某铁路拟选车站泥石流危险性分析及防治对策

张雨露 王 栋 游 勇 柳金峰 王 波

(1.中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041)

西南山区某铁路受青藏高原强烈隆升的影响，地势起伏大，河流切割强烈，具有相对高差大、山坡陡峭和沟谷深切的典型特点。区内受印度洋板块与欧亚板块碰撞控制，构造活动强烈，新构造运动和地震活跃，断裂构造和节理裂隙发育，岩体破碎，坡体稳定性差。受内外应力的强烈作用和影响，沿线泥石流、滑坡形成所需的地质岩性构造、松散固体物质、水源、地形等条件非常容易满足，是我国泥石流滑坡类型最为多样、分布范围最为广泛、最为活跃，危害最严重的地区之一，铁路选线既要克服高程控制，又要规避大型不良地质体。受地形影响，部分在峡谷地区的车站往往需要利用相对平缓的洪积扇、泥石流扇。因此评估洪积扇的安全性及其对车站的影响程度是判断方案是否可行的重要因素。

本文以某铁路康定至新都桥段速度160 km/h拟选毛家沟车站站址区为例，对车站上游的毛家沟、磨子沟、野人沟三条冲沟的沟谷形态(如图1所示)的物质源分析、颗粒分析进行研究，综合判断泥石流的性质及特征，分析泥石流危险性，通过危险性分析来评估车站的安全性，为相同区域车站选址及防灾措施提供借鉴。

图1 毛家沟流域卫星影像图

1 泥石流形成条件分析

1.1 地形地貌条件

图2 毛家沟主沟纵剖面示意图

沟名清水区形成区流通区堆积区高程/m毛家沟4 340～4 8183 700～4 3403 400～3 7003 208～3 400磨子沟4 280～5 5403 940～4 2803 460～3 8403 400～3 460野人沟-3 840～4 6803 480～3 8403 400～3 480

1.2 物源条件

该区域地质环境的各要素如新构造运动，岩体的风化速率、崩滑灾害等以不同的方式，提供松散碎屑物质，构成泥石流活动的物质基础。特别是高原特有的碎屑边坡，滑坡、崩塌、错落等区域内较为常见不良地质，也常常为泥石流提供大量物质，并同时在泥石流发生时而伴生形成。

(1)新构造运动

毛家沟流域附近主要有东北部沿折多河走向的折多塘断裂和西南方近南北向的毛家沟断层，其中折多塘断裂为鲜水河断裂南端分支断裂，该区新构造运动活跃、地震频繁。1955年4月14日在康定折多塘发生7.5级地震，烈度为Ⅸ；1786年6月1日康定磨西发生7.5级地震；2008年2月27日，在康定县三道桥发生4.7级地震[2]。地震活动导致了大量破碎岩体，如图3所示，伴随着地震次生崩塌、滑坡灾害堆积至沟内，为泥石流提供了丰富的物源。

图3 康定地区构造及地震示意图

(2)岩体风化速率

通过野外调查分析可知，毛家沟流域泥石流形成区集中在 3 600～4 700 m海拔区间，即现康定地区的雪线附近，因此寒冻风化作用较为明显。形成大量的寒冻风化岩屑流。毛家沟上游受季节性积雪及高海拔地区的寒冻风化影响形成的岩屑流的总面积为3.66 km2，初步按假设平均厚度0.5 m估算，岩屑流的物源方量为183万m3。这些物源主要分布在上游、以及毛家沟内多支沟内，大部分都堆积在高位，在暴雨、地震等作用下岩屑流失稳后，可能堆积在沟道内，作为动储量成为形成泥石流的直接物源。

(3)地质灾害分析

毛家沟流域主要出露地层为新生界第三纪二长花岗岩和中生界三叠系变砂岩、板岩，夹灰岩。利用2013年11月获取的快鸟影像，对研究区的地质灾害类型及松散物源体进行遥感解译。通过野外调查结合遥感解译，毛家沟流域的主要灾害类型包括崩塌、危岩、碎屑流、泥石流(洪积扇)等主要类型，松散固体物质来源的类型主要包括坡崩积物、坡脚堆积体、其中以堆积物为主要物源类型。

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(4)储量分析

野外调查发现，两条大支沟(野人沟、磨子沟)沟道两侧坡度较陡，基岩较破碎，坡面岩屑坡发育，厚度10～20 m，块石体积一般在1～3 m3，为不规则形状，主要为坡崩积小块石，如图5所示。野人沟内解译堆积体面积为1.44 km2，初步按平均厚度10 m估算，沟道内堆积体总物源方量为1.44×107m3。解译磨子沟沟道内堆积体面积为0.86 km2，初步判断平均厚度10 m，沟道内堆积体总物源方量为0.86×107m3。毛家沟主沟沟口到三条支沟交汇的区域内，解译沟道内堆积体与坡面岩屑坡的面积为0.59 km2，初步按假设平均厚度5 m估算，沟道内与坡面上的堆积体总物源方量为0.30×107m3。根据上述毛家沟流域内松散物源初步估算结果，毛家沟整个流域内共有松散物源2.78×107m3。

1.3 气象水文条件

本区属亚热带季风气候，基本处于华西丰雨屏带中，植被茂密，夏季多雨，冬季多雪，地表水及河流对山体和路基的冲蚀和切割作用明显；折多山以西属亚寒带季风气候与高原大陆性气候的交揉区，气候温和偏寒，亦多降雨(如表2所示)，缓坡为草，低谷为林，且多雪峰及高山湖泊。

表2 康定县最大降雨资料

康定县年降水量832.2 mm，年最多降水量为 1 005.7 mm，年平均蒸发量为 1 257.7 ml，积雪最大厚度54 cm。康定地区降水年内分配不均，主要集中在夏季，5-9月降雨量达 621 mm，占年降水量的77%。其夏季降水曲线为双峰型：6月为第一次高峰,降雨量169 mm；9月为第二次高峰，降雨量125 mm。1995年6月15日、7月3日和7月7日，康定城区连续三次遭受以山洪为主的多种山地灾害袭击，6月下旬总降雨量84 mm，7月1日和2日先后降雨18 mm和15 mm，7月3日降雨29 mm，山洪再次袭击城区；7月4-6日降雨35 mm，7日降雨32 mm[3]，形成大规模山洪，康定城区第三次遭受山洪洗劫，如图4所示。

图4 1995年康定洪水淹没城区图

2 泥石流性质分析

对毛家沟沟岸坡积物(可能的泥石流物源)进行了野外采样和室内分析，确定颗粒组成。同我国研究较深入的蒋家沟粘性泥石流作对比。重点分析和比较能够影响泥石流浆体流变特性的关键性参数——细小颗粒(<2 mm)的含量，初步判断泥石流的性质[4]。毛家沟沟岸坡积物颗分曲线同蒋家沟粘性泥石流的比较(颗分组分)如图5所示。样品中已经剔除了现场粗大颗粒(>100 mm)和块石(Boulder)。泥石流样颗粒物质从细小的粘粒(Clay)到砾石(Gravel)甚至到卵石(Cobble)的粒径跨越很大。

由图5可知，毛家沟沟岸坡积物(泥石流物源)颗粒物质的中值粒径d50和蒋家沟粘性泥石流的下限是相同的(见图7蒋家沟颗分曲线的下限)，2 mm粒径所对应的泥石流浆体颗粒累计含量相同。所不同的是毛家沟可能的泥石流浆体所包含的细颗粒物质(0.06～0.2 mm的中、细砂)含量较蒋家沟的要少许多。这一般可以认为是粘性泥石流形成所需的泥浆体所裹挟的细小颗粒物质含量相对较少，从而使得泥石流发生的类型更多可能是偏稀性的[5]。从泥沙运动力学的角度分析，只有当上游发生超强洪水时，强大的水流搬运力才能扰动和掺混更多更粗(>2 mm)的颗粒变成泥石流泥浆体的组分，即泥石流固液分界粒径相应的上移，泥石流浆体所含有的颗粒含量增大从而改变泥石流的流变特性，这时的泥石流才有可能从稀性变成粘性[6]。通过野外调查访问当地村民，得知1995年康定山洪期间，该沟也发生过大型山洪，淹没沟口公路，河水深度3～4 m。此后，每逢雨季，均暴发山洪，但规模不大。通过数据分析及野外调查可大致判断：毛家沟主沟为山洪-水石流，其支沟磨子沟以为稀性泥石流，野人沟为水石流-稀性泥石流，野人沟以上毛家沟主沟为水石流-稀性泥石流。

图5 毛家沟泥石流和蒋家沟泥石流的颗粒级配

3 泥石流危险性分析

泥石流爆发后的泥深对铁路线路标高、工程形式以及防治措施均有较大影响，本次采用了1∶2 000地形图建立了毛家沟流域范围的数字高程模型(DEM)，沟道糙率系数取0.05，通过水文手册[7]，野人沟沟口以上毛家沟流域一次泥石流冲出量约为46.0万m3(P=0.5%)，设定在200年一遇洪水频率条件下，对野人沟、磨子沟泥石流的动力过程进行数值模拟。

结合GIS技术，提取毛家沟隧道口断面数据，如图6所示，在毛家沟会让站附近断面处泥石流泥深为6～8 m。同时，磨子沟泥石流冲出沟口，存在挤压河道、抬升洪水位的危害。考虑毛家沟与磨子沟泥石流叠加形成复合灾害，毛家沟会让站附近断面处的叠加泥深可达8～10 m。铁路以桥梁形式通过，毛家沟大桥处距离毛家沟主沟道桥下净空为14.5 m。可见，在200年一遇以上洪水的条件下，毛家沟泥石流泥深超过隧道口桥梁净高的1/2，属于中度危险级别。如果铁路大桥桥墩修建在毛家沟及其支沟野人沟山洪泥石流灾害的直接危害范围内，一旦发生山洪泥石流，桥墩很容易被山洪泥石流及其中的大石块冲坏，甚至被冲毁。此外，在铁路的施工和运营期间，如果铁路工程的附属设施布置在毛家沟泥石流危害范围内，将会受到泥石流的高度威胁。

图6 毛家沟车站断面泥深数值模拟

4 泥石流防灾对策

针对毛家沟山洪泥石流灾害，提出以下防治对策：

(1)毛家沟铁路大桥桥墩不要布置在其山洪泥石流直接危害范围内，桥梁要保证足够的桥下净空，并采用1孔跨沟的方案，可以有效地避免山洪泥石流的危害。

(2)针对铁路上下游一定范围内沟道，应疏通和归整沟道，必要时对相应部位进行治理。

(3)在铁路的建设和运营中，其进入毛家沟铁路位置处的进场公路、渣场、料场、站房等相关附属设施不要布置在山洪泥石流的直接危害范围内，必要时采取相应的治理措施，并建立预警预报系统。

(4)建议做好工程弃渣的堆放选址和安全管理工作。加强工程弃渣的安全管理，防止进入泥石流流路参与泥石流。

5 结论

本文从泥石流形成条件出发，以泥石流颗粒级配特征对泥石流性质进行了定性，根据泥石流与铁路工程设施的相对空间位置，采用数值模拟手段得出泥石流对铁路工程影响的定量评估结果，并提出了相应的防灾对策，结论如下：

(1)从沟谷地形地貌条件、物源条件、气候与水文条件综合分析，毛家沟及多条支沟具备泥石流形成的条件，其松散固体物质来源的类型主要包括坡崩积物、坡脚堆积体、寒冻风化岩屑流失稳。通过初步估算，毛家沟整个流域内共有松散物源 2 778万m3。毛家沟内松散物源分布较为复杂，建议下一步需开展详细的勘察工作，以确定流域内松散物源的准确储量情况。

(2)通过野外考察，结合毛家沟堆积物样品颗份结果，初步判断毛家沟主沟为山洪-水石流，其支沟磨子沟以为稀性泥石流，野人沟为水石流-稀性泥石流，野人沟以上毛家沟主沟为水石流-稀性泥石流。

(3) 通过计算明确了毛家沟朱沟道的泥石流泥深可达6～8 m，叠加泥深可大8～10 m，现方案设计以桥梁通过，桥下尽空满足设防要求。

(4) 综合判断毛家沟泥石流属于中度威胁，其防治以疏通为主，避免铁路附属设施受到泥石流威胁，并建立预警预报系统。