山区泥石流地段公路桥涵设计探讨

山区泥石流地段公路桥涵设计探讨

黄树强      ,刘志军

（中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550002）

摘要：威宁至围仗高速公路在么站隧道出口至金斗隧道进口段设置金斗互通，由于该段泥石流频发，泥石流的形成条件、基本特征以及汇流参数分析是控制本段桥涵设计的关键。本文结合工点地形、地貌以及工程地质条件，暴雨洪水设计流量分别采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）和中铁西南科学研究院谭炳炎推荐公式计算来推算泥石流洪峰流量、流速、冲起高度、爬高等参数。计算结果表明：在极端天气下，泥石流虽不能翻爬冲上桥面，但有冲击桥墩的可能，须对泥石流沟进行处治，现场已设置有导流槽，但导流槽部位破损，建议对导流槽进行修补，并加强桥台防护措施。

关键词：山区泥石流；桥涵设计；暴雨洪水设计流量

中图分类号：U44           文献标志码：A           文章编号：

泥石流是产生于沟谷中或坡地上的一种含有大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流，具有突发性、破坏性极大、运动快速、历时短暂等特点[1]。泥石流是我国山区公路建设中一种常见的地质灾害，尤其是在我国西南地区，如贵州、四川、云南、甘肃等省份，仅公路沿线已经探明的大型、特大型泥石流沟就有6000余条[2]，而潜在的泥石流沟更是多达数万条。泥石流对公路桥涵的破坏主要有冲击桥墩、冲刷侵蚀桥涵基础、堵塞桥涵等[3-4]。

本文结合威（威宁）围（围仗）高速公路工程设计实际，对泥石流地区公路桥涵设计进行探讨，以期供类似工程地质条件下桥涵设计人员参考。

1 工程概况

威围高速公路是《贵州省高速公路网规划》中“第二横”大兴至威宁高速的最末段，本项目及云南段杨柳至宣威高速公路贯通后，将北联拟建都香国高六盘水至威宁段，南接在建杭瑞国高普立至宣威段，并通过相关项目连接毕节至威宁高速公路，是国家高速公路网在黔西北、滇东地区的经济辐射带动作用的延伸和扩展。威围高速公路是贵州西北部连接国家高速公路，与云南加强区域经济合作的又一条重要省际高速公路通道。该路线起点位于金钟镇西侧山里塘，与正在施工的六威高速T形交叉；终于黔滇两省分界可渡河，与威宁至宣威高速公路云南境杨柳至宣威高速公路顺接。沿线经过金钟、香厂河(么站)、金斗、围仗（可渡河），路线全长约27.786 km。按双向四车道高速公路标准建设，设计速度为80 km/h，路基宽度24.5 m。沿线主要在金斗互通附近有泥石流冲沟5条，1#、2#、3#、4#泥石流冲沟受路线纵坡的影响设置了4座框架桥，5#泥石流冲沟从金斗2号大桥通过。

2 泥石流形成条件及本项目泥石流基本特征

泥石流的形成必须同时具备三个条件：一是物质条件，即必须具有大量松散堆积物（泥、砂、石等）；二是汇流条件，即有足以将堆积物稀释成可流动半固态的高强度突发水源，也就是泥石流诱因，主要来源有暴雨、洪水、溃坝等；三是松散堆积物具备可流动的落差条件，地形坡度越大，泥石流造成的后果越严重。泥石流的最大流量一定程度上反映了泥石流形成松散堆积物的储量及高强度突发水源的输送能力，是泥石流区域桥涵工程以及排导工程设计的重要参数，泥石流中固体物质的总量是设计拦蓄构筑物的主要依据。根据泥石流的特点，一般可以将其分为形成区、流通区、沉积区三个区段，但有的泥石流三个区段不能明显区分。

据调查，金斗镇每年均有规模大小不同的泥石流发生，泥石流发生频率高，为高频泥石流发育区。其中，1996年8月金斗镇由于突降暴雨引发较大规模群发性泥石流灾害，主要发生在金斗镇红石村红石组、金斗村颜家院组两个村民组，冲毁民房6间，经济损失约8万元。2015年在受灾严重的红石村修建了泥石流导流槽；而在2017年6月29日，威宁县金斗镇日降雨量达200.7 mm，为有记录以来最大日降雨，导致金斗镇金斗河附近坡体大量垮塌及滑塌，进而形成泥石流，完全阻断县道X729交通，红石岩村泥石流翻过导流槽，冲毁部分房屋，泥石流导流槽部分损毁，村民在政府组织下疏散转移。

威围高速公路的泥石流区属暴雨沟谷型泥石流，其产生与沟域内松散固体物源储量及引发泥石流的暴雨情况相关。形成区在地形地貌上具备山高沟深，地形陡峻，沟床纵坡坡降较陡，流域形状便于水流汇集的特点，为泥石流的物源发育和水源发育提供了良好的地形地貌条件；形成区岩体破碎，坡面堆积层厚，堆积体、滑塌等不良地质条件发育，潜在松散固体物源十分丰富，为泥石流发生提供了充足物源。路线位于泥石流发育的流通区，由于坡面参与泥石流活动的松散固体物源易形成，加之暴雨强度大、泥石流表现较活跃，2017年6月29日出现了大型泥石流。现沟谷内堆积有大量块石、碎石及砂砾，同时，两侧山体坡积层仍然较厚，并且滑坡、崩塌广为出现，潜在松散固体物源十分丰富，因此，一旦遭遇暴雨、特别是大暴雨作用，势必将爆发泥石流，并且规模有可能进一步增大，将对沿线构筑物的安全造成极大的威胁。

3 泥石流汇流参数的分析计算

威围高速公路沿线的泥石流沟勘察成果表明，场区泥石流成分以玄武岩碎石、块石及砂砾为主，磨圆度较差，属水石型（稀性）泥石流。本文以2#泥石流冲沟为例进行动力流参数计算，2#泥石流冲沟泥石流堆积区，冲沟整体多弯曲，但路线附近较顺直，沟槽无阻塞、无回流，现场已设置导流槽，导流槽宽约6m、深约1.5m，部分导流槽已出现破损。线路为跨越2#泥石流冲沟设计了红石岩2号小桥。

2#泥石流冲沟泥石流动力学参数计算如下：

由于与路线相关的各泥石流冲沟汇流面积较小，本次计算采用雨洪法。假定泥石流与暴雨同频率、且同步发生，计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量。暴雨洪水设计流量分别采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]和中铁西南科学研究院谭炳炎推荐公式[6]计算。降雨强度按70 mm/h（2017年降雨量）和110 mm/h（极端气候降雨量），两种方法计算结果如下：

（1）暴雨洪水设计流量计算

①根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]计算暴雨洪水设计流量

采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]中汇水面积 ＜10 km2公式计算频率为 的暴雨洪水设计流量，其公式为：——（1）；

式中： —频率为 的暴雨洪水设计流量（m3/s）； 为径流系数，根据《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]表4， 取值0.86； 为设计暴雨雨力，即最大1小时设计雨量，也就是70 mm；D Equation.DSMT4  为流域汇水面积（km2）。

②根据中铁西南科学研究院谭炳炎推荐公式[6]计算暴雨洪水设计流量

采用中铁西南科学研究院谭炳炎教授推荐的计算公式（2）[6]，

——（2）；式中： —频率为 的小时最大降雨量（mm），2017年最大小时降雨量为70 mm，预测极端天气最大小时降雨量为110 mm； —产流系数，取值范围0.3～0.8，本文 取值0.6； —流域面积（km2）。

两种计算方法计算暴雨洪水设计流量结果如表1所示。

表1   暴雨洪水设计流量表

通过《贵州省暴雨洪计算实用手册》（修订版）[5]和中铁西南科学研究院谭炳炎推荐公式[6]计算比较，证明《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]各项参数选择合理、流量计算安全可靠。以下采用按照《贵州省暴雨洪水计算实用手册》（修订版）[5]计算的暴雨洪水设计流量对泥石流各动力参数进行计算。

（2）泥石流洪峰值流量计算

——（3）；式中： —频率为 的泥石流洪峰值流量（m3/s）； —泥石流泥砂修正系数， ；DSMT4  —泥石流堵塞系数值，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T0220-2006）[7]附录Ⅰ表Ⅰ.1， ； —泥石流重度（t/m3），取值1.64 t/m3； —清水的重度（t/m3），取值1 t/m3； —泥石流中固体物质比重（t/m3），取值2.65 t/m3。

泥石流洪峰值流量计算结果如表2所示。

表2   泥石流洪峰值流量表

（3）一次泥石流过程总量

根据泥石流历时 和最大流量 ，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成“五角形”状，计算通过断面一次泥石流过程总量 。根据调查取 为60分钟，分别采用公式（4）和（5）可获得金斗泥石流沟的一次泥石流总量 和一次泥石流冲出的固体物质总量 ，计算结果如表3所示。

——（4）；——（5）；

式中：ation.DSMT4  —一次泥石流过程总量（m3）；流域面积 ＜5km2， ； —泥石流历时（s）；本次取3600s ； —一次泥石流冲出固体物质总量（m3）。

表3   泥石流沟的一次泥石流总量和一次泥石流冲出的固体物质总量表

（4）泥石流流速计算

该泥石流属稀性泥石流，选用西南地区（铁二院）推荐公式（6）进行计算：

——（6）；式中： —泥石流断面平均流速（m/s）； 清水河床糙率系数，查桥涵水文手册[8]，本沟取12.9；泥石流泥砂修正系数 取0.63； —水力半径（m），一般可用平均水深 （m）代替；根据外业调查，本沟取1.5m； —泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替。根据公式（6）计算得到的泥石流断面平均流速ion.DSMT4  。

（5）泥石流整体冲压力

泥石流整体冲击力采用铁二院（成昆、东川两线）公式（7）计算：

——（7）；式中： —泥石流冲击压力（Pa）； —重力加速度（m/s

2），取9.8； —建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°），根据线路走向与泥石流流动方向的夹角确定，本沟为73°； —建筑物形状系数，矩形为1.33，圆形为1。根据公式（7）计算得到的泥石流冲击压力 。

（6）泥石流冲起高度

泥石流最大冲起高度为：——（8）；

（7）泥石流在爬高过程中由于受到沟床阻力的影响，其爬高 为：

——（9）；泥石流最大冲起高度及爬高计算结果如表4所示。

表4   泥石流最大冲起高度及爬高计算表

根据上述计算结果，取不利计算结果，雨强为70 mm/h暴雨洪水设计流量 =10.207 m3/s，泥石流洪峰值流量 =33.350 m3/s，一次泥石流过程总量 =24252.236 m3/s，一次泥石流冲出固体物质总量 =9406.928 m3/s；雨强为110 mm/h暴雨洪水设计流量uation.DSMT4  =17.111 m3/s，泥石流洪峰值流量 =55.907 m3/s，一次泥石流过程总量 =40655.243 m3/s，一次泥石流冲出固体物质总量 =15769.306 m3/s；泥石流断面平均流速 =5.39 m/s；泥石流冲击压力DSMT4  =61.92 kPa；泥石流最大冲起高度 =1.485 m；泥石流爬高 =2.375 m。桥面标高为1928.17 m，泥石流沟底标高为1915.37 m，在极端天气下，泥石流虽不能翻爬冲上桥面，但有冲击桥墩的可能，须对泥石流沟进行处治，现已设置有导流槽，但导流槽部位破损，建议对导流槽进行修补，并加强桥台防护措施。

4 桥涵设计及注意事项

泥石流地区一般宜选择在泥石流流通区沟口或流通区，这里沟槽深且稳定，可以一桥跨越。当需通过洪积扇时，则应逢沟设桥。设计在洪积扇上的桥梁孔径时，是否压缩河床应视河床特性、泥石流特性及危害情况等而定。黏性泥石流一般不宜压缩，对稀性泥石流可适当压缩。

为了防治泥石流灾害，我国专家学者通过长达半个多世纪的研究与工程实践经验，在“全面规划，突出重点，以防为主，防治结合”的原则上，建立了以稳、拦、排、停为主的工程防治措施，以护林、植草等为主的生物防治措施。泥石流防治工程方法可分为工程措施（如拦挡、防护、排导工程等）和生物措施（包括农业、林业、牧业等改善植被措施）。

在遇到泥石流地形选线时，首先是评估分析泥石流对铁路或公路工程的影响，若能在不增加太多工程量的基础上应优先选用绕避措施，减轻泥石流对交通工程的影响。若绕避代价大或者泥石流整治工程规模在可接受范围内，泥石流灾害工程防护措施有稳、拦、排、停等。固床稳坡措施主要包括谷坊单坝和谷坊坝群；拦挡措施主要有重力式实体坝和透过型坝（缝隙坝、格栅坝等）；排导措施主要有排导槽、渡槽和导流堤等；停淤场则是建于堆积区的被动拦蓄措施。

泥石流防治的生物措施是泥石流防治的重要组成部分，一般采用乔、灌、草等植物进行科学地配置营造，充分发挥其阻滞降水、保持水土、调节径流等功能，从而达到预防和制止泥石流发生或减小泥石流规模，减轻其危害程度的目的。生物措施一般需在泥石流沟的全流域实施。

本文中2#泥石沟由于受路线纵坡的影响采用了建筑高度较小的框架桥结构，结合地质条件在框架边墙底设置了两排摩擦桩。框架桥布置如图1所示。

图1 框架桥示意图

由于冲沟纵坡较陡，落差大，在框架桥的冲沟上游设置了阻挡坝、钢栏栅、沉积池等防治措施，并对冲刷严重地段沟岸进行了防护。泥石流防治措施如图2所示。

图2 泥石流防治措施示意图

5 结语

泥石流在西南地区分布较广，且各地的地质情况和发生规模也不同，因此泥石流沟的处理应根据冲沟的形式、水文地质情况确定合理的处理方法。除了根据泥石流沟设置桥涵工程，还应结合泥石流的具体情况采取必要的综合防治措施。

参考文献：

[1] 徐永利. 泥石流地区水文计算和桥涵设计[C]. 川藏铁路工程建造技术研讨会. 2019, 184-187.

[2] 何晓英. 浆体与级配颗粒组合条件下泥石流冲击特性试验研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2014.

[3] 王积忠. 公路跨越泥石流的桥涵孔径设计[J]. 青海交通科技, 2000, 1: 36+39.

[4] 郑彩平. 泥石流地段桥涵设计探讨[J]. 企业科技与发展月刊, 2013, 11: 99-101.

[5] 王继辉. 贵州省暴雨洪水计算实用手册（修订版）[S]. 贵州：贵州省水文总站，2004.

[6] 谭炳炎. 暴雨流量计算方法与步骤汇编[M]. 成都，2008.

[7] 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.

[8] 铁道部第三勘测设计院. 铁路工程设计技术手册：桥渡水文[M].北京：中国铁道出版社，1999.

第一作者兼通讯作者简介：黄树强（1972-），男，贵州遵义人，大学本科，高级工程师，从事桥梁工程设计工作。