吳 聰 陳 行 陳文宇
(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610041)
近年來,我國西部地區(qū)旅游業(yè)不斷發(fā)展,公路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸,泥石流災(zāi)害影響公路通道安全的問題日益顯著[1-2]。針對該問題,本文通過計算得到泥石流流速,從而得到泥石流槽設(shè)計參數(shù),為類似工程提供借鑒和參考。
石棉隧道位于雅西高速石棉站往雅安方向約5公里處。2018年7月29日凌晨5點,石棉縣地區(qū)7月份連降暴雨,受長期大規(guī)模降雨影響,石棉隧道進(jìn)口爆發(fā)泥石流,形成松散堆積體,灌進(jìn)隧道,淤塞路基基礎(chǔ)、石棉隧道,掩埋該段公路長約200m。
石棉隧道進(jìn)口段泥石流溝地形臨空條件發(fā)育,山形多為條形背嶺,并行排列,走向南北延綿,地形總體南高北低,流域南側(cè)大渡河堆積地貌發(fā)育,河谷較寬敞,階地發(fā)育,為泥石流堆積提供了有利堆積場所。溝谷流域地形地貌條件、溝谷形態(tài)是影響泥石流形成和運動的重要因素,主要為溝床比降和山坡坡度。石棉隧道進(jìn)口左側(cè)山高坡陡,平均坡度在35°以上,溝谷縱坡較大,特別是主溝上游段及各支溝縱坡多在400‰以上,有利于降雨的匯集。
計算主要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的溝槽斷面特征及泥位等,并結(jié)合《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》,得出泥石流流速表達(dá)式為[3]:
式中:
Vc—泥石流流速(m/s);
γH—泥石流固體物質(zhì)重度(t/m3),1.745t/m3;
φ—泥沙修正系數(shù),取φ=0.842;
Hc—平均(水)泥深(m),取2.0m;
Ic—泥石流水力坡度,取400‰。
計算可得,石棉隧道洞口泥石流流速見表1:
表1 泥石流流速
依據(jù)經(jīng)驗及現(xiàn)場實際情況,排導(dǎo)槽采用矩形斷面并設(shè)計排導(dǎo)槽的寬度為7m,排導(dǎo)槽坡度為16%。隧道仰坡坡面泥石流重度和泥沙修正系數(shù)取《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中數(shù)值,排導(dǎo)槽糙率取為0.02[4]。設(shè)計參數(shù)具體如下表2所示:
表2 排導(dǎo)槽設(shè)計參數(shù)取值
泥石流泥深Hc計算具體迭代步驟為以下幾步:
步驟一:根據(jù)地勘資料可知,混凝土排導(dǎo)槽進(jìn)口處的的泥石流速值為3.1m/s,則根據(jù)峰值流量得到初始的截面過流面積SC:
步驟二:根據(jù)截面過流面積和導(dǎo)流槽寬度可得,排導(dǎo)槽中的泥石流平均泥深CH:
步驟三:根據(jù)截面過流面積、導(dǎo)流槽寬度以及泥石流平均泥深可得,水力半徑R:
步驟四:根據(jù)水力半徑和泥石流流速,可得計算流速為:
將計算流速代入,重復(fù)以上四個步驟,可以得到下一次計算的參數(shù)。15次迭代的結(jié)果如下表3所示:
表3 計算參數(shù)迭代結(jié)果表
由于泥石流排導(dǎo)槽位于隧道明洞上,間隔一定時間進(jìn)行清理,取排導(dǎo)槽內(nèi)常年淤積高度H淤為0m。并且排導(dǎo)槽的彎道超高H彎為:
安全高度取H0=0.75m。
則有:
經(jīng)過15次迭代后,排導(dǎo)槽計算高度如下表5所示:
表5 排導(dǎo)槽計算槽高迭代結(jié)果
可得,排導(dǎo)槽設(shè)計高度H應(yīng)取最大值2.329m。泥石流最大沖起高度計算公式如下:
可得,排導(dǎo)槽的設(shè)計高度H總:
排導(dǎo)槽斷面采用梯形設(shè)計,底部寬度為7m,側(cè)墻高為3.8m。經(jīng)驗算排導(dǎo)槽理論峰值流量可達(dá)80m3/s,滿足泥石流排輸要求[5]。
依托雅西高速公路石棉隧道洞口泥石流地災(zāi)處治工程,分析了石棉隧道洞口爆發(fā)泥石流的成因,并對泥石流槽進(jìn)行了工程地質(zhì)評價,最后針對性的進(jìn)行處治設(shè)計,得到了以下結(jié)論:
1)通過相關(guān)資料調(diào)查,并結(jié)合有關(guān)規(guī)范要求,計算得到該泥石流溝槽內(nèi)泥石流的流速為3.1m/s。
2)根據(jù)迭代公式,利用泥石流特征值,得到了泥石流排導(dǎo)槽中泥深的設(shè)計深度為1.38m。
3)通過排導(dǎo)槽設(shè)計公式,分別得到了排導(dǎo)槽的彎道超高以及最大泥石流最大沖起高度,從而得到了排導(dǎo)槽的設(shè)計高度需超過2.82m。