大桥沟岸坡防护治理设计方案研究

赵 艳，牟高翔，袁 琼

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

大桥沟位于四川省西昌市西部的巴汝乡与白马乡境内，为官地水电站的下游，属雅砻江左岸一级支流。流域总体近南北向展布，南宽北窄， 略呈矩形，南北长21 km，东西宽14.5 km，流域面积约170 km2。流域四面均为由近3 000 m及3 000 m以上中高山所形成的分水岭，源区最高海拔约3 720 m，沟口高程约1 200 m，高差约2 500 m。主沟两侧支沟众多，呈明显的“丫”状结构。

2005年5月26日，电站坝址发生了特大暴雨，小时降雨量达到29 mm，大桥沟发生了一定规模的泥石流。2016年7月，大桥沟再度发生泥石流，影响了布置于沟口的电站渣场和机电仓库人员及设备安全。根据前期完成的《大桥沟泥石流发育特征及其对工程影响专题研究报告》中关于“大桥沟泥石流属高山区沟谷型泥石流，由于近年来受沟域内人类活动的影响，自1998年以来转为高频率稀性泥石流，属中等(偏极易)易发；大桥沟不稳定物源为655.36 万m3，从其演变历史及目前沟内现有松散物源分布上看，大桥沟暴发中等及以上规模泥石流的可能性很大，并对拟建堆碴场产生淘刷和淤积等不利影响，建议采用沟槽排导的方式进行处理”的相关分析，因此，对大桥沟岸坡进行有效防护，对泥石流采取合理的工程处理措施势在必行。

1 泥石流对大桥沟口段两岸岸坡的影响分析

大桥沟为泥石流沟，河道淤积大量砂石。2016年6月27 日遭遇特大暴雨，河道流量陡增，水流裹挟大量泥沙、卵石，冲毁大桥沟老桥，大桥沟大桥桥墩以下两岸岸坡受淘刷而垮塌，威胁 2-1号渣场及机电仓库的运行安全。经现场查勘和分析，在强降雨影响下，大桥沟再次爆发泥石流的可能性极大，岸坡会进一步淘刷、垮塌，将危及2-1号渣场和机电仓库的安全。为了确保渣场、机电仓库的度汛安全，需立即对冲刷严重的部位采取工程措施进行临时防护；为了确保渣场、机电仓库和大桥的永久安全，需采取工程措施对岸坡进行永久防护。大桥沟泥石流对沟口段两岸影响示意见图1。

图1 大桥沟泥石流对沟口段两岸影响(2016年7月)

2 工程概况

2.1 地层岩性及地质构造

大桥沟流域大地构造位于扬子地台西南缘，处在扬子地台第Ⅲ级构造单元——盐源丽江断块和攀西滇中断块的拼接带上。自中生代以来，本区历经印支、燕山及喜山期强烈造山作用，属强烈变形的褶皱带。本区断裂构造发育，流域之东有南北向安宁河断裂，流域内则主要有NNW向展布，包括金河断裂、矿山梁子断裂等组成的金河～箐河断裂带。此外，还有一些伴生的NE向小型扭性断裂。金河断裂为一区域性深大断裂，在大桥沟下游、小河沟口之下及新街子处与SW向断裂均具多期活动的性质。金河断裂之东侧属攀西滇中断块，流域内地层主要为白果湾群，为近SN向复式向斜西翼的一部分，其中，次级褶皱发育，次级褶皱与主要构造线方向一致，呈NNW向展布。金河断裂以西有近SN向的松林杠断裂、矿山梁子断裂，并分布有以松树坪群和松林杠群组成的外来地体或飞来峰构造。

2.2 植 被

大桥沟流域内植被总体茂盛，且以针叶阔叶混交林及高山灌木丛为特点，覆盖率达90%。在巴汝沟以下河段两侧因公路修建大量开挖山坡，导致大部分路段形成的路堑边坡基岩裸露，植被覆盖率明显被破坏。

2.3 物理地质现象

总体而言，大桥沟流域物理地质现象类型多，除正常风化卸荷外，崩塌、滑坡及泥石流均有分布，不过以崩塌为主，其中大桥沟沟口～小河沟沟口交界处河段最为普遍。段内崩塌落石发育，加之修筑公路后，进一步导致开挖路堑边坡崩塌范围扩大，目前，在大桥沟右岸山坡崩塌落石较普遍。另外，整个流域内局部地段有滑坡发育，且只发育在三叠系白果湾群(T3bg)砂页岩地层中，且总体规模不大，主要分布在小河沟～巴汝沟所在河段，如刘家湾滑坡。从发育历史上看，白马沟、巴汝沟和老白马沟等均属老泥石流冲沟，而小河沟、马颈子沟等则是新近发生的泥石流沟。从现状调查看，整个大桥沟在巴汝沟以下河段各冲沟泥石流仍发育。

大桥沟流域松散物源总量预计4 934.65 万m3，其中稳定物源为2 733.10 万m3，占总数的55.4%；潜在不稳定物源为1 546.19 万m3，占总数的31.3%；不稳定物源为655.36 万m3，仅占总数的13.3%。从分布区域上看，约45%的不稳定和潜在不稳定物源分布在沟口～巴汝沟一带流通区内，存在暴发泥石流的可能。从现状看，在一般降雨条件下，该区域就会形成小规模泥石流，而一旦连降暴雨，就有可能形成中等及以上规模的泥石流。

2.4 水文、气象

大桥沟流域地处青藏高原东侧边缘地带，属中高山亚热带季风气候，其主要受高空西风环流和西南季风影响，气候变化较分明。根据西昌气象站资料，全年平均气温27℃，极端最高气温36.6℃，极端最低气温-3.8℃；全年平均降水量1 000.4 mm(金河雨量观测站资料为778.8 mm)，降雨主要集中在5～10月，占全年降雨量的 90%～95%，且多暴雨，一日最大降雨量135.7 mm(金河雨站资料为78.2 mm)。11月至次年4月为季风，降水量较小，但大风不断、干燥低温，受地形影响，区内气候具较明显的垂直分带性。

野外调查用浮漂法实测结果显示，大桥沟口7月在非暴雨条件下流量约为8 m3/s，而且以巴汝沟为界，以上河段水流清澈透明，而以下河段则水流浑浊。调查区基岩内的地下水总体不发育，沟内水流主要靠大气降水补给。大气降水部分顺坡面流入沟中，大部分渗入崩坡积物中形成孔隙水，而斜坡坡面崩坡积中的孔隙水是保证冲沟常年流水的主要源泉。

2.5 人类不合理工程活动

整个大桥沟流域内人类活动较频繁，主要表现为四种方式：斜坡开荒造地、砍伐森林、修筑水电站明导流渠、修筑山区公路。流域内居民以彝族为主，在砍伐森林后的部分缓坡地段开荒造地导致的水土流失较为严重，如杨家坪子、刘家湾等处。而修筑公路和小水电站明导流渠所形成的边坡开挖破坏植被严重，主要见于巴汝乡及其以下的左右两岸(修筑北线公路造成)，尤其是后两种活动，是导致该沟泥石流重新活跃发育的根本原因。

2.6 泥石流调查成果

对泥石流运动特征和动力特征的定性分析，是认识泥石流和进行泥石流防治工程设计的基本数据。大桥沟在设计概率下的泥石流最大洪水流量计算结果见表1，大桥沟一次泥石流总量预测见表2，一次冲出固体物质的总量预测见表3。

1998年，大桥沟发生近80年较大一次的泥石流；2005年5月26日，大桥沟又发生中等规模泥石流；另外，支流小河沟在2000年也开始发生较大规模泥石流。上述现象显示，由于人类工程活动加剧，泥石流暴发频率有明显提高，且又进入新的活跃期。根据野外调查，由于大桥沟主沟沟床中(巴汝河段以下)堆积大量松散堆积物，这些松散堆积物为泥石流的主要物源，在近一段时期内，当降雨强度大于5年一遇(P=20%)时，都会有中等及其以上规模泥石流发生。但随着坡面植被的恢复，大桥沟泥石流经过一段时期(预计约30～50年)的发育后，其发生的频率将会逐渐降低，回归自然地质地貌演变规律——泥石流衰退～停歇期(泥石流发生频率小于1%)。

表1 不同计算方法所得泥石流峰值流量 m3/s

表2 大桥沟一次泥石流总量预测 万m3

表3 大桥沟一次冲出固体物质的总量预测 万m3

泥石流冲击力计算均考虑最危险情况，即有关参数选取为冲击力最大的数值，并只考虑正面撞击。计算表明，大桥沟沟口泥石流整体冲击力普遍在0.6 tf/m2以下，而单块最大冲击力都在18 tf以下(见表4)。

表4 大桥沟设计概率下的泥石流冲击力预测

3 岸坡防护设计

鉴于大桥沟是具有一定规模的、活动的泥石流沟，并结合工程经验，对有一定规模的泥石流沟应以避让为主，为其流动留出通道。根据现场情况，分别制定应急处理方案和永久防护方案，应急方案主要是为保证工程安全度过2016年汛期，应立即施工；永久方案可在2016年汛期后实施。其中，应急方案主要为防止汛期两岸岸坡再受泥石流和水流淘刷，在大桥沟左岸道路被冲毁段顺坡位置及右岸桥墩段河床部位布置钢筋石笼。

永久方案主要以保护两岸岸坡及公路、大桥桥墩为主。由于大桥沟大桥的两个主桥墩分别布置在大桥沟主沟两侧，跨度超过90 m，大大超过100年一遇泥石流行洪断面。同时，主桥墩采用群桩基础，上部设置承台，可有效抗击泥石流冲刷。因此，永久方案的布置原则为：从大桥上游陡崖以下沟道采用排导槽，尽量利用现在的天然沟床，进行疏浚和改造，以利于排导泥石流，避免泥石流对岸坡的冲击，以及因为泥石流堆积阻塞河道对桥墩承台的不利影响。

3.1 沟口地基物理力学参数

沟口两岸地基物质成分为：浅表为碎砾石土、碎石土；深部为砂卵砾石(pl+alQ4)，冲洪积堆积，以灰色、灰黑色为主，稍密～中密，颗粒级配较好。粗粒物质以卵石为主，偶有块碎石，岩性以玄武岩、灰岩等为主，弱风化，含量55%～70%，粒径6～10 cm左右，充填物以中粗砂为主，局部夹有块石。砂卵砾石(pl+alQ4)地基物理力学建议参数见表5。

表5 砂卵砾石(pl+alQ4)地基物理力学建议值

3.2 泥石流设计流量成果(见表6)3.3 设计标准

大桥河沟下游右岸是官地电站主要堆渣场地，渣量达649 万m3，在运行期它是进厂交通必经路段。上坝公路连接桥(大桥沟大桥)经过沟口，沟下游左岸布置有机电仓库，故大桥河沟沟水处理按永久建筑物设计。在水利水电工程中，由于缺乏泥石流处理的工程经验，国内又没有关于泥石流处理标准方面的规程规范，因此，本工程的泥石流设计标准参照洪水设计标准。

表6 泥石流设计流量成果

由于大桥河沟泥石流处理工程仅为保证官地电站工程施工期大桥河沟碴场堆碴和施工企业安全的永久性泥石流排导工程，无其他综合利用要求，且目前无专门的水利水电碴场沟水处理和泥石流处理的规程规范可依据，故参照《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL 5180-2003)规范规定，本工程为Ⅴ等小(2)型工程，永久主要建筑物和次要建筑物级别均为5级。根据铁路上的设计经验，泥石流处理工程一般按50年一遇设计，100年一遇校核。

我公司承接的几个巨型(大型)电站，如溪洛渡电站的豆沙溪沟、瀑布沟电站的卡尔沟、桐子林电站的头道河沟，永久性的沟水处理均按20～30年一遇设计，50年一遇校核。

根据《防洪标准》(GB50201-2014)规定，本工程设计洪水标准重现期为20～30年，校核洪水标准重现期为200～300年。考虑到本工程失事后不会造成特别巨大的损失，同时参考灌溉、治涝、供水工程的洪水标准，可适当降低其校核洪水标准。基于该工程的重要性及使用年限，结合铁路上的设计经验，大桥段排导过流断面按30年一遇泥石流峰值设计，50年一遇泥石流峰值校核。30年和50年一遇泥石流流量分别为472 m3/s、544 m3/s。

3.4 设计方案

3.4.1 应急防护方案

考虑现场实际情况，对大桥河沟右岸岸坡段、左岸岸坡淘刷严重段采用钢筋石笼进行防护。钢筋石笼尺寸为2.0 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高)，骨架钢筋采用三级钢筋Φ25，网格钢筋采用三级钢Φ16。钢筋采用焊接接头，其节点间应焊接牢固，严格控制焊接质量，并采取镀锌防锈措施防止锈蚀。现场砌筑时，钢筋石笼埋深不小于0.5 m，且外侧采用大块石护脚，且大块石直径不小于60 cm，护脚宽度2 m，布置两层，钢筋石笼内侧用砂卵石填筑密实。钢筋石笼现场铺设好以后，各石笼间应用钢筋焊接成整体，填筑块石直径D大于20 cm，严禁采用易软化岩块，防护范围可根据现场实际情况调整。现场实际边坡规整平顺后贴坡摆放钢筋石笼，摆放钢筋石笼后应保证过流顺畅，避免造成对过流面的阻挡。经估算，钢筋石笼约294个，大桥河沟大桥段岸坡应急防护直接费用预计66万元。

3.4.2 永久防护方案

泥石流处理工程一般采取排导的方式，故设计采用排导方案。尽量利用现有的天然沟床进行疏浚和改造，以利于排导泥石流。为避免泥石流排导过程中对两岸坡的淘刷，应采取边墙护坡，确保渣场坡脚的稳定。

(1)方案一：钢筋石笼全部拆除。为更好地排导泥石流，应尽量降低流速，保证一定的过流断面，需要将应急方案所布置的钢筋石笼全部拆除后施工永久方案。

排导槽断面为梯形，沟道两侧用混凝土挡墙护坡，沟床以目前自然沟床为基础，沟床纵坡不小于3.5%，以便为堆碴场留出泥石流通道。根据大桥沟地形地质条件，大桥沟左岸自大桥1号桥墩上游70 m处的陡崖至雅砻江沟口、大桥沟右岸自大桥上游30 m处至沟口渣场护坡处设置混凝土挡墙。结合现场地形情况并考虑水流流态的顺畅，右岸设置挡墙外边线为圆弧段接相切直线段，再接相切反弧段，左岸设圆弧段、相切直线段及圆弧段。为使泥石流直接冲入雅砻江，排导槽出口部位两岸采用圆弧线反翘扩大出口断面。

基于该工程的重要性及使用年限，排导槽过流断面建议按30年一遇泥石流峰值设计，50年一遇泥石流峰值校核。设计泥石流流速为2.8～3.0 m/s。在断面设计上采用梯形断面，断面为底宽约30～40 m，沟内侧坡比1：0.5的梯形断面。沟床目前为自然沟床，侧坡挡墙顶宽0.5 m、底宽6.0 m、总高度7.5 m嵌入天然沟槽1.5 m，尽量使原沟槽的横断面形状保持不变。

边坡挡墙采用C20混凝土，高度按50年一遇泥石流流量对应的高度确定，边墙顶宽50 cm、底宽6.0 m、高7.5 m，嵌入天然沟槽1.5 m。挡墙每10 m设置一个伸缩缝，伸缩缝缝宽2 cm，缝内填充沥青木板。挡墙下部的基础宽度伸出结构外1.5 m。为避免下部淘刷造成边墙失稳，边墙外侧靠沟槽段全部采用大块石护脚，块石粒径不小于60 cm，而且长边方向与沟平行，护脚宽度2 m，布置两层。

(2)方案二：钢筋石笼部分拆除。若按永临结合原则，利用应急处理施工已形成的设施，若两岸钢筋石笼不拆除，将有如下问题。

①若右岸钢筋石笼不拆除，行洪断面宽度在120 m长度范围内仅25 m左右，不能满足30年一遇的设计标准。

②若左岸不拆钢筋石笼段，为满足过流标准要求，需加大断面和高度，对钢筋石笼进行灌浆处理再做外包混凝土形成挡墙结构；上下游端采用混凝土挡墙结构，与未拆段钢筋石笼挡墙结构衔接，但施工工序较繁，需增加灌浆队伍及设备。相比之下，直接拆除修建混凝土挡墙更省。

综上所述，为减少工程量，方案二采用右岸钢筋石笼，在不影响永久方案施工的前提下可局部拆除或不拆除钢筋石笼。根据施工期间现场实际情况进行调整，左岸钢筋石笼较短且影响永久方案施工，需被全部拆除。挡墙布置及结构设计同方案一。

(3)方案比选。方案一优点为：可以保证一定的过流断面，流速较低，能够更好地排导泥石流；但其缺点是需要将应急方案所布置的钢筋石笼全部拆除，工程量稍大。方案二优点为：根据施工期间现场实际情况，在不影响永久方案施工的前提下，可局部拆除或不拆除右岸钢筋石笼，不拆除的钢筋石笼作为挡墙外侧的护脚，工程量较方案一小；但缺点是过流断面比方案一略小，对泥石流排导有一定的影响，泥石流通过后可能对未拆钢筋石笼顶部有损毁。

为充分利用应急处理施工已形成的设施，减少工程量，综合比较后推荐方案二。

4 结 语

大桥沟岸坡应急处理方案和永久防护方案分别于2016年和2017年实施并完成。从最近两年的运行情况看，该工程对疏导沟内泥石流、保护岸坡和附近建筑物起到了很好的效果。运行过程中，需定期对大桥沟段岸坡进行检查，及时清理槽内的淤积物，保证泥石流排导槽区域的通畅，确保满足泥石流排导设计频率的容量，以使该工程长期、有效地发挥作用。