丰沙铁路某泥石流成因分析及防治措施

王延涛　袁晓波

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100080)

The Cause Analysis and Control measures of Debris Flow at one Place of the Railway Fengtai to Shacheng

WANG Yantao　YUAN Xiaobo

丰沙铁路某泥石流成因分析及防治措施

王延涛袁晓波

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100080)

The Cause Analysis and Control measures of Debris Flow at one Place of the Railway Fengtai to Shacheng

WANG YantaoYUAN Xiaobo

摘要丰沙铁路位于太行山脉北端，受地质构造影响，泥石流灾害广泛存在。根据对工点的现场勘查、区域地质资料分析，从地形地貌、地层岩性、地质构造等方面对泥石流形成机制进行阐述。该泥石流属于构造及暴雨引起崩塌型泥石流，泥石流爆发对既有铁路危害非常大。通过对泥石流沟的形成原因及物源量分析，泥石流沟松散物源总量为6.3×104m3，动储量约2.05×104m3。泥石流沟量化评分显示冲沟泥石流易发程度为极易发。结合泥石流沟及既有结构物情况，采用谷坊坝、主动网、挡墙、拦渣坝、防撞梁等综合治理方法，以达到整治泥石流的目的。

关键词铁路泥石流成因防治措施综合整治

1概述

位于山区的铁路公路等交通线，不可避免地要穿越泥石流活动区，跨越较多的泥石流沟。一到雨季来临，往往集中爆发不同规模的泥石流，造成严重的自然灾害。

2008年汶川地震后，强降雨引发了G213映秀到彻底关段21条山沟爆发泥石流，造成极严重的灾害[1]，导致G213多次中断；2010年、2011年G213因强降雨发生泥石流，冲毁了400多米路基，并使岷江改道，耿达、卧龙镇等成孤岛，断绝了与外界的交通联系；2013年，京广线张滩至土岭区间因持续强降雨发生了泥石流、边坡溜坍等，造成京广线中断行车，广州火车站所有列车停运，上万名旅客滞留广州火车站。泥石流常常导致交通中断，危及交通行车，同时阻断了部分地方对外的交通联系，严重威胁人民生命财产安全。

如何有效的预防、治理泥石流，减小泥石流并监测泥石流动向显得十分必要。以丰沙铁路某泥石流沟为例，该冲沟曾经出现过小型崩塌及石块冲出冲沟的现象，由于规模较小，并未造成事故。调查期间，既有拦渣坝后面已经淤满堆积物，导流槽中有部分新近冲出及掉落的石块。拟针对泥石流区地质构造及泥石流沟自身情况分析泥石流成因，并探讨预防治理泥石流的工程方法，为同类地区同类工程提供借鉴。

丰沙线总体上呈NW方向横穿西山，铁路出石景山南(站)后基本沿永定河两岸溯水而上。工作区属于太行山脉北端的西山山区，属于暖温带半湿润、半干旱大陆季风区，四季分明，区内物理风化作用强烈；新近构造运动比较活跃，区域内地质条件复杂，泥石流灾害极为活跃。在泥石流灾害分布图中，丰沙线属于温润低山丘陵暴雨泥石流灾害区，灾害等级为极严重到严重[2-7]。

2工程水文地质条件

2.1　地形地貌

工点属于丘陵低山地貌，受构造侵蚀作用强烈，冲沟整体上呈树枝形，主沟由两条支沟呈“Y”形汇集，支沟又由两条小支沟汇集，如图1所示。冲沟最高点海拔高度约870 m，河道海拔高程约400 m，冲沟出口与铁路交角约80°，与公路正交。铁路在该处为一跨10 m铁路桥，桥大里程方向为隧道，冲沟出口下游为河道。冲沟中植被较少，覆盖率约20%～30%，多为灌木及杂草。冲沟宽度8～20 m，沟长度约1 500 m，沟中堆积体厚度约3～5 m，两侧山体较为破碎严重，石块磨圆。目前设置有一导流槽，导流槽宽度为15 m。出口处桥梁净空仅1.8 m，泥石流易对铁路桥危害较大；线路左侧43 m处设置一道浆砌片石拦砂坝，高1.0 m，宽约10 m。冲沟出口左侧隧道口有主动防护网，右侧部分设置被动防护网。

图1　勘查区地貌影像

2.2　地层岩性

从区域调查来看，工点岩性从老到新主要为：

元古界震旦系高于庄组(Z1g)，以白云岩类碳酸岩盐为主，夹薄层砂岩及页岩，岩性的可分性较好。

杨庄组(Z2y)，白云质砂岩、紫红色的粉砂泥晶白云岩，与下伏的高于庄组呈平行不整合接触。

迷雾山组(Z2w)，主要为白云岩，岩石结构为粗晶状，具有细而密的纹带，与下伏高于庄组呈假整合接触。

白垩系下统东岭台组(K1d)，主要为流纹质熔接凝灰岩及火山碎屑沉积岩。

图2　勘查区地质图

进入冲沟，主沟的左侧主要为花岗岩，裂隙发育。右侧为白色晶体状石英砂岩与灰岩，岩层破碎，破碎带厚度约5 m，产状220°∠50°，薄层—中厚层，节理裂隙发育，3～5条/m，L1：150°∠80°；L2：255°∠60°。

2.3　地质构造

工作区在大地构造位置上位于华北板块西北部褶皱造山带内，构造形式主要表现为一系列NE—SW向大背斜和大向斜，彼此大致平行斜列，构成复式褶皱，并伴有一系列NE—SW向的压性断裂。

该冲沟构造较为复杂，主沟及支沟I为侵入岩与震旦系迷雾山组岩层界线。冲沟形成原因主要为侵入岩使迷雾山组岩层抬升，岩层破碎。地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。

2.4　水文地质

地下水主要类型有松散层上层滞水、孔隙水和基岩裂隙水。主要赋存于Q4del、Q4c+dl层中，大气降雨补给，沿斜坡向下排泄。

表层花岗岩和灰岩赋水性较差，地形切割深，纵坡大，主要接受大气降水、地表水补给，地下水径流短，排泄快，地下水贫乏。

2.5　人类活动

冲沟两侧山体较高，植被较少，人类活动较少。冲沟主要人类活动为冲沟中的拦渣坝。

3泥石流形成原因及安全性评价

3.1　形成原因

(1)构造作用

冲沟受多次燕山期侵入岩侵入，冲沟Ⅰ为侵入岩与震旦系迷雾山组岩层界线，加上断层、河流冲切、风化剥蚀等作用，冲沟表面岩层极度破碎。

(2)降雨

根据资料分析，水是诱发泥石流的重要外因，在连续降雨季节或者暴雨过后，泥石流病害最为严重。

在连续降雨条件下，雨水沿孔隙渗入到表层破碎的岩体或是土体(特别是进入冲沟的左侧破碎的堆积体)，使岩体或土体至饱水状态，增加了其容重，降低了力学强度，软化了裂隙充填物，产生静水压力，导致斜(边)坡失稳，发生滑坡、崩塌、落石、坡面溜坍等地质病害。

冲沟两侧山体坡度较陡，横断面呈“V”字形谷，坡面储水能力较差。在遭遇强降雨时，降雨冲刷掏蚀破碎的坡面，直接将坡面物质带到冲沟中。经测量，冲沟汇水面积约0.35 km2，冲沟在短时间汇集大量雨水，并迅速升高水位。冲沟在汇集了两侧的水流后，将坡面冲刷携带的泥土与石块裹挟冲出，形成泥石流。

(3)形成区特征

泥石流沟的形成区主要为支沟Ⅰ与支沟Ⅱ的区域，支沟Ⅰ左侧主要为侵入岩，右侧为杨庄组(Z2y)白云岩，强风化，原岩不透水，植被稀少，易产生地表散流与暴流，短时间内使冲沟水位上升。节理裂隙发育、密集，地表水与地下水沿节理活动，造成泥石流沟两侧岩层疏松，崩塌现象一般，泥石流物源丰富。

泥石流沟整体上呈树枝形，由支沟Ⅰ与支沟Ⅱ汇集成一条主沟。支沟Ⅰ长度约805 m，支沟Ⅰ的支沟约430 m，支沟Ⅰ平均纵坡降约为456‰；支沟Ⅱ长度约690 m，支沟Ⅱ的支沟约420 m，支沟Ⅱ平均纵坡降约为430‰；主沟长度约325 m，平均纵坡降约为263‰。

支沟Ⅰ两侧坡度相对较缓，约30°，汇水面积约0.15 km2，植被一般，主要为灌木，覆盖率20%～30%。支沟Ⅰ冲沟有弯道，雨水汇集后对弯道处的坡脚冲刷较大；支沟Ⅰ两侧岩石破碎，左侧堆积体中含砂砾较多，易被冲刷。降雨将裹挟较多的泥沙，为泥石流的形成汇集水源及砂。

支沟Ⅱ两侧坡度较陡，多大于40°，两侧岩石处于强风化—中风化之间，植被一般，主要为灌木，覆盖率30%～40%。支沟Ⅱ冲沟顺直，泥砂主要来源为冲沟两侧破碎的岩石。

主沟乱石堆积，沟床粗糙率较大，支沟Ⅰ和支沟Ⅱ汇合后主沟坡度变缓，不利于泥石流排导；加上主沟较窄，下切较深，主沟支沟Ⅰ和支沟Ⅱ流水汇集后，水流流量突然变大，使得泥石流冲击破坏力变大，不断冲蚀主沟两侧破碎岩层的坡脚，引发两侧坡体的崩塌[9,10]，增加了泥石流的物源，成为暴雨时泥石流的隐患(如图3)。

图3　主沟地貌

(4)物源条件

由于冲沟两侧岩层破碎，冲沟内泥石流松散物源丰富，支沟、主沟两侧均为较为破碎的岩体，岩层较老，长期受到雨水等的侵蚀剥离作用。整个冲沟都可视作为物源区，物源类型主要为坡面侵蚀物源、崩塌体物源、沟道堆积物源。

主沟两侧坡面侵蚀固体物源总量约为4.5×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约1.5×104m3；两处崩塌体物源总量约为1×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约0.3×104m3；可以看到以前修建的拦渣坝中已经积满了堆积物，沟内松散固体堆积物厚度约2～3 m，固体物源总量约为0.8×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约0.25×104m3。沟域内共计有松散固体物源量6.3×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约2.05×104m3[10]。

由此可见，坡面松散体是泥石流沟的主要物源。在强降雨作用下，支沟坡面中的泥沙首先被冲出，支沟Ⅰ和支沟Ⅱ中的泥水汇合后，裹挟沟域中堆积的石块，形成强劲的泥石流[11]。汇集后的泥石流将启动主沟沟床内堆积的堆积物，形成更大规模的泥石流灾害。

3.2　易发性评价

根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》[12](DT/T0220—2006)对泥石流的易发性进行量化的评估及评判。易发程度评判标准见表1，得分为119分，易发程度为极易发。

根据勘察成果，主沟两侧岩体破碎，边坡坡脚强烈冲刷，冲刷高度3～4 m，岩体稳定性差，形成泥石流物源；沟域的泥沙补给，使泥石流爆发时挟裹能力增强。沟谷纵坡坡降127‰～278‰，沟心宽度4～6 m，局部仅为3 m，增大了泥石流的发生频率，泥石流沟的冲出速度、能量以及对两侧山体的冲刷力增大。

4防治措施

正确、客观地认识泥石流对铁路的危害程度，对泥石流灾害的客观地评价，可区分出整治的急迫程度，采取有效的防治措施，使有限人、财、物力在恰当的时间用到恰当的地方，使泥石流危害降到可控范围内。

表1　泥石流沟易发程度量化评分

4.1　已有工程分析

工点冲沟只有一个出口，出口处有一铁路和公路。铁路以一跨10 m的铁路桥，净空约1.8 m，而沟内最大巨石直径约2 m。泥石流从桥底冲出后，有一段导流槽，以帮助泥石流迅速排出，但由于通道长度较长，约30 m。导流槽易堆积石块，堆积后，后续的泥石流极易对桥梁产生危害。导流槽末端为一斜坡，斜坡下公路以路基形式通过，泥石流冲出后，堆积在公路上，造成公路断道。在隧道进口处，山体采用主动防护网对山体进行防护(如图4)。

图4　泥石流沟出口地貌

4.2　泥石流防治措施

该泥石流沟总体稳定性较差，泥石流沟出口处为铁路桥与公路，加上沟域内堆积物较多，汇水面积较大，强降雨下沟内极易形成泥石流，建议对该工点进行重点整治(如图5所示)。

图5　泥石流沟防治平面

支沟Ⅰ和支沟Ⅱ是泥石流的主要产沙区，其中由于支沟Ⅰ岩层非常破碎，支沟Ⅰ是主要的泥沙产区。应加强对支沟Ⅰ的绿化[14]，并在支沟Ⅰ弯道处设置一道谷坊坝，主要用于减缓沟道水动力条件，减弱对弯道坡脚的冲刷，同时降低泥石流容重，并调节下游泥石流洪峰流量。

主沟是泥石流沟的主要物源区，支沟Ⅰ和支沟Ⅱ混合了泥沙的水流汇合后，会裹挟主沟中石块，形成强劲的泥石流，所以应减少主沟中的物源参与泥石流。采取的措施主要有：

①为避免主沟中两处崩塌因坡脚冲刷崩塌后参与泥石流，应在两处崩塌前清除部分堆积物，各设置一道挡墙。挡墙兼具护坡作用和防止泥石流对坡脚的冲刷作用，并适当将冲沟顺直，减少泥石流对坡脚的冲刷，并起到稳定坡体的作用[14]。根据现场勘察泥石流的冲刷程度，采用挡墙护坡，挡墙高度设置为5 m。

②在冲沟丰台侧采用主动防护网对坡面进行护坡，主要范围在1号拦渣坝到铁路。主动防护网能限制坡面岩石土体的风化剥落，将落石控制在一定范围内运动。主动防护网能将在坝体控制以外的落石给予一定约束，避免落石滚落直接危害线路。

③拟在主沟局部狭窄区段、主要物源分布区布置拦渣坝3座。拦渣坝是对泥石流的主要消能措施，可拦挡泥石流中的固体物质，降低流体重度。通过坝体的削峰减流作用调节泥石流流体峰值流量，增加下游排导工程或自然沟道的安全性。同时通过泥石流物质回淤压脚起到稳固沟床和减轻沟岸滑坡的作用[15]。多道坝形成了一个阶梯消能措施，泥石流经过坝体时形成水跃，能消散泥石流能量的62%～67%[16]。经过现场勘查，于铁路桥上游50 m、130 m、180 m分别设置一道拦渣坝，并在拦渣坝下游约5 m处再设置1道高度约1 m的消能坝，再次减小从拦渣坝流出泥石流的能量。

对于既有的结构物应采取一定的防护措施，在既有桥梁前面设置一道防撞梁。防撞梁能承受掉落或冲出的石块一定冲击力，避免石块直接冲击桥梁，起到保护桥梁主体结构的作用。

在导流槽出口修建一个渡槽跨越公路，将泥石流经过导流槽跨越公路，避免泥石流直接冲入公路，毁坏路基，中断行车。

安装监控设备，汛期进行重点监控。监控设备能及时直接反应监控地点的现场状况，可及时做出应对措施，节约处理事故的时间，及时恢复行车。

5结论

本文工点位于丰沙铁路，在燕山期的侵入岩的作用及附近断层影响作用，冲沟两侧岩体破碎且松散，为泥石流的形成提供了大量的物源，目前松散物源总量为6.3×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约2.05×104m3。在降雨的作用下，冲沟两侧已发生了两处较大的崩塌，在强降雨作用下极易形成强劲的泥石流。目前主沟两侧的崩塌呈加剧发展的趋势，泥石流有趋于更严重的趋势。

根据冲沟地质与泥石流爆发情况，该泥石流沟为构造及暴雨引起崩塌型泥石流。主沟目前冲刷较为严重，应及时对冲沟进行防治。通过对冲沟修建谷坊坝、主动网、挡墙、拦渣坝、防撞梁来对泥石流及边坡落石进行防护，在泥石流对铁路、公路形成灾害前进行防治、监控。

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中图分类号：P642.23

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0041-05

作者简介：第一王延涛(1974—)，男，硕士，高级工程师。

收稿日期：2015-05-25