泥石流災(zāi)害對新建康定車站的影響研究

袁 東 馮 濤 林之恒 柳金峰 游 勇

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031;2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041)

泥石流災(zāi)害具有突發(fā)性、破壞性，對鐵路勘察設(shè)計影響巨大[1-4]?？刀ㄜ囌緮M建站址處于三道橋溝溝口位置，是新建川藏鐵路瀘定至康定段的關(guān)鍵節(jié)點之一。因此，需分析泥石流對鐵路工程的影響，對泥石流的影響進(jìn)行評價，對其防治對策進(jìn)行研究。本文通過資料收集、遙感解譯、野外調(diào)查、室內(nèi)分析與計算等綜合手段，對三道橋溝泥石流的形成條件、活動特征、堆積物特征以及泥石流的危險性、對鐵路工程的影響程度和相應(yīng)的防治對策等進(jìn)行了深入的調(diào)查與研究。

1 自然環(huán)境背景

1.1 流域概況

三道橋溝位于四川省甘孜州康定市康定新城(榆林)NW351°方向，約15.0 km處，是雅拉河右岸的一級支溝。

目前，成都到康定的交通較為便利。自成都沿成-雅-康高速可直達(dá)康定縣城。從康定老城區(qū)(爐城鎮(zhèn))到三道橋溝口有縣道(Z002)直達(dá)，三道橋溝主溝有便道可達(dá)流域中上游，從木格錯有便道可進(jìn)入流域左支溝上游，流域內(nèi)交通也較便利。

1.2 地形地貌

三道橋溝流域上游山體地形陡峻，主溝長度12.86 km，流域面積32.61 km2，平均縱坡175‰。區(qū)域內(nèi)最高點位于流域西側(cè)，海拔 4 882 m，最低點位于溝口附近，海拔 2 640 m，相對高差達(dá) 2 242 m，整體呈西南高東北低，其高程分級與坡度統(tǒng)計如表1、表2所示。溝谷上游和溝口有斷層通過，受構(gòu)造運動控制，三道橋溝與其他大型溝谷的溝形不同，主溝頂部上近似矩形、面積約20 km2坡度相對較緩的區(qū)域內(nèi)發(fā)育2條支溝。三道橋溝流域地勢總體呈現(xiàn)緩-陡-緩的分布，整個流域匯水面積大，降雨時雨量匯集量較大，為泥石流水源的匯流提供了基礎(chǔ)。

表1 三道橋溝流域地表高程分級統(tǒng)計表

表2 三道橋溝流域山坡坡度分級統(tǒng)計表

三道橋溝流域水系呈羽狀，有利于泥石流體匯流，主溝兩側(cè)山體陡峻，為暴雨洪水的匯集提供了良好的條件。上游為冰雪覆蓋區(qū)和寒凍風(fēng)化區(qū)，寒凍風(fēng)化侵蝕較強(qiáng)烈，冰雪融水沿坡支溝匯集于主溝后沿陡峻溝道下泄，為山洪、泥石流提供了必要的動力條件。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與巖性

三道橋溝流域自溝口向上游依次出露地層為沉積地層、變質(zhì)巖和巖漿巖。

(1)沉積地層

第四系，泥石流堆積物和冰磧物等，主要分布于溝口堆積扇，雜色，以塊碎石為主，內(nèi)部為細(xì)粒土充填，含亞砂土和亞黏土。此外，在主溝道內(nèi)也分布有泥石流溝道堆積物，在溝源分布有大量的冰磧物。

(2)變質(zhì)巖

三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)，以淺灰色變質(zhì)砂巖為主，其次為板巖及千枚巖；受構(gòu)造和風(fēng)化作用的影響，地表出露巖層裂隙發(fā)育。

(3)巖漿巖地層

根據(jù)1:20萬區(qū)域地質(zhì)資料，三道橋溝流域位于鮮水河斷裂帶，有兩條斷層(大雪山-農(nóng)戈山斷裂和金龍寺-磨子溝斷裂)從該流域中下游穿過。大雪山-農(nóng)戈山斷裂屬鮮水河斷裂帶的一部分，斷裂走向SE165°，斷裂沿線巖體破碎，寬2～6 km的巖體內(nèi)，同向的低級斷裂極為發(fā)育。金龍寺-磨子溝斷裂為大雪山-農(nóng)戈山斷裂的分支斷裂[5]。

1.4 氣象水文

康定市地處青藏高原亞濕潤氣候區(qū)，具有高原氣候特征，日照充分、晝夜溫差大，氣候干燥，常年無夏、冰雪期長。年平均氣溫為7.1 ℃，月平均最高氣溫為15.7 ℃，月平均最低溫度為-14.7 ℃。多年月平均降雨量如表3所示。

表3 康定市多年月平均降雨量統(tǒng)計表

康定市以折多山為界，分為折東地區(qū)和折西地區(qū)。折東極高山區(qū)山高谷深，水系發(fā)育；折西丘狀高原面中部平坦，多湖泊、沼澤，為水系源頭。折西地區(qū)屬雅礱江水系，雅礱江從市境西南緣流過，流途較短，約25 km。該區(qū)內(nèi)高山湖泊眾多，大小不均，一般分布于海拔 3 500～3 900 m之間，湖泊(海子)深度一般為幾米至幾十米不等，儲水量豐富，是水系支流的發(fā)源地。

康定市特定的高原氣候條件，易形成局部短時強(qiáng)降雨，同時也是直接激發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要外因，是促使泥石流、滑坡暴發(fā)的主要動力條件。

2 泥石流活動歷史、性質(zhì)與形成機(jī)理2.1 泥石流活動歷史

三道橋溝又名阿米綳卡，歷史上未發(fā)生過較大規(guī)模的泥石流， 1970-1980年間，發(fā)生過小型泥石流，未造成重大災(zāi)害。1996年7月發(fā)生中等規(guī)模山洪泥石流，大量雨水向溝內(nèi)匯集，溝道兩側(cè)大量崩滑物源被雨水沖至溝內(nèi)，并沿溝道沖出。由于當(dāng)時堆積區(qū)后緣地勢較為平坦，洪水向溝道兩側(cè)漫流，致使溝道附近幾間房屋被沖毀，另有多間房屋及村民的生命安全受到威脅。其中粒徑較大的固體物質(zhì)主要堆積在溝道及兩側(cè)10 m左右處，小顆粒物質(zhì)直接被沖進(jìn)溝口的雅拉河中，被河水沖走。

三道橋溝泥石流近兩年都有固體物質(zhì)沖出，不過方量較小，未造成溝口房屋受損及人員傷亡，其堆積區(qū)內(nèi)新建跨溝小橋橋洞均未被堵塞。根據(jù)溝口堆積扇植被、村莊、耕地的分布，堆積區(qū)在溝道規(guī)劃治理之前主溝不發(fā)育、溝谷徑流多沿堆積扇漫流的狀況，野外泥石流爆發(fā)歷史調(diào)查訪問以及泥石流的堆積特征等，判定三道橋溝多以山洪水石流、稀性泥石流為主。

2.2 泥石流性質(zhì)

三道橋溝口老泥石流堆積體出露剖面表明，三道橋溝歷史上經(jīng)歷了多次泥石流事件，多期次泥石流堆積物疊加形成目前的堆積扇。結(jié)合這一情況，分別對不同時期泥石流堆積體進(jìn)行取樣，共計6個樣品，從老到新分別進(jìn)行編號，并測定了6個樣品的顆粒組成如表4所示。而后，做出了土體顆粒大小級配曲線如圖1所示。

表4 三道橋溝泥石流堆積物顆粒分析結(jié)果統(tǒng)計表

圖1 三道橋溝泥石流堆積體顆粒分析粒度曲線

現(xiàn)場取樣的顆分試驗結(jié)果表明，三道橋溝泥石流樣中粉粒(<0.05 mm)含量為0.99%～5.19%，砂粒(0.05～2 mm)含量約為28.24%～47.75%，礫石(>2 mm)含量約占50.30%～70.77%。從顆粒組成上看，三道橋溝泥石流堆積體差異較大，其中1號、3號、4號泥石流樣土體整體上逐漸偏粗，2號樣與 4號樣較為接近；5號樣中粗顆粒含量最多，但其粉粒和粘粒含量也較高；6號樣中粗顆粒含量較少，粉粒和粘粒較高，表明最近一次泥石流活動中土體顆粒偏細(xì)。

6個樣品的顆粒組成分析結(jié)果表明，三道橋溝內(nèi)不同時期泥石流堆積體的土體顆粒級配曲線形態(tài)發(fā)生了一定變化，堆積區(qū)的顆粒粗細(xì)情況不一。其中<2 mm以下的細(xì)顆粒含量分別為49.70%、29.72%、42.21%、30.69%、29.72%和43.41%。6個樣品的Malvern試驗分析顯示，<0.005 mm以下的粘粒含量分別為0.30%、0.20%、0.16%、0.16%、0.44%和0.34%，細(xì)顆粒含量均呈現(xiàn)單峰型。

根據(jù)試驗結(jié)果，三道橋溝泥石流為典型的暴雨型泥石流，泥石流暴發(fā)誘因主要為強(qiáng)降雨，物源較為豐富，主要為坡面物源。

2.3 泥石流形成物源及機(jī)理

三道橋溝泥石流松散固體物源較豐富，主要有崩滑堆積物源、坡面侵蝕物源和溝道物源三大類。各物源點基本情況如表5所示。

表5 三道橋溝泥石流物源統(tǒng)計表

流域上游雖地勢平緩，但集水面積較大，在汛期易匯流產(chǎn)生大規(guī)模洪水，并在流域中下游強(qiáng)烈侵蝕沖刷，將溝道兩側(cè)坡面松散堆積物及溝道堆積體迅速挾帶至下游，從而發(fā)展演化為泥石流。

3 泥石流關(guān)鍵運動特征值計算

3.1 洪水洪峰流量計算

三道橋溝流域內(nèi)無雨量和山洪流量觀測資料，因此無法用數(shù)理統(tǒng)計的方法計算設(shè)計洪峰流量。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》的推理公式[6]：

(1)

式中：QB——設(shè)計洪峰流量(m3/s)；

φ——洪峰徑流系數(shù)；

S——暴雨雨力，即最大1 h暴雨量(mm/h)；

τ——流域匯流時間(h)；

n——暴雨衰減指數(shù)；

F——流域面積(km2)。

3.2 泥石流峰值流量計算

對于暴雨泥石流，目前均采用配方法計算泥石流的峰值流量，其計算公式為：

Qc=(1+φc)QBDu

(2)

式中：Qc——泥石流洪峰流量(m3/s)；

QB——清水洪峰流量(m3/s)；

φc——泥石流洪峰流量增加系數(shù)，φc=(γc-γw)/(γs-γc)；

γc——泥石流容重(t/m3)；

γw——清水容重(t/m3)；

γs——固體物質(zhì)實體容重，取26.5 kN/m3；

Du——堵塞系數(shù)。

3.3 泥石流流速計算

根據(jù)三道橋溝泥石流的性質(zhì)和特點，采用規(guī)范推薦公式進(jìn)行稀性泥石流流速計算：

(3)

式中：Vc——泥石流斷面平均流速(m/s)；

nc——泥石流溝床粗糙率，按附錄Ⅰ中表Ⅰ.5取值；

Rc——計算斷面水力半徑(m)；

Ic——泥石流水力坡降，可用溝床坡降代替；

γH——泥石流中固體物質(zhì)重度，取2.65 t/m3。

3.4 一次泥石流沖出總量計算

由于泥石流比一般洪水更具暴漲暴落的特點，一次泥石流過程一般均比較短[7]。泥石流過程線可概化成五邊形，一次泥石流總量的計算公式為：

(4)

式中：Wc——一次泥石流的總量(m3)；

T——泥石流歷時(s)；

Qc——泥石流的洪峰流量(m3/s)。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量的計算公式為：

Ws=(γc-γw)Wc/(γs-γc)

(5)

3.5 泥石流沖擊力計算

(1)泥石流整體沖壓力

三道橋溝泥石流整體沖壓力的計算，主要依據(jù)規(guī)范推薦的泥石流體整體沖壓力計算公式[8]：

(6)

式中：δ——泥石流體整體沖擊壓力(Pa)；

g——重力加速度(m/s2)，取9.8 m/s2；

α——建筑物受力面與泥石流沖壓力方向的夾角(°)，該處取90°；

λ——建筑物形狀系數(shù)，圓形建筑物取1.0，矩形建筑物取1.33，方形建筑物取1.47，該處取1.47。

(2)泥石流個別大石塊沖壓力

根據(jù)規(guī)范中推薦的泥石流體中大石塊對橋墩的沖擊力計算公式，對沖擊力進(jìn)行計算。

(7)

式中：E——構(gòu)件彈性模量(Pa)；

J——構(gòu)件截面中心軸的慣性矩(m4)；

L——構(gòu)件長度(m)；

V——石塊運動速度(m/s)；

W——石塊重量(t)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，三道橋溝溝床內(nèi)最大塊石粒徑3.1 m×1.4 m×1.4 m。

三道橋溝泥石流關(guān)鍵運動特征值計算結(jié)果如表6所示。

表6 三道橋溝泥石流關(guān)鍵運動特征值計算結(jié)果表

4 泥石流對鐵路的影響分析

三道橋溝溝口為一老的泥石流堆積扇。堆積扇上是三道橋村民聚居區(qū)，修建有大量的民房、道路，并開墾有成片的耕地，原有的堆積扇已被人為改造和利用。擬建鐵路從三道橋溝泥石流形成的堆積扇中部通過，并計劃在堆積扇上設(shè)置康定車站。

三道橋溝流域內(nèi)物源較豐富，具備形成泥石流的物源和地形地貌條件。流域內(nèi)物源較豐富，中下游段溝道和山坡縱坡較陡；特別是近年來受周邊多次地震的影響，流域內(nèi)物源更加松散，具備發(fā)生泥石流的物源條件。根據(jù)估算，該流域P=1%、2%、5%和10%情況下，溝口處設(shè)計泥石流峰值流量分別為250.75 m3/s、169.80 m3/s、105.65 m3/s和65.39 m3/s。根據(jù)峰值流量值，對鐵路通過處橫斷面的過流能力進(jìn)行驗算，并計算泥石流泥深、最大沖起高度和彎道超高參數(shù)，結(jié)果表明：P=1%頻率條件下，泥石流泥深為4.90 m，最大沖起高度3.03 m，彎道超高0.90 m；P=2%頻率條件下，泥石流泥深為4.25 m，最大沖起高度2.75 m，彎道超高0.82 m；P=5%頻率條件下，泥石流泥深為2.95 m，最大沖起高度2.62 m，彎道超高0.12 m；P=10% 頻率條件下，泥石流泥深為1.95 m，最大沖起高度2.31 m，彎道超高0.11 m。綜合泥石流泥深、最大沖起高度、彎道超高等參數(shù)的計算結(jié)果，不同頻率下泥石流的可能最大泥位深度分別為8.83 m(P=1%)、7.82 m(P=2%)、5.69 m(P=5%)、4.37 m(P=10%)。

鐵路沿三道橋堆積扇中部走線，通過中部扇面溝道時，以橋梁形式跨過，康定車站布置在堆積扇左半側(cè)部分。根據(jù)估算，當(dāng)該流域暴發(fā)P=5%以下規(guī)模泥石流時，鐵路通過處，現(xiàn)有的防治工程(1座梳齒壩和1條排導(dǎo)槽)只要維護(hù)得當(dāng)，泥石流不會漫出排導(dǎo)槽，因此，泥石流對位于三道橋堆積扇的擬建鐵路工程影響較小。當(dāng)該流域暴發(fā)P=5%及以上規(guī)模泥石流時，現(xiàn)有排導(dǎo)槽(過流面積約17.5 m2)過流面積不足，將會出現(xiàn)漫流，且此時泥石流的可能最大泥位深度將超過5.69 m，若跨溝橋梁橋下凈空小于該泥位深度，泥石流會對橋梁工程造成一定程度的危害。此外，由于三道橋溝口處無相應(yīng)的束流歸流防護(hù)工程措施，泥石流沖出溝口后，當(dāng)規(guī)模較大時，會在堆積扇上展開漫流，若鐵路場站、路基以及其他附屬設(shè)施在泥石流的泛濫范圍之內(nèi)，則會遭受不同程度的破壞和損失。

5 泥石流防治對策

5.1 現(xiàn)有防治工程概況

為保護(hù)堆積扇三道橋村居民的安全，三道橋溝內(nèi)修建有1座梳齒壩和2段排導(dǎo)工程，均位于泥石流堆積區(qū)，第一段排導(dǎo)工程位于三道橋溝出山口附近，喇叭口收縮束流，漿砌石結(jié)構(gòu)，長度約23.3 m，用于將流域內(nèi)的山洪歸流到下游溝道內(nèi)，以防止其對堆積扇居民的生產(chǎn)生活造成危害。

三道橋溝堆積扇中部有1處采石場，在采石場下游修建有1座梳齒壩和與之相連的1段排導(dǎo)槽，排導(dǎo)槽前段為喇叭口束流。

據(jù)調(diào)查訪問，這2處防治工程均修建于2015年。梳齒壩為混凝土結(jié)構(gòu)，有效壩高4.0 m，梳齒縫寬1.0 m，梳齒寬1.0 m，頂長1.5 m，底長2.4 m；邊墻高6.5 m，頂寬1.5 m，底寬5.1 m；壩底寬 6.0 m，壩頂長34.5 m，壩底長28.0 m；壩頂設(shè)溢流口，長21.0 m，深0.5 m。梳齒壩主要用于阻擋采石場中的大石塊被山洪裹挾至排導(dǎo)槽內(nèi)，減輕對下游排導(dǎo)槽和河道的危害。與梳齒壩相連的排導(dǎo)槽位于堆積扇中下部，為漿砌石結(jié)構(gòu)，排導(dǎo)槽通過喇叭口束流連接上游梳齒壩，從三道橋村穿過，匯入雅拉河，過流斷面形態(tài)為矩形，槽底寬約5.0 m，高度約3.5 m，縱比降約0.10，過流面積約 17.5 m2，總長度約400 m。

三道橋溝現(xiàn)有泥石流治理標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。工程現(xiàn)階段運行良好，排導(dǎo)槽存在輕度磨蝕，槽內(nèi)基本無淤積，溝道內(nèi)常年有流水，其中5～7月水流量較大。

5.2 具體防治對策與建議

(1)工程防治措施

①目前，現(xiàn)有的泥石流治理工程只能滿足20年一遇山洪泥石流的防治要求，因此應(yīng)按鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)做好該溝泥石流的防治工作。考慮到康定車站站址的重要性，建議對該流域泥石流進(jìn)行工程治理?？刹捎谩耙詳r為主，攔排結(jié)合”的治理方案，在流域內(nèi)設(shè)置 2～3座攔擋壩，以攔蓄泥石流固體物質(zhì)，在出山口以下堆積區(qū)修建排導(dǎo)槽，對泥石流進(jìn)行束流歸流，以引導(dǎo)其快速通過鐵路工程布置區(qū)域。

②建議在鐵路通過三道橋溝中部扇面溝道時，采用一橋跨越方式。橋梁的跨度和凈空高度要滿足排泄鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)泥石流流量的要求，從而保障山洪和泥石流從橋下順暢通過，防止漫流造成的危害。

③建議溝道內(nèi)盡量不設(shè)置橋墩，無法避免必須布置于溝道內(nèi)時，需對橋墩進(jìn)行防沖擊、防沖刷防護(hù)。

④做好橋梁跨溝處上、下游溝道兩岸的防護(hù)措施，防止漫流影響路基、場站及相關(guān)附屬設(shè)施的安全。

⑤針對泥石流危害范圍內(nèi)的路基、場站及相關(guān)附屬設(shè)施，建議做好上游方向的防護(hù)。

(2)非工程防治措施

①為避免極端情況超標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模泥石流的影響，建議施工期間，可在流域內(nèi)布置雨量、雨強(qiáng)、水位(泥位)等監(jiān)測設(shè)施，開展三道橋溝泥石流的監(jiān)測預(yù)警工作。

②鐵路建設(shè)期間，臨時施工場地等應(yīng)避免布置在山洪泥石流危險區(qū)范圍內(nèi)。

③對工程建設(shè)過程中可能產(chǎn)生的工程棄渣，必須按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行處理，嚴(yán)禁隨意傾倒，胡亂堆放，以防引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害或誘發(fā)人為泥石流。尤其防止其進(jìn)入溝道，從而阻塞泄洪通道，導(dǎo)致泥石流漫流。

④嚴(yán)禁施工營地生活、建筑垃圾堆放在溝道內(nèi)堵塞溝道。

6 結(jié)束語

(1)三道橋溝流域泥石流松散固體物質(zhì)類型主要包括崩滑堆積物源、坡面侵蝕物源和溝道物源。經(jīng)估算，三道橋流域內(nèi)松散固體物源總量約 695.4×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為159.3×104m3。

(2)通過對野外泥石流爆發(fā)歷史的調(diào)查訪問，結(jié)合三道橋溝泥石流堆積特征，判斷三道橋溝為稀性～過渡性泥石流，泥石流的容重取值在1.5～1.8 g/cm3之間。通過計算，百年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下(P=1%)，三道橋溝主溝溝口泥石流峰值流量為250.75 m3/s，一次最大沖出固體物質(zhì)為7.7×104m3。

(3)三道橋溝泥石流易發(fā)性、發(fā)展階段、活動強(qiáng)度及危險性評價的結(jié)果表明：三道橋溝泥石流易發(fā)程度等級為“輕度易發(fā)”，處于發(fā)展期(壯年期)活動強(qiáng)度為“較強(qiáng)”，泥石流危險度為中度危險。

(4)當(dāng)三道橋溝暴發(fā)P=5%以下規(guī)模泥石流時，在現(xiàn)有防護(hù)措施的防護(hù)下，泥石流對擬建鐵路工程的影響較小。當(dāng)該流域暴發(fā)P=5%及以上規(guī)模泥石流時，現(xiàn)有排導(dǎo)槽(過流面積約17.5 m2)過流面積不足，若跨溝橋梁橋下凈空小于泥位深度，泥石流會對橋梁工程造成一定程度的危害。此外，由于三道橋溝口處無相應(yīng)的束流歸流防護(hù)工程措施，泥石流沖出溝口后，當(dāng)規(guī)模較大時，會在堆積扇上展開漫流，處于泥石流泛濫范圍內(nèi)的鐵路場站、路基以及其他附屬設(shè)施等，會遭受不同程度的破壞和損失。

(5)本文在三道橋溝泥石流易發(fā)性和危險性評價及對鐵路影響評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出三道橋溝泥石流應(yīng)采用工程措施與非工程措施相結(jié)合的綜合防治方案。