泥石流地區(qū)水文計(jì)算和橋涵設(shè)計(jì)研究

王輝

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，各地區(qū)建設(shè)高等級公路的步伐和規(guī)模不斷提升，其中，修建在山里或者穿越山區(qū)的公路工程項(xiàng)目不在少數(shù)。受氣候條件影響，地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，每年因橋涵水毀引發(fā)病害產(chǎn)生的損失高達(dá)數(shù)億元，不僅影響國內(nèi)交通系統(tǒng)的運(yùn)行安全，還威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 泥石流發(fā)育的原因

山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中最為常見的便是泥石流。泥石流屬于特殊洪流，多見于地質(zhì)不良或地形較為陡峭的山區(qū)，在降水侵蝕下，山洪攜帶著數(shù)量龐大的泥沙等固體物質(zhì)奔騰而下。我國又是泥石流現(xiàn)象發(fā)生較為廣泛、劇烈的國家。為確保交通安全，對泥石流地區(qū)的水文計(jì)算與橋涵設(shè)計(jì)加強(qiáng)研究是十分必要的。具體而言，泥石流的形成原因與地形、地質(zhì)構(gòu)造、降水、補(bǔ)給物質(zhì)等因素存在密切聯(lián)系，對泥石流發(fā)育的原因進(jìn)行分析。

1.1 地形條件

由于各地區(qū)的地形條件存在較大差異，泥石流形成的原因各不相同。研究以洮河峽谷為例，說明地形條件與泥石流形成之間存在的關(guān)系。研究高速公路項(xiàng)目主要位于甘肅省西南部的臨夏州境內(nèi)，是青藏高原向黃土高原的過渡帶。項(xiàng)目AK5 ＋500—AK19 ＋000 洮河峽谷段，位于構(gòu)造剝蝕石質(zhì)低中山區(qū)。路線布設(shè)于洮河峽谷兩岸，坡體陡立，地形起伏大，基巖裸露，斜坡整體坡度50～70°。主峰海拔2660m，山體主要由中生代基巖構(gòu)成。山頂可見薄層黃土覆蓋，谷底狹窄，多呈“V”字形。海拔高程一般為2000～2500m，溝谷平均切割深度200m 左右，最大約500m。通過對基本情況分析發(fā)現(xiàn)該地區(qū)海拔起伏較大，地形較為陡峭，存在較多溝谷與支溝，為泥石流提供了充足的發(fā)育地形[1]。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

泥石流通常會(huì)因地震產(chǎn)生，通常認(rèn)為地震烈度在7 度以上便會(huì)直接導(dǎo)致泥石流的產(chǎn)生。研究項(xiàng)目無全新世活動(dòng)性斷層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷層和褶皺基本不發(fā)育，區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍，重力作用使斜坡變形異常發(fā)育。項(xiàng)目位于祁連褶皺系東南端，秦嶺褶皺系西北緣，是祁連褶皺系與西秦嶺褶皺系的交接地段。雖然沒有發(fā)生較大的破壞性地震，但因地塊邊緣處于活動(dòng)狀態(tài)，地震波及本區(qū)仍受鄰近地區(qū)震波較大。該項(xiàng)目地震基本烈度為Ⅷ度。

1.3 降水條件

項(xiàng)目工程區(qū)在全國公路氣候自然分區(qū)中屬于黃土高原干濕過渡區(qū)（Ⅲ區(qū)）的甘東黃土山地區(qū)（Ⅲ3區(qū)）。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是冬長夏短，日照豐富，降水量少，蒸發(fā)量大，無霜期短，干旱嚴(yán)重。工程區(qū)年平均降水量540.6mm。降雨是泥石流產(chǎn)生的動(dòng)力條件，多發(fā)生于6～9月，均由暴雨所誘發(fā)，屬于大中型暴雨型泥石流，均處于發(fā)育期。

1.4 補(bǔ)給物質(zhì)

補(bǔ)給物質(zhì)是泥石流形成的內(nèi)部因素。對于山區(qū)而言，泥石流的補(bǔ)給物質(zhì)便是巖石，所以山區(qū)的巖性因素也是泥石流形成的重要原因。洮河峽谷兩岸岸坡高陡，坡表危巖體發(fā)育，是不良地質(zhì)體集中較發(fā)育地段。由于較強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使得溝谷剝蝕較深，基巖風(fēng)化程度高，表層松散堆積物發(fā)育。坡腳及岸坡緩坡段形成崩坡積層，為泥石流提供充足的固體物源。產(chǎn)生的松散物質(zhì)經(jīng)過洪水搬運(yùn)后便會(huì)出現(xiàn)泥石流。

1.5 動(dòng)力因素

動(dòng)力因素通常指的是水體流域面積、山坡中的平均坡度、流域形態(tài)以及溝床平均比降。對于泥石流的形成而言，流域面積越大，則為其提供的動(dòng)力條件便越好；溝床比降會(huì)直接反映溝床徑流的坡度，是衡量動(dòng)力強(qiáng)弱的重要參數(shù)；坡度會(huì)影響地表匯流的時(shí)間，山區(qū)坡度越大，匯流時(shí)間越短，若此時(shí)出現(xiàn)洪水，洪水峰值大、歷時(shí)短，極易產(chǎn)生泥石流；若流域形態(tài)為圓形或類似于圓形，洪水的形成速度與運(yùn)動(dòng)速度便會(huì)加快，其中所蘊(yùn)含的動(dòng)力勢能較強(qiáng)，為泥石流的形成提供了動(dòng)力條件。

除上述外，人類的不合理活動(dòng)進(jìn)一步增加了產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。從社會(huì)發(fā)展整體的角度分析，泥石流的發(fā)生頻率與人口分布密度為正相關(guān)關(guān)系，近30年以來，泥石流數(shù)量已經(jīng)增加近22%[2]。

2 泥石流地區(qū)水文計(jì)算與橋涵設(shè)計(jì)具體方案

橋涵工程是為公路跨越河流、山谷等天然或人工障礙物而修建的構(gòu)造物。橋涵可以避免水流對路基產(chǎn)生侵蝕，以此保證路基的穩(wěn)定性。結(jié)合上述對泥石流形成原因的分析，依托于某高速公路洮河峽谷的橋涵工程，對水文計(jì)算與橋涵設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1 工程概況與水文地質(zhì)基本情況

研究高速公路項(xiàng)目總長度為42.348km，是隴東南地區(qū)前往青海及其以西地區(qū)的便捷大通道，更是蘭州至永靖至臨夏高速、永靖至積石山高速和G75 蘭海高速的聯(lián)絡(luò)線。研究段落為AK5＋500—AK19＋000 洮河峽谷段，兩岸坡體陡立，坡面沖溝發(fā)育，多呈雞爪狀，切割深度較大，山脊呈犬牙狀。地層巖性為加里東中期中心相花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，屬于堅(jiān)硬巖，巖體中裂縫發(fā)育，岸坡表部風(fēng)化強(qiáng)烈。該研究段落屬于洮河流域，通過河流主要為洮河，路線主體基本沿洮河兩岸山體布設(shè)，系黃河一級支流。

2.2 水文調(diào)查、勘測

研究項(xiàng)目在進(jìn)行水文調(diào)查前，與水利部門積極溝通，搜集了較為準(zhǔn)確、完善的水文資料。該項(xiàng)目地形圖測量采用航空攝影內(nèi)外業(yè)一體化成圖方式，然后再到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪補(bǔ)測，特別是在道路中線附近用全站儀進(jìn)行野外數(shù)字化成圖后，再套合航測圖修正成圖。根據(jù)所收集的資料，有針對性地開展水文調(diào)查與勘測，具體內(nèi)容包括：

第一，在測繪的地形圖基礎(chǔ)上，繪制路線所經(jīng)區(qū)域水體流域面積以及河溝的長度、寬度等。

第二，將路線所經(jīng)地區(qū)所有既存橋涵的名稱、水路交角、河溝坡度、流域形態(tài)、土壤類別、歷史最高水位、流域深度等參數(shù)在調(diào)查記錄中進(jìn)行記載。其中，以河溝坡度為主要參數(shù)，應(yīng)以橋涵區(qū)域至河溝坡度為準(zhǔn)。該項(xiàng)目以水文斷面上游的100m，下游的50m為準(zhǔn)。

農(nóng)藝性狀測量按照國家標(biāo)準(zhǔn)測得，經(jīng)濟(jì)性狀分析采用國家標(biāo)準(zhǔn)42級制進(jìn)行分級，產(chǎn)質(zhì)量通過小區(qū)折成以hm2為單位的記錄，產(chǎn)值按照2018年保山市收購價(jià)格（二價(jià)區(qū)）進(jìn)行計(jì)算。

第三，勘測過程中，在公路平面總體設(shè)計(jì)圖中繪制設(shè)計(jì)橋涵的所處位置，包括橋涵特征點(diǎn)的樁號(hào)、交角，并做好改路改溝方案。

第四，水文調(diào)查、勘測現(xiàn)場應(yīng)選定水文斷面。橋涵斷面通常不符合水文斷面的具體條件要求，因此需要進(jìn)行形態(tài)流量計(jì)算，確定另外的水文斷面。靠近橋涵位置應(yīng)收集歷史洪水調(diào)查資料，以便確定最大水位與流量。

經(jīng)過上述水文調(diào)查，可確定該項(xiàng)目橋涵所處位置具體的水文情況。

2.3 小流域水文計(jì)算

該項(xiàng)目在橋涵孔徑選擇和橋涵位置設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了深入調(diào)查研究，將實(shí)際觀測資料與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)地形結(jié)合設(shè)置導(dǎo)流堤、順?biāo)畨蔚日{(diào)治構(gòu)造物，合理選擇橋涵孔徑大小，以達(dá)到“排洪通暢、不留后患”的目的，確保公路工程安全。該項(xiàng)目小流域流量采用的計(jì)算公式如下：

一是交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院推理公式（1）：

二是交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式（2）：

式（2）中：Ψ為地貌系數(shù)；m、λ2均為指數(shù)；以上系數(shù)均查閱《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊：橋位設(shè)計(jì)（第二版）》表4-4-7；其他符號(hào)意義同前。

三是交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式（3）：

式（3）中：C、β、λ3均為系數(shù)；此值均查閱《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊：橋位設(shè)計(jì)（第二版）》表4-4-8；其他符號(hào)意義同前。

該項(xiàng)目采取上述計(jì)算公式共同計(jì)算，選擇該項(xiàng)目三處典型泥石流溝道作為研究對象，根據(jù)多數(shù)高速公路項(xiàng)目流量計(jì)算情況，歸納總結(jié)得出了三處橋涵位置的設(shè)計(jì)洪峰流量，具體見表1。

表1 橋涵設(shè)計(jì)流量

2.4 雨洪法計(jì)算泥石流流量

假設(shè)前提：泥石流與暴雨同頻率且同步發(fā)生、計(jì)算橋涵位置斷面的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍髁髁俊Ｓ?jì)算步驟是先按上述小流域水文計(jì)算方法得出橋涵位置斷面規(guī)定頻率的暴雨洪峰流量，再合理選擇堵塞系數(shù)，按照公式（4）計(jì)算泥石流流量：

式（4）中：Qc為規(guī)定頻率為p的設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量，m3/s；ф 是泥石流泥沙修正系數(shù)，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范（試行）》（T/CAGHP 006—2018）公式（J.8）以及I.2 取值；QP意義同上，即由上述小流域水文計(jì)算得出的設(shè)計(jì)洪峰流量；Dc為泥石流堵塞系數(shù)。

2.5 橋涵設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）[3]，橋面設(shè)計(jì)高程應(yīng)按下式（5）計(jì)算：

式（5）中：Hmin為橋面最低高程；Hb為設(shè)計(jì)泥流位以下的河床平均高程；hmc為設(shè)計(jì)流量時(shí)的泥石流平均流動(dòng)深度；Hn為設(shè)計(jì)總淤積高度；Δhn為單位超高值；Δh0為橋梁上部構(gòu)造建筑高度（包含橋面鋪裝厚度）；Δhj為安全值，該項(xiàng)目取值1.0m。以上參數(shù)單位均為m。

該項(xiàng)目在泥石流地區(qū)無法繞避時(shí)，在其流通區(qū)最窄處設(shè)置無壓力式涵洞；對于泥石流溝道處設(shè)置的橋梁需留足淤積凈空，同時(shí)要加強(qiáng)橋墩防沖撞措施。

基于上述計(jì)算方法，為提高橋涵的排出泥石流能力，三處橋涵位置設(shè)置的構(gòu)造物參數(shù)如下：K13＋659與K15＋965 位置處根據(jù)路線需要均以橋梁形式跨越泥石流溝道，這兩處橋面設(shè)計(jì)高程相對于溝道地面標(biāo)高較大，其橋面設(shè)置高程不以設(shè)計(jì)泥石流流量控制，對受泥石流活動(dòng)威脅的橋墩采取如圖1所示的防撞措施；K18＋600 位置處設(shè)置1 孔4m 孔徑的鋼筋混凝土蓋板暗涵，涵高為4m，修正溝道，結(jié)合涵洞八字墻設(shè)置導(dǎo)流渠。

圖1 橋墩防撞措施

3 結(jié)語

橋涵作為保障公路路基安全性的重要結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性會(huì)直接影響公路的使用性能與安全性。研究通過小流域水文計(jì)算方法的對比、泥石流流量計(jì)算和橋面設(shè)計(jì)高程計(jì)算，以某橋涵工程為例，提出了橋涵設(shè)計(jì)的具體方法。此方法能夠最大限度保障相關(guān)公路項(xiàng)目穿越泥石流地區(qū)的安全性，降低因自然災(zāi)害產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。對于橋涵設(shè)計(jì)發(fā)展而言，未來應(yīng)當(dāng)朝著提高安全性、經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展，保障我國交通事業(yè)的安全發(fā)展。