油菜沖大溝泥石流防治設(shè)計(jì)

鄒興普，王 亮

(中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概況

油菜沖大溝棄渣場(chǎng)(圖1)位于織納鐵路DK19+350左側(cè)30 m處，棄渣占地4.68 hm2，堆渣量27萬m3，最大堆渣高度約52 m，為溝谷型棄渣場(chǎng)，渣場(chǎng)級(jí)別為1級(jí)，匯水面積2.16 km2。堆渣完成后形成梯臺(tái)體，因油菜沖大溝歷史上曾發(fā)生過泥石流，并可能再次發(fā)生泥石流，這會(huì)對(duì)棄渣場(chǎng)的穩(wěn)定性造成威脅，進(jìn)一步影響既有鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。

經(jīng)過初步估算，若將該棄渣場(chǎng)全部搬運(yùn)至新棄渣場(chǎng)約需要增加投資1000萬元以上，且新渣場(chǎng)也需要占用大量寶貴的土地資源，故需要評(píng)價(jià)油菜沖大溝泥石流對(duì)棄渣場(chǎng)的影響，提出棄渣場(chǎng)泥石流防護(hù)方案，確保棄渣場(chǎng)的安全可靠，避免造成人為的地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 油菜沖大溝棄渣場(chǎng)現(xiàn)狀照片F(xiàn)ig.1 The muck field in Youcaichong Valley

2 地形地貌

該棄渣場(chǎng)地處黔西高原與黔中高原的過渡帶，為中山地貌，山高谷深，海拔高程1296～1889 m，相對(duì)高差達(dá)593 m。沖溝流域面積2.16 km2，主溝長(zhǎng)3.38 km，溝床平均縱比降為145‰；流域物源動(dòng)儲(chǔ)量達(dá)52.76×104m3，溝道物源較為豐富；如圖2所示。流域年均降雨量為1355.4 mm，最大24小時(shí)降雨為186.1 mm，最大1小時(shí)降雨量為68.5 mm，泥石流水源條件充足，具備發(fā)生泥石流的地形、物源及降雨條件。

3 水文、地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)上伏第四系(Q)全新統(tǒng)覆蓋層以沖洪積、坡殘積及坡崩積為主，包括人工填土(Q4ml)、滑坡堆積層(Q4del)、坡崩積(Q4dl+col)、沖洪積(Q4al+pl)、坡洪積(Q4dl+pl)、坡殘積(Q4dl+el)的軟土、軟塑狀黏性土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂土、卵石土、漂石土、碎塊石土等。下覆上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)及下統(tǒng)茅口組(P1m)，主要由灰、淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r及少量硅質(zhì)灰?guī)r、塊狀硅質(zhì)灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)巖組成。茅口組灰?guī)r與峨眉山玄武巖呈假整合接觸，局部在茅口組上段(P1m2)與下段(P1m1)間有輝綠巖侵入。測(cè)區(qū)內(nèi)分布厚度變化較大。

區(qū)域構(gòu)造較為發(fā)育，有一小斷裂穿越該流域，長(zhǎng)度約1.3 km，溝口以南約100 m發(fā)育大田壩斷裂，大新斷裂呈北北東展布，于溝口處呈50度角交于大田壩斷裂，流域南側(cè)發(fā)育箐門斷裂。受此四條斷裂的影響，流域內(nèi)巖體相對(duì)較為破碎。但第四紀(jì)以來該四條斷裂活動(dòng)性較弱。

區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g(相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度區(qū))，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

測(cè)區(qū)屬烏江水系，沿線路分布多條南北向分支河流，除武佐河及義中大河中下游基本常年有水外，其余幾條支流均受季節(jié)雨量的控制，枯水期基本為干溝。各條河流漲跌明顯，洪水季節(jié)水位迅速升高。沿線貧水段落較長(zhǎng)，表水缺失嚴(yán)重。

本項(xiàng)目地下水埋深相對(duì)較淺，埋深2～10 m；其余地段為地下水貧水區(qū)，地下暗河較發(fā)育，埋深基本大于50 m；侵蝕類型為酸性侵蝕，侵蝕作用等級(jí)為H1。

圖2 油菜沖大溝流域地形地貌圖Fig.2 Topographic map of Youcaichong Valley

4 泥石流溝調(diào)查分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及收集棄渣場(chǎng)施工圖設(shè)計(jì)資料，該棄渣場(chǎng)邊坡支護(hù)工程采用擋渣墻+分級(jí)放坡的處理措施，擋渣墻呈梯形，高度為8.0m，墻體采用C25混凝土澆筑，擋渣墻基礎(chǔ)埋置深度為1.6 m，如圖3所示。

本渣場(chǎng)現(xiàn)已于渣場(chǎng)兩側(cè)布設(shè)兩條排水溝，渣面設(shè)置截水溝一條并順接至渣腳排水溝，截排水溝斷面形態(tài)呈梯形，底寬0.4 m，深0.5 m，采用M7.5漿砌片石砌筑，溝壁厚0.3 m。渣頂修建排導(dǎo)槽，排導(dǎo)槽寬4.7 m，高2 m，如圖4、圖5。

圖3 棄渣場(chǎng)擋渣場(chǎng)現(xiàn)狀圖Fig.3 Retaining walls in the muck field

圖4 棄渣場(chǎng)排水工程現(xiàn)狀圖(a)Fig.4 Drainage works in the muck field (a)

圖5 棄渣場(chǎng)排水工程現(xiàn)狀圖(b)Fig.5 Drainage works in the muck field (b)

經(jīng)過穩(wěn)定性分析，該處渣場(chǎng)在一般工況下是穩(wěn)定的，不會(huì)對(duì)下游既有鐵路產(chǎn)生影響，在上述情況下，相關(guān)單位開展了泥石流對(duì)既有棄渣場(chǎng)的影響展開調(diào)查評(píng)價(jià)分析，查明泥石流形成條件，確定泥石流的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，判別該沖溝泥石流的易發(fā)程度、頻率、類型，提出有針對(duì)性的加固防止方案，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

通過對(duì)該沖溝的調(diào)查分析，得到如下結(jié)論：

(1)該沖溝100年一遇泥石流容重為1.53 g/cm3，泥石流峰值流量為58.7 m3/s，一次泥石流總量為13956.9 m3，一次固體物質(zhì)總量為4480.2 m3。該沖溝泥石流類型為溝谷暴雨型低頻稀性小型泥石流溝。

(2)該泥石流物源較豐富，水源充沛，極端降水突出，今后仍然會(huì)暴發(fā)泥石流。在強(qiáng)降雨的作用下，可能會(huì)發(fā)生小型泥石流。

根據(jù)以上結(jié)論并經(jīng)方案研究，可以通過工程加固措施來減少或消除泥石流對(duì)下游棄渣場(chǎng)的影響，利用溝道縱剖面(圖6)進(jìn)行泥石流參數(shù)計(jì)算，結(jié)合棄渣場(chǎng)已建工程措施分布(圖7)，并經(jīng)過加固方案比選，選定以攔為主，攔排相結(jié)合的方案，具體為：排導(dǎo)上游修建攔砂壩1座，攔截2 mm以上的顆粒，并配1座副壩，消能防沖；副壩與排導(dǎo)槽之間，修建倒八字墻，束水；排導(dǎo)槽與八字墻的接口處設(shè)淺壩，防止排導(dǎo)槽被沖刷，槽底露空(圖8)。

圖6 油菜沖大溝溝道縱剖面圖Fig.6 Longitudinal profile of Youcaichong Valley

圖7 油菜沖大溝棄渣場(chǎng)已建工程措施分布圖Fig.7 Distribution of already-constructed engineeringmeasures in Youcaichong Valley

圖8 擬建工程布置圖Fig.8 Layout of planned engineering measures

5 工程措施

5.1 攔砂壩壩址、壩高選擇

攔砂壩壩址選擇應(yīng)根據(jù)地形地貌、設(shè)計(jì)庫(kù)容、地基承載力等因素綜合考慮，經(jīng)分析壩址設(shè)置于距下游渣場(chǎng)攔渣壩約350 m，攔砂壩有效高度取為8 m，基礎(chǔ)設(shè)置于碎石土基礎(chǔ)上，要求其地基承載力≥250 kPa，當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足要求時(shí)應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行加固使其達(dá)到要求，攔砂壩壩址選擇如圖9所示。

圖9 攔砂壩壩址Fig.9 Layout of the sand dam

5.2 攔砂壩形式選擇

根據(jù)本工程特點(diǎn)及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步擬定攔砂壩形式如圖10、圖11。

圖10 攔砂壩斷面形式(a)Fig.10 Profile of the sand dam (a)

圖11 攔砂壩斷面形式(b)Fig.11 Profile of the sand dam (b)

10 m高攔砂壩頂寬2.5 m，上游坡率1∶0.50，下游坡率1∶0.1，臺(tái)階寬0.5 m，高1.0 m，容重24 kN/m3；設(shè)計(jì)中攔砂壩埋入地面以下約2 m，故受力分析時(shí)按上部8 m高受到泥石流作用分析計(jì)算。

攔砂壩壩頂留一22 m寬導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽采用M10漿砌片石鋪砌。攔渣壩泄水孔尺寸40 cm×60 cm，間距200 cm×200 cm，梅花形布置。壩身和基礎(chǔ)均采用C25混凝土澆筑。副壩距攔渣壩16 m，副壩高1 m，束水八字墻范圍內(nèi)高0.5 m，埋入地下1.5 m。主、副壩之間用C25混凝土鋪底，上均勻鋪設(shè)粒徑為10～20 cm碎石，厚度不小于20 cm，用于緩沖泥石流對(duì)C25鋪底的沖擊。副壩下設(shè)束水八字墻，用于油菜沖大溝束流。八字墻兩邊敞開角約15度，八字墻墻身和鋪底采用C25混凝土澆筑。八字墻下游末端通過新建引水溝接已建排導(dǎo)槽。接口處設(shè)淺壩，深入地下，約1.5 m。

攔砂壩壩前兩側(cè)設(shè)M10漿砌片石護(hù)坡，護(hù)坡長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際地形選取，厚不小于0.4 m，背后空隙采用C20片石砼回填。

本工程泥石流類型為溝谷暴雨型低頻稀性小型泥石流，固體含量較低，石塊的搬運(yùn)呈滾動(dòng)、躍移的方式，且考慮到峰值流量較小，攔砂壩設(shè)置有42個(gè)0.4 m×0.6 m泄水孔，石塊和水流對(duì)攔砂壩的沖擊力較小。

5.3 攔砂壩受力分析

根據(jù)《泥石流防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]并結(jié)合本工程特點(diǎn)，作用于攔砂壩的主要荷載有：壩體自重、水平土壓力、泥石流沖擊力、溢流體重。本項(xiàng)目擬建場(chǎng)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，可不做抗震設(shè)防處理。

5.3.1 壩體自重

Wa=Va·γa

式中：Wa為壩體自重(kN)；Va為壩身體積(m3)，10 m高攔砂壩體積為54.75 m3；γa為壩體重度(kN/m3)，取為24 kN/m3。

故10 m高攔砂壩每延米自重為Wa=Va·γa=54.75×24=1314 kN。

5.3.2 泥石流水平土壓力

式中：γgs=γds-(1-n)γw，取為15.3 kN/m3；γds為干沙重度(kN/m3)；γw為水重度(kN/m3)；n為空隙率；hs為稀性泥石流堆積厚度(m)，取為8 m；φgs為泥沙內(nèi)摩擦角，取為10°。

泥石流水平土壓力為345 kN，作用高度為距離墻底2+8/3=4.67 m。

5.3.3 壩前泥石流體重力

Wb=Vb·γs

式中：Wb為淤積土重(kN)；γs為淤積體重度(kN/m3)。

本工程壩前泥石流體重力為：15.3×(0.5×10×0.5×10)=383 kN，作用位置為距離墻趾5.47 m。

5.3.4 泥石流對(duì)攔砂壩的沖擊力

式中：F-泥石流流體整體沖擊力(kN)；g-重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；Vc-泥石流速度(m/s)，取為5.15 m/s；α-攔砂壩受力面與泥石流沖擊力方向的夾角(單位為°)，取為63°；λ-建筑物形狀系數(shù)，攔砂壩取為1.47；γc-泥石流重度(kN/m3)，取為15.3 kN/m3；Hc-泥石流深度(m)，攔砂壩處泥石流峰值流量為58.7 m3/s，泥石流速度5.15 m/s，攔砂壩寬約40 m，則攔砂壩處泥石流平均泥深為58.7/40/5.15=0.3 m；B-攔砂壩寬度(m)，按每延米計(jì)算。

故泥石流對(duì)每延米攔砂壩的沖擊力：

=14 kN

假設(shè)作用于墻頂。

5.3.5 大塊石對(duì)攔砂壩的沖擊力

式中：r-動(dòng)能折減系數(shù)，對(duì)攔砂壩取0.3；Vc-泥石流斷面平均流速(m/s)，取為5.15 m/s；α-泥石流沖擊角度(單位為°)，取為63°；W-石塊重量(kN)，按最大石塊計(jì)算，本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)最大石塊尺寸為1.8 m×1.8 m×1.5 m，重量約為122 kN。

C1、C2分別為巨石和攔砂壩的彈性變形系數(shù)，C1+C2=0.0005 m/kN。綜上大塊石對(duì)攔砂壩的沖擊力為680 kN，折算到每延米攔砂壩的沖擊力為680/40=17 kN，假設(shè)作用于墻頂。

5.3.6 溢流體重

泥石流通過攔砂壩時(shí)的平均泥深為0.3 m，故溢流體作用在墻頂?shù)膲毫?5.3×0.3×2.5=11 kN。

5.3.7 揚(yáng)壓力

Fy=0.5KLΔH

式中：L-壩底長(zhǎng)(m)，取為8.8 m；ΔH-壩上下游水位差(m)，取為8 m；K-水頭折減系數(shù)，其值在0～0.7之間，取為0.2。

故揚(yáng)壓力為0.5×0.2×8.8×8=7 kN，假設(shè)作用于墻踵。

5.3.8 壩體抗滑穩(wěn)定

式中：kc-抗滑安全系數(shù)，取為1.3；∑N-垂直方向作用力的總和；∑P-水平方向作用力的總和；f-壩底與壩基巖石之間的摩擦系數(shù)，取為0.5。

本工程中：

滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3.9 抗傾覆穩(wěn)定

式中：MN-抗傾覆力矩的總和(kN·m)；MN-抗傾覆力矩的總和(kN·m)；k0-抗傾覆安全系數(shù)，取為1.6。

本項(xiàng)目中：

滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3.10 基承載力計(jì)算

式中：σmin-最小地基應(yīng)力(kPa)；σmax-最大地基應(yīng)力(kPa)；∑N-壩體單位寬度上的垂直力之和(kN/m)；b-攔渣壩水平截面寬度(m)；e-偏心距(m)；[σc]-地基容許承載力，攔砂壩埋深為2 m。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

對(duì)承載力進(jìn)行修正，取ηb=2.0，ηd=3.0，修正后的地基承載力為439 kPa，攔砂壩基坑開挖后應(yīng)進(jìn)行夯實(shí)碾壓，基礎(chǔ)承載力經(jīng)檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)方可進(jìn)行攔砂壩的施工。

本項(xiàng)目中：

滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，攔砂壩尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論與建議

(1)在對(duì)鐵路上游棄渣場(chǎng)及泥石流溝詳細(xì)調(diào)查，認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，提出了泥石流溝以攔為主，攔排相結(jié)合的方案，保證了下游鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，節(jié)約了大量人力物力。

(2)由于設(shè)計(jì)工期要求很短，本次設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)成熟的重力式攔砂壩，重力式壩體對(duì)地基承載力要求較高，地基不滿足設(shè)計(jì)承載力要求時(shí)要進(jìn)行地基加固處理?？紤]到攔砂壩位置臨近棄渣場(chǎng)，而該渣場(chǎng)硬質(zhì)石料資源豐富，若采用組裝式攔砂壩，可就地取材，節(jié)約工程成本，且組裝式攔砂壩對(duì)地基承載力要求不高，適應(yīng)地基變形能力較強(qiáng)，今后遇到相似的工程時(shí)可推廣使用。

(3)要重視攔砂壩的日常清理及養(yǎng)護(hù)工作。由于攔砂壩壩前土體處于飽水狀態(tài)時(shí)的土壓力是數(shù)倍于處于無水狀態(tài)時(shí)的土壓力，所以應(yīng)特別注意泄水孔的排水通暢。

(4) 應(yīng)加強(qiáng)棄渣場(chǎng)及上游泥石流溝的植被恢復(fù)工作，以達(dá)到穩(wěn)定物源、滯留降水、調(diào)節(jié)徑流的目的。