通城縣北港某泥石流防治工程設(shè)計(jì)方案

劉 平, 張麗榮

(湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051)

2011年6月9日—10日,通城縣遭遇50年一遇的特大暴雨,最大日降雨量256 mm,最大小時(shí)降雨量89.9 mm,導(dǎo)致河水泛濫、城鎮(zhèn)被淹、房屋倒塌,誘發(fā)多處泥石流地質(zhì)災(zāi)害,其中北港鎮(zhèn)某泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量約10 000 m3,大部分固體物質(zhì)淤積于出山口,并堵塞了下游南港河,造成洪水和泥石流泛濫,財(cái)產(chǎn)損失巨大。為了防治泥石流災(zāi)害,2014年相關(guān)部門(mén)對(duì)該泥石流溝進(jìn)行了治理。

1 泥石流區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

泥石流溝位于南港河的左岸,出山口與南港河呈49°斜交。通往通城縣城關(guān)的縣道位于南港河左岸,泥石流溝口下游及南港河的左右二岸沿河道集中居住有50余戶(hù)居民,分布有20余公頃農(nóng)田。

泥石流流域區(qū)多年平均降水量為1 554.9 mm,降雨主要發(fā)生在5—9月。區(qū)內(nèi)最大的河流為雋水河,南港河屬雋水河二級(jí)支流,為季節(jié)性溪溝。

泥石流溝在地貌上屬剝蝕丘陵地貌,最低地面高程約120.00 m,最高點(diǎn)地面高程323.00 m,相對(duì)高差約203.00 m。山坡坡角較陡,坡角多在25°～45°之間,溝谷兩側(cè)植被稀疏,山頂和山脊植被較發(fā)育。區(qū)內(nèi)出露地層有第四系、燕山早期侵入花崗巖類(lèi)地層。

2 泥石流基本特征[1]

北港某泥石流為暴雨、稀性、高頻、溝谷型泥石流,溝深、坡陡、流短。流域面積約1.10 km2,流域長(zhǎng)約1.20 km,主溝長(zhǎng)度1.02 km,走向近南北,縱坡比降69.02‰～157.56‰,平均比降86.60‰,為中型泥石流溝。該泥石流溝從流域形態(tài)上可分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū),各區(qū)特征見(jiàn)表1。

表1 北港泥石流分區(qū)特征匯總表Table 1 Summary of characteristics of debris flow zoning in Beigang

北港泥石流固體物源量約13.021×104m3,一次最大可能參與泥石流的固體物源量1.432×104m3,大于2011年6月泥石流帶走的固體物質(zhì)總量。

3 防治工程設(shè)計(jì)[2]

3.1 設(shè)計(jì)總體方案

泥石流溝出山口直抵南港河,出山口處溝呈“U”型,溝寬3.0～4.0 m,平均深約2 m,縱坡降54‰;南港河在此處的河床寬15～20 m,河谷深3～4 m。2011年6月9日—10日的泥石流曾淤積出山口并堵塞了南港河,可以證明南港河排泄泥石流的能力不足,且后期爆發(fā)泥石流時(shí)的一次最大可能參與的固體物源量大于2011年6月泥石流帶走的固體物質(zhì)總量,因此采用攔排結(jié)合的治理思路,經(jīng)攔擋后的泥石流在一次最大可能固體物源參與時(shí)不至于造成排出物堵塞南港河而影響行洪,導(dǎo)致泥石流出山口下游南港河河谷地質(zhì)環(huán)境、左右二岸的房屋和道路等遭受破壞。結(jié)合地形地貌和溝道條件,設(shè)計(jì)總體方案:攔擋壩(谷坊壩)+排導(dǎo)槽+防護(hù)堤(圖1)。

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

北港泥石流的防治工程安全等級(jí)為三級(jí),攔擋工程和排導(dǎo)工程均按照30年一遇(P=3%)的泥石流流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),按照50年一遇(P=2%)的泥石流流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

3.3 設(shè)計(jì)工況及荷載組合

3.3.1攔擋工程設(shè)計(jì)工況和荷載組合

按設(shè)計(jì)指標(biāo),在30年一遇的降雨強(qiáng)度前提下,設(shè)計(jì)攔擋工程設(shè)計(jì)工況按滿(mǎn)庫(kù)過(guò)流、半庫(kù)過(guò)流、空庫(kù)過(guò)流三種特征考慮,有三種工況組合,分別為工況Ⅰ滿(mǎn)庫(kù)容過(guò)流狀態(tài)、工況Ⅱ半庫(kù)容過(guò)流狀態(tài)、工況Ⅲ空庫(kù)過(guò)流狀態(tài),其中以工況Ⅰ、工況Ⅱ?yàn)樵O(shè)計(jì)工況,工況Ⅲ為校核工況(圖2)。各工況荷載組合為:

圖1 防治工程平面布置示意圖Fig.1 Plan layout of prevention and control engineering

工況Ⅰ滿(mǎn)庫(kù)過(guò)流狀態(tài),荷載組合:壩體自重+土體重+溢流體重+過(guò)壩泥石流動(dòng)水壓力+泥石流土體水平壓力;

工況Ⅱ半庫(kù)容過(guò)流狀態(tài),荷載組合:壩體自重+土體重+溢流體重+過(guò)壩泥石流動(dòng)水壓力+泥石流流體沖擊力+泥石流石塊沖擊力+水平水壓力+泥石流土體水平壓力+ 揚(yáng)壓力;

工況Ⅲ空庫(kù)過(guò)流狀態(tài),荷載組合:壩體自重+溢流體重+過(guò)壩泥石流動(dòng)水壓力+水平水壓力+泥石流流體沖擊力+泥石流石塊沖擊力+揚(yáng)壓力。

圖2 攔擋壩荷載組合示意圖Fig.2 Schematic diagram of load combination for retaining dam

3.3.2排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)工況和荷載

排導(dǎo)工程設(shè)計(jì)按擋土墻進(jìn)行計(jì)算和校核,其工況及荷載組合為:

工況Ⅰ無(wú)泥石流過(guò)流狀態(tài),荷載組合:結(jié)構(gòu)自重+土壓力;

工況Ⅱ30年一遇泥石流過(guò)流狀態(tài),荷載組合:結(jié)構(gòu)自重+土壓力+設(shè)計(jì)情況下泥石流荷載;

工況Ⅲ50年一遇泥石流過(guò)流狀態(tài),荷載組合:結(jié)構(gòu)自重+土壓力+設(shè)計(jì)情況下泥石流荷載。

其中工況Ⅰ、工況Ⅱ?yàn)樵O(shè)計(jì)工況,工況Ⅲ為校核工況。

圖3 2#攔擋壩剖面布置圖Fig.3 Section layout of 2# barrier dam

3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

防治工程設(shè)計(jì)涉及的參數(shù)主要有:泥石流特征參數(shù)、泥石流截面參數(shù)等。其中頻率3%(30年一遇)泥石流峰值流量為37.25 m3/s,一次泥石流過(guò)程總量為11 286.64 m3,一次泥石流固體物質(zhì)總量為4 706.28 m3;頻率2%(50年一遇)泥石流峰值流量為50.82 m3/s,一次泥石流過(guò)程總量為24 637.12 m3,一次泥石流固體物質(zhì)總量為10 273.13 m3。

3.5 分項(xiàng)設(shè)計(jì)

3.5.1攔擋壩

1#攔擋壩布置在溝口上游的溝谷中,設(shè)計(jì)壩頂高程146.80 m,壩最高處高為8.00 m,長(zhǎng)70.00 m。

2#攔擋壩布置在溝尾崩滑體下游較開(kāi)闊溝槽中,設(shè)計(jì)壩頂高程173.00 m,壩最高處高為6.90 m,長(zhǎng)23.00 m。

(1) 設(shè)計(jì)攔擋壩庫(kù)容量(見(jiàn)表2)。

(2) 攔擋壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壩體采用M10漿砌塊石結(jié)構(gòu),壩頂寬3.00 m,迎水坡率1∶0.7,背水面坡率1∶0.2。排水孔按品字形布置,排水孔有效截面尺寸0.3 m×0.5 m,排水坡率5%,采用M10水泥砂漿抹面,抹面厚度20 mm(圖3、圖4、照片1、照片2)。

表2 攔擋壩庫(kù)容量一覽表Table 2 List of capacity of dam and reservoir

圖4 2#攔擋壩俯視圖Fig.4 Overhead view of 2# barrier dam

3.5.2排導(dǎo)槽

排導(dǎo)槽布置在溝口段,入口位于兩溝岔口處,出口接南港河。排導(dǎo)槽寬5.00 m,兩側(cè)邊墻高2.50 m,設(shè)計(jì)最大排導(dǎo)流量67.62 m3/s,能滿(mǎn)足泥石流過(guò)流要求(圖5、照片3)。

照片1 2#攔擋壩(2016年12月攝)Photo 1 2# retaining dam

照片2 1#攔擋壩(2016年12月攝)Photo 2 1# retaining dam

圖5 排導(dǎo)槽斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Section structural chart of drainage groove

照片3 排導(dǎo)槽(2016年12月攝)Photo 3 Drainage canal

圖6 防護(hù)堤斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Section structural chart of protective embankment

3.5.3防護(hù)堤

導(dǎo)流防護(hù)堤位于攔擋壩與排導(dǎo)槽之間右側(cè),高4.00 m。考慮泥石流對(duì)防護(hù)堤的沖擊,防護(hù)堤設(shè)計(jì)采用深挖并墻后填土的方式,采用M10漿砌石,防護(hù)堤允許的壓應(yīng)力為2 100 kN,大于泥石流對(duì)防護(hù)堤的最大塊石沖擊力(圖6、照片4)。

防治工程于2015年3月完工,在2016年6月—7月特大持續(xù)暴雨過(guò)程中發(fā)揮了顯著的作用,保護(hù)了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。

照片4 防護(hù)堤(2016年12月攝)Photo 4 Protective embankment

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 北港泥石流防治工程采用攔擋壩、排導(dǎo)槽、導(dǎo)流防護(hù)堤相結(jié)合的綜合治理措施,防治效果明顯,取得了較好的社會(huì)效益。

(2) 該泥石流防治工程實(shí)施積累的地質(zhì)災(zāi)害防治經(jīng)驗(yàn)可為鄂西南山區(qū)和同類(lèi)地質(zhì)環(huán)境區(qū)的泥石流防治提供參考與借鑒。

(3) 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的保護(hù),防止水土流失和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

(4) 為保證防治工程的有效性,地方政府應(yīng)加強(qiáng)對(duì)防治工程的維護(hù)。