國道318線扎塔多東溝泥石流治理設(shè)計(jì)

段康進(jìn) 成 璇

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

0 引言

泥石流是路線帶最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。主要有兩種類型的泥石流：

（1）發(fā)育在比較陡的山坡上的泥石流，即坡面型泥石流。在圖像上可以看到主溝兩側(cè)高大的山坡上有密集的沖刷紋理，山坡腳有扇形泥石流堆積體。這種泥石流發(fā)生的頻率一般較多，但規(guī)模不會太大。它們一般會與滑塌、落石等現(xiàn)象一起發(fā)生。

（2）發(fā)育在溝谷里的泥石流，即溝谷型泥石流。它們主要發(fā)生在有一定匯水面積的溝谷中，可以看這種溝谷上游有比較大的匯水區(qū)，出口都有沖積扇存在，是泥石流沖出溝口分散后快速沉積的結(jié)果，有的沖積扇上都有比較多的植被發(fā)育，顯示為富水區(qū)。這種泥石流一般發(fā)育頻次較少，主要與雨季大量降水有關(guān)，但一旦發(fā)生就會有比較大的危害。因此需要加強(qiáng)對這種泥石流的預(yù)防。

1 工點(diǎn)概況

扎塔多東溝泥石流是國道318線川藏公路松宗至古鄉(xiāng)段整治工程的的一個(gè)工點(diǎn)。據(jù)調(diào)查結(jié)果，該地區(qū)屬于泥石流高發(fā)區(qū)，且沖出量較大，下切側(cè)蝕作用強(qiáng)烈，溝床淤積較嚴(yán)重，危害到橋涵的安全性，部分堆積物漫流至公路，影響到公路安全運(yùn)營。固體物質(zhì)主要有冰磧堆積物，滑坡堆積物、崩坡堆積物等。泥石流對公路的危害主要表現(xiàn)為：淤埋公路、沖毀路基、堵塞橋涵，破壞橋臺基礎(chǔ)。

扎塔多東溝泥石流影響公路里程范圍是K4031+080～K4031+260，其位于國道318線松宗鄉(xiāng)以西約65公里，處于活躍期，暴發(fā)約1次/年。扎塔多東溝泥石流屬于溝谷型、積雪消融-雨洪型泥石流。原公路在該堆積區(qū)下部以路基型式通過，路面已大面積損壞。

2 泥石流形成條件

2.1 地形條件

扎塔多東溝泥石流在溝口形成堆積扇，老泥石流扇地寬廣，植被發(fā)育，灌木叢生，溝道及兩側(cè)植被覆蓋率90%以上，與周圍林地融為一體；新近暴發(fā)的泥石流在老扇形上沖出一條深度2m、寬度3～4m、縱坡9°溝道，成為新泥石流的流通段。泥石流扇頂至扇中的縱坡較大，坡度10～12度，中下部坡度5～8°。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，泥痕高度1～1.5m，堆積物以塊石、漂石、礫石為主，含少量泥質(zhì)，具有一定的分選性，大粒徑物質(zhì)停積在扇地中上部，小粒徑的礫石被沖積在扇形地中下部。堆積物粗粒的石塊呈次圓～圓狀，巖性以花崗巖、灰?guī)r、板巖為主，粒徑10～30cm，最大可達(dá)1.5m。

引發(fā)扎塔多東溝泥石流暴發(fā)的水源條件：大氣降水、冰雪融水、地下水排泄。隨著近年來氣溫升高及降雨量增加，在雨季泥石流常常在短時(shí)間內(nèi)獲得有利的水動(dòng)力條件，溝谷中大量松散物質(zhì)沖出成災(zāi)。調(diào)查期間，溝內(nèi)水流量約0.3m3/s。

現(xiàn)有公路從扎塔多東溝泥石流扇面下部通過，由于中上游溝道堵塞變遷，導(dǎo)致泥石流在下游扇面迂回?cái)[動(dòng)，一段時(shí)間危害扇面一側(cè)，一段時(shí)間危害另一側(cè)，危害公路段落較長，多次淤積掩埋公路路基，堵塞涵洞和邊溝；加之該段公路在扇體上為“人”字坡，路基偏低，縱坡偏大，使得泥石流順路沖下，加重了危害里程和危害程度。雖然扎塔多東溝泥石流暴發(fā)規(guī)模不大，但對公路的危害里程長，現(xiàn)公路所鋪設(shè)的瀝青混凝土路面已被泥石流全部沖毀。

該泥石流溝內(nèi)物質(zhì)沖出量約為1000～3000m3/次，屬中型泥石流。

2.2 泥石流發(fā)育特征

根據(jù)溝谷的形態(tài)和固體松散物的分布規(guī)律，搬運(yùn)模式可概括為下圖：

據(jù)此可將該溝谷泥石流劃分為形成區(qū)和流通區(qū)。形成區(qū)又可分為清水匯集區(qū)與固體物質(zhì)補(bǔ)給區(qū)。

（1）清水匯集區(qū)：從溝腦以上至山頂為清水匯集區(qū)，面積占該溝谷全流域面積的96%，約5.9km2，溝坡重力侵蝕及面狀侵蝕微弱，巖體完整性較好，可搬運(yùn)的固體松散物質(zhì)少，坡形、溝形都有利于水流匯集。

（2）固體松散物質(zhì)補(bǔ)給區(qū)：該泥石流自溝腦以下為泥石流主要固體松散物質(zhì)補(bǔ)給區(qū)，溝道及兩側(cè)內(nèi)為漂、卵石，沖刷下切嚴(yán)重，受水沖蝕易坍塌，為泥石流提供物源。

（3）流通區(qū)：溝腦至溝口段為泥石流流通區(qū)，該段總長約4.8km，中、上游為基巖溝床，溝道呈V型，縱坡15～35°，基巖溝口處分流一主溝道，下游為泥石流堆積扇上漫流形成多條溝道，溝道呈U型，主溝溝底寬10～20m，深3～5m，溝道彎曲，下游溝道平均坡度5～15°。

（4）堆積區(qū)：溝口以下至公路下部為泥石流堆積區(qū)，由于老溝道堵塞，下游為泥石流堆積扇上漫流沖出多條溝道，溝道呈"U"型，堆積物為漂、卵石，一次沖出量約為1000～3000m3。

3 泥石流主要參數(shù)計(jì)算

1、容重

該泥石流發(fā)生時(shí)無實(shí)際觀測容重，通過調(diào)查泥石流的堆積特征，該溝谷泥石流的容重取值為19.3kN/m3。

2、流量

1）假設(shè)暴雨和洪水同頻率出現(xiàn)，采用其推理公式由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪峰流量。

其中：Q — 設(shè)計(jì)洪水洪峰流量（m3/s）；

ψ— 洪峰徑流系數(shù)；

τ— 匯流時(shí)間（h）；

n — 暴雨衰減指數(shù)；

s — 暴雨雨力（mm/h）；

F — 流域面積或匯流面積（km2）。

現(xiàn)將主要小流域和坡面斷面特征值為：K4031+080～K4031+260段（扎塔多東溝）溝口斷面流域面積為5.92 km2，坡面長度L為4.81km，主溝床縱比降或坡面坡度為28.5%。

采用公式（1）計(jì)算各泥石流暴雨山洪（含冰雪消融洪水）的各設(shè)計(jì)頻率的洪水洪峰流量，計(jì)算成果K4031+080～K4031+260段（扎塔多東溝）溝口處設(shè)計(jì)頻率4%，洪水流量17.3 m3/s，洪水總量17.2萬m3。

2）泥石流設(shè)計(jì)流量

假設(shè)泥石流與暴雨洪水（含冰雪洪水部分）同頻率發(fā)生，采用配方法將暴雨洪水流量換算為泥石流流量，計(jì)算公式如下：

式中：Qc——設(shè)計(jì)泥石流峰值流量（m3/s）；

φ——泥石流修正系數(shù)，φ=（rc-rw）/（rs-rc）；

rc——泥石流的重度（kN/m3）；

rw——水的重度（kN/m3）；

rs——泥石流固體顆粒重度（kN/m3）；

D——泥石流堵塞系數(shù)。

根據(jù)該泥石流堆積物結(jié)構(gòu)特征、地形地貌及溝道形狀和取樣分析結(jié)果，綜合確定其泥石流固體物質(zhì)重度、泥石流重度、泥石流堵塞系數(shù)等參數(shù)值：設(shè)計(jì)頻率為4%，rs=27 KN/m3，φ=1.21，D=2，rc=19.3 KN/m3

將相關(guān)參數(shù)代入（2）式，計(jì)算泥石流流量，計(jì)算成果為：設(shè)計(jì)頻率為4% ，rc=19.3 KN/m3，泥石流流量=76.3 m3/s。

3、流速

泥石流流速采用程尊蘭推導(dǎo)的計(jì)算公式（中科院山地所在古鄉(xiāng)泥石流治理公式）：

式中，Vm為泥石流流速（m/s）；

Kc區(qū)域系數(shù)，取3.9；

K為流速分布系數(shù)，取0.5；

nc為河床糙率，，黏性泥石流0.5，稀性泥石流0.3；

Hc-泥痕深度（m），取1.25；

I-溝床坡降，以小數(shù)計(jì)，取0.29；

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，得出泥石流平均流速為：

4 泥石流治理設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

據(jù)國道318線川藏公路南線“統(tǒng)籌規(guī)劃，突出重點(diǎn)；先通后暢，逐步改善；因地制宜，綜合治理； “不良地質(zhì)路段，目標(biāo)遠(yuǎn)近結(jié)合”、“一般路段超前，盡量一次到位”、“整治提高并重，密切配合戰(zhàn)備”、“注重環(huán)境保護(hù)，確保施工保通”等原則。

泥石流治理設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⑺奶卣?、地形、地貌和工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的情況合理確定路基設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)不同的條件設(shè)計(jì)不同的路基方案。

4.2 泥石流治理設(shè)計(jì)

根據(jù)受害對象的重要性，泥石流活動(dòng)規(guī)模和危害程度，確定對泥石流治理工程的安全設(shè)防等級為二級，對于主體工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為三級。

設(shè)計(jì)采用開挖溝道恢復(fù)原溝道的排泄能力，并在新設(shè)排導(dǎo)槽對應(yīng)位置設(shè)置1-10m小橋以保證泥石流順暢排泄，從而確保公路安全運(yùn)營。排導(dǎo)槽的設(shè)計(jì)頻率25年一遇，P=4%。

為防止泥石流漫流，在疏導(dǎo)原溝道的同時(shí)在路線上部溝道中設(shè)置底寬8m，高4.0m，長216.2m的C20片石混凝土排導(dǎo)槽引導(dǎo)泥石流順利通過下設(shè)小橋，為使原溝道泥石流能歸入排導(dǎo)槽中，在排導(dǎo)槽上游設(shè)置20m長喇叭口，喇叭口左側(cè)墻身與槽身墻體夾角15°，右側(cè)墻身為槽身墻體向上順延，上游寬13.54m，下游寬8.0m，與主溝相接。另在公路下側(cè)C20片石混凝土排導(dǎo)槽之后，順接開挖土質(zhì)排導(dǎo)槽50m，將泥石流引到遠(yuǎn)離公路的坡面上。根據(jù)泥石流的實(shí)際地形情況和橋面標(biāo)高，排導(dǎo)槽縱坡控制為11.4%～17.45%，槽底為V型，橫坡為20%，排導(dǎo)槽邊墻按一般擋土墻形式設(shè)計(jì)，高為4.7米，頂寬為0.8米，槽底背坡為1:0.3，槽底內(nèi)坡直立，基礎(chǔ)埋深為1.5米。為避免泥石流沖蝕溝底，確保了槽底的穩(wěn)定，排導(dǎo)槽及喇叭口底部采用C30鋼筋混凝土進(jìn)行鋪砌，鋪砌厚度為50cm。

5 結(jié)束語

總之，扎塔多東溝泥石流的治理主要是攔擋和疏導(dǎo)相結(jié)合，針對形成泥石流的成因采取具體的防治措施，并且要重視施工后定時(shí)清理排導(dǎo)槽中泥石流沖積物，以保證公路運(yùn)營安全。