東河泥石流對高速公路危險性評價及防治★

陳 沛 郭 輝 向 波 謝勇謀 何云勇

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041)

較強(qiáng)突發(fā)性和較大的破壞性是泥石流這類地質(zhì)災(zāi)害的主要特點(diǎn)，這對公路的建設(shè)方案選擇產(chǎn)生巨大影響[1，2]。許多學(xué)者對泥石流的性質(zhì)及影響因素展開研究，齊云龍等[3]研究了降雨過程對泥石流暴發(fā)的影響，以帕隆藏布中上游九絨溝的4次泥石流為例，分析了降雨和氣溫在泥石流起動中的作用機(jī)制。劉鑫等[4]對川藏公路邦達(dá)至林芝段泥石流進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合遙感技術(shù)對災(zāi)害現(xiàn)場泥石流的分布規(guī)律、環(huán)境背景及激發(fā)因子展開研究，得出地形、構(gòu)造運(yùn)動、地層巖性等環(huán)境背景及降雨誘發(fā)因子對泥石流的規(guī)模及分布存在影響。針對實(shí)際公路工程沿線泥石流的危險性評價，魏學(xué)利等[5]采用遙感和野外調(diào)查，對中巴公路奧布段泥石流孕災(zāi)環(huán)境和控制要素進(jìn)行分析，并結(jié)合GIS及信息量模型分析了公路沿線泥石流的危險性。吳斌等[6]采用地面調(diào)查和現(xiàn)場測試的方法，評估了八代村、栗山村和楊家凹大規(guī)模沖積扇的沖溝泥石流危險性和動力特征，并對該路段橋涵路基的安全性進(jìn)行了評價。本文針對東河泥石流對某高速公路安全影響展開研究，通過激光掃描、衛(wèi)星遙感、現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗分析計算等方法，研究該泥石流形成條件、活動特征、泥石流對高速公路橋墩整體沖擊力、最大沖起高度、爬高及彎道超高等活動特征值，預(yù)測該泥石流的爆發(fā)頻率，對該路段高速公路的危險性進(jìn)行評價并給出相應(yīng)的防治對策，為類似地區(qū)高速公路提供了參考依據(jù)。

1 東河泥石流形成條件

1.1 地形地貌及溝道條件

東河位于西昌市東部，屬安寧河左岸二級支流。經(jīng)調(diào)查，東河泥石流溝上游匯水面積大，下游集水面積小，泥石流形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)界限分明。該泥石流主溝沿東西向展布，形成區(qū)各支溝南北向展布，整個流域為“扇形狀”。東河主溝為“V”字型，流域內(nèi)支溝呈“樹丫”狀結(jié)構(gòu)分布，見圖1。

東河流域面積約216 km2，其中匯水面積173.6 km2，占流域面積的80.4%，主溝長約39.51 km，溝床平均縱坡為3.15%。距離主溝溝口12.6 km處分布2條支溝，其中左側(cè)東河支溝長約23.72 km，相應(yīng)縱坡坡降為4.49%，包含6條2級支溝，分別是達(dá)伍河、火你洛莫、阿牛老作、洪洛拉達(dá)、嘎烏拉達(dá)、黑哈拉達(dá)。右側(cè)為則木河支溝總長10.2 km，相應(yīng)縱坡降為5.8%，分布圖見圖2。

該泥石流溝域內(nèi)山高坡陡，平均坡度大于35°，崩塌、滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育。溝谷縱坡陡緩不均，主溝及各一級支溝縱坡相對較為平緩，平均約3%～6%，各二級支溝縱坡大于10.0%，使得支溝降雨匯集集中排至主溝，為泥石流形成提供了水源匯流、松散固體物質(zhì)搬運(yùn)等條件。

1.2 地層巖性

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

東河處于四川省Ⅰ級構(gòu)造單元——揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的西南緣，自西向東跨及康滇地軸、四川臺坳兩個Ⅱ級構(gòu)造單元。研究區(qū)線路主要經(jīng)過的構(gòu)造褶皺主要有日阿鳩背斜(Z12)、轎頂山向斜(Z13)、爾烏背斜(Z14)，斷層主要有羅西斷裂、四開交際河斷裂、黑水河斷裂、自治莫蕎窩斷裂、則木河斷裂、安寧河?xùn)|、西支斷裂。按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，東河泥石流溝地震峰值加速度為0.3g，基本烈度為8度。

1.4 氣象水文

東河流域為亞熱帶西南季風(fēng)氣候，具有亞熱帶高原山地立體氣候特征。年平均氣溫19.6 ℃，極端最低氣溫3.8 ℃，極端最高氣溫36.6 ℃。年日照時數(shù)2 445.4 h，太陽輻射能量充足，年平均蒸發(fā)量1 961.8 mm。東河流域海拔在1 500～2 000之間，其海拔每增高100 m，氣溫降低約0.55 ℃。

東河主溝河寬數(shù)米至20 m，水量較豐富，洪枯水位變化大，水位變幅約0.5 m～2 m，流量一般50 m3/s～100 m3/s，最大流量可達(dá)千余方每秒，水力坡度約為3.0%～6.0%，具有陡漲陡落的山溪性水流特征。

2 泥石流活動歷史與性質(zhì)

2.1 泥石流活動歷史

東河泥石流溝谷流域面積較大易匯水，溝域內(nèi)地形陡峻，各支溝溝谷縱坡大，為水源和泥沙的匯聚提供了有利的地形地貌條件。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，東河于1997年暴發(fā)過暴雨溝谷型泥石流，泥石流將溝域內(nèi)部分可參與泥石流的固體物源帶走，上游溝道崩滑堆積物源、坡面侵蝕物源、溝道堆積物源均發(fā)育，為泥石流的暴發(fā)提供了物源條件。在遭遇可激發(fā)泥石流的暴雨條件下，上游物源不斷匯入溝道內(nèi)，順溝而下，通過溝道揭底沖刷卷動溝道內(nèi)的松散堆積物源，并將兩側(cè)溝岸松散固體物質(zhì)帶走，以滾雪球的方式向下游運(yùn)動，再次將可參與泥石流活動的松散固體物質(zhì)沖出溝口，從而引發(fā)此次泥石流災(zāi)害。

目前東河泥石流在自然狀態(tài)下仍處于發(fā)育階段，溝床有沖有淤，整體處在發(fā)育階段的衰退期，由于溝域內(nèi)不穩(wěn)定和潛在不穩(wěn)定物源量仍較豐富，現(xiàn)狀條件下在強(qiáng)降雨時局部溝段暴發(fā)泥石流可能性大，但在一般降雨條件下，由于東河河床縱坡坡降較緩，形成的泥石流絕大部分將會在溝床中淤積，僅有少量物質(zhì)沖出東河溝口。

2.2 泥石流性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)試驗分析，該泥石流物質(zhì)組成為：粒徑小于0.005 mm的粘粒占比0.4%～2.6%；粒徑為0.005 mm～0.075 mm 的粉粒占比0.8%～9.8%；粒徑為0.075 mm～2 mm的砂粒占比8.6%～23.8%；粒徑為2 mm～20 mm的圓礫或角礫占比6.5%～16.8%；粒徑為20 mm～200 mm的卵石或碎石占比38.5%～52.7%；粒徑大于200 mm的漂石或塊石占比18.0%～32.4%。由此可判定，該泥石流為過渡型偏粘性泥石流。

2.3 泥石流物源特征

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，東河泥石流主溝及支溝兩岸基巖裸露，溝底多為泥石流坡洪、沖洪及局部滑坡堆積物，大部分堆積物處于穩(wěn)定狀態(tài)，屬溝道和坡面侵蝕物源，具體為斜坡崩滑類物源和溝床揭底沖刷物源。若遭遇特大暴雨，堆積物欠穩(wěn)定狀態(tài)的部分松散物質(zhì)仍然會被水流沖刷搬運(yùn)，形成泥石流。經(jīng)統(tǒng)計，東河主溝及支溝物源分布廣泛、數(shù)量較大，再次發(fā)生泥石流的物源條件依然滿足，但其動儲量約占總儲量20%～25%，泥石流暴發(fā)規(guī)模有限。

3 泥石流特征分析及暴發(fā)頻率

3.1 泥石流特征值計算

通過對東河泥石流開展野外調(diào)查，獲取了東河泥石流歷史泥位、溝道斷面等資料，其流體平均重度按《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》及現(xiàn)場調(diào)查綜合分析確定取1.80 t/m3。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[7，8]計算暴雨頻率、斷面平均流速及設(shè)計洪峰流量，假定暴雨頻率與泥石流頻率一致，可用配方法計算泥石流流速、流量、一次沖出量、一次沖出固體物質(zhì)總量等指標(biāo)，以及泥石流對某高速公路橋墩沖擊力、爬高、最大沖起高度、彎道超高等特征值，計算結(jié)果見表1～表3。

由表1～表3可知，東河泥石流主溝斷面平均流速為2.48 m/s，各支溝中嘎烏拉達(dá)溝流速最小，其值2.33 m/s，洪洛拉達(dá)溝流速最大，其值為4.05 m/s。東河主溝20年、50年及100年一遇暴雨下洪峰流量分別為354.17 m3/s，428.27 m3/s，596.14 m3/s，一次沖出固體物質(zhì)總量分別為51 949.92 m3，62 818.72 m3，87 441.48 m3。該泥石流主溝及各支溝對某高速公路橋墩沖擊力范圍為107.39 kN～193.36 kN，最大沖起高度0.44 m～1.34 m，爬高0.28 m～0.83 m，彎道超高為0.35 m～1.05 m。

表1 東河泥石流主溝及支溝平均流速

表2 東河泥石流暴雨洪峰流量及一次沖出量

表3 東河泥石流整體沖擊力、最大沖起高度、爬高及彎道超高

3.2 泥石流暴發(fā)頻率

依據(jù)東河泥石流活動歷史、溝道物源分布及特征等綜合調(diào)查分析，參考《中國泥石流》《泥石流防治指南》和《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》對東河泥石流進(jìn)行歸類打分評級。東河泥石流主溝及各支溝易發(fā)程度評分為84～97，為輕度易發(fā)～易發(fā)等級。其中主溝、二級支溝阿牛老作、嘎烏拉達(dá)及黑哈拉達(dá)為輕度易發(fā)等級，1號東河支溝、2號則木組河支溝、二級支溝達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)支溝為易發(fā)等級。鑒于一年多次或5年一次為高頻，5年～20年一次為中頻，20年～50年一次為低頻。東河主溝及各支溝泥石流易發(fā)等級及暴發(fā)頻率見表4。

表4 東河泥石流溝易發(fā)等級及暴發(fā)頻率統(tǒng)計表

4 泥石流對高速公路的影響及防治措施

4.1 泥石流發(fā)展趨勢預(yù)測

東河流域主溝及各支溝近現(xiàn)代泥石流活動活躍度表現(xiàn)不一，其中主溝及1號東河支溝活躍度較低，主要表現(xiàn)為洪水暴發(fā)，時間約20年～50年1次；2號則木河支溝及各二級支溝活躍度較高，泥石流暴發(fā)頻率約1年～20年1次，尤其達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)頻率可達(dá)1年～5年1次。因此，從東河流域泥石流的活動歷史來看，主溝及1號東河支溝，泥石流活躍度較低，暴發(fā)泥石流概率較低；2號則木河支溝及各二級支溝活躍度較高，暴發(fā)泥石流概率相對較高。東河主溝及各支溝按泥石流活動強(qiáng)度判別表進(jìn)行評價，其結(jié)果見表5。

表5 東河泥石流主溝及各支溝活動強(qiáng)度

4.2 泥石流對高速公路的危險性評價

東河泥石流主溝及各支溝暴發(fā)頻率不一，其中主溝及1號東河支溝為低頻泥石流，2號則木組河支溝、二級支溝阿牛老作溝、嘎烏拉達(dá)及黑哈拉達(dá)為中頻泥石流，二級支溝達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)為高頻泥石流；其中低頻泥石流潛在危險性一般，中～高頻泥石流潛在危險性較大～大。根據(jù)各個沖溝對橋梁工點(diǎn)影響大小，進(jìn)行針對性防護(hù)，確保具有一定的安全儲備。

4.3 防治措施

1)根據(jù)泥石流溝分布特征及擬建線位關(guān)系可知，擬建高速公路主要以橋梁形式跨越東河上游各支溝，在主溝段主要沿溝兩岸布設(shè)，建議對沿主溝布設(shè)路線，采取適當(dāng)針對性的支擋措施。

2)通過分析可知橋梁設(shè)計凈高及凈空具有一定的安全儲備；但泥石流暴發(fā)時攜帶眾多塊石，沖擊力較大，設(shè)計時應(yīng)控制塊石沖擊力，以防泥石流大塊石撞擊破壞高速公路路基與橋梁墩臺；同時建議橋墩避免設(shè)置在泥石流頂沖位置，不能阻擋泥石流排泄；靠近泥石流溝的路基建議設(shè)置防沖撞擋墻，防止泥石流侵蝕路基。

3)建議對高頻、活動強(qiáng)度強(qiáng)、活躍度較高的二級支溝達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)，在橋梁跨越溝谷上游適當(dāng)位置設(shè)置攔擋壩，減少泥石流對橋梁墩柱的沖擊。

4)建議對溝泥石流活動進(jìn)行必要的監(jiān)測預(yù)防，主要措施為雨量監(jiān)測，通過雨量的大小判別泥石流暴發(fā)的可能性。

5 結(jié)論

1)通過對泥石流溝道特征，物源分布情況的綜合調(diào)查分析，東河泥石流主溝及各支溝易發(fā)程度評分為84～97，為輕度易發(fā)～易發(fā)等級。2)主溝及1號東河支溝為低頻泥石流，2號則木組河支溝、二級支溝阿牛老作溝、嘎烏拉達(dá)及黑哈拉達(dá)為中頻泥石流，二級支溝達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)為高頻泥石流，低頻泥石流潛在危險性一般，中～高頻泥石流潛在危險性較大～大。3)東河主溝及1號東河支溝泥石流活躍度較低，暴發(fā)泥石流概率較低，2號則木河支溝、達(dá)伍河、火你洛莫及洪格拉達(dá)活躍度較高，暴發(fā)泥石流概率相對較高。4)通過調(diào)查研究，東河泥石流的歷史泥痕高度及峰值流量有限，橋梁凈空均滿足在極端不利條件下全流域暴發(fā)泥石流的峰值流量過流要求，高速公路項目在東河流域內(nèi)展布的總體方案可行。