崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈演化特征分析及防治對(duì)策研究

田士軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

災(zāi)害鏈?zhǔn)怯赡骋环N致災(zāi)因子或生態(tài)環(huán)境變化引發(fā)的一系列災(zāi)害現(xiàn)象。災(zāi)害鏈具有多災(zāi)種、復(fù)合型、多過程、時(shí)空拓展及突發(fā)性強(qiáng)的主要特征[1]。崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈?zhǔn)潜容^典型的一種山地災(zāi)害鏈現(xiàn)象[2]。失穩(wěn)的巨型斜坡高速運(yùn)動(dòng)堵斷河流形成堰塞湖,隨著堰塞湖水位的上漲,最終導(dǎo)致堰塞壩發(fā)生漫頂潰決并形成大規(guī)模潰決洪水,進(jìn)而誘發(fā)泥石流,對(duì)上下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和交通運(yùn)輸、房屋建筑等工程安全構(gòu)成重大威脅[3]。

受復(fù)雜地形地質(zhì)條件、強(qiáng)烈氣候變化、高地應(yīng)力、高烈度地震等因素影響,青藏高原東南高山峽谷區(qū)是我國(guó)山地災(zāi)害最發(fā)育、最活躍、類型最齊全、危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一[4]。該區(qū)內(nèi)滑坡、泥石流、冰湖潰決、高位巖崩冰崩等山地災(zāi)害易發(fā)、頻發(fā),且常常以災(zāi)害鏈的形式呈現(xiàn)。典型災(zāi)害鏈有1988年的米堆溝冰崩-冰湖潰決、2000年的易貢扎木弄溝高位崩塌碎屑流堵江潰決洪水,以及2018年的色東普冰崩巖崩-滑坡-碎屑流等[5-7]。

某溝谷兩岸坡面陡峻,溝谷狹窄,縱坡降較大,兩岸滑坡、碎屑流等不良地質(zhì)發(fā)育,上游兩側(cè)溝谷發(fā)育有4處小型冰川,上游高海拔處基巖裸露,受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地震、氣象等綜合因素影響,存在泥石流、冰崩碎屑流、巖崩碎屑流、崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),對(duì)該溝谷溝口的橋梁工程影響較大。因此,需分析研究該溝谷極端工況下發(fā)生崩塌滑坡堵塞溝道形成堰塞湖的位置與規(guī)模,評(píng)價(jià)堰塞湖潰壩后洪水侵蝕河道形成泥石流對(duì)下游溝口橋梁工程的影響,采取相應(yīng)的防治措施,確保橋梁工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全。

1 災(zāi)害鏈特征及成災(zāi)環(huán)境

該溝谷流域集水面積約54 km2,主溝長(zhǎng)度為12.18 km,溝谷狹窄,縱坡降較大,坡度為28°～35°。

結(jié)合高分遙感數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)溝谷進(jìn)行遙感解譯,該溝內(nèi)共包含33處不良地質(zhì)體,其中滑坡3處、冰雪堆積體4處、危巖體22處、碎屑流2處、潛在威脅坡體2處,不良地質(zhì)體分布如圖1所示。

圖1 溝谷內(nèi)不良地質(zhì)體分布Fig.1 Distribution of bad geological body in gully

溝內(nèi)地層分區(qū)屬于岡底斯—念青唐古拉地層區(qū),流域范圍內(nèi)主要出露元古代和石炭紀(jì)的地層,在溝口附近分布有少量的第四系松散堆積物,出露的地層由老到新有:第四系覆蓋層(Q3、Q4),念青唐古拉巖群(Pt1-2),諾錯(cuò)組(C1n),嘉黎—察隅構(gòu)造混雜巖。此外,流域范圍區(qū)內(nèi)可見燕山期的侵入巖,巖性為灰色細(xì)粒英云閃長(zhǎng)巖。

1.1 區(qū)域典型災(zāi)害鏈特征

溝谷所在區(qū)域?qū)偕钋袓{谷高山地貌區(qū),山谷高差為2 000～3 500 m,山嶺地區(qū)現(xiàn)代冰川極為發(fā)育,冰川湖泊星羅棋布,是我國(guó)現(xiàn)代海洋性冰川分布最大、最集中的地區(qū)。區(qū)域內(nèi)山體陡峻而破碎,第四系松散坡殘積物質(zhì)儲(chǔ)量大,江河多為峽谷險(xiǎn)灘,水流湍急,沿岸支溝密集。滑坡、崩塌、泥石流等山地災(zāi)害暴發(fā)頻繁,經(jīng)常堵塞河道,形成回水淹沒,堰塞壩潰決以后形成規(guī)模巨大的潰決洪水,甚至進(jìn)而形成泥石流,使沿線公路及其他建筑物遭受沖刷或淹埋,導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害鏈。

1.2 溝谷堵溝條件分析

通過遙感解譯、無人機(jī)傾斜攝影、lidar及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等勘察手段,發(fā)現(xiàn)溝谷流域內(nèi)存在由于冰川運(yùn)動(dòng)和古滑坡崩塌發(fā)生的堵溝事件。

1.2.1 冰川阻塞體

冰川堰塞體位于該溝谷上游古冰川下方,古老冰川側(cè)磧壟十分典型,上游側(cè)側(cè)磧壟長(zhǎng)1.1 km,下游側(cè)側(cè)磧壟長(zhǎng)1.0 km,側(cè)磧壟間距約300m,阻塞體上游有一定的淤積現(xiàn)象。目前,溝道切穿兩條側(cè)磧壟,根據(jù)目前殘留的冰磧壟微地貌,推測(cè)歷史上冰川曾經(jīng)堵塞過溝道,形成冰川阻塞型堰塞湖,如圖2所示。

圖2 古冰川堰塞體Fig.2 Ancient glacier weir body

根據(jù)冰磧壟完整性推測(cè)古冰川阻塞湖未發(fā)生大規(guī)模潰決。原因是冰川阻塞湖庫容有限,湖水的靜水壓力相對(duì)較小,而冰川阻塞體規(guī)模巨大,估算古冰川面積超過1 km2,厚度超過100 m。溝道河流經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的不斷下切,使得溝道切穿了原冰磧體。目前該冰川阻塞體整體處于穩(wěn)定狀態(tài),在河水沖刷作用下,局部可能發(fā)生溜坍。

1.2.2 滑坡堰塞體

在該溝谷中游左岸和右岸分別發(fā)現(xiàn)古滑坡崩塌堰塞體。左岸崩滑堰塞體總體上呈三角形,形態(tài)類似于倒石堆,縱長(zhǎng)約940 m,平均寬約530 m,面積0.4 km2,滑坡后壁坡向30°,滑坡后壁坡度約35°,如圖3所示。堰塞壩壩前有一定的淤積現(xiàn)象,由于堰塞體在上游側(cè)的對(duì)岸有沖高現(xiàn)象,目前主溝從堰塞壩中部切穿而過,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的潰決跡象。該堰塞體整體處于穩(wěn)定狀態(tài),在河水沖刷作用下,局部可能發(fā)生溜坍。

圖3 左岸崩滑堰塞體Fig.3 Left bank collapse weir body

右岸滑坡堰塞體總體呈“箕”形,滑坡堰塞體縱長(zhǎng)約500 m,平均寬約400 m,面積0.2 km2,滑坡后壁坡向185°,滑坡后壁坡度約70°,堆積體上有明顯平臺(tái)和反翹地形,堰塞壩壩前有一定的淤積現(xiàn)象,堆積體前緣逼彎主溝,推測(cè)曾經(jīng)堵斷溝道,如圖4所示。

圖4 右岸崩滑堰塞體Fig.4 Right bank collapse weir body

該滑坡堆積體形狀保持完整,未發(fā)現(xiàn)受到強(qiáng)烈侵蝕和潰壩跡象,推測(cè)雖然滑坡堵斷主溝,但并未發(fā)生潰決事件,溝道河流經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的不斷下切,使得溝道改道從滑坡堆積體前緣通過。目前滑坡堆積體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2.3 潛在堵溝隱患點(diǎn)

溝谷溝道中游左岸崩滑堰塞體上方發(fā)育有一體積較大的危巖體,如圖5所示,該危巖體距溝底高程落差約1 km,巖體縱長(zhǎng)約700 m,平均寬約300 m,面積0.3 km2,平均坡度約45°,坡向30°,根據(jù)高清度傾斜攝影地形空間分析,推斷危巖體體積約8×106m3,平均厚度約26 m。該危巖體所處山體坡度較陡,臨空面較大,航空影像顯示存在兩組正交結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀較為清晰,無植被發(fā)育,在地震、降雨等極端工況下可能會(huì)發(fā)生崩塌,崩塌物質(zhì)將成為泥石流的物源,并可能堵斷溝道,為潛在崩滑堵溝隱患點(diǎn)。

圖5 潛在崩滑堵溝隱患點(diǎn)Fig.5 Potential hidden point of sliding and plugging ditch

該崩滑隱患點(diǎn)巖性為片麻花崗巖,主要受兩組結(jié)構(gòu)面控制,如圖6所示。第一組結(jié)構(gòu)面(J1)產(chǎn)狀30°∠35°,第二組結(jié)構(gòu)面(J2)產(chǎn)狀45°∠60°,兩組主控結(jié)構(gòu)面將巖體切割成楔形,第二組結(jié)構(gòu)面切割巖體脫離母巖,楔形體可能以第一組結(jié)構(gòu)面為潛在滑動(dòng)面發(fā)生破壞。

圖6 楔形體主控節(jié)理裂隙Fig.6 Master joint fissure of wedge shape body

楔形體的坡面和結(jié)構(gòu)面走向、傾向均相同,且坡角大于結(jié)構(gòu)面的傾角,在赤平投影圖上表現(xiàn)為坡面投影圓弧包含在結(jié)構(gòu)面投影圓弧之內(nèi),如圖7所示。該危巖體總體穩(wěn)定性差,目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài),受地震和降雨等不利因素影響極易產(chǎn)生順結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng),從而發(fā)生崩塌滑坡,并覆蓋和推動(dòng)坡底古滑坡崩塌堰塞體共同形成堵河堰塞湖。

圖7 楔形體赤平投影Fig.7 Equatorial projection of wedge shape body

2 崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈數(shù)值模擬分析和計(jì)算

2.1 數(shù)值模擬模型

崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈?zhǔn)怯啥喾N災(zāi)害組成的線狀災(zāi)害,相對(duì)于單一災(zāi)害而言,具有時(shí)間尺度長(zhǎng)、危害范圍大和破壞程度高等顯著特點(diǎn)。同時(shí),此災(zāi)害鏈不同階段分別屬于不同災(zāi)害的演變過程,存在著一環(huán)誘發(fā)一環(huán)的現(xiàn)象。因此,針對(duì)此災(zāi)害鏈不同階段的演化特征,需要采用不同的物理動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬分析[9-11]。

在深入研究崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈物理力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上[12],對(duì)此災(zāi)害鏈進(jìn)行細(xì)化分析,確定災(zāi)害鏈不同階段演化的動(dòng)力特征以及影響因子,分別構(gòu)建崩塌滑坡運(yùn)動(dòng)物理模型、潰壩及洪水演進(jìn)物理模型,完成崩塌滑坡-堰塞湖潰決-洪水災(zāi)害鏈-泥石流的物理模型搭建。各階段模型方程如下。

2.1.1 崩塌滑坡運(yùn)動(dòng)物理模型

在滑坡體三維運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上,利用深度平均理論對(duì)納維斯托克斯三維方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,即假設(shè)滑坡體在運(yùn)動(dòng)過程中其垂直方向上的變量保持一致,從而將復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化為二維運(yùn)動(dòng)方程,同時(shí)進(jìn)一步考慮滑坡體自身性質(zhì)變化對(duì)其動(dòng)力過程的影響,模型方程如下

(1)

式中,t為時(shí)間;h為滑坡體厚度;u,v分別為滑坡體水平、垂直速度;μ為基底摩擦系數(shù);g為重力加速度;gx、gy、gz分別為沿實(shí)際地形下坡面、縱坡面和垂直坡面向下的重力加速度分量;ρ=(1-n)ρf+nρs為滑坡體密度;ρs為固相顆粒密度;ρf為液相密度;n為滑坡體孔隙度;(kx,ky)為側(cè)向土應(yīng)力系數(shù),為土體內(nèi)摩擦角φint和基底摩擦角φbed的函數(shù)。

2.1.2 潰壩及洪水演進(jìn)物理模型

漫頂潰決是堰塞壩主要的潰決方式之一,其潰決過程往往是翻壩水流在壩頂造成一處缺口,通過不斷侵蝕造成壩口擴(kuò)大乃至壩體潰決,進(jìn)而產(chǎn)生潰壩洪水。針對(duì)漫頂溢流造成的侵蝕現(xiàn)象,相應(yīng)的計(jì)算公式如下

(2)

式中,E為侵蝕深度;α和β均為侵蝕經(jīng)驗(yàn)系數(shù);U=0.5ρ(u2+v2)/[ρ(ρs/ρf-1)gd]為水流侵蝕參數(shù);Ul為基底物質(zhì)啟動(dòng)臨界參數(shù)。

近年來,洪水的演進(jìn)過程預(yù)測(cè)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),也是研究較為成熟的問題之一。運(yùn)用淺水波方程模擬洪水演進(jìn)過程也得到眾多學(xué)者的一致認(rèn)可[13]。而洪水演進(jìn)過程十分復(fù)雜,對(duì)其研究主要集中在兩個(gè)方面:洪水運(yùn)動(dòng)以及河床高程演化。河床高程發(fā)生變化進(jìn)而影響洪水的流動(dòng)特征[14]。因此,基于淺水波方程構(gòu)建洪水演進(jìn)物理模型,則洪水演進(jìn)方程可表達(dá)如下

(3)

式中,t為時(shí)間;h為水流高度;u和v分別為沿著x和y方向上的水流平均流速;g為重力加速度;c為單位水體體積內(nèi)的基底物質(zhì)濃度;ρ為水體密度,ρ=ρw(1-c)+ρsc;ρs為基底物質(zhì)密度;ρw為清水密度;ρb為基底沉積物密度,ρb=ρw(1-αs)+ρsαs;αs為基底沉積物孔隙度;z為基底高程;Sfx和Sfy分別為水流沿x和y方向上所受到的摩擦阻力;D和E分別為單位面積上基底物質(zhì)的沉積和被侵蝕速率。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

有限體積法,或稱為控制容積積分法,是20世紀(jì)以來逐漸建立的一種主要應(yīng)用于求解流動(dòng)問題和導(dǎo)熱問題的數(shù)值計(jì)算方法[15]。有限體積法相比于有限元法及有限差分法,其具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)有限體積法的基礎(chǔ)是積分形式的控制方程,此方程代表了相關(guān)變量在單元容積內(nèi)的守恒特點(diǎn);(2)控制方程的各項(xiàng)都存在確定的物理意義,進(jìn)而導(dǎo)致方程在被離散時(shí),離散形式的各項(xiàng)均能夠賦予相關(guān)的物理解釋;(3)區(qū)域離散的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格與進(jìn)行積分的控制容積分立,進(jìn)而確保了特征變量的守恒性[16]。

因此,根據(jù)上述模型特點(diǎn)選用有限體積法對(duì)模型方程進(jìn)行求解,首先將方程組轉(zhuǎn)化為向量形式,可表達(dá)如下

(4)

式中,U、F、G、S、T分別為模型方程的變量矩陣,通量矩陣(F,G)和源項(xiàng)矩陣(S,T)。為方便求解,運(yùn)用算子分裂法將上述方程的向量形式轉(zhuǎn)化成兩個(gè)一維問題,可表示如下

(5)

上述方程為典型的兩個(gè)一維黎曼問題[17]。基于此,采用Roe黎曼解公式來求解,以x方向上的黎曼問題為例,將上述方程中的子方程轉(zhuǎn)化為以下形式

(6)

式中,J為通量F關(guān)于變量U的雅克比矩陣,J=?F/?U,可表達(dá)如下

(7)

(8)

由Roe公式求解方程界面通量的公式可表達(dá)如下

(9)

(10)

(11)

式中,M為通量限制器,采用Roe’ Superbee公式,可表達(dá)如下

M(x)=max(0,min(1,2x),min(2,x))

(12)

此外,采用McCormack公式提高計(jì)算時(shí)間精度,可表達(dá)如下

(13)

式中,上標(biāo)pr和cr分別代表預(yù)測(cè)和校正步;n代表時(shí)間層;Δx為單元網(wǎng)格在x方向上的邊長(zhǎng);Δt為時(shí)間步長(zhǎng),其計(jì)算公式可表達(dá)如下

(14)

式中,cfl為柯朗數(shù),通常其值小于1。計(jì)算y方向上一維黎曼問題的步驟與上述步驟類似,將x方向和y方向上的一維黎曼問題分別求解后,下一時(shí)間步長(zhǎng)的變量解可通過以下公式獲得

(15)

式中,Lx和Ly分別代表求解x方向和y方向上一維黎曼問題的計(jì)算程序。

2.3 計(jì)算參數(shù)取值

經(jīng)研究分析,本崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈模型計(jì)算采取的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameter of the disaster chain of landslide-barrier lake-dam flood-debris flow

2.4 分析計(jì)算結(jié)果

2.4.1 滑坡運(yùn)動(dòng)階段

因危巖體距溝底高程落差約1 km,山體平均坡度約45°,危巖體沿結(jié)構(gòu)面崩塌后形成高位滑坡,如圖8所示。

圖8 模型計(jì)算地形及初始滑坡分布(單位:m)Fig.8 Model calculated terrain and initial landslide distribution(unit: m)

在滑坡運(yùn)動(dòng)階段,楔形體失穩(wěn)后發(fā)生迅速滑動(dòng)變形,滑坡物質(zhì)順滑面下滑,根據(jù)滑坡運(yùn)動(dòng)過程中的形態(tài)變化分析,在滑坡體運(yùn)動(dòng)過程中其最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)89 m/s,由于滑坡下滑速度非常高,部分滑坡物質(zhì)越過溝谷沖擊對(duì)岸,但在地形約束及溝底基底摩擦阻力作用下逐漸產(chǎn)生堆積形成堰塞壩。隨著后續(xù)坡體物質(zhì)的不斷涌入和疊加,滑坡體停止運(yùn)動(dòng)后的最大堆積厚度為69 m,堆積體順溝道長(zhǎng)度約為1 000 m,堆積面積約為8.0×105m2,如圖9所示。

圖9 滑坡運(yùn)動(dòng)全過程分析云圖(單位:m)Fig.9 Whole process analysis cloud picture of landslide movement(unit: m)

2.4.2 堵河及堰塞湖形成階段

滑坡堆積區(qū)剛好位于溝道地形轉(zhuǎn)折部位,其地形條件不利于堵塞,且滑坡堆積后占據(jù)大量庫容,滑坡體堵塞溝谷形成堰塞壩,如圖10所示。其壩體基本與壩前溝道順陡坡連為一體,導(dǎo)致雖然堰塞壩范圍和厚度較大,但是堵塞后形成的堰塞湖水深、范圍和規(guī)模有限。

圖10 堰塞壩平面Fig.10 Plane of weir plug dam

根據(jù)堰塞壩的縱橫剖面(剖面Ⅰ和剖面Ⅱ),如圖11和圖12所示,對(duì)堰塞壩堵溝前后的地形進(jìn)行對(duì)比分析,堰塞壩長(zhǎng)度約1 000 m,平均寬度約430 m,堰塞壩最高點(diǎn)海拔約3 180 m,堰塞壩最大厚度約69 m,壩前溝道坡度較陡,基本與滑坡堰塞壩形成一體,形成的堰塞壩高度相對(duì)較低。隨著上游河道水流不斷在壩體前匯集,在壩體前端形成堰塞湖,最大水深為14.4 m,面積約為7.19×104m2,方量約為2.74×105m3。

圖11 堰塞壩縱剖面(Ⅰ-Ⅰ′)Fig.11 Longitudinal section of weir plug dam(Ⅰ-Ⅰ′)

圖12 堰塞壩橫剖面(Ⅱ-Ⅱ′)示意Fig.12 Longitudinal section of weir plug dam(Ⅱ-Ⅱ′)

2.4.3 潰壩及潰決洪水階段

當(dāng)堰塞湖水位高程超過堰塞壩頂端高度時(shí),發(fā)生漫頂溢流,在漫頂水流夾帶作用下,壩體頂部形成溢流槽,并隨著潰口的不斷擴(kuò)大,過流量增加的同時(shí)也加劇了侵蝕,堰塞壩總侵蝕量4.5×106m3,最終導(dǎo)致壩體潰決,形成潰壩洪水,如圖13所示。模擬分析結(jié)果顯示在潰決洪水過程中,溝口大橋處最大水深為4.43 m(不含原始水位),最大流速為7.54 m/s,峰值流量為807 m3/s。

圖13 潰決洪水演進(jìn)過程模擬成果(單位:m)Fig.13 Simulation results of outburst flood evolution(unit: m)

2.4.4 潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈

該溝谷流域下游至溝口段發(fā)育多處淺層土質(zhì)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害和不良地質(zhì)現(xiàn)象,堰塞湖潰決洪水對(duì)沿程的揭底沖刷和沖刷岸坡,導(dǎo)致溝道沿途大量松散堆積物質(zhì)加入,形成泥石流,如圖14所示。經(jīng)計(jì)算,崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水轉(zhuǎn)化成泥石流在溝口大橋處斷面的最大水深為7.1 m,最大流速為8.0 m/s,峰值流量為1 685.51 m3/s,最大沖刷深度為16.58 m。

圖14 災(zāi)害鏈空間分布Fig.14 Spatial distribution of disaster chain

3 災(zāi)害鏈對(duì)橋梁工程影響及防治措施

3.1 災(zāi)害鏈對(duì)橋梁工程影響

崩塌滑坡造成河流堵塞,形成堰塞湖,堰塞湖潰決放大了山區(qū)河流洪水的峰值流量,從而加劇河流沿程沖刷程度,且潰決洪水對(duì)沿程的揭底沖刷和沖刷岸坡導(dǎo)致溝道沿途大量松散堆積物質(zhì)加入,形成泥石流。洪水及泥石流易造成橋梁工程毀壞,甚至交通中斷,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[19]。如在施工階段發(fā)生災(zāi)害,對(duì)施工人員及設(shè)備也易造成重大損害[20]。

3.2 防治對(duì)策

(1)為避免潰決洪水和泥石流對(duì)橋梁的影響,采用大跨橋梁一跨跨越溝谷,大橋兩側(cè)橋臺(tái)伸入隧道,在溝道內(nèi)不設(shè)置橋墩,且橋梁凈空滿足洪水位加安全高度15 m的要求。

(2)為防止?jié)Q洪水及泥石流對(duì)溝床及兩側(cè)溝岸的掏刷破壞,進(jìn)而影響兩側(cè)坡體穩(wěn)定性,對(duì)橋位上游200 m、下游100 m 范圍內(nèi)溝道進(jìn)行疏通,增大溝道過流面積,疏通后泥石流影響高程以下岸坡及溝道底鋪設(shè)格賓石籠防護(hù),石籠厚1 m。

(3)對(duì)橋臺(tái)上下游的岸坡進(jìn)行加固[21]。右岸橋臺(tái)附近設(shè)置一排防沖刷預(yù)加固樁,采用C40鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁徑1.5 m,樁長(zhǎng)10 m,樁間距3.0 m,樁頂設(shè)高1 m、寬2 m冠梁;鉆孔灌注樁上部至橋梁橋臺(tái)范圍內(nèi)采用拱形骨架+空心磚+栽植灌木防護(hù);左側(cè)橋臺(tái)附近設(shè)錨索框架梁進(jìn)行防護(hù),框架梁采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑,截面尺寸為0.4 m×0.4 m,間距為3.0 m×3.0 m;錨索采用4根φ15.2 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線制作,鋼絞線強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa,單根錨索長(zhǎng)度15 m,其中錨固段長(zhǎng)10 m,自由段長(zhǎng)5 m,錨索與水平面下夾角為20°;泥石流影響高度范圍以下的框架梁采用鋼筋混凝土與框架梁現(xiàn)澆一體成形。

(4)在工程建設(shè)過程中,對(duì)施工組織進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),做好施工場(chǎng)地布設(shè)以及施工設(shè)備、材料、棄渣堆放等管理工作,施工期間嚴(yán)禁在溝道內(nèi)布置工程附屬設(shè)施,嚴(yán)禁隨意傾倒棄渣、垃圾,以確保施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全。

(5)設(shè)置地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng),對(duì)溝道內(nèi)的降雨量、洪水位等關(guān)鍵特征和主要崩滑物源變形活動(dòng)、溝道堵塞、岸坡坍塌等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警,一旦發(fā)生崩塌滑坡,形成堰塞湖,盡快采取挖掘、爆破、攔截等方式進(jìn)行引流和疏排,逐步降低水位,以免造成大的洪災(zāi),從而保障鐵路工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全[22]。

4 結(jié)論

針對(duì)該溝谷鏈生性和災(zāi)害鏈潛在風(fēng)險(xiǎn),對(duì)其左岸堆積體上方存在的潛在崩滑堵溝隱患點(diǎn)開展崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈全過程模擬及風(fēng)險(xiǎn)分析,根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的防治措施。

(1)該溝谷歷史上曾經(jīng)發(fā)生過冰川和滑坡堵塞溝道,形成冰川和滑坡阻塞型堰塞湖,目前堰塞體總體穩(wěn)定,但在河流沖刷作用下,可能發(fā)生局部溜坍。

(2)研究的崩塌滑坡隱患點(diǎn)距溝底高程落差約1 km,危巖體縱長(zhǎng)約700 m,平均寬約300 m,面積0.3 km2,平均坡度約45°,坡向30°,危巖體體積約8×106m3,平均厚度約26 m。該隱患點(diǎn)巖性為片麻花崗巖,主要受兩組結(jié)構(gòu)面控制,總體穩(wěn)定性差,受地震和降雨等不利因素影響極易產(chǎn)生順結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng),從而發(fā)生崩塌滑坡,并覆蓋和推動(dòng)坡底古滑坡崩塌堰塞體,共同形成堵河堰塞湖。根據(jù)數(shù)值模擬分析,崩塌滑坡堵河可形成最大水深14.4 m、方量約為2.74×105m3的堰塞湖。

(3)當(dāng)堰塞湖水位高程超過堰塞壩頂端高度時(shí),發(fā)生漫頂溢流,在漫頂水流夾帶作用下,壩體頂部形成溢流槽,并隨著潰口的不斷擴(kuò)大,過流量增加的同時(shí)也加劇了侵蝕,堰塞壩總侵蝕量4.5×106m3,最終導(dǎo)致壩體潰決,形成潰壩洪水,溝口大橋處最大洪水水深為4.43 m(不含原始水位),最大流速為7.54 m/s,峰值流量為807 m3/s。

(4)考慮在潰決洪水強(qiáng)烈揭底沖刷和侵蝕的條件下,沿溝道的松散堆積物受山洪裹挾,松散物質(zhì)加入使得洪水轉(zhuǎn)化成為泥石流,形成潰決型洪水泥石流災(zāi)害鏈。洪水轉(zhuǎn)化成泥石流在溝口大橋處的最大水深為7.1 m,最大流速為8 m/s,峰值流量為1 685.51 m3/s,最大沖刷深度為16.58 m。

(5)為減少崩塌滑坡-堰塞湖-潰決洪水-泥石流災(zāi)害鏈對(duì)溝口橋梁工程的影響,以大跨橋梁形式一跨通過該溝谷,兩端橋臺(tái)深入隧道,不在河道內(nèi)設(shè)置橋墩,并采取河道疏通、岸坡防護(hù)和監(jiān)測(cè)預(yù)警等防治措施。