典型泥石流區公路橋涵毀損調查分析及防治對策

袁猛,劉明,朱東東

(廣西交通設計集團有限公司,南寧 530029)

小江流域地處橫斷山東部邊緣地帶,受南北向貫穿全域的小江深大活動斷裂影響,巖體破碎,節理裂隙極為發育,溝谷深切,侵蝕強烈,是我國泥石流發育的典型區域,小江全長141.9 km,流域面積約3 043.4 km2,天然總落差約2 860 m,泥石流溝分布密度為37.8條/1 000 km2[1]。該流域現已查明的泥石流溝有140余條,主要分布在東川、會澤和尋甸等鄉鎮,溝域面積1 878.58 km2,占流域總面積的61.8%,素有“泥石流天然博物館”之稱[2]。由于流域內泥石流溝密度集中、活動頻繁、規模巨大,經常造成江河堵塞、公路淤埋或損毀。小橋和涵洞作為山區公路最重要排水構造物之一,公路中常修建合理形式小橋涵或通道橫穿路基,成為人流、物流、水流、管線及相交道路橫向跨越高速公路兩側的重要結構。2007年8月龍東格公路建成通車,取代209省道對外通車,建成后為二級公路,路基寬8.5 m,沿線經過多個大型泥石流溝,如遇雨季沿線不良地質頻發。2006年以來共發生交通事故1 554起,造成81人死亡,該公路被評為云南省“十大殺手”公路之一,特別是該公路上跨特大型泥石流大白泥溝、小白泥溝沖積扇,建成時橋下凈空20 m,2013年橋下凈空不足 10 m。公路養護隊需常年清理橋下泥渣,以避免淤積的泥沙使橋涵失去預留凈空高度而造成的地方公路使用年限縮短。例如東川支線鐵路沿小江斷裂帶,受泥石流災害影響,出現“橋淤改涵、涵滿改路、路淤改隧”的現象。近年來受極端天氣影響,大型洪流或泥石流也時有發生,2019年6月廣西百色地區特大強降雨,區域內公路上百處涵洞受損,主要表現為涵洞出口基礎被掏空、涵洞出口邊坡被沖刷、涵洞堵塞等毀損,如圖1所示。2020年6月,廣西田林縣利周瑤族鄉一帶普降暴雨持續3 h,造成國道357線多段路基被洪水沖刷、沖毀,路面坍塌。

圖1 涵洞毀損、淤埋

目前公路選線對泥石流的形成區、流通區、堆積區有一定的理論支撐依據[3],但對公路泥石流對路基、橋涵等結構物災害調查研究極少。本文選擇小江流域公路橋涵為研究對象,公路泥石流具有明顯的形成條件[4],通過調查小江區域內橋涵受災毀損特點和統計分析,總結了公路建設中橋涵調治經驗和防治措施,對廣西泥石流區公路橋涵、隧道建管養具有借鑒意義。

1 研究區概況

1.1 區域位置

小江流域位于滇東北高原是一條典型的深切割構造型河谷河流,系金沙江右岸一級支流,源于尋甸縣清水海,在東川區拖布卡鎮匯入金沙江,從大白河至小江口,沿線泥石流溝與小江(主骨架)呈葉脈狀。據統計,目前小江流域有122余條泥石流溝,屬泥石流發育典型區域。通過資料收集及野外調查,區域內泥石流溝密度分布詳見表1,泥石流溝數目多,分布廣泛。

表1 小江區域泥石流溝分布情況

1.2 工程地質條件

研究區域內工程地質平面圖如圖2所示,地貌屬云貴高原深切割高、中山峽谷類型,山地面積占流域面積的97.3%,山坡坡度一般為35°～45°。研究區位于南北向發育小江深大斷裂主控線上,小江及其支流流域內溝谷發育,侵蝕強烈,山高谷深,地形陡峭,起伏大,地應力集中,特別是從大白河至小江口海拔相對高差超1 300 m,河道比降14.2‰,橫剖面呈“V”形,流域內地層巖性主要為震旦系砂巖、頁巖、粉砂巖和白云巖。流域內表現為強烈的隆升運動,溝谷侵蝕異常強烈,著名的小江深大斷裂帶貫穿于流域中。此斷裂帶在水平方向上具有較強的扭動作用,在垂直方向上具有顯著的振蕩運動,使地層褶皺斷裂發育,侵蝕風化強烈,泥石流災害頻繁爆發[5]。流域內表現為強烈的隆升運動,溝谷侵蝕異常強烈,在地質構造運動作用下,地殼產生間歇性抬升,河流下切,滿足泥石流爆發所需地形條件,研究區新生代以來地震活動強烈,具有頻度高、烈度大特點。地質構造為泥石流爆發提供物源最重要因素之一。小江流域氣候和植被分布如圖3所示,流域受大氣環流影響,區域內表現出明顯高原干濕季節氣候特點,每年6月至9月多出現雷陣雨和暴雨,小江流域內表現出雨季降水占全年總降水量約88%。小江流域氣候具有干濕季分明和垂直氣候分帶明顯的特征,加上流域上游豐沛且集中的降水為泥石流活動和土壤侵蝕提供了條件。

1.滑坡及其編號;2.崩塌及其編號;3.不穩定斜坡及其編號;4.泥石流及其編號;5.斷層及其名稱;6.不良地質及地質災害范圍界線;7.物探剖面及編號;8.龍東格公路、S207會阿線圖2 研究區工程地質平面圖

圖3 小江流域氣候和植被分布

2 研究區橋涵毀損調查及分析

以小江流域內龍東格二級公路及S209會阿線阿旺鎮至綠茂鄉段公路為研究對象,現場調查路基涵洞水毀情況。新龍東格公路屬省重點二級公路,全長96.5 km,于2007年6月底建成通車。全線有大中小橋46座,共計3 529 m;涵洞292道,共計4 770 m。S 209阿旺鎮至綠茂鄉段約46 km,自通車以來,每年有10座以上橋涵被泥石流或洪流完全沖毀或淤埋,15處跨越泥石流溝的路面被淤埋1 m以上,公路管養部門清淤量達數百萬方。

2.1 新建龍東格公路橋涵調查及分析

龍東格公路K0+000～K96+500,沿線橋涵毀損現場調查情況見表2及圖4～圖7所示。

表2 龍東格公路橋涵毀損調查和原因

圖4 橋下及上游淤積

圖5 鋪底受沖刷

圖6 進口淤積和受掏蝕

圖7 出口被泥石流掏空

2.2 S209線橋涵調查及分析

S209會阿線沿線泥石流溝密布。會阿線調查了小江流域境內橋梁12座,涵洞123道。會阿線調查情況如表3及圖8～圖11所示。

表3 會阿線橋涵水毀調查和原因

圖8 涵洞被淤埋

圖9 涵基受沖刷下切嚴重

圖10 涵洞受掏蝕嚴重

圖11 進口沖刷和淤積嚴重

2.3 橋涵毀損統計及分析

本次調查包括橋梁58座,涵洞405個。經統計分析,區域內采用橋涵類型情況如圖12所示,蓋板涵損毀率達49%,拱涵損毀率達48%,涵洞損毀比例最大圓管涵達68%,現場很大部分的圓管涵使用不幾年受淤埋而被廢棄。涵洞水毀統計狀況如圖13所示,可以看出,S209涵洞毀損達到67%,比新建龍東格公路毀損率高22%。龍東格公路總體上沿泥石流堆積區布線,以公路橋和大型蓋板涵跨過泥石流溝,結構物受淤積、沖刷和掏蝕較多,而S209會阿線處于流通區運用箱涵和拱涵較多,受泥石流沖擊毀損較多。調查發現會阿線穿越溝渠的橋涵特別是涵洞毀損十分嚴重,其中圓管涵和小型箱涵淤積幾乎沖毀,而除橋外拱涵毀損率最低,且毀損程度也較低,泥石流區根據溝道情況可適當設置拱涵。

圖12 橋涵類型毀損比例

圖13 涵洞水毀統計圖

從圖14～圖17分析可知,龍東格公路和S209受泥石流危害最為嚴重,其次是滑坡,與現場調查相符。龍東格公路橋涵損毀原因主要受泥石流沖擊、沖刷、掏蝕、局部堵塞及淤積產生,其中沖刷和磨蝕最為嚴重,分別占32%和26%;S209橋涵毀損原因有受泥石流沖刷、掏蝕、局部堵塞及淤積產生的,其中沖刷和磨蝕最為嚴重,分別占33%和27%。

圖14 龍東格公路水毀統計

圖15 S209會阿線水毀統計

圖16 龍東格公路橋涵毀損統計

圖17 S209會阿線橋涵毀損統計

從上分析得出,泥石流災害對公路結構物危害大,主要以沖刷、磨蝕及局部淤積的形式出現。橋涵毀損主要是局部基礎部位(錐坡)和橋(涵)臺部位受掏蝕、沖刷、掏蝕、淤埋而產生破損。夏季降雨頻繁,暴雨型泥石流爆發后沖擊、沖刷和磨蝕等造成涵洞毀損,甚至公路中斷。

2.4 與非泥石流區橋涵毀損比較分析

與非泥石流區比較,泥石流區公路布線較低時,公路垮溝區橋涵常處于堆積扇區,易造成橋涵錐坡破損和涵洞、橋下淤積、堵塞,例如東川區內龍東格公路阿旺至東川段線位較低,以橋梁跨越大型泥石流溝如大白泥溝、小白泥溝、徐家小河等仍然易造成橋下凈空嚴重不足,造成淤積嚴重;布線較高時,起伏較大以橋涵跨越泥石流溝流通區,涵洞洞門及鋪底或錐坡沖刷嚴重,掏蝕痕跡較深,對橋墩、涵洞進出口及鋪底等設置耗能抗沖材料,減少泥石流沖刷和掏蝕作用。如S209會阿線布線較高,主要以小橋或涵洞通過泥石流溝流通區,洞門及鋪底沖刷嚴重,洞門和側墻掏蝕痕跡較深。以涵洞形式跨越泥石流流通區如黑水河易造成溝床整體抬升,甚至完全淤積堵塞涵洞,可設置泥石流隧道等減少泥石流對公路結構物直接沖刷、掏蝕或堵塞。

3 泥石流區公路防治措施

泥石流地區應以“預防為主,防治結合”為主要原則,在公路建設中,根據泥石流溝各區段選擇合適攔擋措施尤為重要,措施主要有攔砂壩、格柵壩、谷坊壩等防治結構。泥石流區“砂石化”現象是導致泥石流災害持續惡化的重要原因,生物措施對公路泥石流區泥石流治理取得積極效果。

3.1 攔擋工程防治措施

3.1.1 攔砂壩

攔砂壩作為一種修建在流通區上側以攔蓄山洪及泥石流中固體物質為主要目的的攔擋建筑物,適用于布置在泥石流形成區中下游或形成-流通區的銜接部位,主要起到護床固坡、攔砂節流等調控作用;此外攔砂壩還有固定溝床、泄洪、穩定溝坡及防止溝道下切的作用,對阻止泥石流直接沖擊路基、涵洞、橋墩及隧道等交通設施作用甚大。公路跨越泥石流溝道,攔砂壩寬度、高度等結構尺寸及壩址位置及還需有效防止泥石流對下游涵洞、橋墩公路結構物沖擊、沖刷和掏蝕而設置,宜選在公路上游泥石流溝流通區口狹肚寬、支溝匯口地基承載力較好的部位。

3.1.2 格柵壩

格柵壩是洪流或稀性泥石流溝常用攔擋形式之一,具有攔石泄水效果好、結構簡單、施工周期短、節省造價且運營維護方便等優點,達到水土分離的效果,同時其對溝道兩側穩定性要求較高,選址甚為關鍵。按結構受力分類,可分為平面型格柵壩和立體型格柵壩,平面型一般用于中小規模稀性泥石流溝,立體型格柵壩受力整體性強,承載力和抗沖擊力比平面型好,能有效攔截泥石流中較大塊石。

3.1.3 谷坊群

谷坊工程布置一般由2～5級谷坊壩構成谷坊群,前谷坊回淤直至后谷坊腳,較低矮,功能以回淤壓腳防沖刷揭底固床護坡為主,作為高度較低的小型壩工建筑物,主要常用于公路沿線上游泥石流形成區中具有固床攔擋結構之一。谷坊壩個數和泥石流溝形成區域緊密相關,采用階梯型谷坊群能起到逐級消能作用,在泥石流區運用也比較多。

3.2 泥石流區生物防治措施

小江流域早在唐代時期,山林茂密,綠蔭蔥蔥,隨著區域內煉銅致使原始森林砍伐殆盡,另外林地也在向耕地的轉化,暴雨過后溝壑遍布山間,逐漸出現泥石流區“砂石化”現象。以大橋河為例,經40多年在流域的山上種樹后流域植被增加36%,流域物源減少18.98×106m3,泥石流防治取得很好的效果,生物防治可以增加植被覆蓋率,減少地表侵蝕量,有效減緩泥石流爆發。因地制宜通過保護環境和植樹造林可以扼制區域泥石流的惡性發展,減輕泥石流災害損失。泥石流區修建公路、攔擋結構的同時應加強生物治理和水土保持措施,改善和恢復生態環境,在公路沿線不同緯度內種植相適宜的樹種,切實解決育林造林與工程開發利用之間的矛盾。

3.3 攔擋工程與生物治理結合防治措施

小江流域泥石流溝綜合治理以單條泥石流溝為突破口,統籌安排泥石流溝上中下游防治措施。以公路泥石流溝道“穩、攔、排”結合防治原則,“穩”就是用生物措施穩住物源,按照山上陡坡封禁修復生態,緩坡植樹造林種草;“攔”就是因地制宜在泥石流溝中設置攔擋設施,目前東川區域內已建成泥石流攔沙壩113座,攔蓄和穩定泥沙3.6×108m3;“排”就是控制攔不完的泥石沙,設置橋梁、涵洞或泥石流隧道的措施順利排走泥沙,減少災害。小江流域內大橋河、蔣家溝、大橋河、石羊溝等28條泥石流溝采用了攔擋與生物治理綜合防治措施,取得良好的治理效果,攔擋工程治理與生物治理相結合、治理與開發相結合充分體現了人與自然和諧共生的現代化發展理念。

4 結語及建議

通過對小江流域龍東格公路和S209會阿線橋涵調查、統計分析,得出典型泥石流區橋涵的毀損特征及毀損原因。泥石流區生物治理和防治結構物的設置是一個系統工程,需要綜合考慮泥石流的物源、規模、沖刷程度等多項因素。攔擋工程與生物治理相結合、治理與開發相結合是治理泥石流溝重點考慮的綜合防治方法。