油菜冲大沟泥石流防治设计

邹兴普，王 亮

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

1 概况

油菜冲大沟弃渣场(图1)位于织纳铁路DK19+350左侧30 m处，弃渣占地4.68 hm2，堆渣量27万m3，最大堆渣高度约52 m，为沟谷型弃渣场，渣场级别为1级，汇水面积2.16 km2。堆渣完成后形成梯台体，因油菜冲大沟历史上曾发生过泥石流，并可能再次发生泥石流，这会对弃渣场的稳定性造成威胁，进一步影响既有铁路运营的安全。

经过初步估算，若将该弃渣场全部搬运至新弃渣场约需要增加投资1000万元以上，且新渣场也需要占用大量宝贵的土地资源，故需要评价油菜冲大沟泥石流对弃渣场的影响，提出弃渣场泥石流防护方案，确保弃渣场的安全可靠，避免造成人为的地质灾害。

图1 油菜冲大沟弃渣场现状照片Fig.1 The muck field in Youcaichong Valley

2 地形地貌

该弃渣场地处黔西高原与黔中高原的过渡带，为中山地貌，山高谷深，海拔高程1296～1889 m，相对高差达593 m。冲沟流域面积2.16 km2，主沟长3.38 km，沟床平均纵比降为145‰；流域物源动储量达52.76×104m3，沟道物源较为丰富；如图2所示。流域年均降雨量为1355.4 mm，最大24小时降雨为186.1 mm，最大1小时降雨量为68.5 mm，泥石流水源条件充足，具备发生泥石流的地形、物源及降雨条件。

3 水文、地质概况

区内上伏第四系(Q)全新统覆盖层以冲洪积、坡残积及坡崩积为主，包括人工填土(Q4ml)、滑坡堆积层(Q4del)、坡崩积(Q4dl+col)、冲洪积(Q4al+pl)、坡洪积(Q4dl+pl)、坡残积(Q4dl+el)的软土、软塑状黏性土、黏土、粉质黏土、砂土、卵石土、漂石土、碎块石土等。下覆上统峨眉山玄武岩组(P2β)及下统茅口组(P1m)，主要由灰、浅灰色灰岩、白云质灰岩、燧石灰岩及少量硅质灰岩、块状硅质灰岩、白云岩、硅质岩组成。茅口组灰岩与峨眉山玄武岩呈假整合接触，局部在茅口组上段(P1m2)与下段(P1m1)间有辉绿岩侵入。测区内分布厚度变化较大。

区域构造较为发育，有一小断裂穿越该流域，长度约1.3 km，沟口以南约100 m发育大田坝断裂，大新断裂呈北北东展布，于沟口处呈50度角交于大田坝断裂，流域南侧发育箐门断裂。受此四条断裂的影响，流域内岩体相对较为破碎。但第四纪以来该四条断裂活动性较弱。

区内地震动峰值加速度为0.05 g(相当于地震基本烈度Ⅵ度区)，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

测区属乌江水系，沿线路分布多条南北向分支河流，除武佐河及义中大河中下游基本常年有水外，其余几条支流均受季节雨量的控制，枯水期基本为干沟。各条河流涨跌明显，洪水季节水位迅速升高。沿线贫水段落较长，表水缺失严重。

本项目地下水埋深相对较浅，埋深2～10 m；其余地段为地下水贫水区，地下暗河较发育，埋深基本大于50 m；侵蚀类型为酸性侵蚀，侵蚀作用等级为H1。

图2 油菜冲大沟流域地形地貌图Fig.2 Topographic map of Youcaichong Valley

4 泥石流沟调查分析

经过现场调查及收集弃渣场施工图设计资料，该弃渣场边坡支护工程采用挡渣墙+分级放坡的处理措施，挡渣墙呈梯形，高度为8.0m，墙体采用C25混凝土浇筑，挡渣墙基础埋置深度为1.6 m，如图3所示。

本渣场现已于渣场两侧布设两条排水沟，渣面设置截水沟一条并顺接至渣脚排水沟，截排水沟断面形态呈梯形，底宽0.4 m，深0.5 m，采用M7.5浆砌片石砌筑，沟壁厚0.3 m。渣顶修建排导槽，排导槽宽4.7 m，高2 m，如图4、图5。

图3 弃渣场挡渣场现状图Fig.3 Retaining walls in the muck field

图4 弃渣场排水工程现状图(a)Fig.4 Drainage works in the muck field (a)

图5 弃渣场排水工程现状图(b)Fig.5 Drainage works in the muck field (b)

经过稳定性分析，该处渣场在一般工况下是稳定的，不会对下游既有铁路产生影响，在上述情况下，相关单位开展了泥石流对既有弃渣场的影响展开调查评价分析，查明泥石流形成条件，确定泥石流的运动参数，判别该冲沟泥石流的易发程度、频率、类型，提出有针对性的加固防止方案，确保铁路运营安全。

通过对该冲沟的调查分析，得到如下结论：

(1)该冲沟100年一遇泥石流容重为1.53 g/cm3，泥石流峰值流量为58.7 m3/s，一次泥石流总量为13956.9 m3，一次固体物质总量为4480.2 m3。该冲沟泥石流类型为沟谷暴雨型低频稀性小型泥石流沟。

(2)该泥石流物源较丰富，水源充沛，极端降水突出，今后仍然会暴发泥石流。在强降雨的作用下，可能会发生小型泥石流。

根据以上结论并经方案研究，可以通过工程加固措施来减少或消除泥石流对下游弃渣场的影响，利用沟道纵剖面(图6)进行泥石流参数计算，结合弃渣场已建工程措施分布(图7)，并经过加固方案比选，选定以拦为主，拦排相结合的方案，具体为：排导上游修建拦砂坝1座，拦截2 mm以上的颗粒，并配1座副坝，消能防冲；副坝与排导槽之间，修建倒八字墙，束水；排导槽与八字墙的接口处设浅坝，防止排导槽被冲刷，槽底露空(图8)。

图6 油菜冲大沟沟道纵剖面图Fig.6 Longitudinal profile of Youcaichong Valley

图7 油菜冲大沟弃渣场已建工程措施分布图Fig.7 Distribution of already-constructed engineeringmeasures in Youcaichong Valley

图8 拟建工程布置图Fig.8 Layout of planned engineering measures

5 工程措施

5.1 拦砂坝坝址、坝高选择

拦砂坝坝址选择应根据地形地貌、设计库容、地基承载力等因素综合考虑，经分析坝址设置于距下游渣场拦渣坝约350 m，拦砂坝有效高度取为8 m，基础设置于碎石土基础上，要求其地基承载力≥250 kPa，当地基承载力不能满足要求时应对地基进行加固使其达到要求，拦砂坝坝址选择如图9所示。

图9 拦砂坝坝址Fig.9 Layout of the sand dam

5.2 拦砂坝形式选择

根据本工程特点及相关设计经验，初步拟定拦砂坝形式如图10、图11。

图10 拦砂坝断面形式(a)Fig.10 Profile of the sand dam (a)

图11 拦砂坝断面形式(b)Fig.11 Profile of the sand dam (b)

10 m高拦砂坝顶宽2.5 m，上游坡率1∶0.50，下游坡率1∶0.1，台阶宽0.5 m，高1.0 m，容重24 kN/m3；设计中拦砂坝埋入地面以下约2 m，故受力分析时按上部8 m高受到泥石流作用分析计算。

拦砂坝坝顶留一22 m宽导流槽，导流槽采用M10浆砌片石铺砌。拦渣坝泄水孔尺寸40 cm×60 cm，间距200 cm×200 cm，梅花形布置。坝身和基础均采用C25混凝土浇筑。副坝距拦渣坝16 m，副坝高1 m，束水八字墙范围内高0.5 m，埋入地下1.5 m。主、副坝之间用C25混凝土铺底，上均匀铺设粒径为10～20 cm碎石，厚度不小于20 cm，用于缓冲泥石流对C25铺底的冲击。副坝下设束水八字墙，用于油菜冲大沟束流。八字墙两边敞开角约15度，八字墙墙身和铺底采用C25混凝土浇筑。八字墙下游末端通过新建引水沟接已建排导槽。接口处设浅坝，深入地下，约1.5 m。

拦砂坝坝前两侧设M10浆砌片石护坡，护坡长度根据实际地形选取，厚不小于0.4 m，背后空隙采用C20片石砼回填。

本工程泥石流类型为沟谷暴雨型低频稀性小型泥石流，固体含量较低，石块的搬运呈滚动、跃移的方式，且考虑到峰值流量较小，拦砂坝设置有42个0.4 m×0.6 m泄水孔，石块和水流对拦砂坝的冲击力较小。

5.3 拦砂坝受力分析

根据《泥石流防治工程设计规范》[1]并结合本工程特点，作用于拦砂坝的主要荷载有：坝体自重、水平土压力、泥石流冲击力、溢流体重。本项目拟建场地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，可不做抗震设防处理。

5.3.1 坝体自重

Wa=Va·γa

式中：Wa为坝体自重(kN)；Va为坝身体积(m3)，10 m高拦砂坝体积为54.75 m3；γa为坝体重度(kN/m3)，取为24 kN/m3。

故10 m高拦砂坝每延米自重为Wa=Va·γa=54.75×24=1314 kN。

5.3.2 泥石流水平土压力

式中：γgs=γds-(1-n)γw，取为15.3 kN/m3；γds为干沙重度(kN/m3)；γw为水重度(kN/m3)；n为空隙率；hs为稀性泥石流堆积厚度(m)，取为8 m；φgs为泥沙内摩擦角，取为10°。

泥石流水平土压力为345 kN，作用高度为距离墙底2+8/3=4.67 m。

5.3.3 坝前泥石流体重力

Wb=Vb·γs

式中：Wb为淤积土重(kN)；γs为淤积体重度(kN/m3)。

本工程坝前泥石流体重力为：15.3×(0.5×10×0.5×10)=383 kN，作用位置为距离墙趾5.47 m。

5.3.4 泥石流对拦砂坝的冲击力

式中：F-泥石流流体整体冲击力(kN)；g-重力加速度(m/s2)，取g=9.8 m/s2；Vc-泥石流速度(m/s)，取为5.15 m/s；α-拦砂坝受力面与泥石流冲击力方向的夹角(单位为°)，取为63°；λ-建筑物形状系数，拦砂坝取为1.47；γc-泥石流重度(kN/m3)，取为15.3 kN/m3；Hc-泥石流深度(m)，拦砂坝处泥石流峰值流量为58.7 m3/s，泥石流速度5.15 m/s，拦砂坝宽约40 m，则拦砂坝处泥石流平均泥深为58.7/40/5.15=0.3 m；B-拦砂坝宽度(m)，按每延米计算。

故泥石流对每延米拦砂坝的冲击力：

=14 kN

假设作用于墙顶。

5.3.5 大块石对拦砂坝的冲击力

式中：r-动能折减系数，对拦砂坝取0.3；Vc-泥石流断面平均流速(m/s)，取为5.15 m/s；α-泥石流冲击角度(单位为°)，取为63°；W-石块重量(kN)，按最大石块计算，本项目现场发现最大石块尺寸为1.8 m×1.8 m×1.5 m，重量约为122 kN。

C1、C2分别为巨石和拦砂坝的弹性变形系数，C1+C2=0.0005 m/kN。综上大块石对拦砂坝的冲击力为680 kN，折算到每延米拦砂坝的冲击力为680/40=17 kN，假设作用于墙顶。

5.3.6 溢流体重

泥石流通过拦砂坝时的平均泥深为0.3 m，故溢流体作用在墙顶的压力为15.3×0.3×2.5=11 kN。

5.3.7 扬压力

Fy=0.5KLΔH

式中：L-坝底长(m)，取为8.8 m；ΔH-坝上下游水位差(m)，取为8 m；K-水头折减系数，其值在0～0.7之间，取为0.2。

故扬压力为0.5×0.2×8.8×8=7 kN，假设作用于墙踵。

5.3.8 坝体抗滑稳定

式中：kc-抗滑安全系数，取为1.3；∑N-垂直方向作用力的总和；∑P-水平方向作用力的总和；f-坝底与坝基岩石之间的摩擦系数，取为0.5。

本工程中：

满足设计要求。

5.3.9 抗倾覆稳定

式中：MN-抗倾覆力矩的总和(kN·m)；MN-抗倾覆力矩的总和(kN·m)；k0-抗倾覆安全系数，取为1.6。

本项目中：

满足设计要求。

5.3.10 基承载力计算

式中：σmin-最小地基应力(kPa)；σmax-最大地基应力(kPa)；∑N-坝体单位宽度上的垂直力之和(kN/m)；b-拦渣坝水平截面宽度(m)；e-偏心距(m)；[σc]-地基容许承载力，拦砂坝埋深为2 m。

根据《建筑地基基础设计规范》[2]，

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

对承载力进行修正，取ηb=2.0，ηd=3.0，修正后的地基承载力为439 kPa，拦砂坝基坑开挖后应进行夯实碾压，基础承载力经检验满足设计要求时方可进行拦砂坝的施工。

本项目中：

满足设计要求。

综上所述，拦砂坝尺寸满足设计要求。

6 结论与建议

(1)在对铁路上游弃渣场及泥石流沟详细调查，认真分析的基础上，提出了泥石流沟以拦为主，拦排相结合的方案，保证了下游铁路的安全运营，节约了大量人力物力。

(2)由于设计工期要求很短，本次设计采用经验成熟的重力式拦砂坝，重力式坝体对地基承载力要求较高，地基不满足设计承载力要求时要进行地基加固处理。考虑到拦砂坝位置临近弃渣场，而该渣场硬质石料资源丰富，若采用组装式拦砂坝，可就地取材，节约工程成本，且组装式拦砂坝对地基承载力要求不高，适应地基变形能力较强，今后遇到相似的工程时可推广使用。

(3)要重视拦砂坝的日常清理及养护工作。由于拦砂坝坝前土体处于饱水状态时的土压力是数倍于处于无水状态时的土压力，所以应特别注意泄水孔的排水通畅。

(4) 应加强弃渣场及上游泥石流沟的植被恢复工作，以达到稳定物源、滞留降水、调节径流的目的。