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忠武输气管线穿越重庆市石柱县黄水镇张家沟,该区段发育有众多的地质灾害,如危岩、崩塌、泥石流等,而输气管道多为浅埋薄壁钢管,埋深多在0.8~2.5m,自身抵抗能力较差,输气管道一旦破裂,后果严重,不仅可能造成重大人员伤亡和经济损失,而且居民生活燃气中断,社会影响巨大。
本文结合张家沟2007年8月遭受的泥石流灾害,分析了张家沟泥石流灾害的发育特征,泥石流的形成条件、运动及其相关运动特征,对忠武输气管道形成较大威胁的冲蚀作用及影响展开了重点分析研究,建立了以防护管道、维护生态平衡为目的防治工程措施建议。通过全文的论述、计算与分析,其研究的主要内容和结论如下:
(1)张家沟主沟全长约5公里,流域面积约为3km2,相对高差为350m,主沟沟谷纵比降25-95‰,平均纵比降为48‰,主沟道总体东西向展布,上游段长3km,沟谷横向平均坡角约为19°,下游段长2km,沟谷横向平均坡角约为33.8°。主沟发育有一条次级冲沟,次级冲沟与张家沟主沟夹角约为45°,流域面积约为2km2。
(2)将张家沟固体物质的来源可为沟道堆积物、坡积物和水土流失三类,主沟和支沟的沟底堆积物为泥石流的主要物质来源,松散固体物质总量为50.2×104m3。
(3)张家沟泥石流属于小规模、稀性低频、暴雨型沟谷水石流。
(4)根据张家沟泥石流堆积物特点,对堆积物粗颗粒进行现场分形研究,张家沟泥石流堆积物块度小于等于20cm时,其分维值为0.8583,表明张家沟泥石流堆积物的均匀性较差,根据分形研究得出张家沟泥石流能携带的最大块石为2.65m。
(5)张家沟10、20、50年一遇的泥石流为稀性泥石流,周期为100年及以上的泥石流为过渡性、粘性泥石流,张家沟50年一遇的泥石流容重为14.93kN/m3,固体物质组成大部分为块石,平均流速为5.3m/s,平均流量39.79m3/s,其整体冲击力为6.36×104Pa。
(6)用地貌学方法分析演绎了泥石流对谷岸冲蚀过程和机理,将泥石流对谷岸的冲蚀分为四个阶段,冲蚀槽形成阶段,泥石流顶托底部拉裂阶段,自重项部拉裂变形阶段和坍塌阶段。
(7)对张家沟泥石流对挡墙的损毁过程进行分析,通过分析,挡土墙的毁损分为常态下的山坡水流侵蚀阶段,挡墙基底掏蚀阶段,块石冲击开裂阶段和重力垮塌阶段四个阶段,并对影响挡墙冲蚀破坏的因素进行分析。
(8)结合张家沟泥石流特点,对泥石流防护工程的相关参数进行研究,初步确定了张家沟泥石流防护构造物的基础埋深、张家沟泥石流冲击力和防护高度的计算,利用泥石流磨蚀机理模型,量化了张家沟泥石流磨蚀危害。
(9)通过既有工程毁损分析,明确了张家沟泥石流冲蚀的治理,根据张家沟泥石流特点建立了适宜性较强的张家沟泥石流防治体系。