震區泥石流對線路工程的危害及防災對策研究

劉翠容,姚令侃，杜 翠

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都，610031)

泥石流對山區鐵路公路危害十分嚴重。據不完全統計，我國西部山區的幾大交通干線公路(川藏公路、中尼公路、甘川公路等)有泥石流災害3 600余處；全國鐵路沿線共有泥石流溝1 509條,其中西部地區有1 089條,占70%。1949年以來，我國曾先后發生過300余起中斷行車的重大泥石流災害,列車出軌和顛覆的事故10余起,100人以上的特大傷亡事故2起,累計中斷行車8 000 h[1-5]。

汶川地震以來，震區泥石流災害較震前明顯增大，最新的統計數據顯示，地震重災區新增泥石流溝967條，共有1 000余處泥石流發生，成為雨季對地震災區影響和威脅最大的災害類型。震后泥石流活動與震前相比，具有規模大、速度快、高容重、攜帶大量巨石等新特點[6]，正是由于震后泥石流具有這些新特點使得泥石流對災區線路工程造成了更為嚴重的災害。筆者擬通過研究泥石流損毀都汶公路、省道302、在建都汶高速公路等線路的典型實例，歸納出泥石流對線路工程的危害特點及模式，針對堵塞主河對線路工程造成的危害提出防災模式。

1 震后災區泥石流對線路工程的危害模式

1.1 典型實例

在汶川地震震后的幾個汛期，岷江流域映秀—汶川段大多數溝道多次暴發了規模和危害均較大的泥石流，對作為抗震救災生命線之一的國道213線(都汶二級公路)和在建的都汶高速公路造成了嚴重的危害。如位于都汶公路路基正上方的燒房溝，該溝每逢較大量降雨必發泥石流，掩埋路基，中斷交通。2010年8月14日，映秀普降暴雨，燒房溝發生特大泥石流，泥石流堆積物掩埋明洞，并進入岷江，幾乎堵斷岷江。又如磨子溝，磨子溝在震后兩年多時間內發生泥石流近20次，沖毀跨越該溝口的213國道橋梁，淤埋213國道長度約80 m，沖出的最大石塊直徑達3.5 m。泥石流堵塞岷江干流，累計堵塞壩高約20 m，最長完全堵斷岷江時間約15 min，堵塞后的回水淹沒了上游近千米道路。筆者通過現場調查和查閱文獻收集了典型實例，列于表1。

表1震后泥石流破壞線路工程的典型實例

Table1Typicalcaseofdamagingtohighwaysalongriverscausedbydebrisflowafterearthquake

1.2 泥石流對線路工程的危害模式

通過對震后泥石流破壞線路工程實例的研究，歸納出其危害的模式及特點如下。

1.2.1 掩埋或淤積危害

掩埋和淤積危害發生在泥石流堆積區，是最為普遍的危害方式，屬于直接危害。泥石流出溝后，由于地形開闊，溝床平緩，泥石流速度減小逐漸堆積形成堆積體，淤埋或堵塞通過該區域的路基、橋涵和隧洞，中斷交通。表1中老街村1、2號泥石流溝，老虎嘴上、下游泥石流溝、麻柳灣溝泥石流屬于這種危害方式。

1.2.2 沖擊危害

沖擊危害主要發生在沖溝型泥石流的流通區，屬于直接危害。當攜帶巨大漂礫的泥石流高速運動時，直接沖擊線路建筑物，兩者產生強烈碰撞，當沖擊力大于建筑物承受力時，建筑物即被破壞。表1中太平溝橋部分已建的橋墩有蜂窩狀撞痕，其中左線1 #、2 #橋墩靠近地系梁位置墩柱局部箍筋外露就是受泥石流及其中的大漂礫沖擊而產生的。

1.2.3 沖刷危害

沖刷危害主要發生在沖溝型泥石流的流通區，屬于直接危害。一次泥石流下蝕溝床可從幾米到幾十米不等，泥石流下蝕溝床掏空橋梁墩臺和護岸基礎，造成過溝建筑物和防護工程毀壞。表1中清水溝泥石流淘蝕兩側的松散堆積體，致使已修筑完成的涵洞被毀。

1.2.4 堵塞主河危害

堵塞主河造成的危害屬于間接危害，又分為以下3種：

1)淹沒危害。特大型或大型泥石流暴發時，泥石流在極短的時間內大量進入主河，可將主河立即堵塞或全部堵斷，使原河床迅速抬升，引起路線標高相對下降，或者形成堰塞湖，使上游河水迅速上漲淹沒上游沿岸線路。表1中燒房溝、磨子溝、銀杏幸福溝、竹包頭溝、肖家溝、蟹子溝泥石流等屬于這類方式，這是最為嚴重的危害方式。

2)下游沖刷危害。特大型或大型泥石流暴發時，泥石流在極短的時間內大量進入主河，可將主河立即堵塞或全部堵斷，堵塞體潰決后洪水侵蝕泥沙形成泥石流或高含沙水流,沖刷下游兩岸道路，導致路基失穩，路面損壞等災害。表1中竹包頭溝泥石流屬于這類方式，這是最為嚴重的危害方式。

3)異岸沖刷危害。特大型或大型泥石流暴發時，泥石流在極短的時間內大量進入主河，堰塞體將主河嚴重阻塞，將主河水流推移或改道，主槽擺向異岸時，將對異岸產生強烈沖刷，危及異岸線路建筑物。表1中楊家溝、羅圈灣溝泥石流屬于這類方式，這也是災害較為嚴重的危害方式。

2 已有堵河型泥石流防治模式分析

2.1 堵河型泥石流防治對策

結合泥石流的堵河可能性和堵河程度的判別, 危險區的劃分和道路等級特征，陳寧生，等[7]建立了堵河型泥石流防治模式：對既有線路或實在無法繞避的新線路采用以源頭主動減災和攔擋為主的綜合防治模式防治泥石流；源頭采用谷坊和生物工程等主動減災方法削減泥石流流量，控制泥石流規模；在流通區一定的溝段修建攔沙壩或谷坊工程，攔擋泥石流的粗大顆粒和木料；在堆積區排導的過程中, 支溝主流線與主河的夾角取銳夾角，排導槽出口高于主河常遇洪水位，排導的“喇叭口”基礎宜嵌入一定深度的溝床下部(通常1～2 m)，出口排導縱坡不宜太小，以8%以上為佳。

該泥石流防治模式只注重了工程防治的作用，忽略了發揮主河對泥沙的容納能力而分擔消耗泥石流物質，難以滿足汶川地震區大規模泥石流的防治需求。

2.2 泥石流防治規劃設計原理

陳曉清，等[8]提出了主河輸移控制型泥石流防治規劃設計原理，其主要技術思想是：最大限度利用主河輸移能力，體現以疏為主的理念，根據主河輸移能力確定通過排導工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

主河輸移控制型的泥石流防治規劃設計原理以主河輸沙能力作為控制條件，將泥石流的洪峰流量優先分配給排導工程，然后分配給攔擋工程或者停淤工程，最后由停淤工程或者攔擋工程承擔剩余部分，各類工程合理分擔泥石流洪峰量，實現工程防治體系的科學、合理規劃。確定主河的輸移能力是本項規劃設計方法的關鍵。陳曉采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式，先確定堵斷主河的泥石流流量，在此基礎上推導泥石流排導工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

但是，何易平提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式有其局限性，適用于一次性泥石流活動堵斷主河事件，沒有考慮堵河過程中主河的水力條件的改變，沒有考慮局部阻塞主河的情況；僅考慮了堵斷主河的泥石流流量需求，沒有考慮堵河的泥石流總量的需求。實際上，泥石流局部堵塞大河也能形成堰塞湖災害，甚至造成異岸沖刷災害，且泥石流總量對泥石流堵塞大河具有極大的作用，堵河必須考慮總量的需求[10]。

3 泥石流堵塞主河的防災措施探討

3.1 泥石流堵塞主河的防災對策

泥石流對線路工程的危害程度是由泥石流的性質、支溝泥石流與主河相互作用關系、泥石流與道路的空間位置和危險性綜合特征決定的，在泥石流形成機理研究、泥石流與主河相互關系、泥石流工程防治參數計算理論與方法、泥石流危險度區劃的理論與方法研究的基礎上，建立針對不同危害模式的泥石流防治模式。由筆者現場調查資料可知，泥石流大量入匯主河后，泥沙淤積形成堰塞壩束窄河床導致上游水位壅高形成淹沒災害，當堰塞壩嚴重堵塞主河時除了形成淹沒災害，還會迫使主河水流改道沖刷異岸導致異岸線路工程的損毀。故泥石流堵塞主河這種致災模式往往對沿河線路工程造成嚴重的后果，筆者針對此危害模式進行討論，制定泥石流防災措施：

1)對汶川地震4.0級以上烈度區道路附近的大泥石流溝谷進行排查，劃分泥石流溝危險度。

2)對危險度高的泥石流溝，預測泥石流的各種參數(包括泥石流容重、規模、速度、流量總量等)和主河的參數(包括水流速度、河寬和水深等)，確定泥石流與線路工程、主河的空間位置等情況。

3)根據預測的泥石流和主河的各種參數，由堵河判別式(1)預估堵河的堵塞系數R[10]。

(1)

式中：R為堵塞系數；γs為泥石流容重；v為泥石流流速；q為泥石流流量；u為主河流速；Q為主河流量；Vs為泥石流入匯總量；V0=b×B×H(b為泥石流溝的寬度；B為主河寬度；H為主河水深)。

4)根據文獻[11]提出的泥石流堵河災害效應與判據框圖預測堵河的災害效應。若R<0.6，一般不會發生災害；若0.6

5)根據預測的災害效應，采用相應的防災減災措施。若僅有淹沒災害，對于新建線路工程，可考慮適當提高淹沒范圍內的線路工程設計高程，若還有沖刷異岸線路災害，則除了對異岸新建或已有線路工程采取工程加固或是工程防護措施以外，主要需結合泥石流排導、停淤工程或者攔擋工程進行工程防治。

6)合理優化配置、設計泥石流排導、停淤工程或者攔擋工程。設計泥石流排導、停淤工程或者攔擋工程時，借鑒陳曉清，等的研究成果，最大限度利用主河輸移和容納泥沙的能力，控制泥石流入匯主河的洪峰流量和總量。

泥石流入匯主河的允許洪峰流量按照文獻[8]的方法計算，即采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判別式，推導泥石流排導工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

依據泥石流堵河對總量的要求，從泥石流總量的角度確定通過排導工程可以向主河排泄的泥石流總量，即主河最大容納泥沙的能力。這里，主河最大容納泥沙能力是指堰塞壩堵塞主河不會造成災害時的泥石流最大允許入匯總量。

3.2 主河最大容納泥沙能力的確定

如何確定主河最大容納泥沙能力是合理優化設計3種工程防治措施的關鍵所在，筆者根據上游水位壅高值計算式[10]和異岸受災判據[11]，提出了其確定方法如下。

1)根據道路與主河的空間位置以及某一頻率的主河洪水位，確定泥石流堵塞主河后不發生淹沒災害所允許的最大壅高值Zmax。由泥石流堰塞壩束窄主河后引起的水位壅高值計算公式(2)反算河床過水面積束窄度MA：

(2)

式中：MA=Ae/Ap為河床過水面積束窄度(AP，Ae分別為原河道過水面積及堰塞壩占據的過水面積)；α為綜合修正系數，α=0.01+0.056MA；v為下游河道的流速。

2)把河床過水面積束窄度MA換算成堵塞系數R1(堰塞壩垂直水流方向的寬度與主河寬度的比值)。R1就是泥石流堰塞壩堵塞主河不發生淹沒災害的最大值，而依據異岸受災判據[11]，當R2>0.8時發生異岸受災(R2是發生異常突變的臨界值)，取min{R1,R2}為主河的最大允許堵塞系數R允許。

3)把主河允許堵塞系數R允許帶入式(1)中，反算出泥石流允許入匯總量[Vs]，即主河最大容納泥沙能力。

4 結 論

1)研究震區泥石流損毀線路工程的現場調查資料，提出了泥石流損毀線路工程具有掩埋與淤積、沖刷、沖擊和堵塞主河導致災害4種模式。泥石流堵塞主河形成堰塞壩造成堰塞湖淹沒災害或者迫使主河水流改道沖刷異岸導致異岸線路工程的損毀，屬于泥石流間接危害模式，造成的損失往往較嚴重，比直接危害更難防范。

2)對于泥石流堵塞主河造成嚴重間接危害模式，防災對策的技術思路是：最大限度利用主河輸移和容納泥沙的能力，控制泥石流入匯主河的洪峰流量和總量，防止泥石流堵塞主河事件的發生。對于某一泥石流溝，其具體做法是：確定泥石流通過排導工程可以向主河排泄泥石流總量，由堵斷主河流量判別式導出泥石流通過排導工程可以向主河排泄的泥石流峰值流量，根據允許泥石流總量和峰值流量值去設計排導、攔擋、停淤這3大類工程防治設施。

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