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1、 第 19 卷第 2 期(总第 44期) 中国铁道科学1998年 6月 铁路泥石流防治技术及其发展谢修齐 沈寿长( 铁道部科学研究院西南分院)摘 要: 扼要介绍了铁路泥石流防治技术。对绕避、排导、拦挡和明洞渡槽等泥石流工程减灾技术的适用条件和减灾效益作了分析总结。为加强泥石流非工程防治技术研究, 提出了建立泥石流防灾信息管理系统等方面的思考。关键词: 泥石流 工程防治技术 非工程防治技术 防灾信息管理系统收稿日期: 1998-06-24 谢修齐 助理研究员 铁道部科学研究院西南分院 610031 成都1 概 况泥石流是山区常见的一种自然灾害,我国铁路系统是受害严重的部门之一。灾害主要集中分布在
2、我国中、西部山区铁路沿线, 尤以四川、云南境内线路较为突出;东部山区铁路沿线亦时有泥石流灾害发生。据统计,迄今我国大陆铁路沿线已发现的泥石流沟已达 1 500 余条, 由泥石流造成的中断行车灾害近 300 次,其中列车脱轨、颠覆的重大行车事故 10 余起,有 33个车站被淤埋 41 次, 累计中断行车时间超过 7 500 h, 之中震惊中外的成昆铁路利子依达特大泥石流灾害, 坠毁客车 1 列,伤亡 300 余人, 损失达 2 千余万元。 建国以来, 铁道部与有关路局为保证运输安全, 就泥石流减灾作了大量投入, 仅成昆线近20 年就先后投入了 2 亿多元, 宝成线1981 年洪水及泥石流灾后复旧
3、就耗资达3 亿多元。 至90 年代初, 我国山区铁路由于修建了大量减灾工程, 线路抗灾能力大为提高, 从而在安全运输中发挥了重大作用。我国铁路泥石流防治工作大体分为两个阶段,一是建设阶段, 即在勘测设计和施工过程 中, 针对沿线灾害地质环境、水文情势,防患于未然所进行的防治工作。二是运营阶段,是指线路运营中, 针对我国勘测设计中漏判, 或因环境演变和人为破坏导致的新生灾害点所作的防治工作。铁路泥石流防治工作的主要内容可以概括地用图 1 表示。2 防治技术2 . 1 工程防治技术2 . 1 . 1 工程对策工程对策一直是铁路防减灾的主要手段,不论是建设阶段还是运营阶段, 都被当作减灾的支柱。实践
4、中有成效的工程对策有绕避、排导、拦挡、拦排结合, 明洞渡槽和坡面防护等 多种形式。图 1 铁路泥石流防治系统框图1. 绕避规模巨大, 活动频繁,对铁路威协很大的泥石流沟, 最好采用绕避对策。我国成昆铁路建设中就成功的采用了这种对策避免了很多灾害。该线金沙江峡谷段泥石流沟群的绕避即为 一例, 成昆线金江站以南有 50 km 线路, 受元谋绿叶江大断裂影响, 不良地质发育, 地形陡峻, 泥石流沟群密布达 50余条, 是成昆南段泥石流最活跃的区段之一。为此, 设计时采用了平面或立面绕避对策,对严重泥石流沟或密布山坡泥石流区段,降低高度采用隧道从底部通过, 如龙潭隧道、红光隧道。对受对岸洪积扇挤压区段
5、, 将线路内移,亦设计隧道通过,如前进隧道、莲地隧道等。对受地形影响,无法平面绕避的白沙沟, 上格达沟, 则分别采用高 墩, 大跨桥梁通过。经二十多年运营没有发生流石泥灾害,工程效益显著。2. 排导若铁路下游有必要的地形条件,大河又有足够的输移能力,则采用排导工程是最经济有效的对策。排导工程工期短, 投资相对较低。使用年限长,因而得以广泛应用。 纵坡设计。据工程实践, 成功排导沟的纵坡, 高浓度泥石流必需大于 150 , 浓度较低处需大于 120 。 若排导沟纵坡受地形限制无法增大时, 可采用提高沟槽输砂能力的办法, 把原不规则的天然沟槽改建成规则平整的人工加固沟槽,以提高流速, 减小阻力。经
6、室内试验证明,把人工铺砌沟槽的纵坡减小到天然沟槽纵坡的 0. 850. 9, 其输砂能力尚可不减。断面形式。 根据工程实践, 排导沟横断面选择, 首先要有利于设计洪水时的过流输砂, 故 宜设计窄深断面为优,以求在其他同等条件下能有较大流速和较高输砂能力。其次宜避免用平底断面, 以防在中、小洪水流动分散,流深小使输砂能力骤减而落淤。另外,为防沟底磨损, 沟底不宜采用小水时流动过分集中的尖底形式, 更不能在集中点设构造缝等抗磨弱点。 因此, 较好的断面形式为宽深比适中,沟底有横坡的窄底梯形断面或弧形底梯形断面。排导沟未端处理。根据工程实践, 泥石流的来砂与大河输移之间常存在着时间上的不连 续问题,
7、 故排导槽要有一定的长度,以保证与大河衔接, 但又不能伸入大河, 以免淘刷基础悬空破坏, 并需预留一定高度,以利排空。61第 2期 铁路泥石流防治技术及其发展3. 拦挡 如果泥石流灾害工点没有条件作排导工程, 也无法或不宜绕避时可采用拦挡工程。拦挡坝可分为实体坝和穿透坝两种。实体坝是由各种材料修筑成的重力坝,坝顶留溢流口, 穿透坝是坝体中部用废旧钢轨或其他材料作成的格栅孔, 具有拦粗排细功能。构造上有平面形格栅和构架形格栅两种。 近年, 经对成昆、宝成线部分实体坝进行的稳定性分析, 多数坝体安全度较高,参考国外有关坝体稳定标准和工程实践经验, 建议今后坝高 10 m) , 使下游河段落差和渡槽
8、纵度增大, 有利于泥石流渲泄,不受桥涵孔径和下游河床高度的限制。一般修建明洞渡槽后基本可以免除泥石流灾害。但往往投资较大。 6. 坡面防护工程 2坡面型泥石流是山 ( 堑) 坡上经常发生的一种雏形泥石流。大多为表层剥落, 小型崩塌和浅层滑坡。对这类泥石流的防治,可以采用坡面防护工程。通常, 为稳定坡面变形体可以修建坡面排水工程, 如天沟、截水沟、渗沟和支撑渗沟等、或实施坡面封闭工程, 如喷浆、喷 射混凝土, 浆砌片石护坡, 浆砌片石骨架护坡和浆砌片石护墙等。宝成线 1981年严重泥石流灾害后, 修建了大量坡面防护工程,减灾效益显著。2 . 1 . 2 生物减灾措施 有利于保持水土、稳定坡谷的生
9、物措施,对于治理泥石流流域, 防止和减轻泥石流灾害都将是十分有效的。植被根系虽不能对坡面土体的稳定起很大作用, 但植被在涵蓄水份,减小地表径流, 防止坡面侵蚀方面的作用是不能低估的, 植被良好的坡面与光秃的坡面相比, 它的地表径流可以减少很多。它可有效地减小暴雨洪水规模,从而亦减小洪水对沟谷侵蚀和泥 石流规模。所以恢复植被,植树造林等生物措施对减小泥石流灾害具有重要意义, 应看作是62中 国 铁 道 科 学 第 19 卷流域的治本之举。 成昆铁路西昌东、西河, 从 1950 年开始造林, 1958 年进行大规模飞播造林、封山育林、森林复盖从原来的 3 %迅速恢复到 60 %, 从而使东、 西河
10、流域水土流失骤减, 泥石流得到基本控制。2 . 1 . 3 抗灾能力分析 铁路建筑物抗灾能力分析是泥石流防治的基础工作, 是规划防治工程的依据。它主要是通过估测流域泥石流规模和计算铁路桥渡建筑物的过流能力, 并由两者的比值对其安全性进行评估确定。近二十多年来, 随着我国铁路泥石流判别技术的提高, 泥石流流速、流量计算 方法的改进,使该项检算分析工作的精度有了长足进步, 在制定防治工程方案和工程选型上发挥了重要作用,并已取得显著工程减灾效益 ( 据泥石流防治工程效益调查, 成昆、宝天和宝成线工程投入产出比分别为 110. 8、 110. 1 和110. 0) 。 目前铁路建筑物安全性分析模型已编
11、入铁路泥石流减灾管理分析系统 ( 见图 2) 。图 2 铁路建筑物安全性分析模型按目前铁路桥涵泥石流危害程度要求, 该评估模式为:K = Qc/ Qdp当 K K 1 有危险K 1. 35安全桥涵的过流能力 Qc按铁道部科学研究院西南分院前期建立的公式计算:Qc= ( 1/ A ) mcRc2/ 3I1/ 2Ac式中, Qc 桥涵最大过流能力 / m3s- 1; mc 桥涵底部糙率系数; Rc 桥涵有效过流断面水力半径; A 阻力系数; I 桥涵底部坡度; Ac 桥涵有效过流断面面积。流域内泥石流洪峰流量 Qdp按我分院前期研究建立的公式计算 4。Qdp= Qp( R - 1) ( tanU-
12、 J ) ( R - Qf) ( tanU- J) - KcQfKb式中, R 泥石流固体颗粒密度; U 固相颗粒体内摩擦角; J 流域下游河段沟床纵坡; Kc 河槽孤石覆盖系数; Kb 泥石流堵塞系数。 Qt 泥石流体中浆体部分的密度。 流域植被覆盖率差, 产砂量大, 且细颗粒( 粉、 粘粒) 成分多者, 浆体密度就高, 初步求得有如下经验关系:Qt= 1 + 0. 6N0. 351W0. 17P- 0. 21式中, Qt 泥石流浆体密度( t m- 3) ; W 流域内单位面积松散固体物质储量63第 2期 铁路泥石流防治技术及其发展/ 103m3km- 2; N 松散固体物质中粒径小于 0
13、. 05 mm 的含量比率; P 流域植被覆盖率。 2 . 2 非工程防治技术泥石流非工程防治技术是指依靠组织管理, 制定防灾法规进行防灾宣传教育和建立预警系统等进行防灾的软措施。关于防灾组织管理, 目前铁路有关路局已设立了强有力的防灾领导指挥机构。在铁路局 ( 分局) 、调度所和工务段, 车站和工区成立防洪指挥部 ( 分部) 、防洪指挥组、防洪领导小组三级防洪机构。由各级的主要领导任负责人。集中铁路上各工种的力量全方位地组织防洪工作。并以发布企业标准方式制定一套防洪抢险的规章制度。对基层灾情的上报和上级的防洪 命令的下达有一套完整的规定。使减灾工程序化、系统化。关于养护维修管理, 按规章对铁
14、路建筑物进行定期防洪安全检查。每年汛期结束后不久即开始进行下年度汛前防洪检查工作。按检查结果编制防洪计划, 包括设备维修、防灾工程 建设,确定下一汛期的巡查值守工点, 抢险救灾物质设备的储备等。关于减灾预警系统, 目前有关路局已实行铁路沿线雨量检测警戒线。每一车站或工区都设置雨量计监测雨量,制定了以十分钟雨量表示的警戒指标, 以确定防灾戒备等级。根据防灾戒备等级。对灾害多发地段和指定的重点值守工点实行巡检,专人昼夜看守等。利用铁路 有线电话和区间、车站、列车间的同频无线电话随时通报发生灾情情报, 供上级作出减灾决策。另外, 西南分院在 80 年代进行的泥石流评判、中短期预报和泥石流流量计算等课
15、题研究基础上, 利用其成果正在进行建立泥石流减灾管理分析系统的研究。其中中短期预报提出的泥石流发生预报阈值模式为:Y = R M式中M 为流域参数, 它决定于流域面积、地形坡度、松散的储量、产状和泥沙补给长度等。式中R 为降雨参数,由实测 10 min,1 h 和 24 h 雨量与相应临界雨量的比值确定。3 发展思考我国铁路泥石流从 50 年代开始, 每年均有灾害发生, 至 80 年代初, 其灾害无论从规模和发生面上看, 已日趋严重, 给国民经济和人民生命财产造成了严重损失。为防灾, 从 1981年开始, 铁道部加大了工程防灾投入, 特别是从 90年代初开始, 有关路局逐步完善了防灾组织管理,
16、 减灾预警系统等非工程防灾建设, 从而使泥石流灾害发展势头得到控制, 并取得了 较好的防灾效益。这表明只有防灾工程建设与防灾非工程建设并举, 形成一个整体防灾工程系统,才能最大限度的提高抗灾能力, 取得最佳防灾效益。工程防灾主要是对已发生的灾害进行防治, 而非工程防灾可以对活动灾势作出评估, 进行防灾规划, 从某种意义上分析,其防灾效果可能具有更大的意义。 为此, 今后泥石流的防治必需在继续重视工程防灾的同时, 要 加强非工程防灾建设。鉴此, 这里对今后铁路泥石流防灾技术发展特提出以下几点思考。1. 建立泥石流防灾信息管理系统。泥石流防灾信息管理系统, 主要由数据库、灾情监测网络和泥石流预报管理等子系统组成。最终使泥石流防灾信息管理系统具有从数据库提取所 辖区域灾害沟谷的流域条件和灾情记录的功能, 具有从灾情监测网络获取灾情信息的功能, 具64中 国 铁 道 科 学
