京原線K157泥石流成因分析及防治措施

趙繼華

(北京鐵路局，北京 100080)

京原線K157泥石流成因分析及防治措施

趙繼華

(北京鐵路局，北京 100080)

京原鐵路蜿蜒于太行山區(qū)，受地質(zhì)構造影響地質(zhì)災害廣泛存在，K157泥石流屬于嚴重-極嚴重暴雨型泥石流。根據(jù)泥石流溝的現(xiàn)場勘察，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構造、人類活動等對泥石流形成機制進行分析，指出該泥石流成因是暴雨引起崩塌型泥石流。通過對主支溝匯水、崩塌形成原因進行分析，得出松散物源總量為5.6×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約1.9×104m3。根據(jù)對泥石流溝量化評分，沖溝易發(fā)程度為極易發(fā)，急需進行處治，結(jié)合工程實際，根據(jù)泥石流溝形成的原因，提出分流、隔離網(wǎng)、主動網(wǎng)、擋墻、攔渣壩、涵渠擴孔等綜合處理方法。

鐵路；泥石流成因；防治措施；綜合整治

1 水害概況

京原鐵路沿線蜿蜒于太行山區(qū)，屬于燕山山脈，跨河穿山，橋多隧長。由于設計、修建時間較早，加上地質(zhì)條件復雜，山區(qū)溝谷發(fā)育，近年來由于暴雨頻發(fā)，泥石流災害隱患較多。2014年7月15日河北省淶源縣遭遇了短時強降雨，京原線塔崖驛—王安鎮(zhèn)間40 min降雨量42 mm，17點51分，K157.661涵渠處突發(fā)泥石流，該處為1孔1.75 m蓋板箱涵，長7.6 m，高2 m，涵上游溝谷高50～100 m，長1 km，涵渠兩側(cè)線路方向為二道河1、2號隧道，隧道口相距17 m，下游為河道。泥石流造成涵渠悶孔，泥石上道掩埋線路12 m，約15 m3，水漫線路后1號隧道道床過水1 060 m，2號隧道過水40 m，涵上下游50 m范圍內(nèi)淤積泥石流900 m3。水害因及時發(fā)現(xiàn)未造成行車事故。圖1 為泥石流水害嚴重程度及泥石流上道情況。

圖1 泥石流水害嚴重程度及泥石流上道情況

2 工程水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

研究區(qū)屬丘陵低山地貌，沖溝整體上呈“Y”形，沖溝分水嶺海拔高度在800～900 m，沖溝溝口海拔在650～700 m，相對高差約200 m。山體坡度60°～75°。山體兩側(cè)植被覆蓋率20%～30%，多為雜草及灌木。兩側(cè)坡體破碎，夾雜泥土、石渣。沖溝位于線路右側(cè)，沖溝出口處與線路夾角為75°。沖溝匯水面積大，2條山溝水匯入1條沖溝中，最初匯水區(qū)長度約200 m，流通區(qū)長度約1 000 m，由于山體植被破壞嚴重，且風化破碎嚴重，整個流通區(qū)都是泥石流的物源區(qū)，最大淤積厚度約5 m，沖溝塊石遍布，粒徑為50～500 mm，最大約2 m。溝兩側(cè)受泥石流侵蝕嚴重，擦痕明顯?，F(xiàn)有一涵洞，為一跨1.75 m蓋板涵，高度約2 m。如圖2所示。

圖2 勘查區(qū)地貌影像

2.2 地層巖性

研究區(qū)巖性主要為淡黃色、青灰色花崗巖，強風化。發(fā)育115°∠50°、50°∠30°、340°∠70°3組劈理。

第四系覆蓋層主要為坡殘積碎石土，厚度3～5 m。

2.3 地質(zhì)構造

大地構造上，研究區(qū)位于華北板塊西北部褶皺造山帶內(nèi)。表現(xiàn)為一系列NE—SW向大背斜和大向斜，彼此平行斜列，構成復式褶皺，伴有一系列NE—SW向的壓性斷裂。

泥石流構造簡單，未發(fā)現(xiàn)斷層，地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 水文地質(zhì)

花崗巖賦水性較差，地形切割深，縱坡大，地下水徑流短，排泄快，地下水貧乏。

2.5 人類活動

沖溝兩側(cè)人類活動頻繁，主要為放牧與開墾。支溝1上游為廢棄梯田，泥石流溝兩側(cè)放養(yǎng)約300只山羊。山羊?qū)χ脖坏钠茐膰乐兀脖画h(huán)境差。

3 泥石流形成原因及工程地質(zhì)評價

3.1 形成原因

3.1.1 強降雨

泥石流發(fā)生時，遭遇短時強降雨，雨強較大，40 min降雨達42 mm，造成溝谷上游短時匯集大量雨水。

3.1.2 形成區(qū)特征

為淡黃色、青灰色偏砂性的花崗巖，強風化，風化殼松散，原巖不透水，植被稀少，易產(chǎn)生地表散流與暴流。節(jié)理裂隙發(fā)育、密集，地表水與地下水沿節(jié)理活動，造成泥石流溝兩側(cè)表土疏松，崩塌現(xiàn)象嚴重，泥石流物源豐富。

泥石流溝整體上呈“Y”形，由支溝1與支溝2匯集成一條主溝。支溝1長度約420 m，平均縱坡降約為278‰；支溝2長度約490 m，平均縱坡降約為264‰；主溝長度約480 m，平均縱坡降約為127‰。支溝1形成區(qū)地貌見圖3。

圖3 支溝1形成區(qū)地貌

支溝1兩側(cè)坡度較陡，多大于40°，植被較為發(fā)育，主要為灌木，覆蓋率50%～60%。支溝1前部主要為廢棄梯田，受人類活動影響，表層土松散，降雨將裹挾較多的泥沙，為泥石流的形成匯集水源及沙。

支溝2兩側(cè)坡度較陡，多大于40°，植被較為發(fā)育，主要為灌木，覆蓋率50%～60%。支溝2不良地質(zhì)較少，零星分布些破碎的巖體及松散土體，主要為泥石流的形成匯集水源和提供水動力條件。在支溝2末端，跌水高度超過15 m。支溝2對主溝左側(cè)坡體沖刷嚴重[1]。如圖4所示。

圖4 支溝2末端地貌

支溝1和支溝2匯合后主溝坡度變緩，溝床粗糙率較大，泥石流排導的不暢，溝內(nèi)堆積物不斷抬高過流面；同時由于主溝下切較深，溝槽較窄，支溝1和支溝2流水匯集到主溝后，水流流速突然變大，使得泥石流沖擊破壞力變大，不斷沖蝕主溝兩側(cè)破碎巖層的坡腳，進一步引發(fā)兩側(cè)坡體的崩塌[2,3]。泥石流速度大，溝床不斷抬高，使得破壞力變大，泥石流爬高和最大沖起高度變高，造成巨石上道或沖毀線路的危險隱患。

3.1.3 物源條件

主溝內(nèi)松散固體物源豐富，植被覆蓋率低，從主溝匯集口到鐵路線出口兩側(cè)山體均為物源區(qū)，物源類型主要為坡面侵蝕物源、崩塌體物源、溝道堆積物源。

主溝兩側(cè)坡面侵蝕固體物源總量約為4.3×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約1.5×104m3。人類工程活動的廢棄農(nóng)田松散體總量約1.3×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約0.4×104m3[4]。

綜上，坡面松散體是泥石流溝的主要物源。在強降雨作用下，支溝1中的泥沙被水沖出，支溝2中含有少量泥沙的水流從支溝2末端跌水，沖蝕主溝邊坡，主溝在強降雨作用下坡面松散體被沖動，與支溝1、支溝2的泥流匯集，形成強勁的泥石流[5]。匯集后的泥石流將啟動主溝溝床內(nèi)堆積的堆積物，形成更大規(guī)模的泥石流災害。如圖5～圖8所示。

圖5 溝床內(nèi)松散堆積物淤積情況

圖6 溝床內(nèi)松散堆積物

圖7 溝床兩側(cè)崩塌體

圖8 沖溝沖刷高度

3.2 易發(fā)性評價

根據(jù)《泥石流災害防治工程勘察規(guī)范》[6](DT/T0220—2006)對泥石流的易發(fā)性進行量化的評估及評判。易發(fā)程度評判標準見表1，得分為116分，易發(fā)程度為極易發(fā)。

根據(jù)勘察成果，主溝兩側(cè)巖體破碎，邊坡坡腳強烈沖刷，沖刷高度3～4 m，巖體穩(wěn)定性差，形成泥石流物源；山羊?qū)χ脖坏钠茐?，主溝兩?cè)水土流失嚴重，使物源豐富。支溝1以及主溝的泥沙補給，使泥石流爆發(fā)時挾裹能力增強。溝谷縱坡坡降達127‰～278‰，溝心寬度4～6 m，局部僅為3 m，增大了泥石流的發(fā)生頻率，泥石流溝的沖出速度、能量以及對兩側(cè)山體的沖刷力增大。

3.3 已有工程分析

正確、客觀地認識泥石流對鐵路的危害程度，對泥石流災害客觀地評價，可區(qū)分出整治的急迫程度，采取有效的防治措施，使有限人、財、物力在恰當?shù)臅r間用到恰當?shù)牡胤?，使泥石流危害降到可控范圍?nèi)。

表1 山炮村泥石流溝易發(fā)程度量化評分

京原線K157的泥石流溝只有1個出口，鐵路以路基形式通過，路基設有一涵洞，涵洞上游25、50 m處各有一攔石壩。涵洞1道壩及涵洞下游間汛前進行了清理，2道壩上游未清理堆積物。涵洞上游溝谷有兩個彎曲處所，減弱了泥石流速。涵洞出口設置有引排通道，但通道長度較長，約30 m，通道出口處為1條小河，受河流影響，通道坡度較緩，形成堆積區(qū)，造成發(fā)生泥石流后，涵洞不能及時有效的將泥石流順利排出。致使堆積物上路，產(chǎn)生危害。

4 防治措施

針對該泥石流溝產(chǎn)生的原因、造成的危害，采用綜合治理的方法進行整治。

(1)支溝2主要為清水流，針對支溝2的跌水現(xiàn)象，以及對主溝的沖刷，采取分流的措施[7-9]。具體方法為在支溝2末端向左開挖一條排水溝，使得支溝2的水不匯入主溝，減小對主溝左側(cè)的沖刷以及主溝的洪峰流量。根據(jù)量測，截留支溝可以減少0.1 km2的匯水面積，減少約1/3的匯水面積，緩解主溝的排導壓力。

(2)針對山羊?qū)_溝兩側(cè)植被的破壞，采取隔離的方法，即在主溝兩側(cè)設置隔離網(wǎng)，保護主溝兩側(cè)的植被，這樣既不影響放牧，也起到了保護主溝植被的效果。

(3)針對主溝兩側(cè)嚴重的崩塌體，采取適當清除部分危巖，采取主動防護網(wǎng)+恢復植被[10]的措施，減少兩側(cè)危巖在暴雨中匯入主溝的數(shù)量。主要防護段落為主溝兩側(cè)。

(4)針對泥石流對主溝兩側(cè)邊坡的沖刷，采取在沖刷嚴重處設置擋墻護坡，并適當將沖溝順直，減少泥石流對坡腳的沖刷，并起到穩(wěn)定坡體的作用[11]。根據(jù)現(xiàn)場勘察泥石流的沖刷程度，擋墻高度設置為5 m。

(5)為防止大暴雨情況下，泥石流對線路的直接沖擊，需對泥石流采取攔擋消能措施[12]。攔擋工程布置的主要目的在于消峰減流，減小泥石流峰值流量，并阻擋泥石流溝內(nèi)的大石塊，降低泥石流流體容重，保證下方防護堤正常使用和經(jīng)攔擋后泥石流剩余物質(zhì)的順利下瀉，同時通過泥石流物質(zhì)回淤壓腳起到穩(wěn)固溝床和減輕溝岸滑坡的作用。[13]

具體做法為在線路往泥石流溝上游設置5道攔渣壩，在攔渣壩下游約5 m處再設置1道高度約1 m的消能壩，再次減小從攔渣壩流出的泥石流的能量。

(6)對涵洞進行擴孔改造，將原涵洞擴孔為1孔5 m，順直涵洞上游溝谷。

(7)安裝監(jiān)控設備，汛期進行重點監(jiān)控。

5 結(jié)論

(1)京原鐵路K157泥石流溝為暴雨引起崩塌型泥石流。支溝1為產(chǎn)沙區(qū)，為泥石流形成區(qū)；支溝2為清水，匯集水流至主溝，加大了主溝的流量。主溝兩側(cè)巖體松散，坡腳受水流沖刷嚴重，支溝1和支溝2匯集后的泥石流將啟動主溝溝床內(nèi)堆積的堆積物，形成更大規(guī)模的泥石流災害。隨著放牧加劇、雨水沖刷等因素，目前主溝兩側(cè)的崩塌呈加劇發(fā)展的趨勢，泥石流有趨于更嚴重的趨勢。

(2)泥石流成因綜合分析，松散物源總量為5.6×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量約1.9×104m3。結(jié)合工程實際，針對各種原因，采取分流、隔離網(wǎng)、主動網(wǎng)、擋墻、攔渣壩、涵渠擴孔等綜合治理方法，以達到整治泥石流的目的。

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The Cause Analysis of Debris Flow at K157 of Beijing-Taiyuan Railway and Control Measures

ZHAO Ji-hua

(Beijing Railway Administration Bureau， Beijing 100866， China)

The Beijing to Taiyuan railway traverses through Taihang Mountains， where geological disasters are widely distributed. The debris flow at K157 of the railway is extremely serious storm debris flow. Based on the field investigation of the debris flow gullies， the analysis of the formation mechanism of the landforms， the strata’s lithology， the geological structure and human activities shows that the collapse is caused by the heavy rainfall. The analysis of the catchment condition and formation mechanism of the collapse indicates that the volume of solid loose material amounts to 5.6×104m3with 1.9×104m3contributing to debris flow. According to the quantitative score of debris flow， the degree of debris flow occurrence is the highest， requiring immediate treatment. In view of the engineering conditions and the formation mechanism of debris flow， the comprehensive countermeasures are proposed such as diversion， isolation network， active network， retaining wall， debris holding embankment and expansion of convert and channel.

Railway; Rormation mechanism of debris flow; Control measure; Comprehensive treatment

2014-12-11；

2014-12-24

趙繼華(1967—)，男，高級工程師，1989年畢業(yè)于西南交通大學水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)，工程碩士，E-mail:jihua-zhao@sohu.com。

1004-2954(2015)09-0064-04

U213.1+4

B

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.015