泥石流地区水文计算和桥涵设计研究

王辉

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

随着我国交通运输事业的发展，各地区建设高等级公路的步伐和规模不断提升，其中，修建在山里或者穿越山区的公路工程项目不在少数。受气候条件影响，地质灾害现象时有发生，每年因桥涵水毁引发病害产生的损失高达数亿元，不仅影响国内交通系统的运行安全，还威胁人们的生命财产安全。

1 泥石流发育的原因

山区地质灾害中最为常见的便是泥石流。泥石流属于特殊洪流，多见于地质不良或地形较为陡峭的山区，在降水侵蚀下，山洪携带着数量庞大的泥沙等固体物质奔腾而下。我国又是泥石流现象发生较为广泛、剧烈的国家。为确保交通安全，对泥石流地区的水文计算与桥涵设计加强研究是十分必要的。具体而言，泥石流的形成原因与地形、地质构造、降水、补给物质等因素存在密切联系，对泥石流发育的原因进行分析。

1.1 地形条件

由于各地区的地形条件存在较大差异，泥石流形成的原因各不相同。研究以洮河峡谷为例，说明地形条件与泥石流形成之间存在的关系。研究高速公路项目主要位于甘肃省西南部的临夏州境内，是青藏高原向黄土高原的过渡带。项目AK5 ＋500—AK19 ＋000 洮河峡谷段，位于构造剥蚀石质低中山区。路线布设于洮河峡谷两岸，坡体陡立，地形起伏大，基岩裸露，斜坡整体坡度50～70°。主峰海拔2660m，山体主要由中生代基岩构成。山顶可见薄层黄土覆盖，谷底狭窄，多呈“V”字形。海拔高程一般为2000～2500m，沟谷平均切割深度200m 左右，最大约500m。通过对基本情况分析发现该地区海拔起伏较大，地形较为陡峭，存在较多沟谷与支沟，为泥石流提供了充足的发育地形[1]。

1.2 地质构造

泥石流通常会因地震产生，通常认为地震烈度在7 度以上便会直接导致泥石流的产生。研究项目无全新世活动性断层发育，地质构造简单，断层和褶皱基本不发育，区域内新构造运动较活跃，重力作用使斜坡变形异常发育。项目位于祁连褶皱系东南端，秦岭褶皱系西北缘，是祁连褶皱系与西秦岭褶皱系的交接地段。虽然没有发生较大的破坏性地震，但因地块边缘处于活动状态，地震波及本区仍受邻近地区震波较大。该项目地震基本烈度为Ⅷ度。

1.3 降水条件

项目工程区在全国公路气候自然分区中属于黄土高原干湿过渡区（Ⅲ区）的甘东黄土山地区（Ⅲ3区）。主要气候特点是冬长夏短，日照丰富，降水量少，蒸发量大，无霜期短，干旱严重。工程区年平均降水量540.6mm。降雨是泥石流产生的动力条件，多发生于6～9月，均由暴雨所诱发，属于大中型暴雨型泥石流，均处于发育期。

1.4 补给物质

补给物质是泥石流形成的内部因素。对于山区而言，泥石流的补给物质便是岩石，所以山区的岩性因素也是泥石流形成的重要原因。洮河峡谷两岸岸坡高陡，坡表危岩体发育，是不良地质体集中较发育地段。由于较强烈的构造运动，使得沟谷剥蚀较深，基岩风化程度高，表层松散堆积物发育。坡脚及岸坡缓坡段形成崩坡积层，为泥石流提供充足的固体物源。产生的松散物质经过洪水搬运后便会出现泥石流。

1.5 动力因素

动力因素通常指的是水体流域面积、山坡中的平均坡度、流域形态以及沟床平均比降。对于泥石流的形成而言，流域面积越大，则为其提供的动力条件便越好；沟床比降会直接反映沟床径流的坡度，是衡量动力强弱的重要参数；坡度会影响地表汇流的时间，山区坡度越大，汇流时间越短，若此时出现洪水，洪水峰值大、历时短，极易产生泥石流；若流域形态为圆形或类似于圆形，洪水的形成速度与运动速度便会加快，其中所蕴含的动力势能较强，为泥石流的形成提供了动力条件。

除上述外，人类的不合理活动进一步增加了产生地质灾害的概率。从社会发展整体的角度分析，泥石流的发生频率与人口分布密度为正相关关系，近30年以来，泥石流数量已经增加近22%[2]。

2 泥石流地区水文计算与桥涵设计具体方案

桥涵工程是为公路跨越河流、山谷等天然或人工障碍物而修建的构造物。桥涵可以避免水流对路基产生侵蚀，以此保证路基的稳定性。结合上述对泥石流形成原因的分析，依托于某高速公路洮河峡谷的桥涵工程，对水文计算与桥涵设计进行分析。

2.1 工程概况与水文地质基本情况

研究高速公路项目总长度为42.348km，是陇东南地区前往青海及其以西地区的便捷大通道，更是兰州至永靖至临夏高速、永靖至积石山高速和G75 兰海高速的联络线。研究段落为AK5＋500—AK19＋000 洮河峡谷段，两岸坡体陡立，坡面冲沟发育，多呈鸡爪状，切割深度较大，山脊呈犬牙状。地层岩性为加里东中期中心相花岗岩，岩质坚硬，属于坚硬岩，岩体中裂缝发育，岸坡表部风化强烈。该研究段落属于洮河流域，通过河流主要为洮河，路线主体基本沿洮河两岸山体布设，系黄河一级支流。

2.2 水文调查、勘测

研究项目在进行水文调查前，与水利部门积极沟通，搜集了较为准确、完善的水文资料。该项目地形图测量采用航空摄影内外业一体化成图方式，然后再到实地进行调绘补测，特别是在道路中线附近用全站仪进行野外数字化成图后，再套合航测图修正成图。根据所收集的资料，有针对性地开展水文调查与勘测，具体内容包括：

第一，在测绘的地形图基础上，绘制路线所经区域水体流域面积以及河沟的长度、宽度等。

第二，将路线所经地区所有既存桥涵的名称、水路交角、河沟坡度、流域形态、土壤类别、历史最高水位、流域深度等参数在调查记录中进行记载。其中，以河沟坡度为主要参数，应以桥涵区域至河沟坡度为准。该项目以水文断面上游的100m，下游的50m为准。

农艺性状测量按照国家标准测得，经济性状分析采用国家标准42级制进行分级，产质量通过小区折成以hm2为单位的记录，产值按照2018年保山市收购价格（二价区）进行计算。

第三，勘测过程中，在公路平面总体设计图中绘制设计桥涵的所处位置，包括桥涵特征点的桩号、交角，并做好改路改沟方案。

第四，水文调查、勘测现场应选定水文断面。桥涵断面通常不符合水文断面的具体条件要求，因此需要进行形态流量计算，确定另外的水文断面。靠近桥涵位置应收集历史洪水调查资料，以便确定最大水位与流量。

经过上述水文调查，可确定该项目桥涵所处位置具体的水文情况。

2.3 小流域水文计算

该项目在桥涵孔径选择和桥涵位置设计时进行了深入调查研究，将实际观测资料与计算结果进行验证，根据地形结合设置导流堤、顺水坝等调治构造物，合理选择桥涵孔径大小，以达到“排洪通畅、不留后患”的目的，确保公路工程安全。该项目小流域流量采用的计算公式如下：

一是交通运输部公路科学研究院推理公式（1）：

二是交通运输部公路科学研究院经验公式（2）：

式（2）中：Ψ为地貌系数；m、λ2均为指数；以上系数均查阅《公路桥涵设计手册：桥位设计（第二版）》表4-4-7；其他符号意义同前。

三是交通运输部公路科学研究院经验公式（3）：

式（3）中：C、β、λ3均为系数；此值均查阅《公路桥涵设计手册：桥位设计（第二版）》表4-4-8；其他符号意义同前。

该项目采取上述计算公式共同计算，选择该项目三处典型泥石流沟道作为研究对象，根据多数高速公路项目流量计算情况，归纳总结得出了三处桥涵位置的设计洪峰流量，具体见表1。

表1 桥涵设计流量

2.4 雨洪法计算泥石流流量

假设前提：泥石流与暴雨同频率且同步发生、计算桥涵位置断面的暴雨洪水设计流量全部转变为泥石流流量。计算步骤是先按上述小流域水文计算方法得出桥涵位置断面规定频率的暴雨洪峰流量，再合理选择堵塞系数，按照公式（4）计算泥石流流量：

式（4）中：Qc为规定频率为p的设计泥石流洪峰流量，m3/s；ф 是泥石流泥沙修正系数，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》（T/CAGHP 006—2018）公式（J.8）以及I.2 取值；QP意义同上，即由上述小流域水文计算得出的设计洪峰流量；Dc为泥石流堵塞系数。

2.5 桥涵设计

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）[3]，桥面设计高程应按下式（5）计算：

式（5）中：Hmin为桥面最低高程；Hb为设计泥流位以下的河床平均高程；hmc为设计流量时的泥石流平均流动深度；Hn为设计总淤积高度；Δhn为单位超高值；Δh0为桥梁上部构造建筑高度（包含桥面铺装厚度）；Δhj为安全值，该项目取值1.0m。以上参数单位均为m。

该项目在泥石流地区无法绕避时，在其流通区最窄处设置无压力式涵洞；对于泥石流沟道处设置的桥梁需留足淤积净空，同时要加强桥墩防冲撞措施。

基于上述计算方法，为提高桥涵的排出泥石流能力，三处桥涵位置设置的构造物参数如下：K13＋659与K15＋965 位置处根据路线需要均以桥梁形式跨越泥石流沟道，这两处桥面设计高程相对于沟道地面标高较大，其桥面设置高程不以设计泥石流流量控制，对受泥石流活动威胁的桥墩采取如图1所示的防撞措施；K18＋600 位置处设置1 孔4m 孔径的钢筋混凝土盖板暗涵，涵高为4m，修正沟道，结合涵洞八字墙设置导流渠。

图1 桥墩防撞措施

3 结语

桥涵作为保障公路路基安全性的重要结构，其设计的合理性、科学性会直接影响公路的使用性能与安全性。研究通过小流域水文计算方法的对比、泥石流流量计算和桥面设计高程计算，以某桥涵工程为例，提出了桥涵设计的具体方法。此方法能够最大限度保障相关公路项目穿越泥石流地区的安全性，降低因自然灾害产生的经济损失。对于桥涵设计发展而言，未来应当朝着提高安全性、经济性方向发展，保障我国交通事业的安全发展。