通城县北港某泥石流防治工程设计方案

刘 平, 张丽荣

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

2011年6月9日—10日,通城县遭遇50年一遇的特大暴雨,最大日降雨量256 mm,最大小时降雨量89.9 mm,导致河水泛滥、城镇被淹、房屋倒塌,诱发多处泥石流地质灾害,其中北港镇某泥石流一次冲出固体物质总量约10 000 m3,大部分固体物质淤积于出山口,并堵塞了下游南港河,造成洪水和泥石流泛滥,财产损失巨大。为了防治泥石流灾害,2014年相关部门对该泥石流沟进行了治理。

1 泥石流区地质环境条件

泥石流沟位于南港河的左岸,出山口与南港河呈49°斜交。通往通城县城关的县道位于南港河左岸,泥石流沟口下游及南港河的左右二岸沿河道集中居住有50余户居民,分布有20余公顷农田。

泥石流流域区多年平均降水量为1 554.9 mm,降雨主要发生在5—9月。区内最大的河流为隽水河,南港河属隽水河二级支流,为季节性溪沟。

泥石流沟在地貌上属剥蚀丘陵地貌,最低地面高程约120.00 m,最高点地面高程323.00 m,相对高差约203.00 m。山坡坡角较陡,坡角多在25°～45°之间,沟谷两侧植被稀疏,山顶和山脊植被较发育。区内出露地层有第四系、燕山早期侵入花岗岩类地层。

2 泥石流基本特征[1]

北港某泥石流为暴雨、稀性、高频、沟谷型泥石流,沟深、坡陡、流短。流域面积约1.10 km2,流域长约1.20 km,主沟长度1.02 km,走向近南北,纵坡比降69.02‰～157.56‰,平均比降86.60‰,为中型泥石流沟。该泥石流沟从流域形态上可分为形成区、流通区和堆积区,各区特征见表1。

表1 北港泥石流分区特征汇总表Table 1 Summary of characteristics of debris flow zoning in Beigang

北港泥石流固体物源量约13.021×104m3,一次最大可能参与泥石流的固体物源量1.432×104m3,大于2011年6月泥石流带走的固体物质总量。

3 防治工程设计[2]

3.1 设计总体方案

泥石流沟出山口直抵南港河,出山口处沟呈“U”型,沟宽3.0～4.0 m,平均深约2 m,纵坡降54‰;南港河在此处的河床宽15～20 m,河谷深3～4 m。2011年6月9日—10日的泥石流曾淤积出山口并堵塞了南港河,可以证明南港河排泄泥石流的能力不足,且后期爆发泥石流时的一次最大可能参与的固体物源量大于2011年6月泥石流带走的固体物质总量,因此采用拦排结合的治理思路,经拦挡后的泥石流在一次最大可能固体物源参与时不至于造成排出物堵塞南港河而影响行洪,导致泥石流出山口下游南港河河谷地质环境、左右二岸的房屋和道路等遭受破坏。结合地形地貌和沟道条件,设计总体方案:拦挡坝(谷坊坝)+排导槽+防护堤(图1)。

3.2 设计指标

北港泥石流的防治工程安全等级为三级,拦挡工程和排导工程均按照30年一遇(P=3%)的泥石流流量标准进行设计,按照50年一遇(P=2%)的泥石流流量标准进行校核。

3.3 设计工况及荷载组合

3.3.1拦挡工程设计工况和荷载组合

按设计指标,在30年一遇的降雨强度前提下,设计拦挡工程设计工况按满库过流、半库过流、空库过流三种特征考虑,有三种工况组合,分别为工况Ⅰ满库容过流状态、工况Ⅱ半库容过流状态、工况Ⅲ空库过流状态,其中以工况Ⅰ、工况Ⅱ为设计工况,工况Ⅲ为校核工况(图2)。各工况荷载组合为:

图1 防治工程平面布置示意图Fig.1 Plan layout of prevention and control engineering

工况Ⅰ满库过流状态,荷载组合:坝体自重+土体重+溢流体重+过坝泥石流动水压力+泥石流土体水平压力;

工况Ⅱ半库容过流状态,荷载组合:坝体自重+土体重+溢流体重+过坝泥石流动水压力+泥石流流体冲击力+泥石流石块冲击力+水平水压力+泥石流土体水平压力+ 扬压力;

工况Ⅲ空库过流状态,荷载组合:坝体自重+溢流体重+过坝泥石流动水压力+水平水压力+泥石流流体冲击力+泥石流石块冲击力+扬压力。

图2 拦挡坝荷载组合示意图Fig.2 Schematic diagram of load combination for retaining dam

3.3.2排导工程设计工况和荷载

排导工程设计按挡土墙进行计算和校核,其工况及荷载组合为:

工况Ⅰ无泥石流过流状态,荷载组合:结构自重+土压力;

工况Ⅱ30年一遇泥石流过流状态,荷载组合:结构自重+土压力+设计情况下泥石流荷载;

工况Ⅲ50年一遇泥石流过流状态,荷载组合:结构自重+土压力+设计情况下泥石流荷载。

其中工况Ⅰ、工况Ⅱ为设计工况,工况Ⅲ为校核工况。

图3 2#拦挡坝剖面布置图Fig.3 Section layout of 2# barrier dam

3.4 设计参数

防治工程设计涉及的参数主要有:泥石流特征参数、泥石流截面参数等。其中频率3%(30年一遇)泥石流峰值流量为37.25 m3/s,一次泥石流过程总量为11 286.64 m3,一次泥石流固体物质总量为4 706.28 m3;频率2%(50年一遇)泥石流峰值流量为50.82 m3/s,一次泥石流过程总量为24 637.12 m3,一次泥石流固体物质总量为10 273.13 m3。

3.5 分项设计

3.5.1拦挡坝

1#拦挡坝布置在沟口上游的沟谷中,设计坝顶高程146.80 m,坝最高处高为8.00 m,长70.00 m。

2#拦挡坝布置在沟尾崩滑体下游较开阔沟槽中,设计坝顶高程173.00 m,坝最高处高为6.90 m,长23.00 m。

(1) 设计拦挡坝库容量(见表2)。

(2) 拦挡坝结构设计。坝体采用M10浆砌块石结构,坝顶宽3.00 m,迎水坡率1∶0.7,背水面坡率1∶0.2。排水孔按品字形布置,排水孔有效截面尺寸0.3 m×0.5 m,排水坡率5%,采用M10水泥砂浆抹面,抹面厚度20 mm(图3、图4、照片1、照片2)。

表2 拦挡坝库容量一览表Table 2 List of capacity of dam and reservoir

图4 2#拦挡坝俯视图Fig.4 Overhead view of 2# barrier dam

3.5.2排导槽

排导槽布置在沟口段,入口位于两沟岔口处,出口接南港河。排导槽宽5.00 m,两侧边墙高2.50 m,设计最大排导流量67.62 m3/s,能满足泥石流过流要求(图5、照片3)。

照片1 2#拦挡坝(2016年12月摄)Photo 1 2# retaining dam

照片2 1#拦挡坝(2016年12月摄)Photo 2 1# retaining dam

图5 排导槽断面结构图Fig.5 Section structural chart of drainage groove

照片3 排导槽(2016年12月摄)Photo 3 Drainage canal

图6 防护堤断面结构图Fig.6 Section structural chart of protective embankment

3.5.3防护堤

导流防护堤位于拦挡坝与排导槽之间右侧,高4.00 m。考虑泥石流对防护堤的冲击,防护堤设计采用深挖并墙后填土的方式,采用M10浆砌石,防护堤允许的压应力为2 100 kN,大于泥石流对防护堤的最大块石冲击力(图6、照片4)。

防治工程于2015年3月完工,在2016年6月—7月特大持续暴雨过程中发挥了显著的作用,保护了人民群众生命财产的安全。

照片4 防护堤(2016年12月摄)Photo 4 Protective embankment

4 结语

(1) 北港泥石流防治工程采用拦挡坝、排导槽、导流防护堤相结合的综合治理措施,防治效果明显,取得了较好的社会效益。

(2) 该泥石流防治工程实施积累的地质灾害防治经验可为鄂西南山区和同类地质环境区的泥石流防治提供参考与借鉴。

(3) 应加强对地质环境的保护,防止水土流失和地质灾害的发生。

(4) 为保证防治工程的有效性,地方政府应加强对防治工程的维护。