通城縣北港某泥石流防治工程設計方案

劉 平, 張麗榮

(湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,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,最大小時降雨量89.9 mm,導致河水泛濫、城鎮被淹、房屋倒塌,誘發多處泥石流地質災害,其中北港鎮某泥石流一次沖出固體物質總量約10 000 m3,大部分固體物質淤積于出山口,并堵塞了下游南港河,造成洪水和泥石流泛濫,財產損失巨大。為了防治泥石流災害,2014年相關部門對該泥石流溝進行了治理。

1 泥石流區地質環境條件

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余戶居民,分布有20余公頃農田。

泥石流流域區多年平均降水量為1 554.9 mm,降雨主要發生在5—9月。區內最大的河流為雋水河,南港河屬雋水河二級支流,為季節性溪溝。

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,最高點地面高程323.00 m,相對高差約203.00 m。山坡坡角較陡,坡角多在25°～45°之間,溝谷兩側植被稀疏,山頂和山脊植被較發育。區內出露地層有第四系、燕山早期侵入花崗巖類地層。

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,流域長約1.20 km,主溝長度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上可分為形成區、流通區和堆積區,各區特征見表1。

表1 北港泥石流分區特征匯總表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總量。

3 防治工程設計[2]

3.1 設計總體方案

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,且后期爆發泥石流時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總量,因此采用攔排結合的治理思路,經攔擋后的泥石流在一次最大可能固體物源參與時不至于造成排出物堵塞南港河而影響行洪,導致泥石流出山口下游南港河河谷地質環境、左右二岸的房屋和道路等遭受破壞。結合地形地貌和溝道條件,設計總體方案:攔擋壩(谷坊壩)+排導槽+防護堤(圖1)。

3.2 設計指標

北港泥石流的防治工程安全等級為三級,攔擋工程和排導工程均按照30年一遇(P=3%)的泥石流流量標準進行設計,按照50年一遇(P=2%)的泥石流流量標準進行校核。

3.3 設計工況及荷載組合

3.3.1攔擋工程設計工況和荷載組合

按設計指標,在30年一遇的降雨強度前提下,設計攔擋工程設計工況按滿庫過流、半庫過流、空庫過流三種特征考慮,有三種工況組合,分別為工況Ⅰ滿庫容過流狀態、工況Ⅱ半庫容過流狀態、工況Ⅲ空庫過流狀態,其中以工況Ⅰ、工況Ⅱ為設計工況,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滿庫過流狀態,荷載組合:壩體自重+土體重+溢流體重+過壩泥石流動水壓力+泥石流土體水平壓力;

工況Ⅱ半庫容過流狀態,荷載組合:壩體自重+土體重+溢流體重+過壩泥石流動水壓力+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+ 揚壓力;

工況Ⅲ空庫過流狀態,荷載組合:壩體自重+溢流體重+過壩泥石流動水壓力+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排導工程設計工況和荷載

排導工程設計按擋土墻進行計算和校核,其工況及荷載組合為:

工況Ⅰ無泥石流過流狀態,荷載組合:結構自重+土壓力;

工況Ⅱ30年一遇泥石流過流狀態,荷載組合:結構自重+土壓力+設計情況下泥石流荷載;

工況Ⅲ50年一遇泥石流過流狀態,荷載組合:結構自重+土壓力+設計情況下泥石流荷載。

其中工況Ⅰ、工況Ⅱ為設計工況,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 設計參數

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

3.5 分項設計

3.5.1攔擋壩

1#攔擋壩布置在溝口上游的溝谷中,設計壩頂高程146.80 m,壩最高處高為8.00 m,長70.00 m。

2#攔擋壩布置在溝尾崩滑體下游較開闊溝槽中,設計壩頂高程173.00 m,壩最高處高為6.90 m,長23.00 m。

(1) 設計攔擋壩庫容量(見表2)。

(2) 攔擋壩結構設計。壩體采用M10漿砌塊石結構,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排導槽

排導槽布置在溝口段,入口位于兩溝岔口處,出口接南港河。排導槽寬5.00 m,兩側邊墻高2.50 m,設計最大排導流量67.62 m3/s,能滿足泥石流過流要求(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 排導槽斷面結構圖Fig.5 Section structural chart of drainage groove

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

圖6 防護堤斷面結構圖Fig.6 Section structural chart of protective embankment

3.5.3防護堤

導流防護堤位于攔擋壩與排導槽之間右側,高4.00 m。考慮泥石流對防護堤的沖擊,防護堤設計采用深挖并墻后填土的方式,采用M10漿砌石,防護堤允許的壓應力為2 100 kN,大于泥石流對防護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月特大持續暴雨過程中發揮了顯著的作用,保護了人民群眾生命財產的安全。

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

4 結語

(1) 北港泥石流防治工程采用攔擋壩、排導槽、導流防護堤相結合的綜合治理措施,防治效果明顯,取得了較好的社會效益。

(2) 該泥石流防治工程實施積累的地質災害防治經驗可為鄂西南山區和同類地質環境區的泥石流防治提供參考與借鑒。

(3) 應加強對地質環境的保護,防止水土流失和地質災害的發生。

(4) 為保證防治工程的有效性,地方政府應加強對防治工程的維護。