桦林隧道进口泥石流形成原因、启示及防治建议

2019-08-31程文鑫

福建交通科技 2019年4期

■程文鑫

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 前言

根据黄春鹏等[1]的研究表明,福建省内山区泥石流地质灾害发生较少,规模一般不大,但泥石流具有爆发突然、来势迅猛、破坏力强的特点，且常兼有崩塌、滑坡等多重作用，危害性极大，所以研究泥石流的性质、特点及形成原因，对识别、预防及治理山区泥石流灾害具有重要意义。

柘福高速公路桦林隧道位于闽东山区，2008 年7 月由于该区域发生特大暴雨，使隧道进口西北侧约400m处采石场弃渣堆积体产生滑塌；2016 年受第14 台风“莫兰蒂”、17 台风“鲇鱼”带来的强降雨影响，采矿场开挖形成的边坡出现滑塌，滑塌边坡下方为一狭窄陡深的沟谷，滑塌体与大量雨水混合后在沟谷中形成泥石流，泥石流在桦林隧道进口宽缓处堆积，形成了滑塌-泥石流链式地质灾害，造成隧道口导流槽淤堵，严重威胁高速公路的行车安全(如图1)。本文通过工程地质调绘、钻探、原位测试等多种勘察方法，详细查明了泥石流的地质背景、分布特征、形成原因等，通过计算分析划分出该泥石流类型特点，并提出合理可靠的泥石流工程防治建议。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌及气象气候

场区属低山剥蚀丘陵地貌，泥石流区形成区山体坡度约20～35°，其后缘山体最高峰高程约710m，距桦林隧道进口堆积区高差达340m。泥石流流通区主要为形成区与堆积区中部的山间冲沟，冲沟纵坡较陡，约为35～50°。

泥石流区地处宁德福安市，属亚热带海洋性季风气候区，温暖湿润，四季基本分明。年平均降水量1350～2050mm，主要集中于3 至9 月：3～4 月为春雨季节，5～6月为梅雨季节，7～9 月为台风雷阵雨季节，10 月至次年2月为少雨季节。暴雨主要集中在5～9 月份。

图1 泥石流工程地质平面图

2.2 地层岩性

场区上部主要为采石场人工堆积的弃渣(Q4ml)、崩坡积层(Qcol+dl)，下伏为燕山晚期侵入花岗岩(γ53)、侏罗系南园组凝灰熔岩(J3n)及其风化层。

人工堆积弃渣分布于采石场作业区内，形成粘性土夹碎石堆积体，厚约4～7m，含约10%～15%碎石，块径3～7cm，结构杂乱无序。

崩坡积层主要分布于采石场作业平台下，厚度约4～12m，以粘粉粒为主，粘性一般，碎石含约10%～20%，呈次棱角状，粒径2～8cm，锤击易碎，局部夹粒径20～50cm 的块石。

燕山晚期侵入花岗岩(γ53)主要呈肉红、浅灰色混杂，中细粒花岗结构；侏罗系南园组凝灰熔岩(J3n)主要呈青灰色，基质主要为火山尘级玻璃质及隐晶质物质。具体岩土层分布详见图2 及图3：

图2 A-A’地质剖面图

图3 B-B’地质剖面图

2.3 水文地质条件

泥石流区山体坡度约20～50°，总汇水面积约0.2km2。泥石流流通区山间冲沟，坡度为35～45°，冲沟位于地表水径流集中区。强降雨天气下汇集的水流对上部松散物质的侵蚀、掏挖作用引起坡体滑塌，滑塌物质又在水流作用下沿冲沟顺流而下。勘查期间沟内局部见地表水流，流量约50m3/d，主要接受大气降水的补给，受季节性影响变化较大。

勘察期间测得场地内钻孔地下水稳定水位埋深11.3～22m(雨天)，地下水的补给来源主要为大气降水。

2.4 泥石流基本特征

2.4.1 泥石流形成区特征

如图4 所示，将泥石流形成区分为A、B、C 三个区域：采石场施工平台以上部分定义为A 区，采石场施工平台下部滑塌体定义为B 区，泥石流流通区上部沟口位置定义为C 区。

图4 泥石流形成区分区图

A 区为废弃的采石场，因开挖开采山体新鲜基岩，而留下废弃的大量松散堆积体，体积约20000m3，主要成分为残坡积土与花岗岩风化层及开采后的碎块石，碎石直径一般0.2～1.0m 不等。堆积体岩土体经8～10 年自然沉积后，岩土体结构尚紧密，目前自然状态下尚稳定，在暴雨作用下可能形成溜塌。

B 区为采石场作业平台边缘边坡，在强降雨等外力作用下出现崩塌，下部坍塌坡面长约90m,最高约28m，坡度近50°，废弃采石场作业平台内发育多组张拉裂缝，裂缝宽约50～115cm，局部下错约20cm，说明崩塌体已向后牵引形成滑坡变形体，目前正处于蠕动变形阶段，易发生进一步滑塌。

C 区为泥石流流通区上部沟口的崩滑堆积物堆积区，以粘性土为主，含大量碎石，岩土体结构杂乱松散，极不稳定，强降雨后在雨水稀释混合后易沿冲沟顺流而下。

2.4.2 泥石流流通区特征

流通区主要为形成区下方一山间沟谷，相对高差约220m，纵坡坡度35～50°，河沟较狭小(一般宽8～15m 左右，局部地段沟道宽度仅3～5m 左右)，且该沟段区域性抬升剧烈，因此沟道下切较为强烈，局部地段可见基岩出露，这些特点决定，在具备较强的水动力条件时，泥石流下蚀作用通常大于堆积作用，其冲淤特征表现为以冲为主的特点，易于泥石流的流通。另外，沟谷两侧植被发育，自然坡体较稳定，目前暂不具备为泥石流提供大量物源条件。

2.4.3 泥石流堆积区特征

堆积区位于桦林隧道进口处，该处为两冲谷的交汇处，面积1500m2，其中南西向的冲沟常年流水，雨季水量较大。泥石流松散堆积体的成分以粘性土为主，夹有约35%的碎块石，碎块石直径一般0.2～0.8m 不等，厚度3～7m 不等(如图5)。水沟下游沟口段，平面形态呈喇叭型，前缘直抵东西向冲沟的东南侧岸坡，宽约40m。堆积区沟道相对较窄，且沟道较浅，这种条件决定该沟段冲淤特征以淤为主的特点，但在东西向冲沟水流加大的情况下，其冲刷作用将加剧。

图5 堆积区松散堆积体

3 相关计算

3.1 形成区崩滑堆积体稳定性计算

3.1.1 参数选取

根据土工试验结果，结合地区经验考虑如下两种工况：

(1)天然条件,崩坡积层天然密度采取土工试验成果的平均值，取17.6kN/m3；抗剪强度指标取直接快剪试验成果，粘聚力c=17.5kPa，内摩擦角Φ=15.4°；

(2)暴雨条件，崩坡积层饱和密度采取土工试验成果的平均值，取18.3kN/m3；抗剪强度指标取饱和快剪试验成果，粘聚力c=15.5kPa，内摩擦角Φ=13.2°。

3.1.2 计算分析

选取典型剖面A-A’ 及B-B’(图1 及图2)，利用GEO-SLOPE 软件进行不同工况下崩滑体稳定性计算，结果如表1。

表1 滑塌体稳定性计算结果

通过计算分析可知，A 区自然状态下尚稳定，在暴雨作用下可能形成溜塌；B 区为采石场作业平台边缘下滑塌体，目前正处于蠕动变形阶段的不稳定状态，暴雨下易发生进一步滑塌；C 区为泥石流流通区上部沟口的崩滑堆积物堆积区，目前正处于极不稳定状态，强降雨后在雨水稀释混合后易沿冲沟顺流而下，坡体总体处于不稳定状态，必须及时进行加固治理。

3.2 泥石流流速计算

根据调查访问，现场采用物源方量及水的体积比法测定泥石流流体重度，经取样测算该泥石流平均重度为γC=1.35t/m3，其值小于1.60t/m3，为稀性泥石流，考虑该处爆发泥石流需较大的降雨量和强大的水动力条件，而雨量大则流体性质将更偏于稀性，因此其平均流速采用铁二院稀性泥石流计算公式计算：

其中泥石流泥砂修正系数

φ=(γC-γW)/(γH-γC)

式中参数根据取样试验成果结合地区经验取值如下：

γH——泥石流固体物质比重，采用2.63t/m3；

γW——水容重(1t/m3)；

R——水力半径，取平均泥深1.2()；

I——泥位纵坡率，取冲沟纵坡率0.7。

经计算，泥石流的平均流速约为3.77m/s。

3.3 一次泥石流总量

一次泥石流总量Q 计算方法是根据泥石流历时T(s)和最大流量Qc(m3/s)及其流体在运动过程中暴涨暴落的特点，据调查访问及文献记录，2008 年该处发生泥石流一次泥石流为近年发生的最大一次泥石流，流量约36m3/s，历时约1h，按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220－2006)附录I 提供公式进行计算：

Q=0.264TQc

式中Q——一次泥石流过程总量(m3)；

T——泥石流历时(s)；

Qc——泥石流最大流量(m3/s)；

一次泥石流冲出的固体物质总量QH(m3)按下式计算：

QH=Q(γC-γW)/(γH-γW)

经计算，该泥石流一次泥石流总量为34214m3，泥石流一次冲出固体物质总量QH为7347m3。

4 泥石流的形成原因分析

4.1 地形因素

便于集水、集物的地形是泥石流发育的必要条件。泥石流区整体山高沟深，地势陡峻：上游形成区为三面环山、一面出口的漏斗状，该地形便于水和碎屑物质的汇集；中部流通区山间沟谷，相对差大，纵坡降较陡，河沟较狭小，且该沟段区域性抬升剧烈，沟道下切较为强烈，该地形便于水及物料的迅猛倾泻，且利于水流对沟道表层岩土体的侵蚀；下游堆积区隧道进口为南北两侧高中间地的山谷，且隧道修建后中部地形较平坦开阔，易于碎屑物质的堆积。

4.2 人为因素

人为破坏原有山坡稳定是泥石流发生的诱因。近年来工程建设、经济活动逐年加剧，在人类各生产活动带来经济效益的同时，自然生态环境却遭到严重破坏，崩塌、滑坡等地质灾害时有发生，并且呈现日趋严重的态势。桦林隧道进口坡体上方的采石场就是当地村民无计划任意开采石料，破坏了原有山体岩土体平衡，弃渣又随意堆积在山坡上，造成坡体上部加载后在强降雨等外力作用下出现发生滑塌，从而形成人工堆积-滑塌-泥石流的链式地质灾害。

4.3 岩土体因素

丰富的物料来源是泥石流形成的根本原因。泥石流形成区坡体表层人工堆积弃渣、崩坡积层及流通区上部沟口的崩滑堆积物堆积区，以粘性土为主，含大量碎石，这些均具有孔隙比大(e＞0.91)、结构松散杂乱的特性，下部的花岗岩、凝灰熔岩风化层多为粘性土或裂隙不发育的岩石，透水性较差，在一定程度上属于隔水层，这势必造成坡体上部松散的岩土体易处于饱水状态，极不稳定，属于不稳定岩土体。上述不稳定岩土体总计约56000m3，均可作为泥石流形成区的物质来源，在强降雨条件下，大量雨水稀释混合后易沿冲沟顺流而下。

4.4 水文气象因素

短时间大量水的来源是泥石流触发直接原因。泥石流形成区山体坡度较陡，高差达340m，总汇水面积约0.2km2；流通区山间冲沟，位于地表水径流集中区，强降雨天气下汇集的水流对上部松散物质的侵蚀、掏挖作用引起坡体滑塌，滑塌物质又在水流作用下沿冲沟顺流而下。由前言中所述泥石流形成的历史可知，一般每隔5～10 年暴雨条件下上部不稳定岩土体发生滑塌，暴发雨强一般大于4mm/10mim。

5 总结与启示

5.1 泥石流类型划分

综合以上调查访问及计算分析结果，仅凭《泥石流灾害防治工程勘查规范》(DT/T0220-2006) 无法完全描述桦林隧道进口泥石流特性，笔者在对比分析《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)、《工程地质手册》(第五版)及相关规范的基础上，结合工程经验，总结认为该泥石流属暴雨条件下的坡面侵蚀+崩滑复合式小型低频率稀性泥石流，一般每隔5～10 年暴雨条件下发生，暴发雨强一般大于4mm/10mim。

5.2 隧道口选址

隧道口选址应尽量避开上部有人工开挖等不稳定斜坡体且斜坡体下具备陡峻冲沟的地形，即避开潜在泥石流洪积扇的扩散范围，以免泥石流发生时淤堵导流槽引发隧道口变形失稳，甚至堆积物直接拥堵隧道。

5.3 治理关键

根据以上分析，桦林隧道进口泥石流的发生与上部形成区废弃采石场的崩滑堆积体是密不可分的，所以治理该泥石流的关键是崩滑塌堆积体的处理及潜在滑坡体的防治。

5.4 政府应加强管控

人为因素是该泥石流触发的诱因，故建议政府相关部门加强工程建设及采矿活动管控，禁止随意开挖人工高陡边坡、堆弃废石矿渣等。

6 泥石流防治方案及处理建议

6.1 泥石流形成区防治

根据以上对泥石流区的分析，治理该泥石流关键是形成区崩滑堆积体的处治，建议采取“削坡减载+锚索框架+排水工程”的综合治理方案。

6.1.1 削坡减载

对形成区边坡采用分级放坡开挖，起到刷方减载的作用，开挖施工应制定严格的施工组织设计及技术要求，自上而下采用逆作法，最后清除崩滑堆积体。

6.1.2 锚索框架

由于坡体存在不利结构面，且不稳定坡体的厚度局部较大，因此建议在滑坡体中部采用锚索框架方法进行加固，锚杆锚固段应穿过潜在滑动面进入稳定地层，并在坡面采取框架格子梁。

6.1.3 排水工程

水是滑坡形成的关键因素，必须减少雨季地表水渗入滑坡体，应设置完善的边坡地表和地下排水系统：在斜坡后缘的稳定地层上设置环形截水沟；在坡体设置仰斜式排水孔排引坡内地下水，同时，对坡面采取适当的防护措施，防止雨水的冲刷或大量渗入坡体。治理边坡时，应首先进行坡顶排水系统施工，雨季时应做好水的排导和防护工作。