(qū)泥石流災(zāi)害的發(fā)生，不起主導(dǎo)作用，一般以被動應(yīng)對為主，該區(qū)泥石流災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展，主要是程海斷裂帶和區(qū)域氣候聯(lián)合控制的。因此，在工程安全硬件措施應(yīng)對的基礎(chǔ)上，還要重視泥石流災(zāi)害本身的定期評估和系統(tǒng)應(yīng)對，具體建議如下：

(1) 將相關(guān)工程安全監(jiān)測接入國土資源部門的自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，工點(diǎn)小系統(tǒng)、區(qū)域大系統(tǒng)聯(lián)合進(jìn)行泥石流災(zāi)害預(yù)警。

(2) 工程有限范圍加固和應(yīng)對措施聯(lián)合國土部門針對該區(qū)泥石流防治的整體空間規(guī)劃，固物源、截排水、空間梯級消能和規(guī)劃堆積系統(tǒng)調(diào)控。

(3) 工程有限養(yǎng)護(hù)管理聯(lián)合國土部門的大系統(tǒng)管理，硬件措施定期專人管理養(yǎng)護(hù)，附近行政村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣政府配合。

4 結(jié)論與建議

在大永高速公路八代村、栗山村和楊家凹路段系列沖溝泥石流活動性和動力特征分析的基礎(chǔ)上，立足現(xiàn)狀橋涵路基設(shè)計，對其泥石流安全風(fēng)險進(jìn)行了評價，所得主要結(jié)論如下：

(1) 泥石流威脅，尤其是大規(guī)模沖洪積地貌，應(yīng)對其進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)，根據(jù)分區(qū)制訂合理的穿跨方式，危險區(qū)宜采取橋涵方式通過，安全區(qū)應(yīng)采取路基方式，潛在威脅區(qū)可在有限工程措施下路基或者涵洞通過。

(2) 八代村、栗山村和楊家凹沖洪積扇的主要沖溝均存在泥石流風(fēng)險，由八代村往楊家凹方向，泥石流的活動性、黏性和規(guī)模逐步遞減，可從溝谷調(diào)查的植被情況、側(cè)壁穩(wěn)定性和塊石最大直徑的空間分布及穩(wěn)定狀態(tài)佐證。

(3) 八代村主溝的橋梁跨越，存在下部凈空過小，存在一次爆發(fā)擁塞風(fēng)險，需采取上部疏導(dǎo)、橋下增大凈空+U型渡槽聯(lián)合治理措施；楊家凹主溝的涵洞通過，存在過水能力不足的問題，需要采取迎水面固坡+導(dǎo)流+增加過水?dāng)嗝媛?lián)合措施；其余潛在水毀路基段，需采取固坡疏導(dǎo)措施。