浅谈西藏地区泥石流路段桥涵设计

浅谈西藏地区泥石流路段桥涵设计

刘燕如胡波涛

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075）

【摘要】通过分析国道216线吉隆县城至热索桥段公路恢复重建工程项目区域内的泥石流灾害的分布情况和性质特点，结合项目典型泥石流灾害治理工程,对泥石流路段桥涵设置和设计细节进行了详细论述。

【关键词】泥石流；桥涵；设计

【中图分类号】U442【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）08-0001-03

引言

泥石流是暴发在山区的饱含泥沙石的特殊性洪流，属于自然泄洪过程中剥蚀地表松散堆积物并搬运、堆积的过程，具有暴发突然、持续时间短暂、运动快速、破坏力大等特点。泥石流的形成需要具备三个条件：陡峻的地形、丰富的松散固体物质和激发的大量水源。西藏地区位于青藏高原的腹地，地质构造运动强烈，高山峡谷地形陡峻，河谷区的强降水及夏季冰雪融水，为泥石流的发育提供了充分的条件。该地区泥石流活动频繁，广泛分布、类型多样、危害严重，经常冲毁路基，堵塞桥涵，导致交通中断，造成巨大的经济损失。本文通过国道216线吉隆县城至热索桥段公路恢复重建工程项目的桥涵设计，谈谈泥石流路段桥涵设计的体会，供大家交流学习。

1.项目简介

国道216线吉隆县城至热索桥段公路地处喜马拉雅山脉南坡的高山河谷、高山峡谷区。沿线山体受强烈的构造运动、风化及雨水冲刷影响，常产生崩塌、碎落、滚石等病害，加之地表汇水，在山体坡脚及冲沟两侧残留大量碎砾石，这为泥石流的发育提供了丰富的松散堆积物。高陡的地形、强烈集中的降雨，使泥石流流量大、能量大，冲蚀破坏力显著，在爆发时，向吉隆藏布排泄，沿途地势陡降、基本无阻挡，于山前开阔地段形成高而厚的泥石流堆积扇。受6～9月份集中降雨影响，沿线形成多处泥石流病害，均为中小型水石流，发生频率为一年一次或多次，掩埋和冲刷公路、堵塞涵洞和边沟。根据现场调查，沿线泥石流灾害共计47处，危害公路长度3733m，以稀性、水石流为主，按照成因分为冰川型、雨洪型两种。该路段泥石流按流域的形态特征可分为山坡型、沟谷型、混合型，以稀性的水石流为主。

2.泥石流路段桥涵设计

泥石流流域从上游到下游，具有三个区段即形成区（固体物质和水源的供给区）、流通区（坡陡顺直的峡谷沟槽）和沉积区（泥石流沟口下游的平缓地带，呈扇形和锥形堆积，沉积区的大小反映了泥石流规模的大小）。结合泥石流规模和泥石流各区段特点，泥石流路段桥涵设计应注意以下几点：

（1）路线和桥位选择应避免通过破坏力大的泥石流，尽量采用绕避方案。取改走跨越大河对岸的方案或另选方案等[1]。

（2）桥位选择：路线从流通区通过时，桥位应选在沟床稳定、冲淤基本平衡的流通区沟口，该处流向顺直处，桥轴线尽量做到与主流正交；不应选在沟床纵坡由陡变缓、断面扩大的易于淤积处或弯道的转折处。路线从泥石流洪积扇通过时，桥位应选在洪积扇尾部，而不是扇腰或扇顶部位；路线从泥石流洪积扇群通过时，宜在各沟口设桥或各扇缘设桥。

（3）桥梁孔径设计：设计跨越泥石流沟的桥梁孔径，除考虑其流量外，还应按其所在的区段，结合泥石流沟床特征，泥石流特性、危害程度及其发展变化的规律，综合考虑确定。

①桥位位于流通区时，孔径不应压缩沟床或在沟中设墩，宜一桥跨越。

②设计在泥石流流通区和沉积区之间的过渡段跨越的桥梁时，桥孔允许压缩部分河床。河床被压缩后，须修建必要的调治工程，以稳定流路和减少河床淤积。

③桥梁跨越泥石流堆积区时，桥孔长度应超出泥石流的主要活动范围。如为粘性泥石流，桥孔不宜压缩；若为稀性泥石流，在增设导流构造物的前提下，可适当压缩10～20%。

（4）桥下净空：作为泥石流地区桥梁设计的主要控制条件，设计时把握的总体原则是宁高勿低，应充分考虑设计流量时的泥石流深、设计使用期内的淤积总高度及弯道超高等因素。

（5）桥梁基础埋深。泥石流对桥梁主要危害是冲击与淤积，对桥梁墩台及基础冲刷也很强烈。通常根据实地观测、调查访问资料作为设计依据，综合分析计算，确定最大冲刷深度，保证基础埋深。

（6）慎用涵洞跨越泥石流[2]。涵洞跨径一般不超过4m，因此排导泥石流的能力有限，容易被堵塞和淤埋。在活跃的泥石流洪积扇上应禁止设置涵洞，一般情况也应避免采用。在下述情况下可考虑采用涵洞：①泥石流沟槽上游已经设置了功能较好的拦挡坝，基本可以拦截全部固体物质，仅剩水流通过；②泥石流的规模比较小，固体物质的含量较少，且不含大粒径的卵漂石，纵坡陡峻且沟槽稳定。

（7）涵洞设计的注意事项：宜采用大跨径单孔盖板涵，且选用的跨径应宁大勿小，且为便于机械养护清淤，一般不应小于2m。涵洞净空在路基高度容许范围内宁高勿低，至少要考虑能够存储一年的淤积量；涵洞进出口排导设施应与上、下游沟槽顺直衔接。

（8）桥涵底坡及铺砌设计：为避免桥梁墩台基础遭受冲刷，桥下应增设铺砌，且桥涵底及进出口铺砌应加厚处理，建议采用C20素混凝土或片石混凝土，且厚度按不小于60cm考虑。桥涵底铺砌纵坡宜与自然沟道或上下游排导设施纵坡一致。

3.典型泥石流灾害治理工程

3.1K32+173～K32+360段泥石流

3.1.1工程概况

泥石流沟道位于公路左侧斜坡上，沟道两侧为崩坡积碎石土，原岩为风化破碎灰岩。表层风化破碎灰岩和崩坡积体是泥石流固体物质主要来源，沟道上陡下缓，上窄下宽，出口段呈喇叭状，最宽处宽约100m。该泥石流属雨洪型沟谷稀性泥石流，每年暴发约1～2次，处于活跃期。出口段喇叭状沟谷及公路右侧吉隆藏布约75m宽河滩为堆积区，由于下游纵坡较小，泥石流固体物质多年淤积，堆积厚度高出路面3～5m，总体方量约20000m3。公路从堆积区穿过，影响道路长度为127m。

图1沟道形态特征

3.1.2泥石流计算参数

（1）流态

该泥石流的流态具有爆发量大，运动快速的特点，强降雨后，洪水携带大量泥沙碎石，在沟内快速流动，带动沟底块石滚动，流体对沟床底蚀及两岸侧蚀较强，为稀性泥石流。但当泥石流到达下游时，坡度陡然变缓，沟道变宽，流速下降，泥石流物质会逐渐沉降淤积，冲上公路，阻塞交通。但由于公路距吉隆藏布河道尚有75m宽的河滩，坡度更加平缓，泥石流物质很难一次完全冲入江中，大部分将会在堆积区堆积下来。

（2）容重

该泥石流发生时无实际观测容重，通过调查泥石流的堆积特征，因固体松散物质补给以沟道两侧堆积物为主。由于夏季降水强度大，因此泥石流暴发较快，泥石流中固体颗粒与水的体积比略小于4:6，按体积比法，概略计算出该沟谷泥石流的容重：

泥石流平均流速为：VC=1.45m/s。

由于该泥石流沟地形条件复杂，沟道比降较大，所以不同区段泥石流的流速差异较大，依据计算及前期调查结果，流域内泥石流流速一般介于1.0～2.0m/s之间。

（4）流量

泥石流爆发频率大致每年1～2次，泥石流在沟道内多处见有泥迹，实测一个断面，其泥深分别为1.28m。据实际量测的沟道横断面，计算沟道内泥石流流量：

QC＝WCVC

QC——泥石流流量，m3/s；

WC——泥石流横断面面积，m2；

VC——泥石流流速，m/s

经计算：该泥石流的平均流量为13.1m3/s。

通过实际调查访问及往年降雨分析，设坝处的过流断面为5年一遇泥石流流量断面QC=13.1m3/s，根据泥石流一般的模比系数，换算成50年一遇泥石流流量43.8m3/s。

3.1.3泥石流治理工程设计

该处泥石流上游沟道纵坡较大，达到51%及以上，具有较大的冲击势能和冲击速度，下游沟道纵坡变小，坡率为17.6%，且沟道变宽，沟口至吉隆藏布江边，地形坡降进一步变小，泥石流流速变缓，物质很容易在堆积区内堆积下来，排导比较困难，故考虑以拦挡为主。本次主要在泥石流下游沟道设置三道拦挡坝，使泥石流物质尽量堆积在坝前沟道内，并在距出口最近一道坝处设置泥石流排导槽，与公路路基涵洞连接，使泥石流从涵洞排出，以保证路基稳定。拦挡坝按50年一遇的泥石流暴发频率设计，P=2％。

涵洞孔径的选择：按照涵洞水力特征表，涵洞的排导能力Q需大于50年一遇泥石流流量43.8m3/s，结合沟宽，选择1-4×4m涵洞。由于涵洞进口处泥石流沟道的坡度较大，且与原有公路高差大，为使涵洞进口与沟道顺接，抬高路基高度3m，设置跨径4m，净高4m的盖板涵，涵洞进出口及涵底纵坡为10%，涵身及铺砌均采用C25混凝土浇筑，铺砌厚度0.6m。涵洞进口接上游排导槽，出口设置62m长排导槽，使泥石流顺利排导至吉隆藏布。水力特征表和排导槽形式如下：

图2排导槽横断

3.2K43+248～K43+348泥石流路段

3.2.1泥石流发育特征

该处泥石流发育于吉隆藏布左岸，为沟谷型泥石流，沟长2.75km，沟宽为20～40m，流通区纵坡降40‰，汇水面积2.18km2，形成区地形坡度20～30°。沟谷呈“U”形，沟道蜿蜒曲折，内有常流水。流通区明显，堆积区在公路右侧，公路从堆积区通过。堆积区在沟口呈扇形分布，物质成分以卵砾石、基岩碎屑为主，最大粒径0.5m，堆积厚度约3m。

3.2.2泥石流的固体物源

沟道两侧边坡植被覆盖率低，表层为坡积碎石土，上部基岩风化严重，地层岩性为石炭系上统基龙组（C2j）：主要为石英砂岩、粉砂岩、泥岩。因此，泥石流物源主要为第四系风化形成的坡积碎石土及流域内的崩塌、滑坡等。此外，河流侧蚀、下切以及搬运等作用，也是泥石流物质来源之一。

3.2.3诱发泥石流的气象、水文条件

该条泥石流是雨洪型泥石流，大气降水形成泥石流的激发因素。

该区降雨集中，有时可见连绵的阴雨夹着强度较大的中雨或大雨，致使该沟时有泥石流发生。

3.2.4泥石流的发展趋势

该泥石流为沟谷型泥石流，汇水面积大，集中降雨是这条泥石流的发生的主要激发因素，该泥石流爆发频率为1～2年爆发1次，目前该泥石流处于继续发展阶段，在强降雨情况下，可能发生较大规模的泥石流。

3.2.5泥石流危险性分析

目前，泥石流出口处设置有“八”字形导流槽，并设有涵洞，现有涵洞已经被堵塞过半，水流较急，冲刷较严重。泥石流发生时，由于涵洞孔净较小，排导能力有限，造成物质堆积在导流槽出口处，并冲上公路，堵塞交通。

3.2.6泥石流特征值的计算

泥石流流量等特征值计算公式选用《地质灾害危险性评估规程》表H.17（DB63/489-2004），其计算过程如下。

①清水洪峰流量

QW=KαiφF

K-单位换算系数（取值0.1）；

α-洪峰径流系数。F＜5km2取0.7，5＜F＜10取0.6，F＞10取0.5；

i-造峰时段平均雨强；

φ-最大雨洪时径流面积系数，为F0/F。F0为造峰面积（km2），F为流域面积（km2），当全流域均匀产流时F=F0，本次取φ=1；

F-泥石流沟流域面积（km2）。

经计算，清水洪峰流量QW为0.81m3/s

②泥石流流量

Qm=QW（1+φ）Dm

1+φ-泥石流修正系数。根据《地质灾害危险性评估规程》表H.14“泥石流沟易发程度数量化评分与容重及（1+φ）关系对照表”查取；

Dm-泥石流堵塞系数，轻微取1.3。

经计算，泥石流流量Qm为2.81m3/s；

③一次泥石流输移总量

Q1m=0.264QmT

T-泥石流历时（s），取1800。

经计算，一次泥石流输移总量Q1m为1125.77m3。

3.2.7整治措施

根据一次泥石流输移总量可知，该泥石流规模中等。泥石流纵坡不大，出口处沟床过宽，且沟道内有常流水，无设拦挡坝的条件，因此在泥石流出口处设置1～30m的桥梁，桥两侧修筑导流堤。由于新建桥梁位于泥石流堆积区，桥下净空必须需满足设计年限内的河床总淤积高，为提高桥下净空，桥梁上部选择梁高较小的装配式预应力砼简支箱梁。由于沟内长流水对原有公路冲刷较严重，因此新建桥梁采用肋式桥台，桩基础，桥底设置铺砌与导流堤相接。

4.结语

泥石流的防治，公路设计应以避让为优。公路设计人员应合理选线和正确布置桥涵形式，避免或减少危害地段，确定合理的处治方案。在较小型泥石流沟设计桥涵，可采用一些排导和拦挡等辅助措施，保障公路运营安全。

参考文献

[1]高冬光.公路桥涵设计手册：桥位设计[M].北京：人民交通出版社，2001：558.

[2]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册《路基》第二版[M].北京：人民交通出版社，1996：311-312.

作者简介：刘燕如（1984-），女，汉族，陕西神木人，本科，桥梁工程师，从事桥梁设计工作。