張雨露 王 棟 游 勇 柳金峰 王 波

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.中國科學院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041)

西南山區(qū)某鐵路受青藏高原強烈隆升的影響，地勢起伏大，河流切割強烈，具有相對高差大、山坡陡峭和溝谷深切的典型特點。區(qū)內(nèi)受印度洋板塊與歐亞板塊碰撞控制，構(gòu)造活動強烈，新構(gòu)造運動和地震活躍，斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，坡體穩(wěn)定性差。受內(nèi)外應(yīng)力的強烈作用和影響，沿線泥石流、滑坡形成所需的地質(zhì)巖性構(gòu)造、松散固體物質(zhì)、水源、地形等條件非常容易滿足，是我國泥石流滑坡類型最為多樣、分布范圍最為廣泛、最為活躍，危害最嚴重的地區(qū)之一，鐵路選線既要克服高程控制，又要規(guī)避大型不良地質(zhì)體。受地形影響，部分在峽谷地區(qū)的車站往往需要利用相對平緩的洪積扇、泥石流扇。因此評估洪積扇的安全性及其對車站的影響程度是判斷方案是否可行的重要因素。

本文以某鐵路康定至新都橋段速度160 km/h擬選毛家溝車站站址區(qū)為例，對車站上游的毛家溝、磨子溝、野人溝三條沖溝的溝谷形態(tài)(如圖1所示)的物質(zhì)源分析、顆粒分析進行研究，綜合判斷泥石流的性質(zhì)及特征，分析泥石流危險性，通過危險性分析來評估車站的安全性，為相同區(qū)域車站選址及防災(zāi)措施提供借鑒。

圖1 毛家溝流域衛(wèi)星影像圖

1 泥石流形成條件分析

1.1 地形地貌條件

圖2 毛家溝主溝縱剖面示意圖

溝名清水區(qū)形成區(qū)流通區(qū)堆積區(qū)高程/m毛家溝4 340～4 8183 700～4 3403 400～3 7003 208～3 400磨子溝4 280～5 5403 940～4 2803 460～3 8403 400～3 460野人溝-3 840～4 6803 480～3 8403 400～3 480

1.2 物源條件

該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的各要素如新構(gòu)造運動，巖體的風化速率、崩滑災(zāi)害等以不同的方式，提供松散碎屑物質(zhì)，構(gòu)成泥石流活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是高原特有的碎屑邊坡，滑坡、崩塌、錯落等區(qū)域內(nèi)較為常見不良地質(zhì)，也常常為泥石流提供大量物質(zhì)，并同時在泥石流發(fā)生時而伴生形成。

(1)新構(gòu)造運動

毛家溝流域附近主要有東北部沿折多河走向的折多塘斷裂和西南方近南北向的毛家溝斷層，其中折多塘斷裂為鮮水河斷裂南端分支斷裂，該區(qū)新構(gòu)造運動活躍、地震頻繁。1955年4月14日在康定折多塘發(fā)生7.5級地震，烈度為Ⅸ；1786年6月1日康定磨西發(fā)生7.5級地震；2008年2月27日，在康定縣三道橋發(fā)生4.7級地震[2]。地震活動導致了大量破碎巖體，如圖3所示，伴隨著地震次生崩塌、滑坡災(zāi)害堆積至溝內(nèi)，為泥石流提供了豐富的物源。

圖3 康定地區(qū)構(gòu)造及地震示意圖

(2)巖體風化速率

通過野外調(diào)查分析可知，毛家溝流域泥石流形成區(qū)集中在 3 600～4 700 m海拔區(qū)間，即現(xiàn)康定地區(qū)的雪線附近，因此寒凍風化作用較為明顯。形成大量的寒凍風化巖屑流。毛家溝上游受季節(jié)性積雪及高海拔地區(qū)的寒凍風化影響形成的巖屑流的總面積為3.66 km2，初步按假設(shè)平均厚度0.5 m估算，巖屑流的物源方量為183萬m3。這些物源主要分布在上游、以及毛家溝內(nèi)多支溝內(nèi)，大部分都堆積在高位，在暴雨、地震等作用下巖屑流失穩(wěn)后，可能堆積在溝道內(nèi)，作為動儲量成為形成泥石流的直接物源。

(3)地質(zhì)災(zāi)害分析

毛家溝流域主要出露地層為新生界第三紀二長花崗巖和中生界三疊系變砂巖、板巖，夾灰?guī)r。利用2013年11月獲取的快鳥影像，對研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害類型及松散物源體進行遙感解譯。通過野外調(diào)查結(jié)合遙感解譯，毛家溝流域的主要災(zāi)害類型包括崩塌、危巖、碎屑流、泥石流(洪積扇)等主要類型，松散固體物質(zhì)來源的類型主要包括坡崩積物、坡腳堆積體、其中以堆積物為主要物源類型。

每當我短暫告別煩人的習題和試卷，從沉悶的教室出來走出校門，看到路燈下停著的三輪車炸串兒攤旁邊人頭攢動，一副副青春面孔上滿是期待的眼神?？吹接湾伬锏陌谉熢竭^人影熱騰騰地升起直到消散，離得老遠都能聞到陣陣香味兒飄來，空氣中都滿是清晰的自由。

(4)儲量分析

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩條大支溝(野人溝、磨子溝)溝道兩側(cè)坡度較陡，基巖較破碎，坡面巖屑坡發(fā)育，厚度10～20 m，塊石體積一般在1～3 m3，為不規(guī)則形狀，主要為坡崩積小塊石，如圖5所示。野人溝內(nèi)解譯堆積體面積為1.44 km2，初步按平均厚度10 m估算，溝道內(nèi)堆積體總物源方量為1.44×107m3。解譯磨子溝溝道內(nèi)堆積體面積為0.86 km2，初步判斷平均厚度10 m，溝道內(nèi)堆積體總物源方量為0.86×107m3。毛家溝主溝溝口到三條支溝交匯的區(qū)域內(nèi)，解譯溝道內(nèi)堆積體與坡面巖屑坡的面積為0.59 km2，初步按假設(shè)平均厚度5 m估算，溝道內(nèi)與坡面上的堆積體總物源方量為0.30×107m3。根據(jù)上述毛家溝流域內(nèi)松散物源初步估算結(jié)果，毛家溝整個流域內(nèi)共有松散物源2.78×107m3。

1.3 氣象水文條件

本區(qū)屬亞熱帶季風氣候，基本處于華西豐雨屏帶中，植被茂密，夏季多雨，冬季多雪，地表水及河流對山體和路基的沖蝕和切割作用明顯；折多山以西屬亞寒帶季風氣候與高原大陸性氣候的交揉區(qū)，氣候溫和偏寒，亦多降雨(如表2所示)，緩坡為草，低谷為林，且多雪峰及高山湖泊。

表2 康定縣最大降雨資料

康定縣年降水量832.2 mm，年最多降水量為 1 005.7 mm，年平均蒸發(fā)量為 1 257.7 ml，積雪最大厚度54 cm。康定地區(qū)降水年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季，5-9月降雨量達 621 mm，占年降水量的77%。其夏季降水曲線為雙峰型：6月為第一次高峰,降雨量169 mm；9月為第二次高峰，降雨量125 mm。1995年6月15日、7月3日和7月7日，康定城區(qū)連續(xù)三次遭受以山洪為主的多種山地災(zāi)害襲擊，6月下旬總降雨量84 mm，7月1日和2日先后降雨18 mm和15 mm，7月3日降雨29 mm，山洪再次襲擊城區(qū)；7月4-6日降雨35 mm，7日降雨32 mm[3]，形成大規(guī)模山洪，康定城區(qū)第三次遭受山洪洗劫，如圖4所示。

圖4 1995年康定洪水淹沒城區(qū)圖

2 泥石流性質(zhì)分析

對毛家溝溝岸坡積物(可能的泥石流物源)進行了野外采樣和室內(nèi)分析，確定顆粒組成。同我國研究較深入的蔣家溝粘性泥石流作對比。重點分析和比較能夠影響泥石流漿體流變特性的關(guān)鍵性參數(shù)——細小顆粒(<2 mm)的含量，初步判斷泥石流的性質(zhì)[4]。毛家溝溝岸坡積物顆分曲線同蔣家溝粘性泥石流的比較(顆分組分)如圖5所示。樣品中已經(jīng)剔除了現(xiàn)場粗大顆粒(>100 mm)和塊石(Boulder)。泥石流樣顆粒物質(zhì)從細小的粘粒(Clay)到礫石(Gravel)甚至到卵石(Cobble)的粒徑跨越很大。

由圖5可知，毛家溝溝岸坡積物(泥石流物源)顆粒物質(zhì)的中值粒徑d50和蔣家溝粘性泥石流的下限是相同的(見圖7蔣家溝顆分曲線的下限)，2 mm粒徑所對應(yīng)的泥石流漿體顆粒累計含量相同。所不同的是毛家溝可能的泥石流漿體所包含的細顆粒物質(zhì)(0.06～0.2 mm的中、細砂)含量較蔣家溝的要少許多。這一般可以認為是粘性泥石流形成所需的泥漿體所裹挾的細小顆粒物質(zhì)含量相對較少，從而使得泥石流發(fā)生的類型更多可能是偏稀性的[5]。從泥沙運動力學的角度分析，只有當上游發(fā)生超強洪水時，強大的水流搬運力才能擾動和摻混更多更粗(>2 mm)的顆粒變成泥石流泥漿體的組分，即泥石流固液分界粒徑相應(yīng)的上移，泥石流漿體所含有的顆粒含量增大從而改變泥石流的流變特性，這時的泥石流才有可能從稀性變成粘性[6]。通過野外調(diào)查訪問當?shù)卮迕?，得?995年康定山洪期間，該溝也發(fā)生過大型山洪，淹沒溝口公路，河水深度3～4 m。此后，每逢雨季，均暴發(fā)山洪，但規(guī)模不大。通過數(shù)據(jù)分析及野外調(diào)查可大致判斷：毛家溝主溝為山洪-水石流，其支溝磨子溝以為稀性泥石流，野人溝為水石流-稀性泥石流，野人溝以上毛家溝主溝為水石流-稀性泥石流。

圖5 毛家溝泥石流和蔣家溝泥石流的顆粒級配

3 泥石流危險性分析

泥石流爆發(fā)后的泥深對鐵路線路標高、工程形式以及防治措施均有較大影響，本次采用了1∶2 000地形圖建立了毛家溝流域范圍的數(shù)字高程模型(DEM)，溝道糙率系數(shù)取0.05，通過水文手冊[7]，野人溝溝口以上毛家溝流域一次泥石流沖出量約為46.0萬m3(P=0.5%)，設(shè)定在200年一遇洪水頻率條件下，對野人溝、磨子溝泥石流的動力過程進行數(shù)值模擬。

結(jié)合GIS技術(shù)，提取毛家溝隧道口斷面數(shù)據(jù)，如圖6所示，在毛家溝會讓站附近斷面處泥石流泥深為6～8 m。同時，磨子溝泥石流沖出溝口，存在擠壓河道、抬升洪水位的危害?？紤]毛家溝與磨子溝泥石流疊加形成復(fù)合災(zāi)害，毛家溝會讓站附近斷面處的疊加泥深可達8～10 m。鐵路以橋梁形式通過，毛家溝大橋處距離毛家溝主溝道橋下凈空為14.5 m?？梢?，在200年一遇以上洪水的條件下，毛家溝泥石流泥深超過隧道口橋梁凈高的1/2，屬于中度危險級別。如果鐵路大橋橋墩修建在毛家溝及其支溝野人溝山洪泥石流災(zāi)害的直接危害范圍內(nèi)，一旦發(fā)生山洪泥石流，橋墩很容易被山洪泥石流及其中的大石塊沖壞，甚至被沖毀。此外，在鐵路的施工和運營期間，如果鐵路工程的附屬設(shè)施布置在毛家溝泥石流危害范圍內(nèi)，將會受到泥石流的高度威脅。

圖6 毛家溝車站斷面泥深數(shù)值模擬

4 泥石流防災(zāi)對策

針對毛家溝山洪泥石流災(zāi)害，提出以下防治對策：

(1)毛家溝鐵路大橋橋墩不要布置在其山洪泥石流直接危害范圍內(nèi)，橋梁要保證足夠的橋下凈空，并采用1孔跨溝的方案，可以有效地避免山洪泥石流的危害。

(2)針對鐵路上下游一定范圍內(nèi)溝道，應(yīng)疏通和歸整溝道，必要時對相應(yīng)部位進行治理。

(3)在鐵路的建設(shè)和運營中，其進入毛家溝鐵路位置處的進場公路、渣場、料場、站房等相關(guān)附屬設(shè)施不要布置在山洪泥石流的直接危害范圍內(nèi)，必要時采取相應(yīng)的治理措施，并建立預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

(4)建議做好工程棄渣的堆放選址和安全管理工作。加強工程棄渣的安全管理，防止進入泥石流流路參與泥石流。

5 結(jié)論

本文從泥石流形成條件出發(fā)，以泥石流顆粒級配特征對泥石流性質(zhì)進行了定性，根據(jù)泥石流與鐵路工程設(shè)施的相對空間位置，采用數(shù)值模擬手段得出泥石流對鐵路工程影響的定量評估結(jié)果，并提出了相應(yīng)的防災(zāi)對策，結(jié)論如下：

(1)從溝谷地形地貌條件、物源條件、氣候與水文條件綜合分析，毛家溝及多條支溝具備泥石流形成的條件，其松散固體物質(zhì)來源的類型主要包括坡崩積物、坡腳堆積體、寒凍風化巖屑流失穩(wěn)。通過初步估算，毛家溝整個流域內(nèi)共有松散物源 2 778萬m3。毛家溝內(nèi)松散物源分布較為復(fù)雜，建議下一步需開展詳細的勘察工作，以確定流域內(nèi)松散物源的準確儲量情況。

(2)通過野外考察，結(jié)合毛家溝堆積物樣品顆份結(jié)果，初步判斷毛家溝主溝為山洪-水石流，其支溝磨子溝以為稀性泥石流，野人溝為水石流-稀性泥石流，野人溝以上毛家溝主溝為水石流-稀性泥石流。

(3) 通過計算明確了毛家溝朱溝道的泥石流泥深可達6～8 m，疊加泥深可大8～10 m，現(xiàn)方案設(shè)計以橋梁通過，橋下盡空滿足設(shè)防要求。

(4) 綜合判斷毛家溝泥石流屬于中度威脅，其防治以疏通為主，避免鐵路附屬設(shè)施受到泥石流威脅，并建立預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。