泸石高速水井湾泥石流特征分析及防治对策

杨绪波，李天涛，廖芳茂

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都理工大学，四川 成都 610059)

0 引言

泸定至石棉高速公路于川西地区四川盆地向青藏高原的过渡带，且路线走廊带整体沿大渡河顺河而下。场区峡谷深切，岸坡陡峻，地震烈度高，活动断裂强烈，滑坡、崩塌、泥石流等各类不良地质发育[1]。据不完全统计，大渡河流域已发现的地质灾害隐患点中，泥石流就占总数的34.24%[2]。泥石流不仅占比数量多，爆发频率也较高，有的段落甚至每年都要爆发泥石流。而相对频繁的泥石流灾害也给当地生产建设产生了一定影响，比如2005年6月30日，泸定杵泥乡爆发多处泥石流，冲毁部分公路及桥梁，并有多人伤亡，经济损失达3千余万元[3]。

因受路线起点限制，拟建泸石高速将穿越水井湾泥石流沟且无法绕避，因此有必要对该泥石流沟进行深入研究。本文通过现场调查、原位试验，运用特征参数计算法分析泥石流的特征及发展趋势，综合评价其影响程度，并进行防治对策建议，也给大渡河流域类似泥石流的调查与防治提供借鉴。

1 泥石流区域概况

1.1 地形与地貌

水井湾泥石流位于大渡河右岸。沟域内地貌类型为构造侵蚀中高山地貌，沟域面积为118 km2，主沟长约18 km，沟床宽度为25 m～200 m，流域形态似叶片状，总的地势特征为北西高南东低，沟域最高点高程为5 040 m，最低点海拔高程为1 294 m，相对高差3 746 m，平均纵坡约208.1‰，向南东侧汇入大渡河。拟建水井湾大桥将于流通区中下部通过。

1.2 地质条件

场区处于川滇经向构造带、华夏系、新华夏系、青藏滇缅印尼歹字型构造、香炉山弧形构造等五个构造体系的交接带上，场地附近主要发育水井湾断层(见图1)，该断层长约10 km，走向N20E～N20W，倾向东，倾角约75°，受其影响，场区内岩体破碎。场区位于泸定县附近，其地震动反应谱特征周期为0.40 s，地震动峰值加速度为0.30g，地震基本烈度为8度。

1.3 气象及水文

泸定地区年平均气温为15.5 ℃，最热为每年五六月份，气温可达36.4 ℃，冬季最冷为-7.5 ℃。年均降雨量为664.4 mm，八月最大降雨量时可达177.8 mm。降雨天数143.2 d/a，雷阵雨、暴雨时间26.8 d/a，降雪数5.1 d/a。一年中以北北西向风为主，风速可达15 m/s，大风天气约10.5 d/a。年月均相对湿度66%，最小相对湿度为0。蒸发量1 526.9 mm/a，仅五月可达184.4 mm。年场区均降雨量为1 080 mm。

据吴积善等著《泥石流及其综合治理》[4-5]，四川山区泥石流激发雨量一般为一次雨量48 mm～50 mm左右或10 min雨量8 mm～12.2 mm，1 min雨强0.8 mm～1.2 mm左右。由于水井湾内不良地质现象发育，松散物源量较多，其激发雨量还可能更低，其雨强完全可以满足激发泥石流的条件，暴雨是该泥石流的主要引发因素。

2 泥石流基本特征

2.1 泥石流活动历史特征

根据现场调查分析认为水井湾泥石流是一条老泥石流沟，历史上泥石流活动较为活跃，二十世纪五六十年代该沟泥石流爆发频率较高，据当地老人介绍，1958年曾爆发过一次大规模的泥石流，影响严重。2000年至今，也曾爆发过多次泥石流灾害，其中以2005年、2012年和2018年爆发的规模尤为明显，影响也较大。根据老乡回忆，初步判定1958年泥石流规模为100年一遇；2005年 泥石流规模为50年一遇；2012年泥石流规模为20年一遇。早期泥石流痕迹已消失，根据老乡回忆，推测1958年泥石流在桥位断面最大泥深约1.5 m；2005年泥深约1.0 m，初步估算该次泥石流峰值流量约200 m3/s，固体物质冲出量约3万m3。该泥石流于2014年进行了治理工程施工，沟域内共设置了3道拦挡坝和沟口处一条长约1 610 m的排导槽，至今运行良好。2018年泥石流爆发后3道拦挡坝均被部分淤积，由于桥梁断面离1号拦挡坝距离较近，未见泥痕，平均淤积深度约0.5 m。

2.2 泥石流沟道特征

沟域上游沟道发育，沟域中上游出山口以上为构造剥蚀斜坡侵蚀下切形成深切沟谷地貌，两侧山体切割较烈呈“V”型谷，沟岸地形坡度25°～75°，沟域出山口以下堆积区为“U”型谷堆积地貌。根据地形地貌、物源状况、水源条件、植被发育状况、分布特征、沟道泄流能力等将沟域划分为形成区和物源流通区两个区域[6]，分区特征见图1，图2及表1。

表1 水井湾流域特征参数统计表

2.3 泥石流物源特征

泥石流的物源按类型划分，主要有沟道堆积物源、坡面物源和人工物源等3种类型。泥石流物源量的确定是根据现场实际调查并结合遥感卫星影像，确定潜在物源的位置，量测物源量的范围，估计物源量的厚度及堆积形态，进而估算物源的方量，以此作为物源的堆积方量；可参与泥石流的物源动量的计算是根据单个物源点的形态及特征，分析其可能失稳或侵蚀的范围，在结合地形地貌形态，推测其可能参与泥石流活动的物源量，以此作为其动储量[7]。根据调查统计分析，水井湾泥石流沟域内共发育泥石流物源15处，物源总量为65.77×104m3，动储量为16.41×104m3，各类物源见图3，表2。

2.4 泥石流堆积特征

本次调查对不同沟段沟道中泥石流堆积物采取了3组 样品进行颗粒分析，其土体粒径级配见图4。由试验结果可反映出泥石流的一些特征：

1)水井湾沟域内主沟上游沟道平均纵坡较小，冲淤特征应以淤为主。而在主沟中段，由于主河沟道宽缓，且有多级拦挡坝，泥石流排导能力较差，该段大量淤积，泥石流冲淤特征表现为以淤为主，泥石流堆积物中砂、粉粒等细颗粒含量明显增加。

表2 物源统计表 m3

2)在沟域上、下游，沟道纵坡较大，水动力条件较好，泥石流冲淤特征总体上是以冲为主，个别沟道表现出淤积的特征。由于水井湾沟域内泥石流固体物质主要以粗颗粒为主，并且沟域内水动力条件较好。因此在水井湾沟口堆积区内也主要以淤积粗颗粒物质为主。

根据上述特征，判断水井湾泥石流属于暴雨类-沟谷型-中频-大型-稀性泥石流。

3 泥石流关键运动特征值计算

3.1 容重

泥石流容重根据现场重度试验及查表法整合取值确定。

于水井湾泥石流中、下游沟内共布置5个现场配浆试验，根据试验成果泥石流重度为1.538 t/m3～1.585 t/m3，平均值1.561 t/m3。根据规范[7]中泥石流易发程度数量化评分原则，水井湾泥石流易发程度评分为89分，对应泥石流流体容重为1.614 t/m3。综合现场调查试验法和查表法两种方法，泥石流流体平均重度取值为1.561 t/m3，属于稀性泥石流。

3.2 流速与流量

水井湾泥石流属于稀性泥石流，根据规范中泥石流计算公式：

(1)

其中，Vc为流速,m/s；γH为泥石流固体物质重度，t/m3；φ为泥石流泥沙修正系数，并以查表法确定；n为泥石流沟床糙率系数采用实际调查结果；Hc为平均泥深，m,采用调查所得的最高洪水位痕迹线；Ic为泥位纵坡率，以沟道纵坡率代替。按以上公式求得各断面位置泥石流流速值见表3。

根据雨洪法计算泥石流流量：

Qc=(1+φ)Qp×Dc

(2)

其中，Qc为某频率下的泥石流洪峰值流量，m3/s；Qp为某频率下的暴雨洪水设计流量，m3/s；φ为泥沙修正系数；Dc为泥石流堵塞系数，水井湾泥石流沟道较为顺直，Dc=1.0。

根据上式及参数计算得到不同部位不同降雨频率下水井湾泥石流的洪峰流量，见表4。

表3 水井湾泥石流流速计算表

表4 水井湾泥石流峰值流量计算表

3.3 一次泥石流总量

一次泥石流总量Q按式(3)计算:

Q=0.264TQc

(3)

其中，Q为一次泥石流总量，m3；T为泥石流历时，s，泥石流历时根据泥石流现场访问取值，历时2 h。Qc为泥石流的洪峰流量,m3/s。

一次泥石流冲出的固体物质总量按式(4)计算：

QH=(γC-γW)WC/(γH-γW)

(4)

水井湾泥石流不同部位一次过流总量及一次通过固体物质量见表5。

表5 一次泥石流冲出固体物质总量汇总表

3.4 冲击力与冲起高度

泥石流整体冲击力计算公式(按P=1%计算)：

(5)

其中，P为泥石流冲击力，kN；λ为建筑物形状系数，λ=1.0；α为建筑物受力面与泥石流冲击力方向的夹角，(°)，α=90°；γC为泥石流重度,kN/m3；Vc为流速,m/s。

泥石流最大冲起高度计算(按P=1%计算)：

(6)

泥石流爬坡高度计算(按P=1%计算)：

(7)

泥石流各断面处的冲击力及冲起高度计算结果详见表6。

表6 泥石流流体整体冲击力及冲起高度计算结果

4 危害性评价及发展趋势预测

4.1 泥石流易发性评价

根据泥石流流域基本特征和参数，按照《规范[8]评判标准，水井湾泥石流的综合打分是89分，其易发程度等级为“易发等级”，与实际情况较为一致。

4.2 泥石流发展阶段

根据T/CAGH P006—2018泥石流灾害防治工程调查规范附录表B.1泥石流沟发展阶段的识别方法判断，从沟口扇形、沟域松散物模量、沟槽侵蚀变形、沟坡坡形、沟道沟形、植被覆盖率等16个因素判断出水井湾泥石流处于发展期。

4.3 泥石流发展趋势

水井湾泥石流沟域内物源量非常丰富，根据调查统计分析，水井湾泥石流沟域内共发育泥石流物源15处，物源总量为65.77×104m3，动储量为16.41×104m3。沟域面积较大、汇水条件较好，沟道呈深切“V”型谷，纵坡较陡，为泥石流流通提供了较好的通道及势能条件。因此在持续降雨特别是连续暴雨条件下，该泥石流沟很可能再次发生泥石流灾害，泥石流危害将显著增大。同时，由于场地紧邻鲜水河断裂带，若产生近场地震可能导致物源增加，从而爆发更大规模泥石流。

4.4 泥石流对拟建桥梁影响

泸石路从水井湾沟口通过，该段拟建设跨沟桥梁，桥梁长度210 m左右，桥梁净空22 m～27 m，根据计算得知，该沟泥石流在桥梁通过沟段的最大影响高度约2.57 m，远低于桥梁净空高度。

因此，初步判定该沟泥石流活动对桥梁桥面影响较小，但是，由于沟道较宽，桥墩可能会布设于沟道内，那么泥石流发生就可能冲击桥墩，因此，桥墩位置应尽量避开泥石流沟道范围，或设置防冲击措施。

5 泥石流防治对策

拟建桥梁1号、2号桥墩位于水井湾泥石流沟内，为防止泥石流冲击桥墩，建议以下措施：

1)桥梁采用大跨径形式跨越泥石流，减少桥墩位于泥石流沟的数量。

2)于泥石流沟内桥墩上游处设置防撞墩措施。

6 结语

1)水井湾泥石流为老泥石流，历史上曾发生过多次，结合多个特征判断，该泥石流属于暴雨类-沟谷型-中频-大型-稀性泥石流。物源总量为65.77×104m3，动储量为16.41×104m3。

2)通过现场调查及室内计算，泥石流容重为1.561 g/cm3，流速为3.62 m/s～5.37 m/s，桥梁通过段一次流量为378.91 m3/s～543.87 m3/s，一次冲出固体物质总量为2.43×104m3～3.50×104m3，冲击力为2.11×104m3～4.52×103kN，冲起高度0.67 m～1.47 m，爬高1.07 m～2.35 m。

3)水井湾为易发等级且处于发展期，由于紧邻鲜水河断裂带，若发生近场地震可能导致物源增加，从而爆发更大规模泥石流。

4)拟建桥梁净空高度远大于泥石流冲起爬坡高度，因此泥石流不会对桥面产生影响，但会冲击桥墩。建议桥梁采用大跨径形式跨越泥石流，以减少桥墩位于泥石流沟的数量，并于泥石流沟内桥墩上游处设置防撞墩。