瀘石高速水井灣泥石流特征分析及防治對(duì)策

楊緒波，李天濤，廖芳茂

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

0 引言

瀘定至石棉高速公路于川西地區(qū)四川盆地向青藏高原的過(guò)渡帶，且路線走廊帶整體沿大渡河順河而下。場(chǎng)區(qū)峽谷深切，岸坡陡峻，地震烈度高，活動(dòng)斷裂強(qiáng)烈，滑坡、崩塌、泥石流等各類(lèi)不良地質(zhì)發(fā)育[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，大渡河流域已發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)中，泥石流就占總數(shù)的34.24%[2]。泥石流不僅占比數(shù)量多，爆發(fā)頻率也較高，有的段落甚至每年都要爆發(fā)泥石流。而相對(duì)頻繁的泥石流災(zāi)害也給當(dāng)?shù)厣a(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生了一定影響，比如2005年6月30日，瀘定杵泥鄉(xiāng)爆發(fā)多處泥石流，沖毀部分公路及橋梁，并有多人傷亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3千余萬(wàn)元[3]。

因受路線起點(diǎn)限制，擬建瀘石高速將穿越水井灣泥石流溝且無(wú)法繞避，因此有必要對(duì)該泥石流溝進(jìn)行深入研究。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、原位試驗(yàn)，運(yùn)用特征參數(shù)計(jì)算法分析泥石流的特征及發(fā)展趨勢(shì)，綜合評(píng)價(jià)其影響程度，并進(jìn)行防治對(duì)策建議，也給大渡河流域類(lèi)似泥石流的調(diào)查與防治提供借鑒。

1 泥石流區(qū)域概況

1.1 地形與地貌

水井灣泥石流位于大渡河右岸。溝域內(nèi)地貌類(lèi)型為構(gòu)造侵蝕中高山地貌，溝域面積為118 km2，主溝長(zhǎng)約18 km，溝床寬度為25 m～200 m，流域形態(tài)似葉片狀，總的地勢(shì)特征為北西高南東低，溝域最高點(diǎn)高程為5 040 m，最低點(diǎn)海拔高程為1 294 m，相對(duì)高差3 746 m，平均縱坡約208.1‰，向南東側(cè)匯入大渡河。擬建水井灣大橋?qū)⒂诹魍▍^(qū)中下部通過(guò)。

1.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)處于川滇經(jīng)向構(gòu)造帶、華夏系、新華夏系、青藏滇緬印尼歹字型構(gòu)造、香爐山弧形構(gòu)造等五個(gè)構(gòu)造體系的交接帶上，場(chǎng)地附近主要發(fā)育水井灣斷層(見(jiàn)圖1)，該斷層長(zhǎng)約10 km，走向N20E～N20W，傾向東，傾角約75°，受其影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖體破碎。場(chǎng)區(qū)位于瀘定縣附近，其地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，地震基本烈度為8度。

1.3 氣象及水文

瀘定地區(qū)年平均氣溫為15.5 ℃，最熱為每年五六月份，氣溫可達(dá)36.4 ℃，冬季最冷為-7.5 ℃。年均降雨量為664.4 mm，八月最大降雨量時(shí)可達(dá)177.8 mm。降雨天數(shù)143.2 d/a，雷陣雨、暴雨時(shí)間26.8 d/a，降雪數(shù)5.1 d/a。一年中以北北西向風(fēng)為主，風(fēng)速可達(dá)15 m/s，大風(fēng)天氣約10.5 d/a。年月均相對(duì)濕度66%，最小相對(duì)濕度為0。蒸發(fā)量1 526.9 mm/a，僅五月可達(dá)184.4 mm。年場(chǎng)區(qū)均降雨量為1 080 mm。

據(jù)吳積善等著《泥石流及其綜合治理》[4-5]，四川山區(qū)泥石流激發(fā)雨量一般為一次雨量48 mm～50 mm左右或10 min雨量8 mm～12.2 mm，1 min雨強(qiáng)0.8 mm～1.2 mm左右。由于水井灣內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，松散物源量較多，其激發(fā)雨量還可能更低，其雨強(qiáng)完全可以滿(mǎn)足激發(fā)泥石流的條件，暴雨是該泥石流的主要引發(fā)因素。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流活動(dòng)歷史特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析認(rèn)為水井灣泥石流是一條老泥石流溝，歷史上泥石流活動(dòng)較為活躍，二十世紀(jì)五六十年代該溝泥石流爆發(fā)頻率較高，據(jù)當(dāng)?shù)乩先私榻B，1958年曾爆發(fā)過(guò)一次大規(guī)模的泥石流，影響嚴(yán)重。2000年至今，也曾爆發(fā)過(guò)多次泥石流災(zāi)害，其中以2005年、2012年和2018年爆發(fā)的規(guī)模尤為明顯，影響也較大。根據(jù)老鄉(xiāng)回憶，初步判定1958年泥石流規(guī)模為100年一遇；2005年 泥石流規(guī)模為50年一遇；2012年泥石流規(guī)模為20年一遇。早期泥石流痕跡已消失，根據(jù)老鄉(xiāng)回憶，推測(cè)1958年泥石流在橋位斷面最大泥深約1.5 m；2005年泥深約1.0 m，初步估算該次泥石流峰值流量約200 m3/s，固體物質(zhì)沖出量約3萬(wàn)m3。該泥石流于2014年進(jìn)行了治理工程施工，溝域內(nèi)共設(shè)置了3道攔擋壩和溝口處一條長(zhǎng)約1 610 m的排導(dǎo)槽，至今運(yùn)行良好。2018年泥石流爆發(fā)后3道攔擋壩均被部分淤積，由于橋梁斷面離1號(hào)攔擋壩距離較近，未見(jiàn)泥痕，平均淤積深度約0.5 m。

2.2 泥石流溝道特征

溝域上游溝道發(fā)育，溝域中上游出山口以上為構(gòu)造剝蝕斜坡侵蝕下切形成深切溝谷地貌，兩側(cè)山體切割較烈呈“V”型谷，溝岸地形坡度25°～75°，溝域出山口以下堆積區(qū)為“U”型谷堆積地貌。根據(jù)地形地貌、物源狀況、水源條件、植被發(fā)育狀況、分布特征、溝道泄流能力等將溝域劃分為形成區(qū)和物源流通區(qū)兩個(gè)區(qū)域[6]，分區(qū)特征見(jiàn)圖1，圖2及表1。

表1 水井灣流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 泥石流物源特征

泥石流的物源按類(lèi)型劃分，主要有溝道堆積物源、坡面物源和人工物源等3種類(lèi)型。泥石流物源量的確定是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查并結(jié)合遙感衛(wèi)星影像，確定潛在物源的位置，量測(cè)物源量的范圍，估計(jì)物源量的厚度及堆積形態(tài)，進(jìn)而估算物源的方量，以此作為物源的堆積方量；可參與泥石流的物源動(dòng)量的計(jì)算是根據(jù)單個(gè)物源點(diǎn)的形態(tài)及特征，分析其可能失穩(wěn)或侵蝕的范圍，在結(jié)合地形地貌形態(tài)，推測(cè)其可能參與泥石流活動(dòng)的物源量，以此作為其動(dòng)儲(chǔ)量[7]。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，水井灣泥石流溝域內(nèi)共發(fā)育泥石流物源15處，物源總量為65.77×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量為16.41×104m3，各類(lèi)物源見(jiàn)圖3，表2。

2.4 泥石流堆積特征

本次調(diào)查對(duì)不同溝段溝道中泥石流堆積物采取了3組 樣品進(jìn)行顆粒分析，其土體粒徑級(jí)配見(jiàn)圖4。由試驗(yàn)結(jié)果可反映出泥石流的一些特征：

1)水井灣溝域內(nèi)主溝上游溝道平均縱坡較小，沖淤特征應(yīng)以淤為主。而在主溝中段，由于主河溝道寬緩，且有多級(jí)攔擋壩，泥石流排導(dǎo)能力較差，該段大量淤積，泥石流沖淤特征表現(xiàn)為以淤為主，泥石流堆積物中砂、粉粒等細(xì)顆粒含量明顯增加。

表2 物源統(tǒng)計(jì)表 m3

2)在溝域上、下游，溝道縱坡較大，水動(dòng)力條件較好，泥石流沖淤特征總體上是以沖為主，個(gè)別溝道表現(xiàn)出淤積的特征。由于水井灣溝域內(nèi)泥石流固體物質(zhì)主要以粗顆粒為主，并且溝域內(nèi)水動(dòng)力條件較好。因此在水井灣溝口堆積區(qū)內(nèi)也主要以淤積粗顆粒物質(zhì)為主。

根據(jù)上述特征，判斷水井灣泥石流屬于暴雨類(lèi)-溝谷型-中頻-大型-稀性泥石流。

3 泥石流關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)特征值計(jì)算

3.1 容重

泥石流容重根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)重度試驗(yàn)及查表法整合取值確定。

于水井灣泥石流中、下游溝內(nèi)共布置5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)配漿試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果泥石流重度為1.538 t/m3～1.585 t/m3，平均值1.561 t/m3。根據(jù)規(guī)范[7]中泥石流易發(fā)程度數(shù)量化評(píng)分原則，水井灣泥石流易發(fā)程度評(píng)分為89分，對(duì)應(yīng)泥石流流體容重為1.614 t/m3。綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查試驗(yàn)法和查表法兩種方法，泥石流流體平均重度取值為1.561 t/m3，屬于稀性泥石流。

3.2 流速與流量

水井灣泥石流屬于稀性泥石流，根據(jù)規(guī)范中泥石流計(jì)算公式：

(1)

其中，Vc為流速,m/s；γH為泥石流固體物質(zhì)重度，t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數(shù)，并以查表法確定；n為泥石流溝床糙率系數(shù)采用實(shí)際調(diào)查結(jié)果；Hc為平均泥深，m,采用調(diào)查所得的最高洪水位痕跡線；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。按以上公式求得各斷面位置泥石流流速值見(jiàn)表3。

根據(jù)雨洪法計(jì)算泥石流流量：

Qc=(1+φ)Qp×Dc

(2)

其中，Qc為某頻率下的泥石流洪峰值流量，m3/s；Qp為某頻率下的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量，m3/s；φ為泥沙修正系數(shù)；Dc為泥石流堵塞系數(shù)，水井灣泥石流溝道較為順直，Dc=1.0。

根據(jù)上式及參數(shù)計(jì)算得到不同部位不同降雨頻率下水井灣泥石流的洪峰流量，見(jiàn)表4。

表3 水井灣泥石流流速計(jì)算表

表4 水井灣泥石流峰值流量計(jì)算表

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q按式(3)計(jì)算:

Q=0.264TQc

(3)

其中，Q為一次泥石流總量，m3；T為泥石流歷時(shí)，s，泥石流歷時(shí)根據(jù)泥石流現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)取值，歷時(shí)2 h。Qc為泥石流的洪峰流量,m3/s。

一次泥石流沖出的固體物質(zhì)總量按式(4)計(jì)算：

QH=(γC-γW)WC/(γH-γW)

(4)

水井灣泥石流不同部位一次過(guò)流總量及一次通過(guò)固體物質(zhì)量見(jiàn)表5。

表5 一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量匯總表

3.4 沖擊力與沖起高度

泥石流整體沖擊力計(jì)算公式(按P=1%計(jì)算)：

(5)

其中，P為泥石流沖擊力，kN；λ為建筑物形狀系數(shù)，λ=1.0；α為建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，(°)，α=90°；γC為泥石流重度,kN/m3；Vc為流速,m/s。

泥石流最大沖起高度計(jì)算(按P=1%計(jì)算)：

(6)

泥石流爬坡高度計(jì)算(按P=1%計(jì)算)：

(7)

泥石流各斷面處的沖擊力及沖起高度計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 泥石流流體整體沖擊力及沖起高度計(jì)算結(jié)果

4 危害性評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

4.1 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

根據(jù)泥石流流域基本特征和參數(shù)，按照《規(guī)范[8]評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，水井灣泥石流的綜合打分是89分，其易發(fā)程度等級(jí)為“易發(fā)等級(jí)”，與實(shí)際情況較為一致。

4.2 泥石流發(fā)展階段

根據(jù)T/CAGH P006—2018泥石流災(zāi)害防治工程調(diào)查規(guī)范附錄表B.1泥石流溝發(fā)展階段的識(shí)別方法判斷，從溝口扇形、溝域松散物模量、溝槽侵蝕變形、溝坡坡形、溝道溝形、植被覆蓋率等16個(gè)因素判斷出水井灣泥石流處于發(fā)展期。

4.3 泥石流發(fā)展趨勢(shì)

水井灣泥石流溝域內(nèi)物源量非常豐富，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，水井灣泥石流溝域內(nèi)共發(fā)育泥石流物源15處，物源總量為65.77×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量為16.41×104m3。溝域面積較大、匯水條件較好，溝道呈深切“V”型谷，縱坡較陡，為泥石流流通提供了較好的通道及勢(shì)能條件。因此在持續(xù)降雨特別是連續(xù)暴雨條件下，該泥石流溝很可能再次發(fā)生泥石流災(zāi)害，泥石流危害將顯著增大。同時(shí)，由于場(chǎng)地緊鄰鮮水河斷裂帶，若產(chǎn)生近場(chǎng)地震可能導(dǎo)致物源增加，從而爆發(fā)更大規(guī)模泥石流。

4.4 泥石流對(duì)擬建橋梁影響

瀘石路從水井灣溝口通過(guò)，該段擬建設(shè)跨溝橋梁，橋梁長(zhǎng)度210 m左右，橋梁凈空22 m～27 m，根據(jù)計(jì)算得知，該溝泥石流在橋梁通過(guò)溝段的最大影響高度約2.57 m，遠(yuǎn)低于橋梁凈空高度。

因此，初步判定該溝泥石流活動(dòng)對(duì)橋梁橋面影響較小，但是，由于溝道較寬，橋墩可能會(huì)布設(shè)于溝道內(nèi)，那么泥石流發(fā)生就可能沖擊橋墩，因此，橋墩位置應(yīng)盡量避開(kāi)泥石流溝道范圍，或設(shè)置防沖擊措施。

5 泥石流防治對(duì)策

擬建橋梁1號(hào)、2號(hào)橋墩位于水井灣泥石流溝內(nèi)，為防止泥石流沖擊橋墩，建議以下措施：

1)橋梁采用大跨徑形式跨越泥石流，減少橋墩位于泥石流溝的數(shù)量。

2)于泥石流溝內(nèi)橋墩上游處設(shè)置防撞墩措施。

6 結(jié)語(yǔ)

1)水井灣泥石流為老泥石流，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次，結(jié)合多個(gè)特征判斷，該泥石流屬于暴雨類(lèi)-溝谷型-中頻-大型-稀性泥石流。物源總量為65.77×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量為16.41×104m3。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)計(jì)算，泥石流容重為1.561 g/cm3，流速為3.62 m/s～5.37 m/s，橋梁通過(guò)段一次流量為378.91 m3/s～543.87 m3/s，一次沖出固體物質(zhì)總量為2.43×104m3～3.50×104m3，沖擊力為2.11×104m3～4.52×103kN，沖起高度0.67 m～1.47 m，爬高1.07 m～2.35 m。

3)水井灣為易發(fā)等級(jí)且處于發(fā)展期，由于緊鄰鮮水河斷裂帶，若發(fā)生近場(chǎng)地震可能導(dǎo)致物源增加，從而爆發(fā)更大規(guī)模泥石流。

4)擬建橋梁凈空高度遠(yuǎn)大于泥石流沖起爬坡高度，因此泥石流不會(huì)對(duì)橋面產(chǎn)生影響，但會(huì)沖擊橋墩。建議橋梁采用大跨徑形式跨越泥石流，以減少橋墩位于泥石流溝的數(shù)量，并于泥石流溝內(nèi)橋墩上游處設(shè)置防撞墩。