急流槽,管道穿越泥石流沟的灾害防治方法

泥石流是山区常见的一种地质灾害，是各种自然因素、人为因素综合作用的产物，具有暴发突然、来势凶猛、威力巨大、破坏力强的特点，通过冲刷、冲击、磨蚀、淤埋等危害方式给山区生态环境、山区经济发展，人们的生产和生活带来深重灾难。而一条长大输油（气）管道在敷设中不可避免的有时会经过泥石流沟，要避免泥石流爆发对管道的损坏，就必须清楚的了解泥石流的一些特征、防治原则及其治理措施。 7.3.1　泥石流灾害防治原则 泥石流的治理应遵循以下原则： （1）以主要工程穿越的泥石流为防治重点的原则。 （2）根据泥石流形成条件和危害状况，采用全面规划、突出重点的原则。 （3）根据泥石流发生规律、发展趋势，采用远近兼顾、工程措施与生物措施相结合的原则。 （4）根据泥石流形成机理和人为作用，采用综合治理、主次分明的原则。 （5）根据泥石流危害情况和治理目的，采用因害设防、讲求实效的原则。 （6）根据泥石流的基本性质、运动规律，采用因地制宜、合理设计的原则。 7.3.2　泥石流综合治理措施 泥石流综合治理方案是制定泥石流治理规划的核心，根据上述6项原则，结合泥石流特点和防治目的，泥石流综合治理常用方案有：全面治理、以治水为主、以治土为主、以排导为主和以生物措施为主等5项防治方案。 7.3.2.1　全面进行综合治理 在泥石流整个流域内，采用蓄水、拦挡、改土、排导和造林等多种措施，全面地进行山、水、林综合治理，以防止泥石流的形成，控制泥石流危害。适用于全流域泥石流活动频繁，形成条件复杂，居民点多，耕地分布广，存在重要构筑物地区。 7.3.2.2　以治水为主的治理方案 该方案采用引水、蓄水、截水等工程措施，以减少地表径流，引排洪水，调节水量，削减洪峰，控制形成泥石流的水动力条件，防止或减轻泥石流灾害，或修建少量拦排工程和大面积营造森林，稳定部分土体，减轻径流量，更好地发挥各种治水工程的作用。适用于水动力起主导作用的稀性泥石流和一些小型粘性泥石流沟。 7.3.2.3　以治土为主的治理方案 主要采用谷坊、拦沙坝、挡土墙、护岸和潜坝等拦挡和固沟工程为主，拦蓄泥沙，稳定边坡，固定沟床，保护岸坡，控制或削减松散土体补给量；并辅以排导工程，引、蓄水工程和植树造林，以进一步控制泥石流或减轻泥石流灾害。适用于土力类粘性泥石流沟，也适用于无条件建造引水、蓄水工程的水力类稀性泥石流和土体由少量滑坡提供的稀性泥石流沟。 7.3.2.4　以排导为主的治理方案 采用排导沟、导流堤、急流槽、明硐渡槽等排导工程为主，畅排泥石流，控制泥石流对流通区或堆积区各种建筑物（路、桥、房屋、管道等）的危害，同时在中上游修建若干拦挡工程，进行植树造林，以减少泥石流规模和发生频率。适用于中上游修建工程难度大或效果不显著，而下游受害对象分布集中的泥石流流域，通过排导可消除泥石流的主要灾害。 7.3.2.5　以生物措施为主的泥石流治理方案 采用恢复草被和植树造林等生物措施，以恢复生态平衡，调节地表径流，减少水土流失，逐渐控制泥石流的发生或削减泥石流规模。适用于坡度较为平缓，崩塌、滑坡相对较少，以片蚀为主，局部沟蚀提供泥石流土源的水力类泥石流以及坡面泥石流。 7.3.3　泥石流防治生物措施 泥石流综合治理的生物措施，主要指保护与营造森林、灌木和草本植被，先进的农牧技术和科学的山区土地资源开发、管理等措施。实施这些措施后，既可减少水土流失，削减地表径流和松散固体物质补给量，进而防止泥石流活动，又可恢复流域生态平衡，增加生物资源产量和产值。因此生物措施是治理泥石流的根本措施之一。常用的生物工程措施有： （1）林业措施； （2）农业措施。 7.3.4　泥石流防治工程措施 生物措施是治理泥石流的长远根本措施，但它见效慢，仅对部分泥石流有效。而工程措施则几乎能适用于所有类型的泥石流防治，尤其对急需整治的泥石流有立竿见影的作用，但工程措施费用较高。泥石流工程常用措施有： 7.3.4.1　控制水源的治水工程 水是泥石流得以形成的不可缺少的动力条件之一，治水工程能控制和削弱泥石流的水动力条件，常用的工程措施有： （1）蓄水工程：在泥石流的形成区上游，修筑水库、水塘等蓄水构筑物，调节洪水、削弱流入泥石流形成区的清水洪峰流量，减弱泥石流形成区的水动力条件，避免泥石流的发生。 （2）引排水工程：在泥石流的形成区上方或侧面，修建排水渠、泄水隧洞等排水结构，将洪水排走，减少流入泥石流形成区的清水洪峰流量，削弱泥石流形成区的水动力条件，避免泥石流的发生。 （3）防御工程：在经常发生泥石流的地区，可事先采取适当的措施，比如在终积堤内修建排水隧洞、开挖明渠等，降低冰湖水位，既可避免冰湖溃决，又可防止泥石流发生。 7.3.4.2　控制土源的治土工程 大量松散物质的存在及其运动取决于泥石流的地质地貌因素，治土工程的目的在于控制或抑制松散固体物质的活动及其数量的增加，使泥石流衰退并逐步消亡。常用的治土工程措施有： （1）拦沙坝、谷坊工程：在泥石流主沟或支沟修筑栏沙坝或谷坊工程是整治泥石流的有效形式。通过修建拦沙坝、谷坊工程可以拦蓄泥沙，利用回淤泥沙埋压滑坡的滑动面稳定滑坡，促进山体稳定，提高泥石流支沟的侵蚀基准面。从而达到整治泥石流沟的目的。常用的拦沙坝、谷坊工程有：浆砌块石坝、干砌块石坝、混凝土坝、土坝、钢筋混凝土石笼坝等。 （2）挡土墙工程：对于泥石流沟中的沟坡、谷坡、山坡上存在的个别分散的活动型滑坡、崩塌、坍塌，可采用挡土墙进行边坡加固，以减少泥石流沟的固体物质储量，进而达到减弱或消除泥石流的发生的目的。 （3）护坡工程：泥石流沟中一些相对稳定的山坡，由于长期受到水流、泥石流的冲蚀而日趋不稳，逐渐演变为新的泥石流源地，通过修建护坡工程稳定新的泥石流源地，达到整治泥石流发生的目的。 （4）变坡工程：泥石流形成区上方的山坡上修建水平台阶，以削减坡面径流冲蚀强度，不仅有利于山坡稳定，还有利于山坡资源的开发和利用。 （5）潜坝工程；在泥石流沟道内修建潜坝并嵌入基岩内，坝顶与沟床齐平，并形成系列化和梯级化用于固定沟床，抑制泥石流的发生。主要适用于一些在稀遇暴雨情况下，特大洪水掏蚀原沟床沉积物而形成泥石流的情况。 7.3.4.3　排导工程 采用工程结构，使泥石流顺畅地排泄，避免危害城镇、工矿、村寨、农田、管道等设施。因此，泥石流的排导工程在泥石流整治中占有重要的地位。常用的泥石流排导工程有： （1）导流堤、顺水坝：修建导流堤、顺水坝工程的目的在于控制泥石流流向，导流堤始于泥石流堆积扇顶或山沟至沟口，大多为连续建筑物。分为土堤、石堤或混凝土堤。 （2）排导槽：以沟道形式引导泥石流顺利通过防护区段排向下游泄入主河的工程。排导槽工程位于山外开阔地带，交通方便，施工容易，投资小，效果显著，为整治泥石流的首选工程。 （3）渡槽、急流槽：如果泥石流的规模较小，发生频率高，有可利用的地形条件时，可采用渡槽、急流槽等结构，将泥石流管线上空排入河道。 （4）明硐：管道通过泥石流严重堆积区时，如地形条件许可，可采用明硐工程跨越泥石流沟道，避免管道遭受泥石流的毁坏。 （5）过水断面：对于一些跨越泥石流沟道的管道，除采用渡槽、明硐等工程以外，也可采用过水断面的方式跨越泥石流沟。 7.3.4.4　停淤工程 利用天然有利地形条件，采用一些简单的工程措施，比如：倒流堤、节流坝、拦泥坝等，人为地将泥石流引向开阔平缓地带，使泥石流停积在这一地区，从而达到保护农田及各种构筑物的目的。 拦泥库是另一种形式的停淤工程，它通过适当的导流工程，将泥石流导向低洼地带，以减轻泥石流对下游的危害。 7.3.5　油气管道穿越泥石流沟道的防护措施 输油气管道沿沟河选线，会遇到不少的小冲沟，其中许多是泥石流沟道，沟口至主河边大多有洪积扇。输油气管道通过泥石流堆积扇，一般有三种布线方法：即沿沟口、堆积体中部和前部扇沿布线。其中沿堆积体中部布线不可取，因为泥石流堆积体不稳定，且堆积厚度较大，大多在3m以上，若要将管道敷设在3m以下的原始土层中，工程量很大；若敷设在泥石流堆积体中，则有被冲刷掏蚀的可能。所以输油气管道不能从泥石流堆积体中通过。 7.3.5.1　从泥石流沟口通过 这是一个比较好的位置，因为泥石流沟口是一个相对稳定区，冲淤都不明显，是泥石流堆积扇的起点。管道从泥石流沟口深埋通过，为防止冲刷，需在穿越管道下游侧修一拦沙坝（固床坝）保护（图7-18）；进一步加强管道顶部防护层，保护管道不受泥石流的危害。 图7-18 管道通过泥石流沟口防治对策布置示意图 泥石流防护工程的拦沙坝（固床坝）在设计时需考虑泥石流的冲击力，其具体的计算公式为：泥石流对其相遇的目标的冲击力包括两种载荷，一是泥石流体的动压力载荷，二是泥石流中大石块的冲击力载荷。 泥石流体的动压力： 泥石流体动压力用下式计算： 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：σ为作用在与流速方向垂直的单位上的泥石流动压力（t/m2）; Uc为泥石流平均流速（m/s）; yc为泥石流流体的容量（t/m3）。 泥石流中大块石的冲击力： 泥石流中大石块对拦沙坝的冲击力，相当于一个弹性球与一个速度等于0而半径和质量十分巨大的球相撞击。 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：Fc为冲击力（kg）; Kc为修正系数（与碰撞时接触面发生断裂、摩擦、微小凹凸破坏，以及立体压力的缓冲作用等因素有关）； 山区油气管道地质灾害防治研究 Rs2为大石块的等效半径；u1、E1为拦沙坝（固床坝）的材料波桑比、杨氏模量；u2、E2为大石块的材料波桑比、杨氏模量；Us为大石块和拦沙坝之间的相对速度；m2为大石块的质量。 泥石流流速和流量是泥石流防治工程设计的基本数据，目前还没有成熟的计算方法。在泥石流防治工程设计中，一般采用归纳计算，而不同的泥石流沟道归纳出的参数也不同。泥石流流速计算公式可分为粘性泥石流和稀性泥石流两类。由于泥石流的产流、汇流过程复杂，区域差异性很大，类型不同，性质各异，在选用经验公式时，应当考虑不同地区、不同类型、不同性质的泥石流特点，其计算结果与现场调查和历史资料进行对比，确定选用数据。 粘性泥石流流速度计算公式： 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：K、a、b均为待定的回归系数（也可参照有关泥石流流速方面的文献选取）。 稀性泥石流流速计算公式： 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：K、a、b均为待定的回归系数（也可参照有关泥石流流速方面的文献选取）；R为泥石流水力半径。 此外在设计泥石流拦挡工程中，需考虑沟道的比降与泥石流运动的最小坡度之间的关系，如果沟道的比降小于泥石流运动的最小坡度，则在防护工程中可不考虑为泥石流灾害，可采用防治山洪的方案设计防护工程。 土类泥石流运动的最小坡度为： 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：θm为泥石流运动的最小坡度角（°）；yc为泥石流流体的容量（t/m3）yy为泥石流中土体的重量参数（g/cm3）；T0为泥石流浆体的静剪切强度（g/cm2）；cv为泥石流中土体的体积浓度；H为泥石流深（cm）；φm为泥石流中土体的动摩擦角。 管道敷设在泥石流沟口时，还应注意泥石流对沟道的冲刷和淤积。泥石流冲刷和淤积主要决定于沟道坡度与流体及沟道特征。 实际沟道坡度tgθm大于泥石流运动的最小坡度tgθm，且达到某一临界值时，泥石流将对沟道产生冲刷，满足下式： 山区油气管道地质灾害防治研究 实际沟道坡度tgθb小于泥石流运动的最小坡度tgθm，泥石流将对沟道产生淤积，满足下式： 山区油气管道地质灾害防治研究 泥石流冲刷的计算公式： 泥石流沟道受剪切如图7-19所示。泥石流运动剪切力τlt@span sub=1$gt@clt@/span$gt@为： 山区油气管道地质灾害防治研究 泥石流运动阻力为： 图7-19 泥石流沟道受剪切力示意图 山区油气管道地质灾害防治研究 沟道质表层土体的抗剪强度τf（不计沟道质的粘结力C值）为： 山区油气管道地质灾害防治研究 式中：fp为沟道表层以上泥石流中土体的压力；φs为沟道质饱和状态下的内摩擦角。 当泥石流的运动剪切力τc克服阻τh后的余值大于沟道质的抗剪强度τf时，沟道质产生运动，而形成冲刷，满足下式： 山区油气管道地质灾害防治研究 泥石流沟道整治需注意的事项： （1）泥石流运动的最小坡度大于水流运动所需的坡度，按泥石流设计的排导沟，通过夹沙水流和清水时会产生严重冲刷，需要采取防冲措施。 （2）泥石流沟道坡度受侵蚀基准面控制，修建排导沟时若不能满足泥石流运动的最小坡度，需要在上游适当的修建拦挡或停淤工程，以减小泥石流中的土体颗粒粒径和容量，使其能在沟道中顺畅流动，防止淤积。 （3）处于平衡坡度的泥石流沟道，由于情况发生变化，如侵蚀基准面的下降或上升、流域产沙量减少或增加、上游植被变好或变坏等，也会出现冲刷或淤积。因此，在设计泥石流排导槽或泥石流沟道整治工程时，要考虑到出现这种情况时有采取相应措施的可能性。 7.3.5.2　管道从泥石流堆积扇沿通过 若泥石流堆积扇沿与主河床还有较大的距离，管道敷设在扇沿可不做水工保护（图7-20）。若泥石流堆积扇沿紧靠主河床边，管道的敷设还应考虑主河床的冲刷。管道应深埋至此段河床最大冲刷深以下，必要时还应施加稳管措施。 7.3.5.3　管道顺泥石流沟道埋设 泥石流发生后将对顺河下游的河流滩地造成严重冲蚀，可能造成管道裸露，泥石流中所包含的巨大石将对裸露的管道造成严重损坏。因此，必须对该段管道采取必要的措施，以确保管道的安全。 对于顺泥石流沟道埋设可能造成灾害的防治对策： （1）将管道移至沟道坡脚，在管道靠近泥石流沟道侧建顺河的泥石流防护堤，管道上部建议用砼防护。另外，在进行泥石流防护堤及管道埋设设计前，应对泥石流流量、流速、冲刷深度等参数进行勘察与计算，并根据管道要求确定设计参数。 （2）将管道提高，埋设在泥石流沟岸边的斜坡中部，管道沿高线分布，避开泥石流。应在管沟外侧建挡墙，以保证管道的安全。 图7-20 管道通过泥石流堆积扇缘防治对策布置示意图

结合道路工程排除路面与地面雨雪水、城市废水、地下水和降低地下水位的设施。它是道路工程的一个重要组成部分。在涉及排水系统或防洪时，也是排水或防洪工程的一个组成部分。　　造成道路和沿线构筑物病害的主要原因之一是水的作用。危害道路的水有地表水和地下水。地表水主要是雨雪水形成的地面径流。地下水可分为上层滞水（从地面渗入尚未深达下层的土中水）、潜水（在地面以下第一个隔水层以上的含水层中的水，距地面较近，在重力作用下可沿土层流动）和层间水（在地面以下任何两个隔水层之间的含水层的地下水，当水源高于地面时，可通过岩层裂隙冒出地面而成泉水）。　　暴雨径流、冰雪覆盖、能使路面积水。它们与上层滞水、潜水和泉水还能软化、冲刷甚至毁坏道路路基，造成路基边坡滑坍、道路翻浆等病害。道路排水设施的作用，是迅速排除路面、地面径流和各种城市废水，防止积水，降低过高的地下水位和排除渗入路面结构层以及路基的水,以保证路基稳定,延长路面使用年限，维持车辆及行人的正常交通和安全，并使道路整洁卫生。　　道路有公路与城市道路之分，两者对排水的做法有所不同。公路一般较附近地面为高，两侧无成片街坊或建筑，如不涉及复杂地形，主要考虑排除路面雨雪水和必要时排除或降低地下水。城市道路基本上处在市、县、城镇之中，沟通居住区、商业区、工厂、企业、机关、学校之间的交通,路面高度一般接近附近地面,大部分需按系统排除路面与街坊径流。因此对城市道路排水，应与城市排水规划统一考虑。　　公路排水 　一般均用明沟。尤其在山区和丘陵地带，地面坡度大，水流快，明沟能充分发挥排水作用。当洪流超过设计能力而溢流时，排除积水也较迅速。其排水设施有边沟、截水沟、排水沟、跌水、急流槽、倒虹管和渡槽等。　　边沟是设在路基边缘的排水沟。土质边沟多用梯形断面，石质边沟可用矩形断面，某些矮路堤或采用机械化施工时，可用三角形断面。边沟纵坡一般与道路纵坡一致,并不得小于0.5%。边沟纵坡大于3%时,需对边沟进行加固。截水沟也称天沟，用于路基挖方边坡上方的山坡汇水面积较大时，在挖方坡口至少5米以外设置,以拦截山坡向下流的地表水，保证挖方边坡不受水流冲刷。截水沟可根据需要设置一道或几道，分段拦截山坡地表径流。截水沟的关键在于迅速排水，避免沟内积水，更应防止沿沟内向土层渗水，造成边坡坍塌。截水沟应有可靠的出水口，必要时可设排水沟、跌水或急流槽，将水引向山沟或桥涵宣泄。排水沟是将边沟、截水沟、取土坑或路基附近的积水疏导至低洼地、天然河沟或桥涵处的设施。地形险陡、排水沟纵坡超过7%时,为减小流速，降低能量，防止对路基的危害，宜设置跌水和急流槽。当路线跨越灌溉沟渠而设置涵洞有困难时，常采用倒虹管。　　明沟计算应按公路技术标准考虑，桥涵设计及洪水频率按公路等级选定，若与城市防洪关系密切，则应考虑城市防洪标准。设计径流量，如有降雨资料，一般可按Q=CSF2/3计算,式中Q为计算流量（以立方米每秒计）；C为按地貌确定的系数；S为相应于设计频率的一小时降雨量（以毫米计）;C为汇水面积（以平方公里计）。也可采用形态调查法进行流量计算。　　城市道路排水 　城市道路排水具有系统性，较为复杂，可分为分流制与合流制（见排水体制）。城市道路排水的设计暴雨重现期及进入排水系统的径流量，均按排水工程要求及有关公式进行计算。中国原有旧城市的道路排水基本上均属合流制，近年新建、扩建地区采用分流制的已逐渐增多。　　道路排水方式，有明式、暗式及混合式。明式由街沟、边沟、排水沟等组成明沟或明渠排水；暗式用暗管排水，包括街沟、雨水口、连管、干支管、各种检查井及出水口等部分；混合式是明暗结合的排水方式。一般情况，大中城市尤其是中心区，多采用暗式；小城镇及大、中城市近郊和郊区道路，可考虑明式。如条件合宜，城市中在建筑密度高与交通频繁的地区用暗管，建筑物密度低与交通较稀的地区用明沟或明渠，形成混合式。城市中用暗管卫生条件最好，而明沟或明渠的优点主要是造价低，缺点是占地多，环境卫生较差，对交通与生活均感不便。由于排水与道路关系密切，两者的改建与扩建相互均有较大影响，在考虑城市道路排水设施的形式与规模时，要结合道路与排水的近远期规划，通过方案比较，作出经济合理的恰当布局和同步实施的妥善计划（见给水和排水工程）。　　对城市中大的交叉口、广场、停车场、下行立交道面、快速路和高速干道，情况比较特殊，积水后影响较大，道路排水具有更大的重要性，必须妥善处理，及时排除径流。广场、停车场、下行立交道面、快速路、高速干道如有条件形成独立的排水系统，可采用较附近地区为大的设计暴雨重现期。交叉口的雨水口，应按竖向设计布设；广场、停车场的雨水口，可按平面要求及周围环境，考虑单向、双向、三向、放射等不同形式的排水坡面布设，面积较大不得已时可采用M型或W型，但对行车不利。下行立交道面的排水，宜在两端道路下行起坡处设反向路坡或采取截流设施，以限制或减少汇水面积。下行坡道上雨水口的布置、大小与数量应作设计与计算。下行立交道面收集的径流在不能自流排出时，需设足够能量的提升泵站，在降雨时将雨水外排。　　当地下水位过高并影响路基稳定和强度，以及在寒冷地区可能引起道路冻害问题时，如路基受到限制而不可能提高，需采取相应降低地下水位的工程措施和考虑稳定的路面结构组成。降低地下水位可用不同形式的渗沟或用砂、炉渣等大孔隙材料建排水层并设置纵横向排水盲沟。对侧向渗透水的排除可采用侧向截流沟和抽排地下水的设施。路基受地下水毛细浸湿影响，一般可在路基顶面下修筑隔离层。隔离层可用粗粒材料，也有用土工编织物加反滤层，也可采用不透水层。

主要区别是，性质不同、作用不同、设置位置不同，具体如下： 一、性质不同 1、边沟 是指设置在挖方路基路肩外侧及低填方路基地脚外侧的纵向人工沟渠。 2、排水沟 指的是将边沟、截水沟和路基附近、庄稼地里、住宅附近低洼处汇集的水引向路基、庄稼地、住宅地以外的水沟。 3、急流槽 急流槽是指坡度大于临界坡度的人工沟槽。 二、作用不同 1、边沟 边沟是为汇集和排除路面、路肩及边坡的降水，在道路两侧设置的纵向水沟，是道路路界地表排水设施的组成部分，是坡面排水的设施之一，是道路排水系统不可缺少的一部分。 边沟是连接路基边坡与路外侧部分的枢纽，充当沟通的“桥梁”，在多方面都起到了极为重要的作用。首先，边沟排出了来自路面、坡面的降水，起到了维持路基稳定性的作用，这是至关重要的。其次，边沟的存在使路基、路侧的衔接更加完善，而且美观的边沟还能大大增加道路的景观效果，起着丰富地形的作用。 2、排水沟 作用是排水。 3、急流槽 急流槽通常接道路路面的边沟或直接作为路面汇水的排出口，也可快速导出路堑边坡上的残留积水，可预防因积水浸泡边坡导致的边坡垮塌、滑坡和泥石流等病害。 三、设置位置不同 1、边沟 挖方路基路肩外侧等。用以收集路面的地面水，排除路基拦截道路上方边坡的坡面水。 2、排水沟 排水沟一般布设在坡面截水沟的两端或较低一端，用以排除截水沟不能容纳的地表径流。 3、急流槽 急流槽一般设置在边坡坡面，主要是为了及时排除边坡坡面、平台的地表汇水，并通过平台排水沟和坡面设置的急流槽引排至路基边沟。 参考资料来源：百度百科-边沟 参考资料来源：百度百科-排水沟 参考资料来源：百度百科-急流槽