京原线K157泥石流成因分析及防治措施

赵继华

(北京铁路局，北京 100080)

京原线K157泥石流成因分析及防治措施

赵继华

(北京铁路局，北京 100080)

京原铁路蜿蜒于太行山区，受地质构造影响地质灾害广泛存在，K157泥石流属于严重-极严重暴雨型泥石流。根据泥石流沟的现场勘察，从地形地貌、地层岩性、地质构造、人类活动等对泥石流形成机制进行分析，指出该泥石流成因是暴雨引起崩塌型泥石流。通过对主支沟汇水、崩塌形成原因进行分析，得出松散物源总量为5.6×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约1.9×104m3。根据对泥石流沟量化评分，冲沟易发程度为极易发，急需进行处治，结合工程实际，根据泥石流沟形成的原因，提出分流、隔离网、主动网、挡墙、拦渣坝、涵渠扩孔等综合处理方法。

铁路；泥石流成因；防治措施；综合整治

1 水害概况

京原铁路沿线蜿蜒于太行山区，属于燕山山脉，跨河穿山，桥多隧长。由于设计、修建时间较早，加上地质条件复杂，山区沟谷发育，近年来由于暴雨频发，泥石流灾害隐患较多。2014年7月15日河北省涞源县遭遇了短时强降雨，京原线塔崖驿—王安镇间40 min降雨量42 mm，17点51分，K157.661涵渠处突发泥石流，该处为1孔1.75 m盖板箱涵，长7.6 m，高2 m，涵上游沟谷高50～100 m，长1 km，涵渠两侧线路方向为二道河1、2号隧道，隧道口相距17 m，下游为河道。泥石流造成涵渠闷孔，泥石上道掩埋线路12 m，约15 m3，水漫线路后1号隧道道床过水1 060 m，2号隧道过水40 m，涵上下游50 m范围内淤积泥石流900 m3。水害因及时发现未造成行车事故。图1 为泥石流水害严重程度及泥石流上道情况。

图1 泥石流水害严重程度及泥石流上道情况

2 工程水文地质条件

2.1 地形地貌

研究区属丘陵低山地貌，冲沟整体上呈“Y”形，冲沟分水岭海拔高度在800～900 m，冲沟沟口海拔在650～700 m，相对高差约200 m。山体坡度60°～75°。山体两侧植被覆盖率20%～30%，多为杂草及灌木。两侧坡体破碎，夹杂泥土、石渣。冲沟位于线路右侧，冲沟出口处与线路夹角为75°。冲沟汇水面积大，2条山沟水汇入1条冲沟中，最初汇水区长度约200 m，流通区长度约1 000 m，由于山体植被破坏严重，且风化破碎严重，整个流通区都是泥石流的物源区，最大淤积厚度约5 m，冲沟块石遍布，粒径为50～500 mm，最大约2 m。沟两侧受泥石流侵蚀严重，擦痕明显。现有一涵洞，为一跨1.75 m盖板涵，高度约2 m。如图2所示。

图2 勘查区地貌影像

2.2 地层岩性

研究区岩性主要为淡黄色、青灰色花岗岩，强风化。发育115°∠50°、50°∠30°、340°∠70°3组劈理。

第四系覆盖层主要为坡残积碎石土，厚度3～5 m。

2.3 地质构造

大地构造上，研究区位于华北板块西北部褶皱造山带内。表现为一系列NE—SW向大背斜和大向斜，彼此平行斜列，构成复式褶皱，伴有一系列NE—SW向的压性断裂。

泥石流构造简单，未发现断层，地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 水文地质

花岗岩赋水性较差，地形切割深，纵坡大，地下水径流短，排泄快，地下水贫乏。

2.5 人类活动

冲沟两侧人类活动频繁，主要为放牧与开垦。支沟1上游为废弃梯田，泥石流沟两侧放养约300只山羊。山羊对植被的破坏严重，植被环境差。

3 泥石流形成原因及工程地质评价

3.1 形成原因

3.1.1 强降雨

泥石流发生时，遭遇短时强降雨，雨强较大，40 min降雨达42 mm，造成沟谷上游短时汇集大量雨水。

3.1.2 形成区特征

为淡黄色、青灰色偏砂性的花岗岩，强风化，风化壳松散，原岩不透水，植被稀少，易产生地表散流与暴流。节理裂隙发育、密集，地表水与地下水沿节理活动，造成泥石流沟两侧表土疏松，崩塌现象严重，泥石流物源丰富。

泥石流沟整体上呈“Y”形，由支沟1与支沟2汇集成一条主沟。支沟1长度约420 m，平均纵坡降约为278‰；支沟2长度约490 m，平均纵坡降约为264‰；主沟长度约480 m，平均纵坡降约为127‰。支沟1形成区地貌见图3。

图3 支沟1形成区地貌

支沟1两侧坡度较陡，多大于40°，植被较为发育，主要为灌木，覆盖率50%～60%。支沟1前部主要为废弃梯田，受人类活动影响，表层土松散，降雨将裹挟较多的泥沙，为泥石流的形成汇集水源及沙。

支沟2两侧坡度较陡，多大于40°，植被较为发育，主要为灌木，覆盖率50%～60%。支沟2不良地质较少，零星分布些破碎的岩体及松散土体，主要为泥石流的形成汇集水源和提供水动力条件。在支沟2末端，跌水高度超过15 m。支沟2对主沟左侧坡体冲刷严重[1]。如图4所示。

图4 支沟2末端地貌

支沟1和支沟2汇合后主沟坡度变缓，沟床粗糙率较大，泥石流排导的不畅，沟内堆积物不断抬高过流面；同时由于主沟下切较深，沟槽较窄，支沟1和支沟2流水汇集到主沟后，水流流速突然变大，使得泥石流冲击破坏力变大，不断冲蚀主沟两侧破碎岩层的坡脚，进一步引发两侧坡体的崩塌[2,3]。泥石流速度大，沟床不断抬高，使得破坏力变大，泥石流爬高和最大冲起高度变高，造成巨石上道或冲毁线路的危险隐患。

3.1.3 物源条件

主沟内松散固体物源丰富，植被覆盖率低，从主沟汇集口到铁路线出口两侧山体均为物源区，物源类型主要为坡面侵蚀物源、崩塌体物源、沟道堆积物源。

主沟两侧坡面侵蚀固体物源总量约为4.3×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约1.5×104m3。人类工程活动的废弃农田松散体总量约1.3×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约0.4×104m3[4]。

综上，坡面松散体是泥石流沟的主要物源。在强降雨作用下，支沟1中的泥沙被水冲出，支沟2中含有少量泥沙的水流从支沟2末端跌水，冲蚀主沟边坡，主沟在强降雨作用下坡面松散体被冲动，与支沟1、支沟2的泥流汇集，形成强劲的泥石流[5]。汇集后的泥石流将启动主沟沟床内堆积的堆积物，形成更大规模的泥石流灾害。如图5～图8所示。

图5 沟床内松散堆积物淤积情况

图6 沟床内松散堆积物

图7 沟床两侧崩塌体

图8 冲沟冲刷高度

3.2 易发性评价

根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》[6](DT/T0220—2006)对泥石流的易发性进行量化的评估及评判。易发程度评判标准见表1，得分为116分，易发程度为极易发。

根据勘察成果，主沟两侧岩体破碎，边坡坡脚强烈冲刷，冲刷高度3～4 m，岩体稳定性差，形成泥石流物源；山羊对植被的破坏，主沟两侧水土流失严重，使物源丰富。支沟1以及主沟的泥沙补给，使泥石流爆发时挟裹能力增强。沟谷纵坡坡降达127‰～278‰，沟心宽度4～6 m，局部仅为3 m，增大了泥石流的发生频率，泥石流沟的冲出速度、能量以及对两侧山体的冲刷力增大。

3.3 已有工程分析

正确、客观地认识泥石流对铁路的危害程度，对泥石流灾害客观地评价，可区分出整治的急迫程度，采取有效的防治措施，使有限人、财、物力在恰当的时间用到恰当的地方，使泥石流危害降到可控范围内。

表1 山炮村泥石流沟易发程度量化评分

京原线K157的泥石流沟只有1个出口，铁路以路基形式通过，路基设有一涵洞，涵洞上游25、50 m处各有一拦石坝。涵洞1道坝及涵洞下游间汛前进行了清理，2道坝上游未清理堆积物。涵洞上游沟谷有两个弯曲处所，减弱了泥石流速。涵洞出口设置有引排通道，但通道长度较长，约30 m，通道出口处为1条小河，受河流影响，通道坡度较缓，形成堆积区，造成发生泥石流后，涵洞不能及时有效的将泥石流顺利排出。致使堆积物上路，产生危害。

4 防治措施

针对该泥石流沟产生的原因、造成的危害，采用综合治理的方法进行整治。

(1)支沟2主要为清水流，针对支沟2的跌水现象，以及对主沟的冲刷，采取分流的措施[7-9]。具体方法为在支沟2末端向左开挖一条排水沟，使得支沟2的水不汇入主沟，减小对主沟左侧的冲刷以及主沟的洪峰流量。根据量测，截留支沟可以减少0.1 km2的汇水面积，减少约1/3的汇水面积，缓解主沟的排导压力。

(2)针对山羊对冲沟两侧植被的破坏，采取隔离的方法，即在主沟两侧设置隔离网，保护主沟两侧的植被，这样既不影响放牧，也起到了保护主沟植被的效果。

(3)针对主沟两侧严重的崩塌体，采取适当清除部分危岩，采取主动防护网+恢复植被[10]的措施，减少两侧危岩在暴雨中汇入主沟的数量。主要防护段落为主沟两侧。

(4)针对泥石流对主沟两侧边坡的冲刷，采取在冲刷严重处设置挡墙护坡，并适当将冲沟顺直，减少泥石流对坡脚的冲刷，并起到稳定坡体的作用[11]。根据现场勘察泥石流的冲刷程度，挡墙高度设置为5 m。

(5)为防止大暴雨情况下，泥石流对线路的直接冲击，需对泥石流采取拦挡消能措施[12]。拦挡工程布置的主要目的在于消峰减流，减小泥石流峰值流量，并阻挡泥石流沟内的大石块，降低泥石流流体容重，保证下方防护堤正常使用和经拦挡后泥石流剩余物质的顺利下泻，同时通过泥石流物质回淤压脚起到稳固沟床和减轻沟岸滑坡的作用。[13]

具体做法为在线路往泥石流沟上游设置5道拦渣坝，在拦渣坝下游约5 m处再设置1道高度约1 m的消能坝，再次减小从拦渣坝流出的泥石流的能量。

(6)对涵洞进行扩孔改造，将原涵洞扩孔为1孔5 m，顺直涵洞上游沟谷。

(7)安装监控设备，汛期进行重点监控。

5 结论

(1)京原铁路K157泥石流沟为暴雨引起崩塌型泥石流。支沟1为产沙区，为泥石流形成区；支沟2为清水，汇集水流至主沟，加大了主沟的流量。主沟两侧岩体松散，坡脚受水流冲刷严重，支沟1和支沟2汇集后的泥石流将启动主沟沟床内堆积的堆积物，形成更大规模的泥石流灾害。随着放牧加剧、雨水冲刷等因素，目前主沟两侧的崩塌呈加剧发展的趋势，泥石流有趋于更严重的趋势。

(2)泥石流成因综合分析，松散物源总量为5.6×104m3，可能参与泥石流活动的动储量约1.9×104m3。结合工程实际，针对各种原因，采取分流、隔离网、主动网、挡墙、拦渣坝、涵渠扩孔等综合治理方法，以达到整治泥石流的目的。

[1]邹威.某高速公路岩溶钙华堆积体成因及稳定性分析[J].铁道标准设计,2014(S1):14-18.

[2]吴永,裴向军,何思明,等.降雨型泥石流对沟床侵蚀的水力学机理[J].浙江大学学报：工学版,2013,47(9):1585-1592.

[3]王丽君,李琦.毛尔盖水电站俄恩沟泥石流成因, 预测及防治措施研究[J].路基工程,2013(2):103-107.

[4]王海芝.北京市北部山区石城镇泥石流沟松散物特点及储量计算模型[J].城市地质,2011,6(3):31-33.

[5]胡向德,毕远宏,魏洁.甘肃舟曲三眼峪沟泥石流的形成条件与发展趋势[J].中国地质灾害与防治学报,2011,22(2):55-60.

[6]中华人民共和国国土资源部.DZ/T0220—2006泥石流灾害防治工程勘查规范[S].北京：中国标准出版社, 2006.

[7]文联勇,谢宇,李东,等.“水石分离” 在泥石流灾害防治工程中的应用[J].长江科学院院报,2012,29(5):16-20.

[8]吴宝和.地表水和地下水对岩质边坡稳定性影响及防渗措施[J].中国地质灾害与防治学报,2003,14(3):140-141.

[9]骆银辉,邓星理,王兴安.试论疏排水在红层地区滑坡治理中的重要作用[J].中国地质灾害与防治学报,2003,14(3):58-60.

[10]Peng C, Yongming L. Debris-flow Treatment: The Integration of Botanical and Geotechnical Methods[J]. Journal of Resources and Ecology, 2013,4(2):97-104.

[11]王涛,陈宁生,邓明枫,等.沟道侵蚀型泥石流起动临界条件研究进展[J].泥沙研究,2014(2):13.

[12]王兆印,漆力健,王旭昭.消能结构防治泥石流研究-以文家沟为例[J].水利学报,2012,43(3):253-263.

[13]高淑琴,孙芬花,付燕,等.浅谈土石山区泥石流发生机理与坍塌量模型[J].南水北调与水利科技,2003,1(2):41-43.

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

赵继华(1967—)，男，高级工程师，1989年毕业于西南交通大学水文地质工程地质专业，工程硕士，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