云南大永高速八代村冲积扇沟谷泥石流危险度评价

2019-11-04段现花唐红波乔文号尹小涛

水利与建筑工程学报 2019年5期

张斌，段现花，唐红波，乔文号，尹小涛

(1. 云南大永高速公路有限公司，云南大理 671000；2.云南省交通投资建设集团有限公司，云南昆明 650200; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室，湖北武汉 430071；4.中国科学院大学，北京 100000)

中国是多山之国，山地面积占国土面积的69% ，泥石流沟谷异常发育[1-2]。尤其是在我国西部地区，由于现代地壳活动强烈，活动断裂十分发育，活动断裂的强度和数量远远大于全国其他地区，公路工程的建设一方面面临着严重的活动断裂灾害的威胁；另一方面，由于这一区域的季节性强降雨的气候特征和强风化地质特点，导致滑坡、泥石流等地质灾害的发生频率和危害程度明显高于其他地区[3-4]。

当前对于泥石流危险性评价多数是在地面调查的基础上，形成定性评价；利用调查物性资料和历史降雨资料，形成不同的量化评价[5-13]；在评价基础上，形成不同针对性有限防控措施[14-15]。适用于本区域的主要为刘希林方法[12]和规范方法[13]。

为保障高速公路建设施工的安全和建成后公路的正常运行，以大永高速永胜县程海镇段线路的途径区域为重点，展开了可能影响高速公路路基和桥梁结构安全的冲积扇地质调查。此次主要调查内容包括区域地形地貌、区域地质、物质组成及特点、气候特点、水文条件、冲积扇形态等，并针对冲积扇地形条件下三处规模较大的冲沟采用两种方式进行危险度计算与评价对比。

1 工程概况

大理至永胜高速公路，是G4216 (张掖至打洛)高速公路其中的一段。根据大永高速建设规划，高速途经永胜县程海镇区域。这一地区主要以冲积扇地形地貌特征为主，且高速临近程海断裂带。由于这一区域冲积扇规模巨大，其发育程度、地层岩性及分布规律等尚未得知。初步调查显示这一区域有三处较大冲沟群，分别位于杨家凹、栗山和八代村附近，其区域地形地貌如图1所示。

图1大永高速程海镇沿线区域地形地貌

2 永胜县程海镇区域地质调查

2.1 永胜县地质特点

2.1.1 地形地貌

永胜县地处云贵高原和青藏高原的衔接部和滇西高原与横断山脉两个地形单元的结合部，亦位于程海大断裂带北端。境内新构造运动强烈，以间隙性升降运动为主，继承和复活老的断裂构造而形成现代的地貌景观。由于新构造运动影响，境内地震频繁，历史记载最大震级7.5级。

2.1.2 气候条件

永胜县地处低纬高海拔地区，气候以北亚热带山地季风气候为主，是典型的立体气候。总的气候特点时是：冬春干旱，夏秋多雨，南部热旱，北部暖湿，年际温度变化小，降水时空变化大。光质好，日照时数为2 403.6 h，光照充足，年均降雨量936.4 mm，但分布不均，82%的降水集中在6月—9月，干湿季分明，属半潮润气候。

2.1.3 地质水文

永胜县降水年际变化突出，当年11月至次年5月境内上空受干燥劲西风控制，不易形成降水过程而成为旱季，5月下旬至10月受暖湿气流影响，因山阻和冷却作用而形成雨季。永胜境内降水总特点是：海拔每增加100 m，降雨量增加30 mm～40 mm，迎风坡每升高100 m，降雨量增加50 mm～70 mm。

2.1.4 植被土壤

永胜海拔高程变化幅度大，因此，气候、生物、土壤等高线呈带谱状分布比较明显，其规律是：海拔3 200 m以上分布为亚高山草甸土，2 900 m～3 200 m之间为棕壤和黄棕壤为主，2 400 m～2 700 m之间以红棕类棕红壤为主，1 500 m～2 400 m之间分布红壤、黄红壤、褐红壤、紫色土等；1 500 m以下温度高、降雨少、湿度低，以燥红土的褐红土为主。自然植被主要呈现垂直差异，分为落叶阔叶林、针阔叶混交林、灌丛和草地类植物。

2.2 永胜县程海镇区域冲积扇地质调查

总体而言，大永高速程海镇沿线基本以冲积扇地形地貌特征为主，局部冲沟较发育，易形成以泥石流为主的地表强冲侵蚀破坏，进而对这一区域的公路工程造成潜在威胁。为明确其可能造成的影响程度和范围，针对此区域的典型地貌特征展开调查，具体情况如下。

2.2.1 大永二期K101+400杨家凹一号大冲沟

杨家凹冲积扇的整体情况见图2。一号大冲沟占杨家凹冲积扇区汇水面积90%以上，汇水面积大于8.3 km2，并有多个山前冲沟汇集。该冲沟最大深度超30 m。山前出口部分冲沟冲侵蚀岩层明显，切割深度几米到几十米。冲沟内最大块石直径超5 m，并且整个冲沟以大的块石为主，其粒径从0.2 m～3.0 m为主。从山前到路基段块石直径逐渐减小，路基处仍以0.2 m～2.0 m的块石为主(见图3)。

图2杨家凹冲积扇整体示意图

图3盖板涵不远处较大块石

2.2.2 大永二期K99+712栗山村冲沟

在1994年之前，由于栗山村大冲沟(老)在强降雨期间，水量较大，并且携带大量泥石冲到沟口，冲毁农田，对房屋也有一定影响(见图4)。冲沟内有较多的大块石；冲沟两侧出现多处小滑坡或坍塌现象，构成了冲沟新的物源。在村口之上，于1994年也设置多道拦石坝和挡水墙，多处挡水墙已经出现垮塌，而拦石坝现已填平，减小了块石的移动和冲侵蚀作用(见图5)。为了减少泥石流对房屋的影响，当年在果园后也设置了拦石拦水坝，改变了水流流向。经过20多年的冲侵蚀作用，从村口到路基部分，新冲沟深度超过3 m，并仍处于变化发展当中(见图6)。该冲沟上部汇水面积约2.5 km2左右，汇水面山坡上树木较为稀疏，以小灌木和草木为主，防冲侵能力较弱。

图4栗山冲沟示意图

图5已倒塌的防水墙

图6拟建路基处的冲侵蚀作用

2.2.3 永胜县程海镇八代村段冲积扇调查

(1) 冲积扇形态。大永高速途经永胜县八代村区域的整体地形地貌见图7。

图7八代村冲积扇全景

整体来看图7中沿大永高速方向冲积扇均分布于靠山体一侧，由于后方山体汇水面积较大，汇水出口较多，导致高速沿线冲积扇分布范围较广，图中八代村段是冲积扇规模较大的一处，汇水面积约2.5 km2，坡体基本稳定但尚在发育过程中。调查结果显示，就全貌来看，这一区域的冲积扇的坡度约在9.6°～16.7°之间，一般后缘坡度较陡，前缘临近程海断裂带坡度较缓，冲积扇坡表受雨水侵蚀形成的冲沟较多，局部冲沟受侵蚀严重形成较大断面，一定条件下可能影响到高速路基及桥墩结构运行安全。就地质条件而言，影响这一区域的主要地质构造是谷底沿期纳至程海方向的程海断裂带。

(2) 冲积扇物质组成。如图8所示，一号二号冲沟之间：坡顶，海拔1 800 m，坡表可见大块石，直径大者2 m；海拔1 700 m，坡表可见较大块石，直径多在50 cm左右。冲积扇顶的这一区域植被较少，大块石和碎石较多，也是冲沟泥石流形成的主要物源区。从物质组成来看，冲积扇组成物质从扇顶向边缘变细，主要由砂砾层和亚砂土层互层组成，向扇顶方向砾石层变多，向扇缘方向亚砂亚黏土增多。

总体而言，由于此冲积扇后部山体汇水面积较大，山坡局部受雨水冲刷侵蚀严重，加之坡表植被较少，易形成以大块石夹杂碎石土的物源区，若雨水较大时将形成泥石流顺冲沟而下，将对高速公路路基或桥墩造成潜在威胁。

图8冲积扇坡面块石

2.2.4 大永高速公路永胜县区域地质调查小结

本次地质调查，针对沿线约6 km范围内的冲积扇地形特征进行了实地考察，其中杨家凹冲沟、栗山冲沟较为发育，八代村冲积扇规模巨大。此次调查成果总结如下:

(1) 从已形成的冲沟上部及冲积扇顶地形地貌来看，这三处冲积扇物源区地表块石较多，碎屑物充足，临近冲沟附近局部陡坡约30°～70°，坡面局部有浅层滑坡。

(2) 从地表冲沟规模来看，杨家凹冲沟和栗山冲沟断面较大，斜坡坡度约15°～30°，已成为泥石流通道；八代村冲积扇地表冲沟侵蚀严重，易形成新的泥石流通道。

(3) 从永胜县区域气候条件而言，6月—9月为雨季，由于降雨集中且雨量较大，将导致冲积扇坡面冲沟进一步发育，冲沟断面扩大的同时，泥石流的威胁更甚。从雨水统计量来说，冲沟上水量超过152 mm，这说明强降雨大部分变成地表径流。从已建成的冲沟构筑物来看，原有拦石坝已冲毁，新建拦石坝较快被填满，且有局部冲毁，并越顶或冲毁冲沟两侧拦泥坝。这进一步证实了冲沟受雨水作用造成的地表侵蚀严重，冲沟泥石流作用强烈。

(4) 从冲沟内的物质组成来看，通道上大块石多，且有运移，最大5 m直径，普遍0.5 m～2.0 m，这说明冲沟上部物源丰富，且能量巨大。由于冲积扇顶物源充足，雨季降雨集中，地表局部形成滑坡及陡坡，总的来看这一区域冲积扇及地表冲沟仍处于发育过程中。

3 冲积扇地形条件下冲沟危险性评价

危险性评价是对泥石流的发展趋势进行的预测评价，危险度则是它的定量表达。泥石流风险评价包括对泥石流危险性的评价和对承灾体易损性的评价，它是这前两者的综合评价结果。对于泥石流风险评价的方法，大致分为两大类，一类为对单沟泥石流进行风险评价，另一类为对一个区域的泥石流进行风险评价[ 1-2]。

单沟泥石流危险性评价有多种方法，目前还没有统一的泥石流危险度评价标准。刘希林首次提出了多因子综合判别的模型(即刘希林模型)，被广泛运用于西南地区泥石流危险性评价工作中。

程海镇区域以冲积扇地形地貌特征为主，加之区域气候地质条件的诱导因素，使得目前这三处冲沟较为发育，且近二十年内已发生多次规模不等的泥石流。其中，杨家凹和栗山冲沟坡陡，断面较大，集中降雨条件下易形成泥石流灾害；八代村冲积扇规模巨大，坡体表面受雨水冲刷已形成四条较大冲沟。为合理评估这一区域三处冲沟的潜在泥石流风险，以调查结果和相关数据为基础，采用两种评价方法进行危险度对比评估。一是刘希林等提出的评价模型[12]，二是采用基于模糊理论的泥石泥危险程度评价方法[10-11]。

3.1 刘希林评价模型

该计算方法采用多因子综合判定模式计算，修订后的单沟泥石流危险度计算公式为：

H=0.2587M+0.2587F+0.1428S1+0.0857S2+

0.0571S3+0.1143S6+0.0286S9

(1)

式中:泥石流发生规模M、发生频率F、流域面积S1、主沟长度S2、流域相对高差S3、流域切割密度S6和活动沟床比例S9七个因子，均根据其不同的绝对数值转换成相应的替代数值。上式中危险度H和各危险因子的替代数值均介于0～1，其转换函数见表1。

取值见表2，然后根据换算值H，依据泥石流的危险度划分的五个等级，得到上述泥石流冲沟的危险度评价结果见表3。

表1 刘希林评价模型的转换函数及取值

从表3可知，此次程海区域冲积扇调查结果表明杨家凹冲沟、八代村冲沟泥石流危险度为中度危险，栗山冲沟接近中度危险。

3.2 泥石泥危险程度D评价

本节泥石流危险程度的评价，多数依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》[13](DZT—0220—2006)的有关规定，限于篇幅规范表格不再一一罗列。根据规范[13]，关于泥石流规模划分表、发生频率判据和动力学特征，此三处泥石流规模基本属于中大型泥石流；泥石流发生频率均为中等频率泥石流(中频泥石流：1次/(5年～20年))。

根据规范[13]，关于泥石流堵塞程度划分标准表，此次调查三处冲沟，沟槽较顺直，沟段宽窄较均匀，局部有陡坎，但卡口不多。主支沟交角多小于60°，形成区较为分散。河床堵塞情况一般，因此均属于表6中的中等堵塞程度，堵塞系数Dc取值1.5～2.5。

根据规范[13]，依据泥石流强度划分表，结合沟谷现场调查估算情况来看，这三处冲沟堆积扇规模较大，山坡下方河道微弯，坡面和扇顶后方山区均有松散物，松散物储量约(5～10)×104m3/km-2，雨季降雨集中，总体来看，活动强度属于表中第二类，即强。

表2 单沟泥石流危险度评价因子实际值及其转换值

表3 泥石流冲沟的危险度评价结果

根据上述调查的活动强度、活动规模、发生频率和堵塞程度，依据致灾体的综合致灾能力F分级量化表，将这三处冲沟的综合致灾能力F进行量化分级，分级结果见表4。然后，根据上述致灾体的综合致灾能力F分级量化评分，形成致灾体的综合致灾能力F评估结果，见表5。

表4 致灾体的综合致灾能力F分级量化评分

表5 致灾体的综合致灾能力F评估结果

另一方面，根据大永高速修建的公路等级及技术水准要求，根据规范受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力E四因素分级量化标准，大永高速八代村段受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力E评分结果统计列于表6，大永高速八代村段受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力E总分值判别结果统计列于表7。

表6 受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力E评分结果

表7 受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力E总分值判别

依据规范[13]建议的泥石流危险性D计算公式：

D=F/E

式中：D为泥石流危险程度或灾害的发生几率；F为泥石流的致灾能力；E为受灾体抵抗泥石流能力。该区泥石流危险程度或灾害发生的几率计算结果统计列于表8。

表8 泥石流危险程度或灾害的发生几率判断结果

3.3 泥石流影响区估算

泥石流危害范围的预测，对减轻泥石流灾害的直接损失、制定避难具有重要的意义。泥石流暴发后，其携带的大量固体物质将在冲洪积扇前缘淤积下来，这种淤积短时间内可能不会产生较大影响，但长时间的淤积，不但会影响到居民财产生命安全，也将对在高速公路工程造成危害。大永高速通过此区域时基本位于冲洪积扇腰部或前缘，因此有必要大致计算出泥石流的危害范围，从而判断其对高速公路影响程度。简化计算方法主要是根据不同的暴雨设计频率下一次泥石流冲出固体物质总量，以各沟堆积扇最新一期堆积物厚度为预测堆积扇厚度(取近似平均值50 cm)，假设堆积扇呈椭圆形(长轴方向沿着主沟流向，短轴方向垂直主沟流向)，长轴长度为短轴长度2 倍，大致推算泥石流堆积长度和宽度如表9所示。