大橋溝岸坡防護治理設計方案研究

趙 艷，牟高翔，袁 瓊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

大橋溝位于四川省西昌市西部的巴汝鄉與白馬鄉境內，為官地水電站的下游，屬雅礱江左岸一級支流。流域總體近南北向展布，南寬北窄， 略呈矩形，南北長21 km，東西寬14.5 km，流域面積約170 km2。流域四面均為由近3 000 m及3 000 m以上中高山所形成的分水嶺，源區最高海拔約3 720 m，溝口高程約1 200 m，高差約2 500 m。主溝兩側支溝眾多，呈明顯的“丫”狀結構。

2005年5月26日，電站壩址發生了特大暴雨，小時降雨量達到29 mm，大橋溝發生了一定規模的泥石流。2016年7月，大橋溝再度發生泥石流，影響了布置于溝口的電站渣場和機電倉庫人員及設備安全。根據前期完成的《大橋溝泥石流發育特征及其對工程影響專題研究報告》中關于“大橋溝泥石流屬高山區溝谷型泥石流，由于近年來受溝域內人類活動的影響，自1998年以來轉為高頻率稀性泥石流，屬中等(偏極易)易發；大橋溝不穩定物源為655.36 萬m3，從其演變歷史及目前溝內現有松散物源分布上看，大橋溝暴發中等及以上規模泥石流的可能性很大，并對擬建堆碴場產生淘刷和淤積等不利影響，建議采用溝槽排導的方式進行處理”的相關分析，因此，對大橋溝岸坡進行有效防護，對泥石流采取合理的工程處理措施勢在必行。

1 泥石流對大橋溝口段兩岸岸坡的影響分析

大橋溝為泥石流溝，河道淤積大量砂石。2016年6月27 日遭遇特大暴雨，河道流量陡增，水流裹挾大量泥沙、卵石，沖毀大橋溝老橋，大橋溝大橋橋墩以下兩岸岸坡受淘刷而垮塌，威脅 2-1號渣場及機電倉庫的運行安全。經現場查勘和分析，在強降雨影響下，大橋溝再次爆發泥石流的可能性極大，岸坡會進一步淘刷、垮塌，將危及2-1號渣場和機電倉庫的安全。為了確保渣場、機電倉庫的度汛安全，需立即對沖刷嚴重的部位采取工程措施進行臨時防護；為了確保渣場、機電倉庫和大橋的永久安全，需采取工程措施對岸坡進行永久防護。大橋溝泥石流對溝口段兩岸影響示意見圖1。

圖1 大橋溝泥石流對溝口段兩岸影響(2016年7月)

2 工程概況

2.1 地層巖性及地質構造

大橋溝流域大地構造位于揚子地臺西南緣，處在揚子地臺第Ⅲ級構造單元——鹽源麗江斷塊和攀西滇中斷塊的拼接帶上。自中生代以來，本區歷經印支、燕山及喜山期強烈造山作用，屬強烈變形的褶皺帶。本區斷裂構造發育，流域之東有南北向安寧河斷裂，流域內則主要有NNW向展布，包括金河斷裂、礦山梁子斷裂等組成的金河～箐河斷裂帶。此外，還有一些伴生的NE向小型扭性斷裂。金河斷裂為一區域性深大斷裂，在大橋溝下游、小河溝口之下及新街子處與SW向斷裂均具多期活動的性質。金河斷裂之東側屬攀西滇中斷塊，流域內地層主要為白果灣群，為近SN向復式向斜西翼的一部分，其中，次級褶皺發育，次級褶皺與主要構造線方向一致，呈NNW向展布。金河斷裂以西有近SN向的松林杠斷裂、礦山梁子斷裂，并分布有以松樹坪群和松林杠群組成的外來地體或飛來峰構造。

2.2 植 被

大橋溝流域內植被總體茂盛，且以針葉闊葉混交林及高山灌木叢為特點，覆蓋率達90%。在巴汝溝以下河段兩側因公路修建大量開挖山坡，導致大部分路段形成的路塹邊坡基巖裸露，植被覆蓋率明顯被破壞。

2.3 物理地質現象

總體而言，大橋溝流域物理地質現象類型多，除正常風化卸荷外，崩塌、滑坡及泥石流均有分布，不過以崩塌為主，其中大橋溝溝口～小河溝溝口交界處河段最為普遍。段內崩塌落石發育，加之修筑公路后，進一步導致開挖路塹邊坡崩塌范圍擴大，目前，在大橋溝右岸山坡崩塌落石較普遍。另外，整個流域內局部地段有滑坡發育，且只發育在三疊系白果灣群(T3bg)砂頁巖地層中，且總體規模不大，主要分布在小河溝～巴汝溝所在河段，如劉家灣滑坡。從發育歷史上看，白馬溝、巴汝溝和老白馬溝等均屬老泥石流沖溝，而小河溝、馬頸子溝等則是新近發生的泥石流溝。從現狀調查看，整個大橋溝在巴汝溝以下河段各沖溝泥石流仍發育。

大橋溝流域松散物源總量預計4 934.65 萬m3，其中穩定物源為2 733.10 萬m3，占總數的55.4%；潛在不穩定物源為1 546.19 萬m3，占總數的31.3%；不穩定物源為655.36 萬m3，僅占總數的13.3%。從分布區域上看，約45%的不穩定和潛在不穩定物源分布在溝口～巴汝溝一帶流通區內，存在暴發泥石流的可能。從現狀看，在一般降雨條件下，該區域就會形成小規模泥石流，而一旦連降暴雨，就有可能形成中等及以上規模的泥石流。

2.4 水文、氣象

大橋溝流域地處青藏高原東側邊緣地帶，屬中高山亞熱帶季風氣候，其主要受高空西風環流和西南季風影響，氣候變化較分明。根據西昌氣象站資料，全年平均氣溫27℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫-3.8℃；全年平均降水量1 000.4 mm(金河雨量觀測站資料為778.8 mm)，降雨主要集中在5～10月，占全年降雨量的 90%～95%，且多暴雨，一日最大降雨量135.7 mm(金河雨站資料為78.2 mm)。11月至次年4月為季風，降水量較小，但大風不斷、干燥低溫，受地形影響，區內氣候具較明顯的垂直分帶性。

野外調查用浮漂法實測結果顯示，大橋溝口7月在非暴雨條件下流量約為8 m3/s，而且以巴汝溝為界，以上河段水流清澈透明，而以下河段則水流渾濁。調查區基巖內的地下水總體不發育，溝內水流主要靠大氣降水補給。大氣降水部分順坡面流入溝中，大部分滲入崩坡積物中形成孔隙水，而斜坡坡面崩坡積中的孔隙水是保證沖溝常年流水的主要源泉。

2.5 人類不合理工程活動

整個大橋溝流域內人類活動較頻繁，主要表現為四種方式：斜坡開荒造地、砍伐森林、修筑水電站明導流渠、修筑山區公路。流域內居民以彝族為主，在砍伐森林后的部分緩坡地段開荒造地導致的水土流失較為嚴重，如楊家坪子、劉家灣等處。而修筑公路和小水電站明導流渠所形成的邊坡開挖破壞植被嚴重，主要見于巴汝鄉及其以下的左右兩岸(修筑北線公路造成)，尤其是后兩種活動，是導致該溝泥石流重新活躍發育的根本原因。

2.6 泥石流調查成果

對泥石流運動特征和動力特征的定性分析，是認識泥石流和進行泥石流防治工程設計的基本數據。大橋溝在設計概率下的泥石流最大洪水流量計算結果見表1，大橋溝一次泥石流總量預測見表2，一次沖出固體物質的總量預測見表3。

1998年，大橋溝發生近80年較大一次的泥石流；2005年5月26日，大橋溝又發生中等規模泥石流；另外，支流小河溝在2000年也開始發生較大規模泥石流。上述現象顯示，由于人類工程活動加劇，泥石流暴發頻率有明顯提高，且又進入新的活躍期。根據野外調查，由于大橋溝主溝溝床中(巴汝河段以下)堆積大量松散堆積物，這些松散堆積物為泥石流的主要物源，在近一段時期內，當降雨強度大于5年一遇(P=20%)時，都會有中等及其以上規模泥石流發生。但隨著坡面植被的恢復，大橋溝泥石流經過一段時期(預計約30～50年)的發育后，其發生的頻率將會逐漸降低，回歸自然地質地貌演變規律——泥石流衰退～停歇期(泥石流發生頻率小于1%)。

表1 不同計算方法所得泥石流峰值流量 m3/s

表2 大橋溝一次泥石流總量預測 萬m3

表3 大橋溝一次沖出固體物質的總量預測 萬m3

泥石流沖擊力計算均考慮最危險情況，即有關參數選取為沖擊力最大的數值，并只考慮正面撞擊。計算表明，大橋溝溝口泥石流整體沖擊力普遍在0.6 tf/m2以下，而單塊最大沖擊力都在18 tf以下(見表4)。

表4 大橋溝設計概率下的泥石流沖擊力預測

3 岸坡防護設計

鑒于大橋溝是具有一定規模的、活動的泥石流溝，并結合工程經驗，對有一定規模的泥石流溝應以避讓為主，為其流動留出通道。根據現場情況，分別制定應急處理方案和永久防護方案，應急方案主要是為保證工程安全度過2016年汛期，應立即施工；永久方案可在2016年汛期后實施。其中，應急方案主要為防止汛期兩岸岸坡再受泥石流和水流淘刷，在大橋溝左岸道路被沖毀段順坡位置及右岸橋墩段河床部位布置鋼筋石籠。

永久方案主要以保護兩岸岸坡及公路、大橋橋墩為主。由于大橋溝大橋的兩個主橋墩分別布置在大橋溝主溝兩側，跨度超過90 m，大大超過100年一遇泥石流行洪斷面。同時，主橋墩采用群樁基礎，上部設置承臺，可有效抗擊泥石流沖刷。因此，永久方案的布置原則為：從大橋上游陡崖以下溝道采用排導槽，盡量利用現在的天然溝床，進行疏浚和改造，以利于排導泥石流，避免泥石流對岸坡的沖擊，以及因為泥石流堆積阻塞河道對橋墩承臺的不利影響。

3.1 溝口地基物理力學參數

溝口兩岸地基物質成分為：淺表為碎礫石土、碎石土；深部為砂卵礫石(pl+alQ4)，沖洪積堆積，以灰色、灰黑色為主，稍密～中密，顆粒級配較好。粗粒物質以卵石為主，偶有塊碎石，巖性以玄武巖、灰巖等為主，弱風化，含量55%～70%，粒徑6～10 cm左右，充填物以中粗砂為主，局部夾有塊石。砂卵礫石(pl+alQ4)地基物理力學建議參數見表5。

表5 砂卵礫石(pl+alQ4)地基物理力學建議值

3.2 泥石流設計流量成果(見表6)3.3 設計標準

大橋河溝下游右岸是官地電站主要堆渣場地，渣量達649 萬m3，在運行期它是進廠交通必經路段。上壩公路連接橋(大橋溝大橋)經過溝口，溝下游左岸布置有機電倉庫，故大橋河溝溝水處理按永久建筑物設計。在水利水電工程中，由于缺乏泥石流處理的工程經驗，國內又沒有關于泥石流處理標準方面的規程規范，因此，本工程的泥石流設計標準參照洪水設計標準。

表6 泥石流設計流量成果

由于大橋河溝泥石流處理工程僅為保證官地電站工程施工期大橋河溝碴場堆碴和施工企業安全的永久性泥石流排導工程，無其他綜合利用要求，且目前無專門的水利水電碴場溝水處理和泥石流處理的規程規范可依據，故參照《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(DL 5180-2003)規范規定，本工程為Ⅴ等小(2)型工程，永久主要建筑物和次要建筑物級別均為5級。根據鐵路上的設計經驗，泥石流處理工程一般按50年一遇設計，100年一遇校核。

我公司承接的幾個巨型(大型)電站，如溪洛渡電站的豆沙溪溝、瀑布溝電站的卡爾溝、桐子林電站的頭道河溝，永久性的溝水處理均按20～30年一遇設計，50年一遇校核。

根據《防洪標準》(GB50201-2014)規定，本工程設計洪水標準重現期為20～30年，校核洪水標準重現期為200～300年。考慮到本工程失事后不會造成特別巨大的損失，同時參考灌溉、治澇、供水工程的洪水標準，可適當降低其校核洪水標準。基于該工程的重要性及使用年限，結合鐵路上的設計經驗，大橋段排導過流斷面按30年一遇泥石流峰值設計，50年一遇泥石流峰值校核。30年和50年一遇泥石流流量分別為472 m3/s、544 m3/s。

3.4 設計方案

3.4.1 應急防護方案

考慮現場實際情況，對大橋河溝右岸岸坡段、左岸岸坡淘刷嚴重段采用鋼筋石籠進行防護。鋼筋石籠尺寸為2.0 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)，骨架鋼筋采用三級鋼筋Φ25，網格鋼筋采用三級鋼Φ16。鋼筋采用焊接接頭，其節點間應焊接牢固，嚴格控制焊接質量，并采取鍍鋅防銹措施防止銹蝕。現場砌筑時，鋼筋石籠埋深不小于0.5 m，且外側采用大塊石護腳，且大塊石直徑不小于60 cm，護腳寬度2 m，布置兩層，鋼筋石籠內側用砂卵石填筑密實。鋼筋石籠現場鋪設好以后，各石籠間應用鋼筋焊接成整體，填筑塊石直徑D大于20 cm，嚴禁采用易軟化巖塊，防護范圍可根據現場實際情況調整。現場實際邊坡規整平順后貼坡擺放鋼筋石籠，擺放鋼筋石籠后應保證過流順暢，避免造成對過流面的阻擋。經估算，鋼筋石籠約294個，大橋河溝大橋段岸坡應急防護直接費用預計66萬元。

3.4.2 永久防護方案

泥石流處理工程一般采取排導的方式，故設計采用排導方案。盡量利用現有的天然溝床進行疏浚和改造，以利于排導泥石流。為避免泥石流排導過程中對兩岸坡的淘刷，應采取邊墻護坡，確保渣場坡腳的穩定。

(1)方案一：鋼筋石籠全部拆除。為更好地排導泥石流，應盡量降低流速，保證一定的過流斷面，需要將應急方案所布置的鋼筋石籠全部拆除后施工永久方案。

排導槽斷面為梯形，溝道兩側用混凝土擋墻護坡，溝床以目前自然溝床為基礎，溝床縱坡不小于3.5%，以便為堆碴場留出泥石流通道。根據大橋溝地形地質條件，大橋溝左岸自大橋1號橋墩上游70 m處的陡崖至雅礱江溝口、大橋溝右岸自大橋上游30 m處至溝口渣場護坡處設置混凝土擋墻。結合現場地形情況并考慮水流流態的順暢，右岸設置擋墻外邊線為圓弧段接相切直線段，再接相切反弧段，左岸設圓弧段、相切直線段及圓弧段。為使泥石流直接沖入雅礱江，排導槽出口部位兩岸采用圓弧線反翹擴大出口斷面。

基于該工程的重要性及使用年限，排導槽過流斷面建議按30年一遇泥石流峰值設計，50年一遇泥石流峰值校核。設計泥石流流速為2.8～3.0 m/s。在斷面設計上采用梯形斷面，斷面為底寬約30～40 m，溝內側坡比1：0.5的梯形斷面。溝床目前為自然溝床，側坡擋墻頂寬0.5 m、底寬6.0 m、總高度7.5 m嵌入天然溝槽1.5 m，盡量使原溝槽的橫斷面形狀保持不變。

邊坡擋墻采用C20混凝土，高度按50年一遇泥石流流量對應的高度確定，邊墻頂寬50 cm、底寬6.0 m、高7.5 m，嵌入天然溝槽1.5 m。擋墻每10 m設置一個伸縮縫，伸縮縫縫寬2 cm，縫內填充瀝青木板。擋墻下部的基礎寬度伸出結構外1.5 m。為避免下部淘刷造成邊墻失穩，邊墻外側靠溝槽段全部采用大塊石護腳，塊石粒徑不小于60 cm，而且長邊方向與溝平行，護腳寬度2 m，布置兩層。

(2)方案二：鋼筋石籠部分拆除。若按永臨結合原則，利用應急處理施工已形成的設施，若兩岸鋼筋石籠不拆除，將有如下問題。

①若右岸鋼筋石籠不拆除，行洪斷面寬度在120 m長度范圍內僅25 m左右，不能滿足30年一遇的設計標準。

②若左岸不拆鋼筋石籠段，為滿足過流標準要求，需加大斷面和高度，對鋼筋石籠進行灌漿處理再做外包混凝土形成擋墻結構；上下游端采用混凝土擋墻結構，與未拆段鋼筋石籠擋墻結構銜接，但施工工序較繁，需增加灌漿隊伍及設備。相比之下，直接拆除修建混凝土擋墻更省。

綜上所述，為減少工程量，方案二采用右岸鋼筋石籠，在不影響永久方案施工的前提下可局部拆除或不拆除鋼筋石籠。根據施工期間現場實際情況進行調整，左岸鋼筋石籠較短且影響永久方案施工，需被全部拆除。擋墻布置及結構設計同方案一。

(3)方案比選。方案一優點為：可以保證一定的過流斷面，流速較低，能夠更好地排導泥石流；但其缺點是需要將應急方案所布置的鋼筋石籠全部拆除，工程量稍大。方案二優點為：根據施工期間現場實際情況，在不影響永久方案施工的前提下，可局部拆除或不拆除右岸鋼筋石籠，不拆除的鋼筋石籠作為擋墻外側的護腳，工程量較方案一小；但缺點是過流斷面比方案一略小，對泥石流排導有一定的影響，泥石流通過后可能對未拆鋼筋石籠頂部有損毀。

為充分利用應急處理施工已形成的設施，減少工程量，綜合比較后推薦方案二。

4 結 語

大橋溝岸坡應急處理方案和永久防護方案分別于2016年和2017年實施并完成。從最近兩年的運行情況看，該工程對疏導溝內泥石流、保護岸坡和附近建筑物起到了很好的效果。運行過程中，需定期對大橋溝段岸坡進行檢查，及時清理槽內的淤積物，保證泥石流排導槽區域的通暢，確保滿足泥石流排導設計頻率的容量，以使該工程長期、有效地發揮作用。