滇西北高山峡谷区泥石流沟道弃渣场地质灾害治理及水土保持措施研究

滇西北高山峡谷区泥石流沟道弃渣场地质灾害治理及水土保持措施研究

徐培力

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都，610031)

摘要  我国滇西北高山峡谷区泥石流灾害频发，区域内工程弃渣往往堆置在临近的泥石流沟道内，弃渣与泥石流交互影响极可能造成更大危害。本文以某铁路建设项目弃渣场勘察设计为例，在分析泥石流特征后，对弃渣场针对性地采取地质灾害治理及水土保持措施，形成完整的综合防护体系，为同地区项目弃渣场勘察设计提供借鉴。

关键词  泥石流沟道；弃渣场；地质灾害治理措施；水土保持措施

滇西北高山峡谷区地形起伏大，构造运动强烈，季节性降水量丰富，其独特的地理、地质及气候条件产生了如滑坡、泥石流等诸多地质灾害，特别是泥石流灾害自2014年以来频发，对当地群众生命财产生威胁[1]。区域内工程建设项目受地形和施工条件的限制，不得不在项目区附近的泥石流沟道内设置弃渣场，弃渣场受泥石流冲击易引发渣体局部或整体失稳，从而形成泥石流新物源造成更大危害[2]。

根据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014），“弃渣场应避开滑坡体等不良地质条件地段，不宜在泥石流易发区设置弃渣场；确需设置的，应确保弃渣场稳定安全”[6]。滇西北高山峡谷区某铁路建设项目弃渣场在勘察设计过程中对泥石流沟进行了详细的现场调查，通过科学计算掌握其特性值，并针对性地开展了弃渣场地质灾害治理及水土保持措施设计，有效避免泥石流与弃渣场的交互影响[3]。

1  弃渣场概况

弃渣场设计弃渣量为91.60万m3，占地面积为6.32hm2，最大堆渣高度为88.52m，设计堆渣坡比为1:1.5，弃渣场级别为3级。

1.1防护工程级别

根据GB 51018-2014[6]，弃渣场拦渣工程（坝式挡渣墙）级别为4级，排洪工程级别为3级，但因弃渣场涉及国家级水土流失重点预防区，因此将拦渣工程级别提高至3级，排洪工程级别提高至2级[7]。

1.2排水设计及防洪标准

根据GB 51018-2014[6]，并结合该弃渣场实际情况，确定弃渣场永久性截排水措施的排水设计标准采用5年一遇10分钟短历时设计暴雨，查中国5年一遇10min 降雨强度q5,10等值线图，暴雨强度为1.50mm/min；排洪工程防洪标准按100年一遇设计及校核[6]，相应洪峰流量为202.10m3 /s。

1.3地质条件

1. 3. 1地形地貌

弃渣场所在沟道位于横断山脉中段高山峡谷地貌，泥石流沟发育于天然河道左岸，沟上游为雪山，下游为天然河道，主沟总长约8km，沟道呈“V”字型，沟道较狭窄，流域内最高海拔约4200m，主沟流域相对高差约1800m，沟床平均纵坡降约295‰；沟道两侧自然斜坡30°～65°，局部为陡崖；海拔3500m以下沟道两侧坡面植被覆盖较好。

1.3. 2地层岩性

弃渣场场区上覆第四系全新统滑坡堆积层（Q4del）细角砾土、块石土，坡洪积层（Q4dl+pl）粗角砾土、碎石土，坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土、粗角砾土；下伏基岩为三叠系下统(T1）板岩、千枚岩夹炭质板岩、灰岩。岩土物理力学指标见表1。

表1  岩土物理力学指标推荐值表

1.3. 3水文地质

弃渣场所在泥石流沟道常年有水，流量受天然降雨影响较大，平时水量较小，雨季水量暴涨；地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。地下水主要接受大气降水、地表水下渗补给，雨后地表水大部分沿坡面由东向西径流，部分渗入地下，向沟道底部汇集，最终汇入自然河道，由于沟槽纵坡较陡，排泄条件较好。

1.3. 4地质构造与地震动参数

弃渣场场区位于青藏高原东南边缘的川滇菱形断块西部边界断裂带，即金沙江-中甸断裂带内，地质构造复杂，新构造运动强烈，属我国著名的南北向地震带—滇西地震带。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306－2001）[9]，弃渣场场区基本地震动峰值加速度为0.20g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.40S。

1.3. 5泥石流概况

泥石流发育于凹地别沟，为一稀性沟谷型低频率处于间歇期的小型泥石流沟，河沟宽约5～50m。沟床纵坡较陡，呈阶梯状，坡度约10～20°。沟槽堆积物为漂石土，石质多为砂岩、灰岩、玄武岩质，Φ60～400mm，浑圆状～次棱状，泥石流爆发时沟水暴涨，淤积较高，沟槽两岸斜坡较高位置上仍分布有卵石。

2020年9月13日，该泥石流在连续降雨作用下爆发。经灾后现场调查发现，沟道内滑坡体物质堵塞沟槽形成小堰塞湖，在连续降雨及冰雪融水影响下溃坝形成突发泥石流灾害。

2  弃渣场措施设计

2.1泥石流主要特征值计算

2.1.1  容重

根据《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》（T/CAGHP006-2018）[8]，对泥石流易发程度进行量化，并结合泥石流爆发后的现场沉积物照片对比，确定泥石流容重为1.60 t/m3。

2.1.2  流量

（1）泥石流峰值流量

根据T/CAGHP006-2018[8]，对泥石流峰值流量进行计算。

式中：—频率为100年一遇的泥石流洪峰值流量，m3/s；

—频率为100年一遇的暴雨洪峰值流量，m3/s；

—泥石流泥砂修正系数；

—泥石流堵塞系数。

经计算，泥石流洪峰值流量为272.29m3/s。

（2）泥石流峰值流速

本沟为稀性泥石流，选用通用流速的计算公式，采用西南地区（铁二院）公式确定流速。

式中：—泥石流流速，m/s；

—泥石流泥沙修正系数；

—水力半径（m），一般可用平均水深代替；

—泥石流水力坡度（%），一般可用沟床纵坡代替；

—清水河床糙率系数。

经计算，泥石流峰值流速为8.16 m/s。

（3）泥石流清水流量

根据泥石流各支沟百年降雨汇水情况，泥石流一次性情清水总流量为167.81m3/s。

（4）一次泥石流总量

一次泥石流总量通过计算法确定，根据泥石流历时和最大流量 （m3/s）按泥石流暴涨暴落的特点,将其过程线概化成五角形。

经计算，一次泥石流总量为46153.37m3/s。

（5）一次泥石流冲出量

一次泥石流冲出固体物质量按下式计算：

式中：—泥石流容重(t/m3) ；—水容重（t/m3）；

经计算，一次泥石流冲出量为19780.01m3。

2.2弃渣场地质灾害治理措施

为了避免泥石流对弃渣场稳定产生影响，对弃渣场上游泥石流沟道开展地质灾害治理措施设计，设计里程范围K0+000-K0+900，主要采用设置拦渣格栅、排导槽、消能坎及停淤场结合的治理措施。

1、拦渣格栅

拦渣格栅共设置四处，设置在里程K0+020、K0+080、K0+140、K0+200。格栅采用P43钢轨横竖交叉设置，竖向间距为1.0m，横向间距为0.6m，扣件连接，拦渣格栅基础采用C30混凝土砌筑。

图1K0+200拦渣格栅截面图

2、排导槽

排导槽全长552.00m，设计范围为K0+200.00～K0+752.00。排导槽护坡在墙顶以下2.0m范围内采用C30混凝土，排导槽底采用30cm厚C30钢纤维混凝土磨耗层+60cm厚C30混凝土铺砌层，其余采用C30钢纤维混凝土。

（1）排导槽尺寸设计

①K0+200.00～K0+230.00段

该段为渐变段，排导槽长30.00m。K0+200.00处截面底宽20.0m，边墙厚度0.6m，坡度2:1；K0+230.00处截面底宽7.5m，边墙厚度0.6m，坡度2:1。

②K0+230.00～K0+564.00段

该段为疏导段，排导槽长334.00m，排导槽标准截面底宽7.5m，顶宽13.70m，中心高6.95m，边墙厚度0.6m，坡度2:1。

图2  疏导段排导槽标准截面图

③K0+564.00～K0+752.00段

该段为消能段，排导槽内设置消能坎，排导槽长188.00m，排导槽标准截面底宽由7.5m逐渐加宽至28.00m，顶宽由13.70m逐渐加宽至34.10m，边墙厚度0.6m，坡度2:1。

（2）排导槽纵截面设计

排导槽纵截面共设置3段纵坡，纵向坡度变坡点前后沟底以圆滑顺接。最小纵坡10.0%，最大纵坡12.0%，分别为：

①K0+200.00～K0+280.24段纵坡为10.0%，长80.24m；

②K0+280.24～K0+440.69段纵坡为12.0%，长160.45m；

③K0+440.69～K0+752.00段纵坡主要为10.0%,长311.31m。

（3）排导能力验算

经验算，泥石流排导槽疏导段过流能力约549.80m3/s，满足泥石流峰值流量272.29m3/s过流要求。

3、消能坎

消能坎共设置五处，设置里程为K0+640、K0+680、K0+700、K0+720及K0+740。消能坎间隔3m设置一处泄水槽，宽50cm,

图3 消能坎纵剖面图

4、停淤场

利用弃渣场坡顶设置停淤场，设置里程为K0+740~900，停淤场内铺设防冲刷混凝土预制块，预制块下夯填水泥土防渗层厚0.8m，水泥掺量5%，按百年设计寿命期内发生5次百年一遇泥石流的固体沉积物控制设计停淤场容量，停淤场设计容量>=10万m

3。

2.3  弃渣场水土保持措施设计

弃渣场弃渣前剥离表土，表土集中堆放并采取临时防护措施；施工期采取临时排水措施，在弃渣场上游施做土质临时集水池；在渣场周边及中心开挖多道土质临时排水沟。弃渣场渣脚设置混凝土坝式挡渣墙；弃渣场底部布设盲沟。弃渣场两侧设置泄洪渠排导沟道汇水，泄洪渠入口处设置拦渣槽，泄洪渠末端接入挡渣墙前消能池后与下游沟道平缓顺接；部分平台设置平台排水沟并接入两侧泄洪渠。弃渣结束后，进行土地整治、表土回覆；该弃渣场占用林地、其他土地，弃渣场渣顶及宽度≥10m的平台采取乔灌草绿化，边坡及宽度＜10m的平台采取灌草绿化。

1、堆置方案

弃渣场纵向向共设置11级平台，按8m进行分级，平台宽度为10m～100m；渣顶两侧横向各设置3级平台，按8m进行分级，平台宽度为2.5m～5m，边坡坡比1:1.5；渣场尾部设置高14.50m，坡比1:2的边坡。

2、拦挡工程

弃渣场坡脚采用C25混凝土坝式挡渣墙拦挡，墙高4~15m。挡渣墙预留泄水孔及导流洞。挡渣墙前两侧设护坡，护坡长度10m，厚度不小于0.4m。挡渣墙背后10m范围采用不小于0.5m块径大石码砌，厚0.5m，保证弃渣不流失。挡渣墙高在8m及以上时，在基底设置为水平并在基础下设两排钢轨桩。

3、排水工程

（1）泄洪渠

弃渣场两侧设置泄洪渠，入口处各设置长25m拦渣槽，实现泥石流固液分离。泄洪渠内按水流控制速度<6m>设置泄洪渠断面及纵坡。泄洪渠标准断面为底宽5.5m，顶宽12.5m，高3.5m的梯形断面，沟壁坡比1：1，采用C30混凝土砌筑。

（2）平台排水沟

弃渣场第一级边坡坡脚、第四级边坡坡脚、第五级边坡坡脚、第八级边坡坡脚及第九级边坡坡脚设置平台排水沟。平台排水沟材料采用M10浆砌片石，底宽0.4m，深0.6m，壁厚0.3m。

（3）盲沟

弃渣场底部每隔20m设宽0.4m，高0.3m的碎石盲沟，沟内用碎石填充，上覆土工布，以引排渣场底部积水。

（4）消能池

挡渣墙前设置消能池，底板厚1m，前挡板及两侧挡墙厚1m，消能池前采用M10浆砌片石铺砌，厚60cm。铺砌终点设垂裙，厚1m，深1.6m。消能池与挡渣墙采用半径6m的圆弧顺接。

4、表土剥离及防护

本渣场占地类型主要为林地、其他土地，施工前对占地范围内表土进行剥离。剥离的表土堆置在弃渣场占地范围内，表土堆高控制在2.0~3.0m，堆放期采用周边采用编织袋装土拦挡，表面撒草籽绿化并铺彩条布苫盖。

5、临时排水

弃渣堆置前需实施临时排水措施，以便于在弃渣过程中及时引排山体坡面及渣面汇水至弃渣场外。在弃渣场上游施做土质临时集水池；在弃渣堆置边界线施做环形土质临时排水沟，渣场中心施做多道横、纵向土质临时排水沟。土质临时集水池长5.0m，宽3.0m，深2.0m，采取土工布铺垫；土质临时排水沟采用梯形断面，底宽2.0m，高2.0m，坡比1:1，沟底采取土工布铺垫。每区堆渣前可在临时排水沟开挖位置埋设盲沟。

6、绿化恢复

弃渣场渣顶及宽度≥10m的平台采取乔灌草绿化，边坡及宽度＜10m的平台灌草绿化。乔木选种香樟、白桦、云南沙棘，一般采用胸径3-5cm，冠幅不小于80cm，高度1-2m的树苗，种植方式行距×株距不小于4m×4m；灌木选种火棘、坡柳、粉叶小檗，一般采用2-3年实生苗，冠幅不小于20cm的树苗，种植方式行距×株距不小于2m×2m；草籽选用狗牙根、黑麦草、燕麦草等混合草籽。

图4坝式挡渣墙及消能池断面图

图5  泄洪渠截面图

图6  地质灾害治理及水土保持措施布设示意图

2. 4弃渣场稳定性分析

2. 4. 1  整体及边坡稳定性分析

根据GB 51018-2014[6]，采用瑞典圆弧法法及毕肖普法对弃渣场进行正常运用工况和非常运用工况（暴雨、地震）下的对弃渣场整体及边坡的抗滑稳定性计算，分析剖面为弃渣场纵向主轴断面，计算结果均满足规范要求[4]（见表2）。

2.4. 2挡渣墙稳定性分析

根据GB 51018-2014[6]，对弃渣场挡渣墙进行正常运用工况和非常运用工况（地震）下挡渣墙抗滑稳定性、抗倾覆稳定性计算，分析剖面为弃渣场纵向主轴断面，计算结果均满足规范要求[4]（见表3）。

图8 弃渣场检算主轴纵断面示意图

表2 弃渣场整体及边坡稳定性计算结果表

表3 弃渣场挡渣墙稳定性计算结果表

3 结语

滇西北高山峡谷区是泥石流频发区，该区域泥石流沟道内设置弃渣场必须确保其稳定安全，避免弃渣场与泥石流之间交互影响。本文以滇西北高山峡谷区某铁路建设项目弃渣场勘察设计为例，在前期充分掌握泥石流特征、性质的基础上，针对性采取拦渣格栅、排导槽、消能坎及停淤场的地质灾害治理措施，以及坝式挡渣墙、泄洪渠、平台排水沟、乔灌草绿化、临时土质排水沟等工程、植物、临时措施相结合的水土保持措施，形成完整的滇西北高山峡谷区泥石流弃渣场综合防护体系[5]，可有效地防治地质灾害及水土流失，实现工程安全、地灾防治、生态保护等多重目标。

参考文献

[1]何锋,柳阳. "香格里拉地区泥石流灾害对生命财产主要威胁因素探究." [J].农业灾害研究 007(2022):012.

[2]李瑞鸿, 李跃强. "某泥石流沟道弃渣场防护设计方案研究."[J].水利技术监督 7(2021):5.

[3]刘晖等. "泥石流沟道渣场稳定性分析及其水土保持措施研究."[J].中国水土保持 000.012(2015):54-57.

[4]刘振旺, 韩子晔,韩会令. "某水电站弃渣场稳定性计算及对泥石流的影响分析."[J].铁道勘察 37.6(2011):4.

[5]黄斌, 马力, 刘晖. "泥石流冲沟型弃渣场防护方案研究—以金沙水电站石家沟弃渣场为例."[J].水利规划与设计 11(2014):3.

[6]GB 51018-2014．水土保持工程设计规范[S].

[7]GB 50433-2018．生产建设项目水土保持技术标准[S].

[8]T/CAGHP006-2018．泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）[S].

[9]GB 18306－2001．中国地震动峰值加速度区划图[S].

作者简介：徐培力（1995-），中铁二院工程集团有限责任公司，男，硕士，工程师，主要从事交通运输工程环境保护与水土保持工作。