神农架车沟泥石流应急治理方案剖析

聂邦亮, 叶义成 , 李小勇 , 王金波

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.湖北省地质局 第七地质大队,湖北 宜昌 443100)

车沟泥石流位于湖北省神农架林区红坪镇温水村大草坪—车沟一带。受暴雨及神农架飞机场在泥石流源头处集中排水影响,车沟流域于2013年7月共发生6次泥石流,陆续产生的泥石流堆积体共计约24.8×104m3。泥石流共造成4户居民房屋、3 333 m2耕地被毁,并造成河道堵塞、209国道交通中断,直接经济损失约800万元。在完成了车沟泥石流的勘查及应急治理工程设计后,2014年2月车沟泥石流应急治理工程竣工。历经3年暴雨的检验,防治工程充分发挥了作用,应急治理效果良好。

1 泥石流特征

根据车沟泥石流勘查成果[1],车沟泥石流具有典型山间沟谷型泥石流的特征,具有明显的形成区(物源区)、流通区、堆积区。

1.1 形成区特征

车沟泥石流形成区后缘高程2 520 m,前缘高程2 100 m,横向宽度620 m,纵向长825 m,平面形态呈倒梯形。形成区顶部的神农架飞机场地形平坦,汇水面积大,在降雨时形成的地表径流主要排向其南侧的泥石流物源区。

形成区主要由三条呈树枝状分布的纵沟组成,编号依次为1#、2#、3#沟。神农架机场南侧的两个排水口分别位于2#、3#沟顶部。

1#沟横向宽250 m,纵向长550 m,深2～5 m,坡度25°～40°。1#沟堆积有大量修建机场废弃的碎块石,体积约5.5×104m3。但据勘查结果,1#沟内的人工堆积碎块石稳定性较好,且因机场排水系统未从1#沟排水,故1#沟堆积物不属于车沟泥石流形成区(物源区)。

2#沟呈“V”形,冲沟顶宽12～55 m、深7～28 m,两侧斜坡坡度50°～60°,长520 m。2#沟两侧斜坡由第四系坡积碎石土组成,土石比4∶6～3∶7,厚度一般5～15 m,最大厚度达28 m。2#沟处的碎石土层为车沟泥石流的主要固体物质来源,“V”形沟槽亦因强劲水流冲刷形成。其存留的固体物质总量仍有约33×104m3。

3#沟总长720 m,上段呈 “V”形,顶宽20 m、深3～7 m;中、下段呈“U”形,宽5～8 m,深0.5～1.5 m。3#沟大部沟底基岩出露,上段东侧及下段沟床两侧覆盖土层较薄(0.5～1.0 m),仅上段西侧分布有厚度较大的坡积碎石土,体积约3.7×104m3。

1.2 流通区特征

车沟泥石流流通区全长3 400 m。流通区高程1 700 m以上地形较陡,两岸斜坡坡度30°～60°,沟道切割深30～50 m,宽5～12 m,沟道纵坡降为250‰;高程1 700 m以下地形相对较缓,两岸斜坡坡度20°～40°,沟道切割深30～60 m,宽15～40 m,沟道纵坡降为150‰。流通区沟底及两侧岸坡基本为基岩出露,仅局部沟底及两侧岸坡分布少量泥石流残留的碎石土,估算流通区残留固体物质总量约2×104m3。

1.3 堆积区特征

车沟泥石流堆积区位于车沟出口一带与温水河交汇处,堆积区平面形态呈“T”形。泥石流堆积体厚度为2～6 m,平均厚度约4.0 m,堆积区总面积62 000 m2,总体积约24.8×104m3。

图1 2013年7月车沟流域降雨量与泥石流体积关联直方图Fig.1 Histogram of rainfall in the gully in July 20131.降雨量;2.泥石流体积。

2 主要影响因素

2.1 人类工程活动

车沟泥石流暴发的主要诱因为神农架飞机场降雨集水在泥石流源头处集中排放,在集中水流的冲刷、侵蚀作用下,破坏了土质斜坡的稳定,并为泥石流提供了强大的水动力条件,从而导致泥石流的产生。

2.2 强降雨

从搜集的车沟流域2013年7月降雨资料(图1)分析,2013年7月12日15:30-16:30当地小时降雨量达59 mm,该时段的暴雨首次激发了车沟泥石流;7月13日降雨量为20.9 mm,再次形成较大规模泥石流;7月19、20日的降雨量为27.5、29.7 mm,车沟流域又产生了较大规模泥石流;7月27-29日,日降雨量为14.3～14.5 mm,降雨量明显较之前减小,但由于降雨持续时间较长,仍然产生了较大规模的泥石流。从2013年7月车沟产生的数次泥石流与降雨量的关系分析,暴雨和连续降雨是促发泥石流的主要因素。

3 应急治理工程方案剖析

3.1 应急治理工程方案

3.1.1 治理工程方案一:3级谷坊坝

(1) 设计条件。根据现场调查的工程地质条件分析,物源区的1#沟沟床处人工堆积的5.5×104m3碎块石现状稳定性较好,产生变形破坏的可能性小;2#沟存留的固体物质体积尚有约33×104m3,由于前期冲刷切割的沟槽最大深度已达28 m,且沟槽坡度达50°～60°,自身稳定性极差,将会在强降雨及机场集中排水冲刷作用下进一步产生坍滑形成泥石流;3#沟残留的松散堆积体约3.7×104m3,亦将会进一步产生变形破坏形成泥石流;流通区沟道残存的泥石流体积约为2.0×104m3,在下一次泥石流活动时将再次参与活动。因此,在不改变现状成灾因素的条件下,车沟流域将来还有可能形成的泥石流总量约为38.7×104m3。

(2) 治理工程方案。剩余总量为38.7×104m3的松散固体物质在后期可能形成新的泥石流,为防止其产生进一步的危害,须将其拦截于流通区沟道内。

根据实地勘查的工程地质条件,该方案在位于流通区下游高程1 682 m、1 617 m、1 583 m的沟道内共布设3级谷坊坝[2]。从上至下各级谷坊坝的设计库容依次为16.87×104m3、7.69×104m3、15.05×104m3,总库容量为39.61×104m3,可满足堆积38.7×104m3泥石流固体物质的需要(图2)。

3.1.2 治理工程方案二:水源改治+1级谷坊坝

(1) 设计条件。前文已述及,物源区的2#沟存留的大量松散固体物质为车沟泥石流的主要物源,且机场集中排水是引发泥石流的主导因素,因此,若将2#沟顶部的机场排水口封闭,改由其他地段排放,则将大幅减少泥石流固体物质来源。基于这一思路,将2#沟水源改治后其存留的固体物质在自然条件下将逐步趋于稳定,根据工程地质类比坡率法分析[3],按照同类物质结构的斜坡自然休止坡率1∶1.5计算,可能产生的不稳定物质体积约11.0×104m3,加上3#沟及流通区的固体物质,形成区水源改治后可能变形破坏产生泥石流的固体物质总量约为16.7×104m3。

(2) 治理工程方案。①水源改治。将潜在危害最大的2#沟出水口封闭,将2#沟水源引导入固体物源少、斜坡稳定性较好的3#沟(图2)。2#沟—3#沟之间的连接段保持原2#沟过水断面,2#沟汇入3#沟之后的出水口沟段过水断面根据二条沟的总流量重新设计为宽2.5 m、深1.5 m。

②1级谷坊坝。据测算形成区水源改治后可能产生泥石流的固体物质总量约为16.7×104m3,方案一中布设于高程1 682 m处的第一级谷坊坝设计库容为16.87×104m3,即可满足泥石流固体物质的库存要求。

图2 车沟泥石流应急治理工程平面布置图Fig.2 Layout plan of emergency management of gully debris flow1.第四系堆积层;2.谷坊坝;3.水源改治工程。

3.2 治理工程方案剖析

3.2.1 治理方案思路剖析

采用3级谷坊坝工程的第一套治理方案,未针对引发泥石流的关键因素(集中排水)采取相应工程措施,而是对后期可能产生的泥石流固体物质进行全面拦截,第一套治理方案为被动治理的设计方案。第二套治理方案采取水源改治+1级谷坊坝的工程措施,则有针对性地将潜在危害最大的2#沟水源改由3#沟排放,最大限度地减少了后期可能产生泥石流的固体物质来源,然后再布设1级谷坊坝将仍有可能产生的少量泥石流固体物质进行拦截,即可达到对车沟泥石流进行有效治理的目的。第二套治理方案为有针对性的主动治理、辅以被动治理的综合设计方案。

3.2.2 施工难度对比分析

第一套治理方案的3级谷坊坝工程均位于车沟峡谷内,需修建施工临时便道,谷坊坝工程所需的大量砂石料均需通过二次转运抵达施工现场,施工难度大。第二套治理方案中的水源改治工程位于神农架机场停机坪附近,交通运输方便,施工条件好;第二套治理方案仅需建1级谷坊坝,较方案一大大减少了二次转运工程量。方案二较方案一的施工难度对比优势明显。

3.2.3 工程投资对比分析

第一套治理方案预算治理工程投资为429万元,第二套治理方案预算治理工程投资为193万元,方案二较方案一节省投资236万元、投资比例为1∶2.2,工程造价大为降低,经济效益更为突出。

3.3 治理工程方案综合剖析

车沟泥石流治理工程设计,在实地查明工程地质条件及致灾因素的基础上,拟定了两套治理工程方案,两套方案均能达到有效治理泥石流的目标。采取水源改治+1级谷坊坝的第二套方案,主动从改治引发泥石流的水源着手,最大限度地减少了后期泥石流的固体物源,施工难度及工程投资均明显优于第一套治理方案。因此,第二套方案被确定为车沟泥石流治理的最终方案。

车沟泥石流应急治理工程于2014年2月竣工,已历经3个水文年的检验,治理效果十分理想。治理工程竣工后的2014年雨季,车沟流域再次产生的泥石流固体物质全部被拦截于已建成的谷坊坝内,且之后的2015、2016年再未暴发大规模泥石流。目前谷坊坝内的泥石流堆积体顶面距离坝顶1.2 m,说明设计阶段预测估算的后期泥石流固体物质总量是准确的,设计方案是科学合理的,后期运行结果也验证治理工程取得了成功。

4 结语

车沟泥石流地质条件复杂,危害性大。应急治理工程设计在查明诱发因素及工程地质条件的基础上,拟定了二套治理设计方案。通过对比分析,从降低泥石流形成区水动力条件方面着手,选定针对性强、施工难度小、工程投资少的第二套方案为最终的实施方案。应急治理工程实施后历经三个水文年的检验,未再次造成泥石流灾害损失,治理效果显著,达到了既定治理目标。泥石流是山区常见的地质灾害,近年来由于矿山开采、工程建设引发的泥石流亦逐步趋多,车沟泥石流的应急治理工程取得的成功经验,为同类泥石流的治理提供了新的设计理念和思路。

[1] 湖北省地质环境总站.神农架林区红坪镇车沟泥石流应急治理工程设计[R].武汉:湖北省地质环境总站,2013.

[2] 湖北省水文地质工程地质勘察院.湖北省神农架林区松柏镇黄羊沟泥石流防治工程可行性研究报告[R].武汉:湖北省水文地质工程地质勘察院,2003.

[3] 赵明阶,何光春,王多垠.边坡工程处治技术[M].第三版.北京:人民交通出版社,2007.