川藏鐵路某冰川泥石流橋梁安全凈空高度研究

羅 鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

川藏公路波密縣境內(nèi)沿帕隆藏布兩岸是冰川泥石流、冰湖潰決型泥石流災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，其中，古鄉(xiāng)溝泥石流、培龍貢支溝泥石流及天魔溝泥石流曾多期多次毀壞川藏公路路基、橋梁工程，嚴(yán)重影響了公路安全[1-4]。川藏鐵路在該段地質(zhì)選線研究中，泥石流災(zāi)害是重要控制因素[5]。

前人對(duì)該區(qū)域內(nèi)冰川泥石流已進(jìn)行了諸多研究，在冰川泥石流區(qū)域特征評(píng)估、成因分析等方面，崔佳慧等[1]基于GIS平臺(tái)對(duì)川藏公路然烏至波密段泥石流的分布規(guī)律和發(fā)育特征進(jìn)行總結(jié)與分析；胡佳勝等[6]對(duì)西藏林芝地區(qū)典型泥石流溝調(diào)查后，對(duì)泥石流類型進(jìn)行了分類，分析了其形成條件并給出針對(duì)性防災(zāi)建議；魯新安、鄧明楓等[7-8]分別對(duì)2005年古鄉(xiāng)溝泥石流與2007年波密縣群發(fā)性冰川泥石流的水熱條件與形成機(jī)制進(jìn)行分析，指出冰川泥石流的發(fā)生主要受集中降雨與持續(xù)高溫的共同作用；屈永平等[9]對(duì)天摩溝冰川泥石流形成條件進(jìn)行詳細(xì)回溯分析。

在泥石流定量分析方面，程尊蘭等[10]對(duì)古鄉(xiāng)溝泥石流進(jìn)行了計(jì)算，并提出相關(guān)公式；韋方強(qiáng)等[11]從泥石流的二維運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，對(duì)古鄉(xiāng)泥石流溝進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲取了其最大流速、流深、動(dòng)能和動(dòng)量的空間分布；Ge Yonggang等[2]對(duì)天摩溝歷次暴發(fā)泥石流歷史進(jìn)行綜合分析，并對(duì)該次泥石流峰值流速、流量及物質(zhì)總量進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并給出相應(yīng)的減災(zāi)建議；鐘鑫、楊德宏等[12-13]分別對(duì)卡達(dá)溝、培龍貢支泥石流進(jìn)行了形成機(jī)理、特征分析，并進(jìn)行相應(yīng)的泥石流特征值計(jì)算。羅濤[4]等在對(duì)培龍貢支泥石流發(fā)育特征分析的基礎(chǔ)上，提出公路橋梁跨越方案。

目前，對(duì)于冰川泥石流的研究主要集中在成因、機(jī)理及特征值計(jì)算方面，缺乏在具體工程中的研究應(yīng)用以及系統(tǒng)性的計(jì)算流程總結(jié)，以川藏鐵路波密段內(nèi)具有重要影響的某典型泥石流溝為例，從該泥石流溝的易發(fā)性、暴發(fā)后泥石流最大影響范圍等方面分析線路穿越宜采用的工程形式，特別是在此類高地震烈度區(qū)，若以橋梁形式通過，就橋址選擇、橋梁安全凈空高度與橋跨形式設(shè)置進(jìn)行計(jì)算與分析，并系統(tǒng)性地總結(jié)冰川泥石流溝橋梁安全凈空高度計(jì)算體系與流程，最終提出線路建議跨越方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究對(duì)象

川藏鐵路波密縣境內(nèi)段線路是該段主要走向方案之一，即沿帕隆藏布北岸念青唐古拉山東麓高山中走行，沿線分布有21條冰川泥石流溝谷，如圖1所示。其中，C溝谷流域面積大、溝頂冰川發(fā)育，溝口冰磧物廣布、溝內(nèi)物源豐富，具備該地區(qū)冰川泥石流溝的典型特征，對(duì)線路方案研究具有重要價(jià)值，故選擇C溝為研究對(duì)象，開展線路跨越方案研究。

圖1 研究區(qū)冰川泥石流溝分布

1.2 自然地理?xiàng)l件

區(qū)域地貌屬藏東南高山峽谷區(qū)，地形高差大、切割強(qiáng)烈，岸坡陡峻，溝谷上游多發(fā)育冰川地貌。帕隆藏布江兩岸高山區(qū)海拔5 500～6 000 m，帕隆藏布河谷區(qū)海拔2 000～2 500 m，相對(duì)高差2 000～3 500 m。氣候?qū)賮啛釒降貪駶櫦撅L(fēng)氣候，夏無酷熱、冬無嚴(yán)寒、雨量充沛、霜期短、晝夜溫差大、氣候溫潤[14]。年平均溫度13 ℃，年平均降水量為1 276.0 mm，年最大降雨量1 514.7 mm。

1.3 地質(zhì)背景條件

區(qū)域一級(jí)構(gòu)造單元屬岡底斯—喜馬拉雅造山系，受構(gòu)造影響，發(fā)育一系列北西向的平行斷裂帶，區(qū)內(nèi)出露的主要有嘉黎—易貢藏布斷裂與嘉黎—迫龍藏布斷裂(全新世活動(dòng)斷裂)。其出露的主要地層為一套古—中元古代念青唐古拉群片麻巖夾大理巖及燕山期侵入巖，溝谷出露地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石類土及上更新統(tǒng)冰積碎石類土，如圖2所示。

圖2 C溝工程地質(zhì)平面

2 跨越方案分析

2.1 泥石流溝概況

C溝為帕隆藏布右岸一級(jí)支流，為特大型冰水混合型泥石流溝，流域面積53.53 km2，主溝長(zhǎng)12.39 km，溝床平均縱坡171‰，主溝枯季流量約為97 000 m3/d。距溝口約12 km的最高峰海拔5 880 m，最大高差3 661 m，兩側(cè)岸坡一般坡度角為30°～32°，坡度較陡的坡面主要位于流域周邊靠近分水嶺區(qū)域。古冰磧物分布于溝谷中下游，形成兩扇巨大的冰磧平臺(tái)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合平面圖分析，其主河河形彎曲或堵塞，主流受擠壓偏移，溝谷中礫石一般粒徑介于1～2 m，最大運(yùn)移塊石粒徑可見5 m，如圖3所示。

圖3 C溝溝道及泥石流堆積物

C溝流域山坡坡度較陡，其中25°～35°和≥35°的坡地面積達(dá)44.45 km2，占總流域的83%，較陡的坡體主要位于流域的上緣，主溝兩側(cè)山坡較為陡峭。流域內(nèi)水系呈羽狀，有利于泥石流體匯流，主溝兩側(cè)山體陡峻，為暴雨洪水匯集提供了良好條件，同時(shí)，坡體覆蓋層較松散，為溝域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育提供了有利條件。加之溝谷縱坡大，為松散固體物質(zhì)搬運(yùn)和泥石流形成提供了有利的地形。上游冰雪覆蓋區(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、泥石流提供必要的動(dòng)力條件。根據(jù)相關(guān)資料，其主溝近期無泥石流暴發(fā)歷史。

據(jù)遙感影像解譯，溝谷上游支溝崩塌、滑坡、泥石流頻發(fā)，對(duì)C溝流域內(nèi)泥石流物源的類型、分布和儲(chǔ)量進(jìn)行識(shí)別和估算。研究發(fā)現(xiàn)，C溝流域內(nèi)泥石流物源相對(duì)比較簡(jiǎn)單，松散固體物質(zhì)可分為兩種類型：冰川冰磧物和崩塌、滑坡等坡面物源，如圖4所示。經(jīng)遙感影像圈劃并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析得出，C溝流域內(nèi)松散固體物源總量約7.602×107m3，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為9.11×106m3。

圖4 C溝石流物源類型與分布

2.2 橋址方案選擇

泥石流溝跨越方案分兩種：一是以隧道形式下穿繞避，隧洞在該段落埋深需考慮極端工況下泥石流最大沖刷深度，此處不做討論；二是以橋梁形式上跨通過。線路以橋梁工程通過泥石流溝，泥石流溝的流通區(qū)為較合適位置，結(jié)合C溝發(fā)育形態(tài)，在溝心線轉(zhuǎn)折處下游的流通區(qū)通過，能較大程度上減小泥石流危害。分析橋臺(tái)岸坡穩(wěn)定性，小里程斜坡坡度較陡，坡面分布薄層巖堆，適宜橋臺(tái)選址；大里程側(cè)則分布有古冰磧物，密實(shí)程度上下差異較大，且分選差、磨圓差、孔隙大，特別是以透鏡體狀分布于其中的塊石土，其粒徑可達(dá)10～15 m。因此，在橋臺(tái)選擇時(shí)，應(yīng)選擇冰磧物厚度較小處及橋梁通過冰磧物最短處通過，最終確定橋址位置如圖5所示。

圖5 C溝橋址位置平面

3 泥石流危害定量評(píng)價(jià)

3.1 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

泥石流溝谷危害評(píng)價(jià)，首先須從其易發(fā)性著手，在此基礎(chǔ)上，再對(duì)泥石流對(duì)橋梁工程影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。根據(jù)T/CAGHP006—2018《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)[15]中泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分表Ⅰ.1各項(xiàng)指標(biāo)，C溝泥石流易發(fā)性綜合評(píng)判得117分，為極易發(fā)。因此，線路通過該泥石流溝時(shí)，橋梁高度與橋跨形式極為關(guān)鍵，須對(duì)一次泥石流最大可能影響范圍進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

3.2 一次泥石流最大影響范圍評(píng)價(jià)

根據(jù)泥石流發(fā)育特性可知，一次泥石流最大影響范圍應(yīng)包括設(shè)計(jì)頻率下的一次泥石流最大淤積厚度、泥深及泥石流沖起高度。

3.2.1 泥石流峰值流量計(jì)算

設(shè)計(jì)頻率下一次泥石流最大淤積厚度須由泥石流峰值流量計(jì)算得出，根據(jù)“規(guī)范”采用以泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生、計(jì)算斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變成泥石流流量為前提的雨洪法，是較為適宜的。

此方法首先按水文方法計(jì)算斷面設(shè)計(jì)頻率下暴雨洪峰流量Qp，再由泥石流泥沙修正系數(shù)及堵塞系數(shù)得出設(shè)計(jì)頻率下泥石流峰值流量Qc。此處采用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》[16]中“小流域暴雨洪峰流量計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算。其公式如下

Qc，p=0.278ψSF/τn

(1)

式中，Qc，p為頻率P下暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；S為暴雨雨力，即t=1 h的暴雨強(qiáng)度，mm/h；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積，km2；τ為流域匯流時(shí)間，h；τ0為ψ=1時(shí)流域匯流時(shí)間，h。

其中，ψ=f(μ，τn)，τn=f(m，S，J，L)，ψ與τ兩者互為函數(shù)關(guān)系，μ為產(chǎn)流參數(shù)(mm/h)；m為匯流參數(shù)；L為溝道長(zhǎng)度，km；J為河道平均坡度(以千分率計(jì))。μ、m直接由經(jīng)驗(yàn)式μ=6F-0.19及m=0.218θ0.204求得，θ為流域特征系數(shù)，θ=L/(J1/3-F1/4)。C泥石流溝流域形態(tài)參數(shù)見表1。

表1 C泥石流溝流域形態(tài)參數(shù)

設(shè)計(jì)頻率下的暴雨指數(shù)n及暴雨雨力S可由如下過程得出：由表1中暴雨參數(shù)，結(jié)合皮爾遜Ⅲ型頻率表[17]得出設(shè)計(jì)頻率下的最大暴雨量Htp(其中t=1、6、24 h，P=0.5、1、2、5、10)，而H1p即為Sp，由Htp根據(jù)降雨歷時(shí)不同，即可得出暴雨指數(shù)n，此處按最不利暴雨歷時(shí)6～24 h考慮，n=1+1.661lg(H6p/H24p)求得。計(jì)算采用的暴雨設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，其中，歷年24、6、1 h最大降雨量均值是由《西藏自治區(qū)林芝地區(qū)水文圖集》[18]結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值確定。

表2 C泥石流溝設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，得出設(shè)計(jì)頻率下暴雨洪峰流量，見表3。

表3 C泥石流溝設(shè)計(jì)頻率下暴雨洪峰流量 m3/s

雨洪法公式如下

Qc=(1+φ)Qp·Dc

(2)

式中，Qc為頻率P的泥石流峰值流量，m3/s；Qp為頻率P的暴雨洪峰值流量，m3/s；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，φ=(γc-γw)/(γs-γc)；γc為泥石流重度，g/cm3；γw為清水重度，g/cm3，取γw=1；γs為泥石流中固體物質(zhì)重度，g/cm3；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，取Dc=4。

由“規(guī)范”中表Ⅰ.2泥石流易發(fā)性與泥石流重度關(guān)系，可得P=5即20年一遇泥石流時(shí)，其重度γc=1.84 g/cm3，由“規(guī)范”表Ⅰ.2中得1+φ=2.05，從而反算出γs=2.65 g/cm3(各頻率下該值取值相同)。泥石流重度與規(guī)模密切相關(guān)，一般而言，泥石流規(guī)模越大，重度越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，百年一遇的泥石流重度與頻率有一定關(guān)系，其關(guān)系如下[19]

(3)

p′=0.01p

(4)

最終得設(shè)計(jì)頻率下泥石流重度，見表4。

表4 C泥石流溝設(shè)計(jì)頻率下泥石流重度 g/cm3

由式(2)可得C溝不同頻率泥石流峰值流量，如表5所示。

表5 C泥石流溝設(shè)計(jì)頻率下泥石流洪峰流量 m3/s

3.2.2 泥石流一次總量及一次固體物質(zhì)總量計(jì)算

泥石流一次總量按“規(guī)范”J.11式計(jì)算

W=0.264QcT

(5)

式中，W為泥石流一次總量,m3；T為行流時(shí)間,s；其余含義同前。

泥石流一次固體物質(zhì)總量計(jì)算，按“規(guī)范”J.20式計(jì)算

Ws=W(γc-γw)(γs-γw)

(6)

式中，W為泥石流一次總量，m3，其他符號(hào)同前。

計(jì)算可得C溝不同頻率泥石流一次總量及固體物質(zhì)總量，見表6。

表6 C泥石流溝設(shè)計(jì)頻率下泥石流一次總量及固體物質(zhì)總量 104m3

3.2.3 一次泥石流最大堆積厚度計(jì)算

一次泥石流的最大淤積厚度是泥石流災(zāi)害評(píng)估和防治的最重要參數(shù)之一，將直接決定橋梁預(yù)留凈空過流高度。泥石流的淤積厚度可通過野外調(diào)查獲得，也可通過泥石流的重度和泥石流危險(xiǎn)范圍的地形坡度，結(jié)合相應(yīng)泥石流體的屈服應(yīng)力計(jì)算而得。因本地區(qū)缺少泥石流體的屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)，故而，使用一次泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算[20-21]。該模型的誤差分析表明，一次泥石流最大堆積厚度(d)的平均相對(duì)誤差在7%左右，屬于允許誤差范圍內(nèi)，能滿足本工程對(duì)一次泥石流最大堆積厚度預(yù)測(cè)的精度要求。一次泥石流最大堆積厚度(dc)的計(jì)算公式為

(7)

式中，dc為一次泥石流最大堆積厚度，m；V為一次松散固體物質(zhì)最大補(bǔ)給量，m3，即為式(6)中Ws；γmax為泥石流最大重度，g/cm3；G為堆積區(qū)比降。

按最不利考慮，計(jì)算得出：P=0.5即200年一遇泥石流時(shí)，γmax取地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，G由1∶10 000地形圖量測(cè)可得，最終得到C溝一次泥石流最大堆積厚度為6.16 m。

3.2.4 泥石流泥深、沖起高度計(jì)算

在考慮淤積深度的基礎(chǔ)上計(jì)算泥石流流速、流深和沖起高度，某斷面處泥石流峰值流量計(jì)算公式如下

Qc=VA

(8)

式中，V為泥石流流速，m/s；A為過流面積，m2。橋址處過流斷面是典型深切“V”形溝谷，成都側(cè)為基巖岸坡，為侵蝕岸；拉薩側(cè)為冰磧物岸坡，為堆積岸，如圖6所示。此處過流面積A結(jié)合地形及斷面求得，由上式得出流速為10.03 m/s。

泥石流流速按照“規(guī)范”中J.31及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式[13]可得其泥深。

(9)

式中，n為糙率，依“規(guī)范”取0.156；H為泥深；I為斷面比降。計(jì)算得出泥深H=7.34 m。

泥石流沖起高度按照“規(guī)范”中式J.46結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系數(shù)修正，按照式(10)計(jì)算

(10)

式中，ΔH為沖起高度，m；g為重力加速度，m/s2。由式(10)可得ΔH=8.22 m。

綜上，由一次泥石流最大堆積厚度、泥深及泥石流沖起高度，考慮安全超高(安全超高取15 m)，從而得出橋梁安全凈空為36.72 m，如圖6所示。

圖6 C溝橋梁跨越安全凈空高度示意

4 結(jié)論及建議

因波密縣境內(nèi)廣泛分布的大型及特大型冰川泥石流溝，直接影響川藏鐵路在該段的走向及工程設(shè)置。選取該段落內(nèi)具有重要影響的某典型泥石流溝—C溝進(jìn)行橋梁安全凈空高度研究，研究結(jié)論如下。

(1)C溝流域面積大，溝頂冰川發(fā)育，溝口冰磧物廣布、溝內(nèi)物源豐富具備泥石流形成條件，定量評(píng)價(jià)極易發(fā)生泥石流。

(2)根據(jù)C溝泥石流的形態(tài)特征及兩側(cè)岸坡工程地質(zhì)條件，選定擬設(shè)橋梁位置，以衛(wèi)星遙感影像和野外實(shí)地調(diào)查為依據(jù)，通過對(duì)泥石流相關(guān)參數(shù)分析計(jì)算，得出200年一遇泥石流(P=0.5)最大影響范圍為21.72 m，考慮安全超高15 m，橋梁的安全凈空高度為36.72 m。

(3)該溝以橋梁形式通過時(shí)，應(yīng)以高墩大跨形式通過，橋高滿足安全凈空高度，同時(shí)做好泥石流工況下兩側(cè)岸坡防護(hù)。

(4)采用“雨洪法”計(jì)算設(shè)計(jì)工況下一次泥石流最大堆積厚度、泥深及躍起高度，在考慮安全超高的前提下，得出該冰川泥石流溝橋梁安全凈空高度，同時(shí)詳細(xì)展示了計(jì)算方法與流程，提出川藏鐵路以及其他冰川泥石流地區(qū)的泥石流危害定量評(píng)價(jià)思路。

未來工作中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)泥石流沖刷工況下拉薩側(cè)冰磧物岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，同時(shí)還應(yīng)考慮泥石流影響范圍內(nèi)的橋墩如何布設(shè)以及泥石流對(duì)橋墩沖擊力定量評(píng)價(jià)。