瀘石高速水井灣泥石流特征分析及防治對策

楊緒波，李天濤，廖芳茂

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大學，四川 成都 610059)

0 引言

瀘定至石棉高速公路于川西地區四川盆地向青藏高原的過渡帶，且路線走廊帶整體沿大渡河順河而下。場區峽谷深切，岸坡陡峻，地震烈度高，活動斷裂強烈，滑坡、崩塌、泥石流等各類不良地質發育[1]。據不完全統計，大渡河流域已發現的地質災害隱患點中，泥石流就占總數的34.24%[2]。泥石流不僅占比數量多，爆發頻率也較高，有的段落甚至每年都要爆發泥石流。而相對頻繁的泥石流災害也給當地生產建設產生了一定影響，比如2005年6月30日，瀘定杵泥鄉爆發多處泥石流，沖毀部分公路及橋梁，并有多人傷亡，經濟損失達3千余萬元[3]。

因受路線起點限制，擬建瀘石高速將穿越水井灣泥石流溝且無法繞避，因此有必要對該泥石流溝進行深入研究。本文通過現場調查、原位試驗，運用特征參數計算法分析泥石流的特征及發展趨勢，綜合評價其影響程度，并進行防治對策建議，也給大渡河流域類似泥石流的調查與防治提供借鑒。

1 泥石流區域概況

1.1 地形與地貌

水井灣泥石流位于大渡河右岸。溝域內地貌類型為構造侵蝕中高山地貌，溝域面積為118 km2，主溝長約18 km，溝床寬度為25 m～200 m，流域形態似葉片狀，總的地勢特征為北西高南東低，溝域最高點高程為5 040 m，最低點海拔高程為1 294 m，相對高差3 746 m，平均縱坡約208.1‰，向南東側匯入大渡河。擬建水井灣大橋將于流通區中下部通過。

1.2 地質條件

場區處于川滇經向構造帶、華夏系、新華夏系、青藏滇緬印尼歹字型構造、香爐山弧形構造等五個構造體系的交接帶上，場地附近主要發育水井灣斷層(見圖1)，該斷層長約10 km，走向N20E～N20W，傾向東，傾角約75°，受其影響，場區內巖體破碎。場區位于瀘定縣附近，其地震動反應譜特征周期為0.40 s，地震動峰值加速度為0.30g，地震基本烈度為8度。

1.3 氣象及水文

瀘定地區年平均氣溫為15.5 ℃，最熱為每年五六月份，氣溫可達36.4 ℃，冬季最冷為-7.5 ℃。年均降雨量為664.4 mm，八月最大降雨量時可達177.8 mm。降雨天數143.2 d/a，雷陣雨、暴雨時間26.8 d/a，降雪數5.1 d/a。一年中以北北西向風為主，風速可達15 m/s，大風天氣約10.5 d/a。年月均相對濕度66%，最小相對濕度為0。蒸發量1 526.9 mm/a，僅五月可達184.4 mm。年場區均降雨量為1 080 mm。

據吳積善等著《泥石流及其綜合治理》[4-5]，四川山區泥石流激發雨量一般為一次雨量48 mm～50 mm左右或10 min雨量8 mm～12.2 mm，1 min雨強0.8 mm～1.2 mm左右。由于水井灣內不良地質現象發育，松散物源量較多，其激發雨量還可能更低，其雨強完全可以滿足激發泥石流的條件，暴雨是該泥石流的主要引發因素。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流活動歷史特征

根據現場調查分析認為水井灣泥石流是一條老泥石流溝，歷史上泥石流活動較為活躍，二十世紀五六十年代該溝泥石流爆發頻率較高，據當地老人介紹，1958年曾爆發過一次大規模的泥石流，影響嚴重。2000年至今，也曾爆發過多次泥石流災害，其中以2005年、2012年和2018年爆發的規模尤為明顯，影響也較大。根據老鄉回憶，初步判定1958年泥石流規模為100年一遇；2005年 泥石流規模為50年一遇；2012年泥石流規模為20年一遇。早期泥石流痕跡已消失，根據老鄉回憶，推測1958年泥石流在橋位斷面最大泥深約1.5 m；2005年泥深約1.0 m，初步估算該次泥石流峰值流量約200 m3/s，固體物質沖出量約3萬m3。該泥石流于2014年進行了治理工程施工，溝域內共設置了3道攔擋壩和溝口處一條長約1 610 m的排導槽，至今運行良好。2018年泥石流爆發后3道攔擋壩均被部分淤積，由于橋梁斷面離1號攔擋壩距離較近，未見泥痕，平均淤積深度約0.5 m。

2.2 泥石流溝道特征

溝域上游溝道發育，溝域中上游出山口以上為構造剝蝕斜坡侵蝕下切形成深切溝谷地貌，兩側山體切割較烈呈“V”型谷，溝岸地形坡度25°～75°，溝域出山口以下堆積區為“U”型谷堆積地貌。根據地形地貌、物源狀況、水源條件、植被發育狀況、分布特征、溝道泄流能力等將溝域劃分為形成區和物源流通區兩個區域[6]，分區特征見圖1，圖2及表1。

表1 水井灣流域特征參數統計表

2.3 泥石流物源特征

泥石流的物源按類型劃分，主要有溝道堆積物源、坡面物源和人工物源等3種類型。泥石流物源量的確定是根據現場實際調查并結合遙感衛星影像，確定潛在物源的位置，量測物源量的范圍，估計物源量的厚度及堆積形態，進而估算物源的方量，以此作為物源的堆積方量；可參與泥石流的物源動量的計算是根據單個物源點的形態及特征，分析其可能失穩或侵蝕的范圍，在結合地形地貌形態，推測其可能參與泥石流活動的物源量，以此作為其動儲量[7]。根據調查統計分析，水井灣泥石流溝域內共發育泥石流物源15處，物源總量為65.77×104m3，動儲量為16.41×104m3，各類物源見圖3，表2。

2.4 泥石流堆積特征

本次調查對不同溝段溝道中泥石流堆積物采取了3組 樣品進行顆粒分析，其土體粒徑級配見圖4。由試驗結果可反映出泥石流的一些特征：

1)水井灣溝域內主溝上游溝道平均縱坡較小，沖淤特征應以淤為主。而在主溝中段，由于主河溝道寬緩，且有多級攔擋壩，泥石流排導能力較差，該段大量淤積，泥石流沖淤特征表現為以淤為主，泥石流堆積物中砂、粉粒等細顆粒含量明顯增加。

表2 物源統計表 m3

2)在溝域上、下游，溝道縱坡較大，水動力條件較好，泥石流沖淤特征總體上是以沖為主，個別溝道表現出淤積的特征。由于水井灣溝域內泥石流固體物質主要以粗顆粒為主，并且溝域內水動力條件較好。因此在水井灣溝口堆積區內也主要以淤積粗顆粒物質為主。

根據上述特征，判斷水井灣泥石流屬于暴雨類-溝谷型-中頻-大型-稀性泥石流。

3 泥石流關鍵運動特征值計算

3.1 容重

泥石流容重根據現場重度試驗及查表法整合取值確定。

于水井灣泥石流中、下游溝內共布置5個現場配漿試驗，根據試驗成果泥石流重度為1.538 t/m3～1.585 t/m3，平均值1.561 t/m3。根據規范[7]中泥石流易發程度數量化評分原則，水井灣泥石流易發程度評分為89分，對應泥石流流體容重為1.614 t/m3。綜合現場調查試驗法和查表法兩種方法，泥石流流體平均重度取值為1.561 t/m3，屬于稀性泥石流。

3.2 流速與流量

水井灣泥石流屬于稀性泥石流，根據規范中泥石流計算公式：

(1)

其中，Vc為流速,m/s；γH為泥石流固體物質重度，t/m3；φ為泥石流泥沙修正系數，并以查表法確定；n為泥石流溝床糙率系數采用實際調查結果；Hc為平均泥深，m,采用調查所得的最高洪水位痕跡線；Ic為泥位縱坡率，以溝道縱坡率代替。按以上公式求得各斷面位置泥石流流速值見表3。

根據雨洪法計算泥石流流量：

Qc=(1+φ)Qp×Dc

(2)

其中，Qc為某頻率下的泥石流洪峰值流量，m3/s；Qp為某頻率下的暴雨洪水設計流量，m3/s；φ為泥沙修正系數；Dc為泥石流堵塞系數，水井灣泥石流溝道較為順直，Dc=1.0。

根據上式及參數計算得到不同部位不同降雨頻率下水井灣泥石流的洪峰流量，見表4。

表3 水井灣泥石流流速計算表

表4 水井灣泥石流峰值流量計算表

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q按式(3)計算:

Q=0.264TQc

(3)

其中，Q為一次泥石流總量，m3；T為泥石流歷時，s，泥石流歷時根據泥石流現場訪問取值，歷時2 h。Qc為泥石流的洪峰流量,m3/s。

一次泥石流沖出的固體物質總量按式(4)計算：

QH=(γC-γW)WC/(γH-γW)

(4)

水井灣泥石流不同部位一次過流總量及一次通過固體物質量見表5。

表5 一次泥石流沖出固體物質總量匯總表

3.4 沖擊力與沖起高度

泥石流整體沖擊力計算公式(按P=1%計算)：

(5)

其中，P為泥石流沖擊力，kN；λ為建筑物形狀系數，λ=1.0；α為建筑物受力面與泥石流沖擊力方向的夾角，(°)，α=90°；γC為泥石流重度,kN/m3；Vc為流速,m/s。

泥石流最大沖起高度計算(按P=1%計算)：

(6)

泥石流爬坡高度計算(按P=1%計算)：

(7)

泥石流各斷面處的沖擊力及沖起高度計算結果詳見表6。

表6 泥石流流體整體沖擊力及沖起高度計算結果

4 危害性評價及發展趨勢預測

4.1 泥石流易發性評價

根據泥石流流域基本特征和參數，按照《規范[8]評判標準，水井灣泥石流的綜合打分是89分，其易發程度等級為“易發等級”，與實際情況較為一致。

4.2 泥石流發展階段

根據T/CAGH P006—2018泥石流災害防治工程調查規范附錄表B.1泥石流溝發展階段的識別方法判斷，從溝口扇形、溝域松散物模量、溝槽侵蝕變形、溝坡坡形、溝道溝形、植被覆蓋率等16個因素判斷出水井灣泥石流處于發展期。

4.3 泥石流發展趨勢

水井灣泥石流溝域內物源量非常豐富，根據調查統計分析，水井灣泥石流溝域內共發育泥石流物源15處，物源總量為65.77×104m3，動儲量為16.41×104m3。溝域面積較大、匯水條件較好，溝道呈深切“V”型谷，縱坡較陡，為泥石流流通提供了較好的通道及勢能條件。因此在持續降雨特別是連續暴雨條件下，該泥石流溝很可能再次發生泥石流災害，泥石流危害將顯著增大。同時，由于場地緊鄰鮮水河斷裂帶，若產生近場地震可能導致物源增加，從而爆發更大規模泥石流。

4.4 泥石流對擬建橋梁影響

瀘石路從水井灣溝口通過，該段擬建設跨溝橋梁，橋梁長度210 m左右，橋梁凈空22 m～27 m，根據計算得知，該溝泥石流在橋梁通過溝段的最大影響高度約2.57 m，遠低于橋梁凈空高度。

因此，初步判定該溝泥石流活動對橋梁橋面影響較小，但是，由于溝道較寬，橋墩可能會布設于溝道內，那么泥石流發生就可能沖擊橋墩，因此，橋墩位置應盡量避開泥石流溝道范圍，或設置防沖擊措施。

5 泥石流防治對策

擬建橋梁1號、2號橋墩位于水井灣泥石流溝內，為防止泥石流沖擊橋墩，建議以下措施：

1)橋梁采用大跨徑形式跨越泥石流，減少橋墩位于泥石流溝的數量。

2)于泥石流溝內橋墩上游處設置防撞墩措施。

6 結語

1)水井灣泥石流為老泥石流，歷史上曾發生過多次，結合多個特征判斷，該泥石流屬于暴雨類-溝谷型-中頻-大型-稀性泥石流。物源總量為65.77×104m3，動儲量為16.41×104m3。

2)通過現場調查及室內計算，泥石流容重為1.561 g/cm3，流速為3.62 m/s～5.37 m/s，橋梁通過段一次流量為378.91 m3/s～543.87 m3/s，一次沖出固體物質總量為2.43×104m3～3.50×104m3，沖擊力為2.11×104m3～4.52×103kN，沖起高度0.67 m～1.47 m，爬高1.07 m～2.35 m。

3)水井灣為易發等級且處于發展期，由于緊鄰鮮水河斷裂帶，若發生近場地震可能導致物源增加，從而爆發更大規模泥石流。

4)擬建橋梁凈空高度遠大于泥石流沖起爬坡高度，因此泥石流不會對橋面產生影響，但會沖擊橋墩。建議橋梁采用大跨徑形式跨越泥石流，以減少橋墩位于泥石流溝的數量，并于泥石流溝內橋墩上游處設置防撞墩。