黄 锋 文俊超
四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017
摘要：宜宾至攀枝花高速公路王家屋基1号大桥从三飞沟泥石流形成流通区下游通过，为分析评价其对高速公路拟建桥梁的影响，从泥石流沟的形成条件、发育特征入手，对三飞沟泥石流流域进行了详细的工程地质调查和访问，查明了泥石流沟流域内的松散固体物源分布特征及泥石流的形成机制和影响因素。根据现场调查资料结合试验，对泥石流的性质、运动参数等进行了详细的分析计算，通过计算三飞沟泥石流的流速、流量、冲击力及爬高和冲高等，结合泥石流的易发性和发展趋势，对泥石流对拟建桥梁的影响作了详细分析评价，为工程区内类似条件下的泥石流勘察设计提供了重要支持。
关键词：泥石流；松散固体物源；冲击力；易发性
0 引 言
宜宾至攀枝花高速公路是国家高速公路网中西昌-攀枝花高速公路和宜宾-昭通在四川境内的重要直接沟通联系，其建设对于构建西部综合交通枢纽具有重要意义。该高速公路从宜宾市沿金沙江而上，经过宜宾新市镇，进入凉山州金阳、宁南，最后到达攀枝花市区，其中金宁段路线走廊带主要沿金沙江干热河谷展线，路线穿越多条泥石流沟，本文研究的三飞沟即是其中较为典型的一条干热河谷区泥石流。
1 三飞沟泥石流形成条件
1.1 地形地貌条件
三飞沟流域内地形地貌主要为构造剥蚀高中山地貌，整体地势呈北高南低，最高点为北端分水岭，最低点位于三飞沟与金沙江交汇处，流域面积46.5km2，主沟沟道长约11.01km，相对高差2263m，沟床总体纵坡较大，平均比降约为203‰，两侧斜坡坡度较陡，一般在40°～60°，局部为陡崖地貌。
1.2 固体物源条件
三飞沟沟域内的松散固体物源主要分布于形成流通区中上游，分布范围较广，物源类型主要包括沟道堆积物源、崩滑堆积物源、弃渣堆积物源、坡面侵蚀物源、滑坡物源、潜在不稳定斜坡物源和泥石流堆积物源共7类。
1.3 水源条件
研究区多年平均降水量586.3～851.2mm，主要集中在雨季4～10月，占全年的90.37～96.55%。夏季区内常发生局地暴雨，易发生山洪、滑坡、泥石流灾害。根据当地气象资料记载，泥石流沟流域内暴雨多集中在6、7、8月，最大一日降雨量可达100mm。经计算，研究区内的暴雨强度指标R=6.12，参照《泥石流灾害防治工程勘查规范》附录B的暴雨强度指标分析判别标准，R＞3.1，为可能发生泥石流的雨情，且R=4.2～10，发生机率0.2～0.8。因此，研究区内雨量充沛，由于降雨而诱发泥石流灾害的水源条件是充分的。
3 三飞沟泥石流发育特征
2.1 泥石流沟历史活动特征
三飞沟于上世纪90年代发生过一次大规模泥石流，最近一次较大规模泥石流发生于2008年8月，由于当时兴建乡村公路，大量弃渣、弃土直接倾倒至沟谷内，加之不科学的开挖，导致区内斜坡前缘临空严重，滑坡破坏时有发生，受暴雨影响，诱发了泥石流灾害。根据现场调查访问，当时泥石流为呈稠浆状的稀性泥石流，持续时间约1小时，未造成人员伤亡。其余年间每逢雨季该沟都以小型水石流或暴雨洪水为主，冲出的固体物质大多直接进入金沙江，部分堆积于沟口。
2.2 泥石流各区段冲淤特征
三飞沟泥石流沟各段分区明显，清水区的沟床纵比降较大（平均约490.2‰），两岸谷坡地形较陡，沟底及两侧斜坡可见大部分基岩裸露，冲淤特征表现为冲刷为主。形成流通区沟道纵比稍有变缓（平均约129.6‰），松散固体物源较丰富，由于沟道宽窄不均，总体呈串珠状，当沟道变窄或沟坡较陡时，泥石流运动特征以下切侵蚀为主，在该区域的流量不断增加；当局部沟段跌坎发育或沟坡变缓变宽时，泥石流中部分较大的颗粒则在此段消能淤积，总的来说，形成流通区冲淤特征表现为冲淤平衡。沟口段地形相对宽缓（平均坡比约106‰），泥石流在该段泥深变浅，流速降低，其中的固体物质主要在该段淤积，且由于溪洛渡电站蓄水后，将淹没沟口堆积区，使该区整体位于沟域侵蚀基准面以下，故堆积区是以淤积为主。
2.3 泥石流堆积物特征
泥石流勘察过程中对三飞沟沟道堆积物进行了颗粒级配试验，试验结果表明泥石流的颗粒级配关系反应了不同沟段位置的水动力条件和冲淤特征，主要表现在以下几个方面：
（1）所有试验成果均反应出其土石比较小，说明三飞沟泥石流沟域总体上水源丰富，水动力条件强大，正是由于在强大的水动力条件下，细小颗粒大部分被洪水带走，而将粗颗粒物质留于沟道内所致。
（2）不同沟段试验成果的差异也反映了不同沟段水动力条件的差异和冲淤特征。如三飞沟泥石流沟上游段沟谷纵比降相对较大，且冲淤特征表现为以冲刷为主，因而该处的土石比均较低。
（3）由于沟域内沟道堆积物总体上土石比较低，其颗粒级配特征表现为大部分集中于5～ 200区间，而粒径＜2mm的砂粒和粉、粘粒含量普遍较低，因而粒径为2～5mm的颗粒含量往往可更好的标识其水动力条件和冲淤特征。
（4）这种颗粒级配反映的沟床冲淤特征是沟床经过地质历史时期长期积累的平均效应， 其冲淤变化是相对的，如主沟下游段总体上体现出以淤为主的特点，但如果发生大规模泥石流时，沟道的冲淤变化也可能转变成以冲刷为主的特点。
2.4 泥石流类型、规模及频次
三飞沟从上世纪90年代至今共发生过两次较大规模的泥石流，均为稀性泥石流，两次泥石流间隔时间不足20年，其余年间每逢雨季都以小型水石流或暴雨洪水为主。因此，从泥石流的爆发频率来看，三飞沟泥石流属中频泥石流。
根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）5.1节规定以及现场调查情况，三飞沟泥石流按水源成因分类，属于暴雨（降雨）泥石流；按集水区地貌特征分类，属于沟谷型泥石流；按泥石流物质组成分类，属于泥石型泥石流；按流体性质分类，属于稀性泥石流；按泥石流一次性暴发规模分类，属于大型。
2.5 泥石流的成因机制和引发因素
泥石流是在一定的气象水文、地质构造、地形地貌等条件下形成和发展的，这些条件之间都有密切的关系，并且相互作用才促成泥石流的形成和发展。
三飞沟泥石流为沟谷型泥石流，受构造及地震的影响，两侧岸坡的松散物质失稳而大量堆积于沟道内。在暴雨作用下，汇流过程将坡面松散物质携带进入沟道，在顺沟而下的过程中，通过冲刷、揭底方式卷动沟道内松散物质，以滚雪球的方式向下游运动，从而形成泥石流，并使得泥石流规模不断增大。
从上述分析来看，三飞沟流域的固体物质、水源条件和地形条件，都有利于泥石流的发生和活动，但泥石流发生与否及其规模大小，主要取决于降雨量和降雨强度，其次为人类工程活动的强度及强地震等。
3 泥石流的特征参数计算
由于缺乏三飞沟泥石流监测资料，基本特征值的计算主要参照和利用野外调查和访问获取的泥位、沟道断面特征等进行，计算指标有：泥石流流体重度、流速、流量、一次冲出量、一次固体冲出物质总量等常规指标，还结合拟建工程部位特点，对拟设桥梁部位泥石流整体冲压力、爬高和最大冲起高度等进行计算和校核。
3.1 泥石流流体重度计算
根据上世纪90年代爆发泥石流的性状，通过对三飞沟泥石流进行配浆试验，计算获得三飞沟泥石流的重度为1.452～1.613t/m3。按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006）附录G进行易发程度评分，查表确定泥石流重度γC=1.572t/m3。鉴于调配法只能对已发生过的泥石流进行测定，测定结构只能代表当时一次泥石流发生的结果，且测定结果可能存在一定误差；而查表法是在现状调查基础上带预测性的重度值结果，其只能从宏观上对流域范围进行推测，因此综合考虑采取两种方法的平均值γC=1.563t/m3作为三飞沟泥石流流体重度。
3.2 泥石流流速计算
泥石流运动速度是泥石流的重要运动参数，迄今为止，国内外相关的研究者建立的理论公式、经验公式以及半理论半经验公式有数十种。本文按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DZ/T 0220-2006），稀性泥石流采用西南地区（铁二院）公式：
式中：Vc —泥石流断面平均流速（m/s）；
—清水河床糙率系数，可查水文手册；
—泥沙修正系数；
R —水利半径（m），一般可采用平均水深H（m）代替；
I —泥石流水力坡度（‰），一般可用沟床纵坡代替。
按上述公式计算得到的三飞沟泥石流不同频率下各断面的泥石流流速详见表1。
表1 三飞沟泥石流流速计算结果
位置 计算频率P（%） 清水流量（m3/s） 泥石流重度γc（t/m3） 泥石流峰值流量（m3/s） 泥石流纵坡（‰） 糙率系数1/n 平均流速Vc（m/s） 泥位（m）
拟建桥位 1 205.75 1.563 478.55 0.106 10 4.36 3.05
2 181.16 1.563 421.36 0.106 10 4.15 2.82
5 149.23 1.563 347.10 0.106 10 3.84 2.51
10 124.70 1.563 290.04 0.106 10 3.57 2.26
沟口 1 206.11 1.563 479.39 0.106 10 3.99 2.67
2 181.48 1.563 422.11 0.106 10 3.80 2.47
5 149.50 1.563 347.72 0.106 10 3.51 2.20
10 124.92 1.563 290.56 0.106 10 3.27 1.98
3.3 泥石流流量计算
泥石流洪峰最大流量计算目前主要有两种方法，雨洪法和形态调查法。形态调查法的原理相对直观简单，雨洪法则根据现有流域面积、沟道坡降和设计频率进行计算，具有预测性。因此，本次泥石流峰值流量计算采用雨洪法进行计算。
（1）暴雨洪峰流量计算
由于无实测的洪峰流量资料，不能用数理统计的方法计算设计洪峰流量，故采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》（1984年版）推荐的推理公式计算暴雨洪峰流量，计算公式为：
式中：—最大洪峰流量（m3/s）；
φ —洪峰径流系数；
I —最大平均暴雨强度（mm/h）；
S —暴雨雨力，即最大1小时暴雨量（mm/h）；
N —暴雨公式指数；
F —积水面积（km2）；
L —自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度（km）；
J —沿L的河道平均坡度；
τ —流域汇流时间（h）；
τ0 —当ψ=1的流域汇流时间（h）；
τc —产流历时（h）；
μ —产流参数（mm/h）；
m —汇流参数。
根据上式计算三飞沟泥石流暴雨洪峰流量Qp，计算结果详见表2。
（2）泥石流峰值流量计算
式中：—泥石流断面峰值流量（m3/s）；
φ—泥沙修正系数，采用计算法得到结果；
Dc—堵塞系数，据现场调查，沟槽较顺直，卡口或陡坎不多，形成区分布范围广且不太集中，河床堵塞情况一般，故堵塞系数取1.5。
根据上式计算三飞沟泥石流不同频率下的泥石流峰值流量结果详见表3。
表2 设计洪峰流量计算成果表
断面位置 汇水面积F（km2） 主河道长度L(km) 坡率
j 暴雨洪峰流量（m3/s）
P=1% P=2% P=5% P=10%
拟建桥位 46.4 10.87 0.204 205.75 181.16 149.23 124.70
沟口 46.5 11.01 0.203 206.11 181.48 149.50 124.92
表3 泥石流峰值流量计算成果表
断面位置 泥石流重度γc（t/m3） 泥沙修正系数φ 堵塞系数DC 泥石流峰值流量（m3/s）
P=1% P=2% P=5% P=10%
拟建桥位 1.563 0.55 1.5 478.55 421.36 347.10 290.04
沟口 1.563 0.55 1.5 479.39 422.11 347.72 290.56
3.4 泥石流冲击力计算
3.4.1 泥石流整体冲压力
泥石流整体冲压力本身不仅反映了泥石流的动力学性质和流体结构，而且对防治泥石流工程具有实际意义。本文按《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）I.17式计算，计算公式如下：
式中：δ—泥石流冲压力（Kpa）；
λ—建筑物形状系数，取圆形建筑物λ=1；
γc—泥石流重度（t/m3）；
Vc—泥石流平均流速（m/s）；
Α —建筑物受力面与泥石流冲压力方向的夹角（°）。
按上述公式计算得到的三飞沟泥石流整体冲压力值详见表4。
3.4.2 泥石流体中块石冲击力
泥石流块石冲击力较水流冲压力大得多，在泥石流治理设计中，应将块石冲击力作为桥墩结构设计的主要荷载之一，对墩的冲击力按《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录Ⅰ提供的计算公式计算，计算公式如下：
式中：F—对墩的冲击力（kn）；
r—动能折减系数，巨石正面冲击取0.3；
a—受力面与泥石撞击面接触角；
C1、C2—巨石与建筑物的弹性变形系数，C1+C2=0.005；
W—巨块石重量（t）；
Vc—泥石流流速（m/s）。
根据现场调查，现物源中最大块石粒径约为1.5×2.0×2.0，泥石流块石对桥墩的冲击力见表5。
表4 三飞沟泥石流整体冲压力计算结果
位置 计算频率P（%） 建筑物形状系数λ 泥石流重度γc（t/m3） 泥石流流速Vc（m/s） 建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角α（°） 泥石流体整体冲压力P（kPa）
拟建桥梁 1 1 1.563 4.36 90 30.56
2 1 1.563 4.15 90 27.60
5 1 1.563 3.84 90 23.63
10 1 1.563 3.57 90 20.47
沟口 1 1 1.563 3.99 90 25.60
2 1 1.563 3.80 90 23.12
5 1 1.563 3.51 90 19.80
10 1 1.563 3.27 90 17.15
表5 三飞沟泥石流块石对桥墩冲击力计算结果
位置 计算频率P（%） 动能折减系数r 泥石流流速Vc（m/s） 建筑物受力面与泥石流冲压力方向夹角α（°） 石块重量W（t） 巨石、桥墩弹性变形系数C1+C2 冲击力F（kN）
拟建桥梁 1 0.3 4.36 90 15.60 0.005 4083.98
2 0.3 4.15 90 15.60 0.005 3881.29
5 0.3 3.84 90 15.60 0.005 3591.67
10 0.3 3.57 90 15.60 0.005 3342.71
沟口 1 0.3 3.99 90 15.60 0.005 3737.89
2 0.3 3.80 90 15.60 0.005 3552.39
5 0.3 3.51 90 15.60 0.005 3287.31
10 0.3 3.27 90 15.60 0.005 3059.45
表6 三飞沟泥石流爬高和冲起高度计算结果
位置 计算频率P（%） 泥石流流速Vc（m/s） 爬高ΔH（m） 最大冲起高度ΔH（m）
拟建桥梁 1 4.36 1.55 0.97
2 4.15 1.40 0.88
5 3.84 1.20 0.75
10 3.57 1.04 0.65
沟口 1 3.99 1.30 0.81
2 3.80 1.18 0.73
5 3.51 1.01 0.63
10 3.27 0.87 0.55
3.5 泥石流爬高和最大冲起高度
泥石流遇反坡，由于惯性作用，将沿直线前进的现象称为爬高；泥石流遇阻，其动能瞬间转化为势能，撞击处使泥浆及包裹的石块飞溅起来，称为泥石流的冲起。泥石流爬高和最大冲起高度按照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录Ⅰ提供的如下公式进行计算：
泥石流爬高：
最大冲起高度：
式中：Vc—泥石流平均流速（m/s）；
B —泥石流迎面坡度的函数。
按上述公式计算得到的三飞沟泥石流爬高和最大冲起高度详见表6。
4 泥石流发展趋势及对桥梁的影响
4.1 泥石流易发程度分析与评价
三飞沟泥石流为暴雨型沟谷型泥石流。根据泥石流沟域基本特征和参数，参照《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T0220-2006）附录G“泥石流沟的数量化综合评判及易发程度等级标准”，三飞沟泥石流易发程度综合评分为83分，综合判断其泥石流易发程度属轻度易发。
4.2 泥石流发展趋势预测
三飞沟泥石流流域内存在丰富的松散固体物源，谷坡岩体风化强烈，土质结构松散，经调查松散固体物源主要包括沟道物源、崩滑堆积物源、弃渣物源、坡面侵蚀物源、滑坡物源、潜在不稳定斜坡物源、泥石流堆积物源等，流域内松散固体物源总量约293.33×104m3，经初步估算可参与形成泥石流的动储量约为58.9×104m3，为泥石流的爆发提供了丰富的物源条件；流域内山形较陡，形成流通区地表植被覆盖较差，沟床纵坡比较大，亦为泥石流的形成提供了有利的地形地貌条件；此外，区内雨量充沛，暴雨强度指标R=6.12＞3.1，为可能发生泥石流的雨情，故该沟具备泥石流爆发的物源、地形及水源条件，属于轻度易发泥石流沟。根据该泥石流沟的活动历史及现状分析，初步推断当暴雨强度达到15mm/h（区内小时界限雨值）以上或持续暴雨时间超过6h时，该沟爆发泥石流的可能性大。一旦降雨量过大激发泥石流，将对形成流通区下游的拟建王家屋基1号大桥构成威胁。
4.3 泥石流对拟建工程影响评价
根据路线设计方案，王家屋基1号大桥拟于泥石流沟的形成流通区下游通过，针对设计方案就该泥石流对拟建桥梁工程的影响进行分析评价如下：
（1）三飞沟泥石流流域内可参与形成泥石流的固体物源动储量约为58.9×104m3，设计桥位处百年一遇的泥石流峰值流量约为478.55m3/s，流速为4.36m/s，泥石流过流断面面积约109.8m2，高速公路过沟桥涵断面面积约为1500m2，故拟建高速公路过沟桥涵断面完全能够满足泥石流过流要求，三飞沟泥石流对该段高速公路拟建王家屋基1号大桥的影响不大。
（2）通过计算设计桥位处泥石流冲击力可知，百年一遇的泥石流流体冲压力为30.56kPa，泥石流中巨石对桥墩的冲击力为4083.98kN；通过计算分析三飞沟泥石流的爬高可知，泥石流爬高为1.55m，最大冲起高度为0.97m。三飞沟泥石流的爬高和最大冲起高度均远小于桥面净空高度，对拟建桥梁的影响不大，但巨石冲击力较大，对拟建桥梁的桥墩稳定性影响大。
5 结 语
三飞沟泥石流属干热河谷地区沟谷型泥石流，流域内松散固体物源较丰富，其中可参与泥石流活动的动储量约为58.9×104m3，现状条件下三飞沟泥石流易发程度属轻度易发，初步推断沟域内暴雨强度达到15mm/h以上或持续暴雨时间超过6h时，该沟爆发泥石流的可能性大。一旦降雨量过大激发泥石流灾害，将对形成流通区下游的拟建王家屋基1号大桥桥墩构成威胁，尤其是巨石对桥墩的强大冲击作用，将直接影响拟建桥梁的安全稳定。因此，基于桥梁的长期运营安全稳定考虑，建议尽量不在沟中铺设桥墩，如铺设桥墩应从结构上考虑泥石流流体及泥石流中巨石对桥墩的冲击影响，并加强桥墩的防撞工程设计。此外，建议公路建设的弃土、弃渣禁止随意倾倒至三飞沟内，以避免诱发工程泥石流灾害。
参考文献
[1]DZ／T 0220-2006,泥石流灾害防治工程勘查规范[Ｓ].中华人民共和国国土资源部,2006.
[2]陈洪凯,等.公路泥石流[Ｍ].北京:人民交通出版社,2004.
[3]陈洪凯,唐红梅,等.公路特大型泥石流研究及防治新理念[J].公路,2004,2:77-103.
[4]陈洪凯,唐红梅,等.公路泥石流力学[Ｍ].北京:科学出版社,2007.
[5]李九乾.雅西高速公路拖别沟泥石流发育特征[J].资源环境与工程,2009,23(专刊):97-101.
[6]吴斌,许建杰.雅泸高速公路舍克尼罗沟泥石流特征研究及其治理实践[J].公路交通科技(应用技术版), 2011, 000(008):13-16.