G55高速公路石峽溝泥石流災害處治

王文光

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

G55高速公路K581+500—K733+000段是國家高速公路G55高速公路的一部分，北起于朔州市新廣武，接大（同）新（光武）高速公路，南止于陽曲鎮與太原東山高速公路相連，路線全長151.5 km。同時是縱貫山西省南北的重要通道，對山西省的經濟建設和人民生活起著至關重要的作用。石峽溝泥石流的發生對安全行車形成了隱患。為了改善服務水平，消除安全隱患[1]，同時為了保障G55高速公路K597+302石峽溝大橋下游約1.2 km新莊村村民生命財產安全，有必要對其做出相應的有效處治。

1 工程地質條件及評價

1.1 地形條件

石峽溝流域地處恒山山脈地帶，溝谷總體沿西北向東南方向延伸展布，溝口直抵新莊，地勢由西北向東南傾斜，西北高，東南低。石峽溝山高溝深，地勢陡峻，溝床縱橫坡度較大，流域的形狀便于水流的匯集（圖1）。本項目影響范圍內泥石流流域形態近似河谷型，流域分布大致對稱，最高點高程2 091.3 m，最低點高程1 379.2 m，相對高差712.1 m，流域面積2.9 km2，主溝延伸長度2.9 km，屬高山地形。石峽溝泥石流屬于溝谷型流域，流域呈狹長型，形成區不明顯，松散物質主要來自中游地段。形成區河床比降37.2%～45.5%，溝岸坡度150°～70°，流通區河床比降12.4%～19.3%，平均寬80～150 m。溝谷有堆積也有沖刷、搬運形成逐次搬運的“再生式泥石流”。

1.2 地質條件

a）地層組成特征 泥石流流域廣泛出露上太古界五臺群金剛庫組和店房臺組片麻巖、下古生界寒武—奧陶系饅頭組—三山子組酸性入侵及呂梁期變質輝綠巖。

b）巖性 以斜長角閃巖、含榴斜長角閃巖夾含榴角閃黑云變粒巖、磁鐵石英巖及含榴藍晶二云斜長片麻巖為主。

c）巖層產狀132°～152°∠30°～70°，結構疏松軟弱、表層強風化、節理發育（圖2）。

圖1 石峽溝

圖2 流域兩岸巖層結構

1.3 水文氣象條件

a）代縣區域 屬北暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，冬季嚴寒，春、秋涼爽，夏季無酷暑，年平均氣溫7℃，七月份平均氣溫22.2℃，一月份平均氣溫-10℃。平均降水量390.6 mm，無霜期147 d，標準凍結深度150 cm。該地區屬寒冷地區。

b）石峽溝小氣候 由于石峽溝山高溝深，地勢陡峻地形條件，在迎風坡迫使山脈南側溫暖、潮濕氣流很強地上升運動，從而垂直運動加大，暴雨增大。

2 現狀調查及結論

經勘察設計人員深入現場實地查看并結合忻州高速公路有限責任公司相關段養護人員提供信息與資料，從物質特征與工程兩方面對石峽溝泥石流進行分類。

2.1 物質特征分類

a）石峽溝泥石流物質組成主要以長10～50 cm、寬5～30 cm、厚3～20 cm不等的石塊、砂為主，黏性土含量較少（圖3），定義為水石流。

圖3 泥石流物質組成

b）石峽溝泥石流物質狀態主要成分為水，黏性土含量少，固體物質約占30%，有很大分散性，水是搬運介質，石塊以滾動或跳躍方式向前推進，定義為稀性[2]。

因此石峽溝泥石流按物質特征分類為稀性水石流[3]。

2.2 工程分類

a）流域面積為2.9 km2，分布形狀見圖4。

圖4 石峽溝泥石流流域面積

b）石峽溝泥石流固體物質一次沖出量及流量。

（a）據《工程地質手冊》（第四版）[4]表6-3-2及泥石流物質特征分類結論取泥石流體密度。

（b）由實地勘察1∶10000地形圖及相關資料取流通區泥石流流面縱坡比降I=0.124，泥石流流體水力半徑（近似取泥位深度）Rm=1.5 m，固體顆粒物相對密度ds=2.5，泥石流過流斷面面積Fm=54.4 m2，泥石流歷時T=1 850 s。

（c）結合以上數據，據《工程地質手冊》（第四版）式 6-3-3、6-3-4、6-3-5 得：

泥石流固體物質密度ρs：

泥石流泥砂修正系數φ：

阻力系數α：

（d）據《工程地質手冊》（第四版）表6-3-5、I=0.124≥0.015及相關收集資料取河床外阻力系數mw=3.8。

（e）據《工程地質手冊》（第四版）北京地區經驗公式（據北京市市政設計院）式6-3-7得泥石流斷面平均流速vm：

（f）據《工程地質手冊》（第四版）式6-3-10得泥石流斷面峰值流量Qm：

（g）據《工程地質手冊》（第四版）式6-3-15得通過斷面的一次泥石流總量wm：

石峽溝泥石流在2002年石峽溝中橋建設期間爆發過，時至2013年再次爆發。結合以上數據，據《工程地質手冊》（第四版）表6-3-1石峽溝泥石流按工程分類屬于Ⅱ2泥石流溝谷。

3 石峽溝泥石流處治方案

方案構成：a）清除石峽溝右線中橋至3號壩上游150 m范圍內泥石流堆積體；b）沿溝心線在據石峽溝中橋40 m處修筑1號谷坊壩（壩體均采用C15片石混凝土），沿溝心線與1號壩分別相距150 m、300 m修筑2、3號谷坊壩；c）修筑養護便道。谷坊壩的主要作用：回淤壓腳、穩定崩坡積物及固定河床；通過谷坊壩有效庫容，阻攔或減少過壩泥石流物。

谷坊壩壩體材料采用C15片石混凝土，三道壩壩頂軸線全長累計180 m，圬工用量合計4 384.1 m3，清除主河槽的固體堆積物9 765 m3，修筑便道400 m。谷坊壩壩頂寬為1.5 m，上游坡面為1∶0.6，下游坡面1∶0.1。在壩頂隔15 m設置溢流口，寬度6 m，深度1.0 m。在谷坊壩中下部位布置單排泄水孔，孔高0.5～2.0 m，直徑0.3 m，間距2.0 m。壩體邊部嵌入邊坡寬度不小于50 cm。

圖5 谷坊壩平面布置圖

圖6 1號谷坊壩立視圖

圖7 1號谷坊壩剖面圖

圖8 2號谷坊壩立視圖

圖9 2號谷坊壩剖面圖

圖10 3號谷坊壩立視圖

圖11 3號谷坊壩剖面圖

4 結論

a）盡管本方案能有效延緩石峽溝泥石流侵蝕速度，防治泥石流對G55高速公路及下游新莊的潛在危害，但也必須在上游坡面植樹造林，加快森林植被和草被生長。工程措施與生物措施密切結合才能更有效地防治泥石流。

b）自2002年石峽溝中橋建設期間爆發過，時至2013年再次爆發，因此建議養護期間每10年清理一次壩后泥石流堆積物。