樺林隧道進口泥石流形成原因、啟示及防治建議

■程文鑫

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

1 前言

根據黃春鵬等[1]的研究表明,福建省內山區泥石流地質災害發生較少,規模一般不大,但泥石流具有爆發突然、來勢迅猛、破壞力強的特點，且常兼有崩塌、滑坡等多重作用，危害性極大，所以研究泥石流的性質、特點及形成原因， 對識別、 預防及治理山區泥石流災害具有重要意義。

柘福高速公路樺林隧道位于閩東山區，2008 年7 月由于該區域發生特大暴雨， 使隧道進口西北側約400m處采石場棄渣堆積體產生滑塌；2016 年受第14 臺風“莫蘭蒂”、17 臺風“鲇魚”帶來的強降雨影響，采礦場開挖形成的邊坡出現滑塌，滑塌邊坡下方為一狹窄陡深的溝谷，滑塌體與大量雨水混合后在溝谷中形成泥石流， 泥石流在樺林隧道進口寬緩處堆積，形成了滑塌-泥石流鏈式地質災害，造成隧道口導流槽淤堵，嚴重威脅高速公路的行車安全(如圖1)。 本文通過工程地質調繪、鉆探、原位測試等多種勘察方法，詳細查明了泥石流的地質背景、分布特征、 形成原因等， 通過計算分析劃分出該泥石流類型特點，并提出合理可靠的泥石流工程防治建議。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌及氣象氣候

場區屬低山剝蝕丘陵地貌， 泥石流區形成區山體坡度約20～35°，其后緣山體最高峰高程約710m，距樺林隧道進口堆積區高差達340m。泥石流流通區主要為形成區與堆積區中部的山間沖溝，沖溝縱坡較陡，約為35～50°。

泥石流區地處寧德福安市， 屬亞熱帶海洋性季風氣候區， 溫暖濕潤， 四季基本分明。 年平均降水量1350～2050mm， 主要集中于3 至9 月：3～4 月為春雨季節，5～6月為梅雨季節，7～9 月為臺風雷陣雨季節，10 月至次年2月為少雨季節。 暴雨主要集中在5～9 月份。

圖1 泥石流工程地質平面圖

2.2 地層巖性

場區上部主要為采石場人工堆積的棄渣(Q4ml)、崩坡積層(Qcol+dl)，下伏為燕山晚期侵入花崗巖(γ53)、侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)及其風化層。

人工堆積棄渣分布于采石場作業區內， 形成粘性土夾碎石堆積體，厚約4～7m，含約10%～15%碎石，塊徑3～7cm，結構雜亂無序。

崩坡積層主要分布于采石場作業平臺下，厚度約4～12m，以粘粉粒為主，粘性一般，碎石含約10%～20%，呈次棱角狀，粒徑2～8cm，錘擊易碎，局部夾粒徑20～50cm 的塊石。

燕山晚期侵入花崗巖(γ53)主要呈肉紅、淺灰色混雜，中細粒花崗結構；侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)主要呈青灰色，基質主要為火山塵級玻璃質及隱晶質物質。具體巖土層分布詳見圖2 及圖3：

圖2 A-A’地質剖面圖

圖3 B-B’地質剖面圖

2.3 水文地質條件

泥石流區山體坡度約20～50°，總匯水面積約0.2km2。泥石流流通區山間沖溝，坡度為35～45°，沖溝位于地表水徑流集中區。 強降雨天氣下匯集的水流對上部松散物質的侵蝕、掏挖作用引起坡體滑塌，滑塌物質又在水流作用下沿沖溝順流而下。勘查期間溝內局部見地表水流，流量約50m3/d，主要接受大氣降水的補給，受季節性影響變化較大。

勘察期間測得場地內鉆孔地下水穩定水位埋深11.3～22m(雨天)，地下水的補給來源主要為大氣降水。

2.4 泥石流基本特征

2.4.1 泥石流形成區特征

如圖4 所示， 將泥石流形成區分為A、B、C 三個區域：采石場施工平臺以上部分定義為A 區，采石場施工平臺下部滑塌體定義為B 區， 泥石流流通區上部溝口位置定義為C 區。

圖4 泥石流形成區分區圖

A 區為廢棄的采石場，因開挖開采山體新鮮基巖，而留下廢棄的大量松散堆積體，體積約20000m3，主要成分為殘坡積土與花崗巖風化層及開采后的碎塊石， 碎石直徑一般0.2～1.0m 不等。 堆積體巖土體經8～10 年自然沉積后，巖土體結構尚緊密，目前自然狀態下尚穩定，在暴雨作用下可能形成溜塌。

B 區為采石場作業平臺邊緣邊坡， 在強降雨等外力作用下出現崩塌，下部坍塌坡面長約90m,最高約28m，坡度近50°， 廢棄采石場作業平臺內發育多組張拉裂縫，裂縫寬約50～115cm，局部下錯約20cm，說明崩塌體已向后牽引形成滑坡變形體，目前正處于蠕動變形階段，易發生進一步滑塌。

C 區為泥石流流通區上部溝口的崩滑堆積物堆積區，以粘性土為主，含大量碎石，巖土體結構雜亂松散，極不穩定，強降雨后在雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下。

2.4.2 泥石流流通區特征

流通區主要為形成區下方一山間溝谷， 相對高差約220m，縱坡坡度35～50°，河溝較狹小(一般寬8～15m 左右，局部地段溝道寬度僅3～5m 左右)，且該溝段區域性抬升劇烈， 因此溝道下切較為強烈， 局部地段可見基巖出露，這些特點決定，在具備較強的水動力條件時，泥石流下蝕作用通常大于堆積作用， 其沖淤特征表現為以沖為主的特點，易于泥石流的流通。另外，溝谷兩側植被發育，自然坡體較穩定， 目前暫不具備為泥石流提供大量物源條件。

2.4.3 泥石流堆積區特征

堆積區位于樺林隧道進口處， 該處為兩沖谷的交匯處，面積1500m2，其中南西向的沖溝常年流水，雨季水量較大。 泥石流松散堆積體的成分以粘性土為主， 夾有約35%的碎塊石，碎塊石直徑一般0.2～0.8m 不等，厚度3～7m 不等(如圖5)。 水溝下游溝口段，平面形態呈喇叭型，前緣直抵東西向沖溝的東南側岸坡，寬約40m。堆積區溝道相對較窄，且溝道較淺，這種條件決定該溝段沖淤特征以淤為主的特點，但在東西向沖溝水流加大的情況下，其沖刷作用將加劇。

圖5 堆積區松散堆積體

3 相關計算

3.1 形成區崩滑堆積體穩定性計算

3.1.1 參數選取

根據土工試驗結果， 結合地區經驗考慮如下兩種工況：

(1)天然條件,崩坡積層天然密度采取土工試驗成果的平均值，取17.6kN/m3；抗剪強度指標取直接快剪試驗成果，粘聚力c=17.5kPa，內摩擦角Φ=15.4°；

(2)暴雨條件，崩坡積層飽和密度采取土工試驗成果的平均值，取18.3kN/m3；抗剪強度指標取飽和快剪試驗成果，粘聚力c=15.5kPa，內摩擦角Φ=13.2°。

3.1.2 計算分析

選取典型剖面A-A’ 及B-B’(圖1 及圖2)， 利用GEO-SLOPE 軟件進行不同工況下崩滑體穩定性計算，結果如表1。

表1 滑塌體穩定性計算結果

通過計算分析可知，A 區自然狀態下尚穩定，在暴雨作用下可能形成溜塌；B 區為采石場作業平臺邊緣下滑塌體，目前正處于蠕動變形階段的不穩定狀態，暴雨下易發生進一步滑塌；C 區為泥石流流通區上部溝口的崩滑堆積物堆積區，目前正處于極不穩定狀態，強降雨后在雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下， 坡體總體處于不穩定狀態，必須及時進行加固治理。

3.2 泥石流流速計算

根據調查訪問， 現場采用物源方量及水的體積比法測定泥石流流體重度， 經取樣測算該泥石流平均重度為γC=1.35t/m3，其值小于1.60t/m3，為稀性泥石流，考慮該處爆發泥石流需較大的降雨量和強大的水動力條件， 而雨量大則流體性質將更偏于稀性，因此其平均流速 采用鐵二院稀性泥石流計算公式計算：

其中泥石流泥砂修正系數

φ=(γC-γW)/(γH-γC)

式中參數根據取樣試驗成果結合地區經驗取值如下：

γH——泥石流固體物質比重，采用2.63t/m3；

γW——水容重(1t/m3)；

R——水力半徑，取平均泥深1.2()；

I——泥位縱坡率，取沖溝縱坡率0.7。

經計算，泥石流的平均流速約為3.77m/s。

3.3 一次泥石流總量

一次泥石流總量Q 計算方法是根據泥石流歷時T(s)和最大流量Qc(m3/s)及其流體在運動過程中暴漲暴落的特點，據調查訪問及文獻記錄，2008 年該處發生泥石流一次泥石流為近年發生的最大一次泥石流， 流量約36m3/s，歷時約1h， 按照 《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220－2006)附錄I 提供公式進行計算：

Q=0.264TQc

式中Q——一次泥石流過程總量(m3)；

T——泥石流歷時(s)；

Qc——泥石流最大流量(m3/s)；

一次泥石流沖出的固體物質總量QH(m3)按下式計算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

經計算，該泥石流一次泥石流總量為34214m3，泥石流一次沖出固體物質總量QH為7347m3。

4 泥石流的形成原因分析

4.1 地形因素

便于集水、集物的地形是泥石流發育的必要條件。泥石流區整體山高溝深， 地勢陡峻： 上游形成區為三面環山、 一面出口的漏斗狀， 該地形便于水和碎屑物質的匯集；中部流通區山間溝谷，相對差大，縱坡降較陡，河溝較狹小，且該溝段區域性抬升劇烈，溝道下切較為強烈，該地形便于水及物料的迅猛傾瀉， 且利于水流對溝道表層巖土體的侵蝕； 下游堆積區隧道進口為南北兩側高中間地的山谷，且隧道修建后中部地形較平坦開闊，易于碎屑物質的堆積。

4.2 人為因素

人為破壞原有山坡穩定是泥石流發生的誘因。 近年來工程建設、經濟活動逐年加劇，在人類各生產活動帶來經濟效益的同時，自然生態環境卻遭到嚴重破壞，崩塌、滑坡等地質災害時有發生，并且呈現日趨嚴重的態勢。樺林隧道進口坡體上方的采石場就是當地村民無計劃任意開采石料，破壞了原有山體巖土體平衡，棄渣又隨意堆積在山坡上， 造成坡體上部加載后在強降雨等外力作用下出現發生滑塌， 從而形成人工堆積-滑塌-泥石流的鏈式地質災害。

4.3 巖土體因素

豐富的物料來源是泥石流形成的根本原因。 泥石流形成區坡體表層人工堆積棄渣、 崩坡積層及流通區上部溝口的崩滑堆積物堆積區，以粘性土為主，含大量碎石，這些均具有孔隙比大(e＞0.91)、結構松散雜亂的特性，下部的花崗巖、 凝灰熔巖風化層多為粘性土或裂隙不發育的巖石，透水性較差，在一定程度上屬于隔水層，這勢必造成坡體上部松散的巖土體易處于飽水狀態，極不穩定，屬于不穩定巖土體。 上述不穩定巖土體總計約56000m3，均可作為泥石流形成區的物質來源，在強降雨條件下，大量雨水稀釋混合后易沿沖溝順流而下。

4.4 水文氣象因素

短時間大量水的來源是泥石流觸發直接原因。 泥石流形成區山體坡度較陡， 高差達340m， 總匯水面積約0.2km2；流通區山間沖溝，位于地表水徑流集中區，強降雨天氣下匯集的水流對上部松散物質的侵蝕、 掏挖作用引起坡體滑塌， 滑塌物質又在水流作用下沿沖溝順流而下。 由前言中所述泥石流形成的歷史可知，一般每隔5～10 年暴雨條件下上部不穩定巖土體發生滑塌，暴發雨強一般大于4mm/10mim。

5 總結與啟示

5.1 泥石流類型劃分

綜合以上調查訪問及計算分析結果，僅憑《泥石流災害防治工程勘查規范》(DT/T0220-2006) 無法完全描述樺林隧道進口泥石流特性，筆者在對比分析《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011)、《工程地質手冊》(第五版)及相關規范的基礎上，結合工程經驗，總結認為該泥石流屬暴雨條件下的坡面侵蝕+崩滑復合式小型低頻率稀性泥石流，一般每隔5～10 年暴雨條件下發生，暴發雨強一般大于4mm/10mim。

5.2 隧道口選址

隧道口選址應盡量避開上部有人工開挖等不穩定斜坡體且斜坡體下具備陡峻沖溝的地形， 即避開潛在泥石流洪積扇的擴散范圍， 以免泥石流發生時淤堵導流槽引發隧道口變形失穩，甚至堆積物直接擁堵隧道。

5.3 治理關鍵

根據以上分析， 樺林隧道進口泥石流的發生與上部形成區廢棄采石場的崩滑堆積體是密不可分的， 所以治理該泥石流的關鍵是崩滑塌堆積體的處理及潛在滑坡體的防治。

5.4 政府應加強管控

人為因素是該泥石流觸發的誘因， 故建議政府相關部門加強工程建設及采礦活動管控， 禁止隨意開挖人工高陡邊坡、堆棄廢石礦渣等。

6 泥石流防治方案及處理建議

6.1 泥石流形成區防治

根據以上對泥石流區的分析， 治理該泥石流關鍵是形成區崩滑堆積體的處治，建議采取“削坡減載+錨索框架+排水工程”的綜合治理方案。

6.1.1 削坡減載

對形成區邊坡采用分級放坡開挖， 起到刷方減載的作用，開挖施工應制定嚴格的施工組織設計及技術要求，自上而下采用逆作法，最后清除崩滑堆積體。

6.1.2 錨索框架

由于坡體存在不利結構面， 且不穩定坡體的厚度局部較大， 因此建議在滑坡體中部采用錨索框架方法進行加固，錨桿錨固段應穿過潛在滑動面進入穩定地層，并在坡面采取框架格子梁。

6.1.3 排水工程

水是滑坡形成的關鍵因素， 必須減少雨季地表水滲入滑坡體，應設置完善的邊坡地表和地下排水系統：在斜坡后緣的穩定地層上設置環形截水溝； 在坡體設置仰斜式排水孔排引坡內地下水，同時，對坡面采取適當的防護措施，防止雨水的沖刷或大量滲入坡體。 治理邊坡時，應首先進行坡頂排水系統施工， 雨季時應做好水的排導和防護工作。

6.2 泥石流流通區及堆積區防治

一般采取綜合治理方案， 常用的治理措施包括工程措施和生物措施。

6.2.1 工程措施

(1)在主溝中游建泥石流攔砂壩，攔截泥砂和漂木，削減泥石流規模和容重。 堆積在攔砂壩上游的泥砂還可以反壓坡腳，起到穩定坡岸作用。

(2)在溝道下游或堆積扇上建泥石流排導槽，將泥石流排泄到指定地點， 防止沈海復線高速公路樺林隧道進口段遭受泥石流破壞。

6.2.2 生物措施

泥石流治理的生物措施主要指保護、 恢復森林植被和科學地利用土地資源，減少水土流失，恢復流域內生態環境，改善地表匯流條件，進而抑制泥石流活動。

無論在治理期還是后期隧道運營期， 都應監測泥石流區的降雨過程和降雨量(或接收當地天氣預報信息)，根據以上分析判斷降雨激發泥石流的可能性； 監測溝岸滑坡活動情況和溝谷中松散土石堆積情況， 分析滑坡引發泥石流的危險性，在泥石流形成區設置觀測點，發現形成泥石流后， 及時向高速公路樺林隧道進口段發出預警信號。

7 結論

(1)綜合以上調查訪問及計算分析結果，筆者總結認為該泥石流屬暴雨條件下的坡面侵蝕+崩滑復合式小型低頻率稀性泥石流， 一般每隔5～10 年暴雨條件下發生，暴發雨強一般大于4mm/10mim。

(2)治理該泥石流關鍵是形成區崩滑塌堆積體的處理及潛在滑坡體的防治，建議采取“削坡減載+錨索框架+排水工程”等綜合治理措施；對該泥石流流通區及堆積區應進行工程措施及生物措施綜合進行的防治方式。

(3)隧道口選址應盡量避開潛在泥石流洪積扇的擴散范圍。

(4) 政府相關部門應加強工程建設及采礦活動管控，禁止隨意開挖人工高陡邊坡、堆棄廢礦渣等。