震区泥石流对线路工程的危害及防灾对策研究

刘翠容,姚令侃，杜 翠

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都，610031)

泥石流对山区铁路公路危害十分严重。据不完全统计，我国西部山区的几大交通干线公路(川藏公路、中尼公路、甘川公路等)有泥石流灾害3 600余处；全国铁路沿线共有泥石流沟1 509条,其中西部地区有1 089条,占70%。1949年以来，我国曾先后发生过300余起中断行车的重大泥石流灾害,列车出轨和颠覆的事故10余起,100人以上的特大伤亡事故2起,累计中断行车8 000 h[1-5]。

汶川地震以来，震区泥石流灾害较震前明显增大，最新的统计数据显示，地震重灾区新增泥石流沟967条，共有1 000余处泥石流发生，成为雨季对地震灾区影响和威胁最大的灾害类型。震后泥石流活动与震前相比，具有规模大、速度快、高容重、携带大量巨石等新特点[6]，正是由于震后泥石流具有这些新特点使得泥石流对灾区线路工程造成了更为严重的灾害。笔者拟通过研究泥石流损毁都汶公路、省道302、在建都汶高速公路等线路的典型实例，归纳出泥石流对线路工程的危害特点及模式，针对堵塞主河对线路工程造成的危害提出防灾模式。

1 震后灾区泥石流对线路工程的危害模式

1.1 典型实例

在汶川地震震后的几个汛期，岷江流域映秀—汶川段大多数沟道多次暴发了规模和危害均较大的泥石流，对作为抗震救灾生命线之一的国道213线(都汶二级公路)和在建的都汶高速公路造成了严重的危害。如位于都汶公路路基正上方的烧房沟，该沟每逢较大量降雨必发泥石流，掩埋路基，中断交通。2010年8月14日，映秀普降暴雨，烧房沟发生特大泥石流，泥石流堆积物掩埋明洞，并进入岷江，几乎堵断岷江。又如磨子沟，磨子沟在震后两年多时间内发生泥石流近20次，冲毁跨越该沟口的213国道桥梁，淤埋213国道长度约80 m，冲出的最大石块直径达3.5 m。泥石流堵塞岷江干流，累计堵塞坝高约20 m，最长完全堵断岷江时间约15 min，堵塞后的回水淹没了上游近千米道路。笔者通过现场调查和查阅文献收集了典型实例，列于表1。

表1震后泥石流破坏线路工程的典型实例

Table1Typicalcaseofdamagingtohighwaysalongriverscausedbydebrisflowafterearthquake

1.2 泥石流对线路工程的危害模式

通过对震后泥石流破坏线路工程实例的研究，归纳出其危害的模式及特点如下。

1.2.1 掩埋或淤积危害

掩埋和淤积危害发生在泥石流堆积区，是最为普遍的危害方式，属于直接危害。泥石流出沟后，由于地形开阔，沟床平缓，泥石流速度减小逐渐堆积形成堆积体，淤埋或堵塞通过该区域的路基、桥涵和隧洞，中断交通。表1中老街村1、2号泥石流沟，老虎嘴上、下游泥石流沟、麻柳湾沟泥石流属于这种危害方式。

1.2.2 冲击危害

冲击危害主要发生在冲沟型泥石流的流通区，属于直接危害。当携带巨大漂砾的泥石流高速运动时，直接冲击线路建筑物，两者产生强烈碰撞，当冲击力大于建筑物承受力时，建筑物即被破坏。表1中太平沟桥部分已建的桥墩有蜂窝状撞痕，其中左线1 #、2 #桥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砾冲击而产生的。

1.2.3 冲刷危害

冲刷危害主要发生在冲沟型泥石流的流通区，属于直接危害。一次泥石流下蚀沟床可从几米到几十米不等，泥石流下蚀沟床掏空桥梁墩台和护岸基础，造成过沟建筑物和防护工程毁坏。表1中清水沟泥石流淘蚀两侧的松散堆积体，致使已修筑完成的涵洞被毁。

1.2.4 堵塞主河危害

堵塞主河造成的危害属于间接危害，又分为以下3种：

1)淹没危害。特大型或大型泥石流暴发时，泥石流在极短的时间内大量进入主河，可将主河立即堵塞或全部堵断，使原河床迅速抬升，引起路线标高相对下降，或者形成堰塞湖，使上游河水迅速上涨淹没上游沿岸线路。表1中烧房沟、磨子沟、银杏幸福沟、竹包头沟、肖家沟、蟹子沟泥石流等属于这类方式，这是最为严重的危害方式。

2)下游冲刷危害。特大型或大型泥石流暴发时，泥石流在极短的时间内大量进入主河，可将主河立即堵塞或全部堵断，堵塞体溃决后洪水侵蚀泥沙形成泥石流或高含沙水流,冲刷下游两岸道路，导致路基失稳，路面损坏等灾害。表1中竹包头沟泥石流属于这类方式，这是最为严重的危害方式。

3)异岸冲刷危害。特大型或大型泥石流暴发时，泥石流在极短的时间内大量进入主河，堰塞体将主河严重阻塞，将主河水流推移或改道，主槽摆向异岸时，将对异岸产生强烈冲刷，危及异岸线路建筑物。表1中杨家沟、罗圈湾沟泥石流属于这类方式，这也是灾害较为严重的危害方式。

2 已有堵河型泥石流防治模式分析

2.1 堵河型泥石流防治对策

结合泥石流的堵河可能性和堵河程度的判别, 危险区的划分和道路等级特征，陈宁生，等[7]建立了堵河型泥石流防治模式：对既有线路或实在无法绕避的新线路采用以源头主动减灾和拦挡为主的综合防治模式防治泥石流；源头采用谷坊和生物工程等主动减灾方法削减泥石流流量，控制泥石流规模；在流通区一定的沟段修建拦沙坝或谷坊工程，拦挡泥石流的粗大颗粒和木料；在堆积区排导的过程中, 支沟主流线与主河的夹角取锐夹角，排导槽出口高于主河常遇洪水位，排导的“喇叭口”基础宜嵌入一定深度的沟床下部(通常1～2 m)，出口排导纵坡不宜太小，以8%以上为佳。

该泥石流防治模式只注重了工程防治的作用，忽略了发挥主河对泥沙的容纳能力而分担消耗泥石流物质，难以满足汶川地震区大规模泥石流的防治需求。

2.2 泥石流防治规划设计原理

陈晓清，等[8]提出了主河输移控制型泥石流防治规划设计原理，其主要技术思想是：最大限度利用主河输移能力，体现以疏为主的理念，根据主河输移能力确定通过排导工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

主河输移控制型的泥石流防治规划设计原理以主河输沙能力作为控制条件，将泥石流的洪峰流量优先分配给排导工程，然后分配给拦挡工程或者停淤工程，最后由停淤工程或者拦挡工程承担剩余部分，各类工程合理分担泥石流洪峰量，实现工程防治体系的科学、合理规划。确定主河的输移能力是本项规划设计方法的关键。陈晓采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判别式，先确定堵断主河的泥石流流量，在此基础上推导泥石流排导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别式有其局限性，适用于一次性泥石流活动堵断主河事件，没有考虑堵河过程中主河的水力条件的改变，没有考虑局部阻塞主河的情况；仅考虑了堵断主河的泥石流流量需求，没有考虑堵河的泥石流总量的需求。实际上，泥石流局部堵塞大河也能形成堰塞湖灾害，甚至造成异岸冲刷灾害，且泥石流总量对泥石流堵塞大河具有极大的作用，堵河必须考虑总量的需求[10]。

3 泥石流堵塞主河的防灾措施探讨

3.1 泥石流堵塞主河的防灾对策

泥石流对线路工程的危害程度是由泥石流的性质、支沟泥石流与主河相互作用关系、泥石流与道路的空间位置和危险性综合特征决定的，在泥石流形成机理研究、泥石流与主河相互关系、泥石流工程防治参数计算理论与方法、泥石流危险度区划的理论与方法研究的基础上，建立针对不同危害模式的泥石流防治模式。由笔者现场调查资料可知，泥石流大量入汇主河后，泥沙淤积形成堰塞坝束窄河床导致上游水位壅高形成淹没灾害，当堰塞坝严重堵塞主河时除了形成淹没灾害，还会迫使主河水流改道冲刷异岸导致异岸线路工程的损毁。故泥石流堵塞主河这种致灾模式往往对沿河线路工程造成严重的后果，笔者针对此危害模式进行讨论，制定泥石流防灾措施：

1)对汶川地震4.0级以上烈度区道路附近的大泥石流沟谷进行排查，划分泥石流沟危险度。

2)对危险度高的泥石流沟，预测泥石流的各种参数(包括泥石流容重、规模、速度、流量总量等)和主河的参数(包括水流速度、河宽和水深等)，确定泥石流与线路工程、主河的空间位置等情况。

3)根据预测的泥石流和主河的各种参数，由堵河判别式(1)预估堵河的堵塞系数R[10]。

(1)

式中：R为堵塞系数；γs为泥石流容重；v为泥石流流速；q为泥石流流量；u为主河流速；Q为主河流量；Vs为泥石流入汇总量；V0=b×B×H(b为泥石流沟的宽度；B为主河宽度；H为主河水深)。

4)根据文献[11]提出的泥石流堵河灾害效应与判据框图预测堵河的灾害效应。若R<0.6，一般不会发生灾害；若0.6

5)根据预测的灾害效应，采用相应的防灾减灾措施。若仅有淹没灾害，对于新建线路工程，可考虑适当提高淹没范围内的线路工程设计高程，若还有冲刷异岸线路灾害，则除了对异岸新建或已有线路工程采取工程加固或是工程防护措施以外，主要需结合泥石流排导、停淤工程或者拦挡工程进行工程防治。

6)合理优化配置、设计泥石流排导、停淤工程或者拦挡工程。设计泥石流排导、停淤工程或者拦挡工程时，借鉴陈晓清，等的研究成果，最大限度利用主河输移和容纳泥沙的能力，控制泥石流入汇主河的洪峰流量和总量。

泥石流入汇主河的允许洪峰流量按照文献[8]的方法计算，即采用何易平[9]提出的泥石流完全堵塞主河的流量判别式，推导泥石流排导工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量。

依据泥石流堵河对总量的要求，从泥石流总量的角度确定通过排导工程可以向主河排泄的泥石流总量，即主河最大容纳泥沙的能力。这里，主河最大容纳泥沙能力是指堰塞坝堵塞主河不会造成灾害时的泥石流最大允许入汇总量。

3.2 主河最大容纳泥沙能力的确定

如何确定主河最大容纳泥沙能力是合理优化设计3种工程防治措施的关键所在，笔者根据上游水位壅高值计算式[10]和异岸受灾判据[11]，提出了其确定方法如下。

1)根据道路与主河的空间位置以及某一频率的主河洪水位，确定泥石流堵塞主河后不发生淹没灾害所允许的最大壅高值Zmax。由泥石流堰塞坝束窄主河后引起的水位壅高值计算公式(2)反算河床过水面积束窄度MA：

(2)

式中：MA=Ae/Ap为河床过水面积束窄度(AP，Ae分别为原河道过水面积及堰塞坝占据的过水面积)；α为综合修正系数，α=0.01+0.056MA；v为下游河道的流速。

2)把河床过水面积束窄度MA换算成堵塞系数R1(堰塞坝垂直水流方向的宽度与主河宽度的比值)。R1就是泥石流堰塞坝堵塞主河不发生淹没灾害的最大值，而依据异岸受灾判据[11]，当R2>0.8时发生异岸受灾(R2是发生异常突变的临界值)，取min{R1,R2}为主河的最大允许堵塞系数R允许。

3)把主河允许堵塞系数R允许带入式(1)中，反算出泥石流允许入汇总量[Vs]，即主河最大容纳泥沙能力。

4 结 论

1)研究震区泥石流损毁线路工程的现场调查资料，提出了泥石流损毁线路工程具有掩埋与淤积、冲刷、冲击和堵塞主河导致灾害4种模式。泥石流堵塞主河形成堰塞坝造成堰塞湖淹没灾害或者迫使主河水流改道冲刷异岸导致异岸线路工程的损毁，属于泥石流间接危害模式，造成的损失往往较严重，比直接危害更难防范。

2)对于泥石流堵塞主河造成严重间接危害模式，防灾对策的技术思路是：最大限度利用主河输移和容纳泥沙的能力，控制泥石流入汇主河的洪峰流量和总量，防止泥石流堵塞主河事件的发生。对于某一泥石流沟，其具体做法是：确定泥石流通过排导工程可以向主河排泄泥石流总量，由堵断主河流量判别式导出泥石流通过排导工程可以向主河排泄的泥石流峰值流量，根据允许泥石流总量和峰值流量值去设计排导、拦挡、停淤这3大类工程防治设施。

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