神農架車溝泥石流應急治理方案剖析

聶邦亮, 葉義成 , 李小勇 , 王金波

(1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020; 2.湖北省地質局 第七地質大隊,湖北 宜昌 443100)

車溝泥石流位于湖北省神農架林區紅坪鎮溫水村大草坪—車溝一帶。受暴雨及神農架飛機場在泥石流源頭處集中排水影響,車溝流域于2013年7月共發生6次泥石流,陸續產生的泥石流堆積體共計約24.8×104m3。泥石流共造成4戶居民房屋、3 333 m2耕地被毀,并造成河道堵塞、209國道交通中斷,直接經濟損失約800萬元。在完成了車溝泥石流的勘查及應急治理工程設計后,2014年2月車溝泥石流應急治理工程竣工。歷經3年暴雨的檢驗,防治工程充分發揮了作用,應急治理效果良好。

1 泥石流特征

根據車溝泥石流勘查成果[1],車溝泥石流具有典型山間溝谷型泥石流的特征,具有明顯的形成區(物源區)、流通區、堆積區。

1.1 形成區特征

車溝泥石流形成區后緣高程2 520 m,前緣高程2 100 m,橫向寬度620 m,縱向長825 m,平面形態呈倒梯形。形成區頂部的神農架飛機場地形平坦,匯水面積大,在降雨時形成的地表徑流主要排向其南側的泥石流物源區。

形成區主要由三條呈樹枝狀分布的縱溝組成,編號依次為1#、2#、3#溝。神農架機場南側的兩個排水口分別位于2#、3#溝頂部。

1#溝橫向寬250 m,縱向長550 m,深2～5 m,坡度25°～40°。1#溝堆積有大量修建機場廢棄的碎塊石,體積約5.5×104m3。但據勘查結果,1#溝內的人工堆積碎塊石穩定性較好,且因機場排水系統未從1#溝排水,故1#溝堆積物不屬于車溝泥石流形成區(物源區)。

2#溝呈“V”形,沖溝頂寬12～55 m、深7～28 m,兩側斜坡坡度50°～60°,長520 m。2#溝兩側斜坡由第四系坡積碎石土組成,土石比4∶6～3∶7,厚度一般5～15 m,最大厚度達28 m。2#溝處的碎石土層為車溝泥石流的主要固體物質來源,“V”形溝槽亦因強勁水流沖刷形成。其存留的固體物質總量仍有約33×104m3。

3#溝總長720 m,上段呈 “V”形,頂寬20 m、深3～7 m;中、下段呈“U”形,寬5～8 m,深0.5～1.5 m。3#溝大部溝底基巖出露,上段東側及下段溝床兩側覆蓋土層較薄(0.5～1.0 m),僅上段西側分布有厚度較大的坡積碎石土,體積約3.7×104m3。

1.2 流通區特征

車溝泥石流流通區全長3 400 m。流通區高程1 700 m以上地形較陡,兩岸斜坡坡度30°～60°,溝道切割深30～50 m,寬5～12 m,溝道縱坡降為250‰;高程1 700 m以下地形相對較緩,兩岸斜坡坡度20°～40°,溝道切割深30～60 m,寬15～40 m,溝道縱坡降為150‰。流通區溝底及兩側岸坡基本為基巖出露,僅局部溝底及兩側岸坡分布少量泥石流殘留的碎石土,估算流通區殘留固體物質總量約2×104m3。

1.3 堆積區特征

車溝泥石流堆積區位于車溝出口一帶與溫水河交匯處,堆積區平面形態呈“T”形。泥石流堆積體厚度為2～6 m,平均厚度約4.0 m,堆積區總面積62 000 m2,總體積約24.8×104m3。

圖1 2013年7月車溝流域降雨量與泥石流體積關聯直方圖Fig.1 Histogram of rainfall in the gully in July 20131.降雨量;2.泥石流體積。

2 主要影響因素

2.1 人類工程活動

車溝泥石流暴發的主要誘因為神農架飛機場降雨集水在泥石流源頭處集中排放,在集中水流的沖刷、侵蝕作用下,破壞了土質斜坡的穩定,并為泥石流提供了強大的水動力條件,從而導致泥石流的產生。

2.2 強降雨

從搜集的車溝流域2013年7月降雨資料(圖1)分析,2013年7月12日15:30-16:30當地小時降雨量達59 mm,該時段的暴雨首次激發了車溝泥石流;7月13日降雨量為20.9 mm,再次形成較大規模泥石流;7月19、20日的降雨量為27.5、29.7 mm,車溝流域又產生了較大規模泥石流;7月27-29日,日降雨量為14.3～14.5 mm,降雨量明顯較之前減小,但由于降雨持續時間較長,仍然產生了較大規模的泥石流。從2013年7月車溝產生的數次泥石流與降雨量的關系分析,暴雨和連續降雨是促發泥石流的主要因素。

3 應急治理工程方案剖析

3.1 應急治理工程方案

3.1.1 治理工程方案一:3級谷坊壩

(1) 設計條件。根據現場調查的工程地質條件分析,物源區的1#溝溝床處人工堆積的5.5×104m3碎塊石現狀穩定性較好,產生變形破壞的可能性小;2#溝存留的固體物質體積尚有約33×104m3,由于前期沖刷切割的溝槽最大深度已達28 m,且溝槽坡度達50°～60°,自身穩定性極差,將會在強降雨及機場集中排水沖刷作用下進一步產生坍滑形成泥石流;3#溝殘留的松散堆積體約3.7×104m3,亦將會進一步產生變形破壞形成泥石流;流通區溝道殘存的泥石流體積約為2.0×104m3,在下一次泥石流活動時將再次參與活動。因此,在不改變現狀成災因素的條件下,車溝流域將來還有可能形成的泥石流總量約為38.7×104m3。

(2) 治理工程方案。剩余總量為38.7×104m3的松散固體物質在后期可能形成新的泥石流,為防止其產生進一步的危害,須將其攔截于流通區溝道內。

根據實地勘查的工程地質條件,該方案在位于流通區下游高程1 682 m、1 617 m、1 583 m的溝道內共布設3級谷坊壩[2]。從上至下各級谷坊壩的設計庫容依次為16.87×104m3、7.69×104m3、15.05×104m3,總庫容量為39.61×104m3,可滿足堆積38.7×104m3泥石流固體物質的需要(圖2)。

3.1.2 治理工程方案二:水源改治+1級谷坊壩

(1) 設計條件。前文已述及,物源區的2#溝存留的大量松散固體物質為車溝泥石流的主要物源,且機場集中排水是引發泥石流的主導因素,因此,若將2#溝頂部的機場排水口封閉,改由其他地段排放,則將大幅減少泥石流固體物質來源。基于這一思路,將2#溝水源改治后其存留的固體物質在自然條件下將逐步趨于穩定,根據工程地質類比坡率法分析[3],按照同類物質結構的斜坡自然休止坡率1∶1.5計算,可能產生的不穩定物質體積約11.0×104m3,加上3#溝及流通區的固體物質,形成區水源改治后可能變形破壞產生泥石流的固體物質總量約為16.7×104m3。

(2) 治理工程方案。①水源改治。將潛在危害最大的2#溝出水口封閉,將2#溝水源引導入固體物源少、斜坡穩定性較好的3#溝(圖2)。2#溝—3#溝之間的連接段保持原2#溝過水斷面,2#溝匯入3#溝之后的出水口溝段過水斷面根據二條溝的總流量重新設計為寬2.5 m、深1.5 m。

②1級谷坊壩。據測算形成區水源改治后可能產生泥石流的固體物質總量約為16.7×104m3,方案一中布設于高程1 682 m處的第一級谷坊壩設計庫容為16.87×104m3,即可滿足泥石流固體物質的庫存要求。

圖2 車溝泥石流應急治理工程平面布置圖Fig.2 Layout plan of emergency management of gully debris flow1.第四系堆積層;2.谷坊壩;3.水源改治工程。

3.2 治理工程方案剖析

3.2.1 治理方案思路剖析

采用3級谷坊壩工程的第一套治理方案,未針對引發泥石流的關鍵因素(集中排水)采取相應工程措施,而是對后期可能產生的泥石流固體物質進行全面攔截,第一套治理方案為被動治理的設計方案。第二套治理方案采取水源改治+1級谷坊壩的工程措施,則有針對性地將潛在危害最大的2#溝水源改由3#溝排放,最大限度地減少了后期可能產生泥石流的固體物質來源,然后再布設1級谷坊壩將仍有可能產生的少量泥石流固體物質進行攔截,即可達到對車溝泥石流進行有效治理的目的。第二套治理方案為有針對性的主動治理、輔以被動治理的綜合設計方案。

3.2.2 施工難度對比分析

第一套治理方案的3級谷坊壩工程均位于車溝峽谷內,需修建施工臨時便道,谷坊壩工程所需的大量砂石料均需通過二次轉運抵達施工現場,施工難度大。第二套治理方案中的水源改治工程位于神農架機場停機坪附近,交通運輸方便,施工條件好;第二套治理方案僅需建1級谷坊壩,較方案一大大減少了二次轉運工程量。方案二較方案一的施工難度對比優勢明顯。

3.2.3 工程投資對比分析

第一套治理方案預算治理工程投資為429萬元,第二套治理方案預算治理工程投資為193萬元,方案二較方案一節省投資236萬元、投資比例為1∶2.2,工程造價大為降低,經濟效益更為突出。

3.3 治理工程方案綜合剖析

車溝泥石流治理工程設計,在實地查明工程地質條件及致災因素的基礎上,擬定了兩套治理工程方案,兩套方案均能達到有效治理泥石流的目標。采取水源改治+1級谷坊壩的第二套方案,主動從改治引發泥石流的水源著手,最大限度地減少了后期泥石流的固體物源,施工難度及工程投資均明顯優于第一套治理方案。因此,第二套方案被確定為車溝泥石流治理的最終方案。

車溝泥石流應急治理工程于2014年2月竣工,已歷經3個水文年的檢驗,治理效果十分理想。治理工程竣工后的2014年雨季,車溝流域再次產生的泥石流固體物質全部被攔截于已建成的谷坊壩內,且之后的2015、2016年再未暴發大規模泥石流。目前谷坊壩內的泥石流堆積體頂面距離壩頂1.2 m,說明設計階段預測估算的后期泥石流固體物質總量是準確的,設計方案是科學合理的,后期運行結果也驗證治理工程取得了成功。

4 結語

車溝泥石流地質條件復雜,危害性大。應急治理工程設計在查明誘發因素及工程地質條件的基礎上,擬定了二套治理設計方案。通過對比分析,從降低泥石流形成區水動力條件方面著手,選定針對性強、施工難度小、工程投資少的第二套方案為最終的實施方案。應急治理工程實施后歷經三個水文年的檢驗,未再次造成泥石流災害損失,治理效果顯著,達到了既定治理目標。泥石流是山區常見的地質災害,近年來由于礦山開采、工程建設引發的泥石流亦逐步趨多,車溝泥石流的應急治理工程取得的成功經驗,為同類泥石流的治理提供了新的設計理念和思路。

[1] 湖北省地質環境總站.神農架林區紅坪鎮車溝泥石流應急治理工程設計[R].武漢:湖北省地質環境總站,2013.

[2] 湖北省水文地質工程地質勘察院.湖北省神農架林區松柏鎮黃羊溝泥石流防治工程可行性研究報告[R].武漢:湖北省水文地質工程地質勘察院,2003.

[3] 趙明階,何光春,王多垠.邊坡工程處治技術[M].第三版.北京:人民交通出版社,2007.