汶馬高速平橋溝泥石流危險性評價研究★

鄭國強(qiáng)，周威錦，陳柯竹

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

泥石流作為地表三大常見地質(zhì)災(zāi)害之一，具有突然性、流速快、流量大的特點，其破壞性強(qiáng)，嚴(yán)重危及下游人民生命財產(chǎn)安全。因此，對泥石流危險性的研究就顯得格外重要，其中，房金鵬等[1]基于GIS技術(shù)研究泥石流易發(fā)性，得知坡度和降雨是泥石流發(fā)生的重要因素。泥石流對高速公路的危害強(qiáng)烈，泥石流爆發(fā)時具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力強(qiáng)的特點[2-3]。高澤民等[4]研究川藏鐵路中泥石流的危害性，研究發(fā)現(xiàn)波密段內(nèi)泥石流發(fā)生概率最高。朱成成[5]運用關(guān)聯(lián)法對泥石流溝的危險性展開評價。柴波等[6]研究冰湖潰決對泥石流形成的影響，研究發(fā)現(xiàn)冰湖潰決激起涌浪能夠翻越壩頂，對泥石流發(fā)動有促進(jìn)作用。侯圣山等[7]利用數(shù)值模擬技術(shù)對河流流域的泥石流災(zāi)害性展開研究，研究發(fā)現(xiàn)泥石流爆發(fā)15 min～30 min后達(dá)到洪峰，約3 h后流量逐步回落。劉佳等[8]研究拉薩至那曲段泥石流危險性，研究發(fā)現(xiàn)泥石流高危險區(qū)主要分布在拉薩至羊八井路段。

本文針對汶馬高速平橋溝內(nèi)泥石流對汶馬高速和下游居民安全影響進(jìn)行分析評價，通過對平橋溝泥石流形成條件、運動特征參數(shù)進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果對平橋溝泥石流危險性進(jìn)行評價，并提出相應(yīng)的防治建議，為類似地區(qū)高速公路泥石流防治提供參考依據(jù)。

1 泥石流形成條件

1.1 泥石流溝及工程構(gòu)筑物位置

汶川至馬爾康高速公路平橋溝泥石流位于G317旁，主線樁號K209+000附近，泥石流直接影響為梭磨河及國道317線，與高速公路主線無直接交叉。

高速公路建設(shè)的需要，在平橋溝內(nèi)修建棄渣場，占溝長度2 km，采用重力壩鎖口，距溝口2.5 km。

1.2 地形及溝道條件

圖1是平橋溝流域全貌圖。梭磨河總體流向呈東西向,平橋溝位于梭磨河右岸，屬于高山V型谷地形。平橋溝流域面積96 km2，流域?qū)贅?gòu)造侵蝕高山強(qiáng)烈切割區(qū)。調(diào)查區(qū)內(nèi)最高點與最低點分別位于北端分水嶺和平橋溝溝口和梭磨河交界處，最高點與最低點海拔分別為4 610 m和2 830 m，相對高差約1 780 m。地勢特點北高南低，溝谷深切，地形起伏大。主溝長度15.4 km，平均縱坡降70.4‰。

平橋溝主溝長度較長且縱向坡度平緩，由上至下劃分成清水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。主溝海拔3 517 m 以上段為泥石流清水匯流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)物源分布相對較少。2 987 m～3 517 m段為形成區(qū)，區(qū)內(nèi)堆積物較多。2 858 m～2 987 m段為流通區(qū)，區(qū)內(nèi)地形陡峻，為泥石流運移提供通道條件。2 830 m～2 858 m段為堆積區(qū)，溝口有大量泥石流堆積物，形成堆積扇。

清水區(qū)長度約5.51 km，基巖為三疊系侏倭組(T3zh)砂板巖，破碎程度高，上覆覆蓋層較薄，物源不發(fā)育。溝道左右兩岸坡度較陡，約35°，溝道平均縱比降約為71.3‰，植被發(fā)育，覆蓋率達(dá)95%以上。

形成區(qū)長約6.895 km，溝谷呈“V”型，谷底寬為10 m～30 m，谷坡坡角約30°～50°，溝床平均縱坡降為75.4‰，兩岸局部可見基巖出露，左右兩側(cè)山體植被發(fā)育。主要物源為溝道物源，局部發(fā)育坡面侵蝕物源。

流通區(qū)長約2.317 km，溝谷形態(tài)主要呈“V”型槽谷，局部地段呈“U”型(見圖2)，溝谷寬20 m～40 m，局部最大可達(dá)80 m，高差129 m，平均縱坡降56‰；溝底現(xiàn)為第四系沖洪積、泥石流堆積物。兩岸岸坡出露地層為第四系殘坡積物，粉質(zhì)黏土夾礫石。該段溝床縱坡較緩，溝道較窄，泥石流過流過程中揭底沖刷較為強(qiáng)烈，細(xì)粒物質(zhì)多被沖刷帶走，殘留物質(zhì)以大塊石和漂石為主。繼續(xù)發(fā)生泥石流時將仍以洪水揭底沖刷為主。該段也是汶馬高速建設(shè)平橋溝棄渣場的主要區(qū)段。

堆積區(qū)長約0.68 km，形態(tài)主要呈“U”型槽谷，寬40 m～60 m，高差28 m，平均縱坡降42‰；溝底現(xiàn)為第四系沖洪積、泥石流堆積物，溝谷兩岸岸坡多可見基巖出露。

1.3 物源條件

平橋溝內(nèi)泥石流物源豐富，主要沿主溝溝道兩側(cè)及支溝溝道分布，部分山源地帶零星分布。溝域中、下游為主要物源分布區(qū)及參與泥石流活動區(qū)段。溝內(nèi)有8處物源點，物源主要為崩塌、滑坡堆積物。

據(jù)統(tǒng)計，平橋溝溝域物源總量410.8×104m3，其中溝道物源量共389.4×104m3，坡面物源量共8.5×104m3，崩滑物源總量12.9×104m3。泥石流動儲量共計17.5×104m3，其中溝道物源動儲量共13.9×104m3，坡面物源動儲量共0.5×104m3，崩滑物源動儲量3.1×104m3。

1.4 水源條件

平橋溝水源主要為大氣降雨，因此泥石流多出現(xiàn)在雨季；溝內(nèi)雖然地下水較豐富，但還不足以啟動溝域內(nèi)大量固體物源。

調(diào)查區(qū)附近降雨多集中在6月份～9月份，溝道水主要接受大氣降水補(bǔ)給，溝道內(nèi)匯集了大量地表水。由于溝道兩岸坡陡峻，寬度相對狹窄，因此水流動力強(qiáng)大，沖蝕和攜帶固體物質(zhì)的能力很強(qiáng)。在雨季強(qiáng)降雨條件下，形成泥石流的物源易誘發(fā)啟動而形成大規(guī)模的泥石流。

2 泥石流運動特征參數(shù)

2.1 泥石流流體重度

平橋溝泥石流重度的綜合取值為查表法和配漿計算法結(jié)果的平均值，取值見表1。

表1 平橋溝泥石流漿體重度綜合取值表

2.2 流速計算

泥石流的流速與泥石流流量、泥石流體容重、泥石流物質(zhì)的礦物組成和級配成分以及溝道內(nèi)其他要素都有很密切的關(guān)系。平橋溝泥石流屬稀型泥石流，經(jīng)計算，溝道內(nèi)平均流速為4.068 m/s～5.436 m/s。

2.3 一次泥石流沖出量

平橋溝坡度大，物源豐富，根據(jù)調(diào)查情況綜合分析，計算結(jié)果表明：暴雨頻率P=1%時泥石流一次沖出總量為18.13萬m3，固體物質(zhì)總量為3.84萬m3；暴雨頻率P=2%時泥石流一次沖出總量為16.27萬m3，固體物質(zhì)總量為3.44萬m3；暴雨頻率P=5%時泥石流一次沖出總量為13.79萬m3，固體物質(zhì)總量為2.90萬m3。

3 工程建設(shè)方案

工程建設(shè)條件限制，平橋溝是前后20 km內(nèi)唯一可落實的棄渣場選址。棄渣場構(gòu)筑物位置已避開主泥石流支溝，攔渣壩位于該支溝上游200 m，距平橋溝溝口2.5 km(見圖3)。但由于整個平橋溝均為泥石流溝，棄渣場的建設(shè)和維護(hù)不可避免涉及到泥石流地災(zāi)問題。

棄渣場占地20 ha，最大容渣量300萬m3，前端攔渣壩壩身為C25混凝土重力式擋土墻，長55 m，頂寬3 m，高8 m～10 m，面坡0.25，背坡0.5，墻底坡率為0.1；攔渣壩下游段設(shè)長25 m消力池，鋪底為0.5 m厚C25混凝土，周邊設(shè)重力式潛壩和擋水墻。攔渣壩處溝寬較狹窄，邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，鎖口條件較好，經(jīng)穩(wěn)定性分析計算，其中場地整體穩(wěn)定性及攔渣壩穩(wěn)定性均滿足要求，并有一定富余安全系數(shù)。

棄渣場設(shè)有完整的排水系統(tǒng)，通過設(shè)置改溝溝渠、截水溝及盲溝進(jìn)行綜合排水。排水明渠(如圖4所示)布設(shè)于平橋溝棄渣場頂面靠左側(cè)，上游進(jìn)水口與棄渣場外原始河道順接，全長1.9 km；排水明渠截面為倒梯形，底面寬13 m，頂寬22 m，深3 m，最小坡率為3%，渠底和側(cè)壁采用漿砌塊石砌筑而成，其中渠底漿砌塊石厚1 m，側(cè)壁漿砌塊石厚0.7 m。經(jīng)水文計算，明渠設(shè)計過流量332.1 m3/s，滿足百年一遇的洪水過水要求，并有一定富余安全系數(shù)。

4 泥石流危險性評價

4.1 溝道過流能力和洪水發(fā)展趨勢

4.1.1 發(fā)展趨勢分析

1)泥石流易發(fā)程度分析。

平橋溝內(nèi)物源豐富，沿途補(bǔ)給充足；溝岸兩側(cè)地形陡峭，呈“V”字型，有利于物源和水源的聚集和運移，加之物源黏土含量低，這些因素都促使著泥石流的形成。根據(jù)泥石流溝的特征和外界因素條件，評價泥石流易發(fā)程度為輕度易發(fā)。

2)泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測。

平橋溝區(qū)域泥石流流域呈葉脈狀，高山峽谷地貌為主，有利于物源從上游地區(qū)啟動和向下游運移。局部支溝啟動的物源進(jìn)入主溝堆積，擠壓主溝溝道，局部堵塞，形成潛在的堵點。

流域內(nèi)松散固體物源異常豐富，且分布廣泛，目前物源總量達(dá)410.8萬m3，動儲量達(dá)17.5萬m3。物源組成中，溝道類物源占389.4萬m3，動儲量13.9萬m3，且物源點中以粒徑小于0.5 m的為主，這些物源往往具有易于啟動的特點。

平橋溝流域形態(tài)呈扇形，震后流域內(nèi)植被破壞嚴(yán)重，崩滑不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，具有泥石流發(fā)生的物源條件和地形水源條件，因此，局部溝段發(fā)生泥石流的危險性較大。

4.1.2 過流能力分析

1)現(xiàn)狀條件下過流能力分析。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，平橋溝內(nèi)未見明顯的卡口段，過流能力受限段為溝口平橋溝出山口G317公路橋涵，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及計算分析，現(xiàn)狀條件下，平橋溝2%暴雨頻率下泥石流峰值流量為222.9 m3/s,而平橋溝出山口G317公路橋涵過流能力約為285.3 m2/s，滿足過流能力要求。目前溝口未見規(guī)模的泥石流(洪水)堆積扇，也印證了這一判斷。

2)棄渣場修筑后過流能力分析。

平橋過渣場頂部排水明渠設(shè)計最小過水量大于330 m3/s；泥石流支溝口設(shè)有攔擋壩，通過導(dǎo)流渠引排至主明渠。而平橋溝2%暴雨頻率下泥石流峰值流量為222.9 m3/s，滿足過流能力要求。

4.2 棄渣堵潰判別評價

棄渣體占據(jù)主溝溝道內(nèi)形成約10 m～15 m高的堆積體，且由于棄渣屬新近堆積，結(jié)構(gòu)松散，加之溝道洪水(泥石流)將從棄渣堆上部通過，穩(wěn)定性較差，形成新的堵點。

平橋溝棄渣場建設(shè)理念重在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性，確保攔擋和排水結(jié)構(gòu)的可靠性與有效性，使棄渣體整體穩(wěn)定，不形成新的泥石流物源。對溝內(nèi)自然河道和泥石流現(xiàn)狀，通過工程措施進(jìn)行加固和疏導(dǎo)，改善地災(zāi)狀況，減輕地災(zāi)損失。在建設(shè)及運營期根據(jù)需要采取避讓、清淤、修整及加固工作。

棄渣場建設(shè)方案能成立的是基于攔渣壩具有穩(wěn)定的鎖口功能，棄渣失穩(wěn)的問題已通過工程措施解決，穩(wěn)定性評價已有充分的支持結(jié)論，故棄渣場發(fā)生潰決的可能性小。

4.3 危險性評判

1)平橋溝泥石流堵塞梭磨河的可能性分析。

平橋溝段梭磨河水流流速快，對河岸沖刷侵蝕嚴(yán)重，河溝寬25 m，溝谷縱坡在151‰，溝道堆積物主要為碎塊石，可見的最大塊徑達(dá)0.4 m?，F(xiàn)場量測，梭磨河流速在3 m/s～4 m/s，流量估測在80 m3/s左右。與現(xiàn)場調(diào)查平橋溝泥石流無明顯堆積扇吻合。

平橋溝溝域面積96 km2，下游溝道較為平緩，中下游平均縱坡為155‰，有利于泥石流排泄；泥石流物源主要分布于中下游區(qū)，以溝道堆積物為主，細(xì)粒物質(zhì)占多數(shù)。

溝內(nèi)泥石流出口流速是4.069 m/s，百年一遇泥石流峰值流量為173.465 m3/s，一次固體物質(zhì)沖出量為17 435 m3，而梭磨河的峰值流量為539 m3/s，是平橋溝泥石流峰值流量的3.1倍。因此，平橋溝泥石流物質(zhì)阻斷梭磨河成災(zāi)的可能性較小。

2)平橋溝泥石流對汶馬高速的危險性分析。

汶馬高速公路位于梭磨河左岸以隧道方式通過，與平橋溝隔河相對，并無直接交叉?，F(xiàn)狀條件下，平橋溝泥石流對汶馬高速公路直接威脅小。

平橋溝棄渣設(shè)計容渣量高達(dá)300萬m3，預(yù)計將新增動儲量約53萬m3。由于梭磨河的峰值流量遠(yuǎn)高于平橋溝泥石流峰值流量，且棄渣體距離溝口較遠(yuǎn)，因此泥石流沖出固體物質(zhì)掩埋G317國道公路的可能性小，堵塞主河梭磨河的可能性小。

綜上所述，汶馬高速在平橋溝溝口以隧道方式通過，且高速公路設(shè)計路面高于梭磨河最高洪水位約20 m。汶馬高速直接受平橋溝泥石流災(zāi)害的危險性小，可能性小?，F(xiàn)狀條件下，平橋溝溝口附近路段受平橋溝泥石流災(zāi)害的危險性小，可能性小。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)平橋溝泥石流松散固體物源主要為溝道物源，其次為岸坡崩滑物源，坡面侵蝕物源發(fā)育數(shù)量少、規(guī)模小。據(jù)統(tǒng)計計算，平橋溝泥石流物源總量是4.108×106m3，可參與泥石流的動儲量為1.75×105m3。

2)平橋溝泥石流為低頻泥石流，處于青年期，規(guī)模是中型。泥石流容重是1.349 m3，峰值流量是381.6 m3/s(P=1%)，泥石流一次過流總量是1.81×105m3(P=1%)，泥石流固體物質(zhì)沖出量是3.84×104m3(P=1%)。

3)平橋溝棄渣場攔渣壩具有穩(wěn)定的鎖口功能，棄渣失穩(wěn)的問題已通過工程措施解決，穩(wěn)定性評價已有充分的支持結(jié)論，棄渣場發(fā)生潰決的可能性小。

4)平橋溝泥石流引發(fā)的主要因素為降雨，泥石流易發(fā)程度是輕度易發(fā)，活動強(qiáng)度是弱到較強(qiáng)，泥石流成災(zāi)可能性較小。擬建汶馬高速公路從平橋溝溝口對岸以隧道形式通過，平橋溝泥石流對汶馬高速公路直接威脅較小。

5.2 建議

1)目前，棄渣場設(shè)計方案基本能滿足棄渣泥石流防治要求，建議按照泥石流相關(guān)規(guī)范對平橋溝泥石流開展監(jiān)測預(yù)警工作。

2)工程建設(shè)期間，應(yīng)對泥石流溝道進(jìn)行監(jiān)測，及時對泥石流的發(fā)生作出預(yù)警，必要時采取避讓、清淤、修整及加固工作。

3)建議地方政府加強(qiáng)對溝道的岸坡的植被保護(hù)及水土保持，減少泥石流活動的物源。