透水拱壩在泥石流防治工程中的研究和應(yīng)用

黃劍宇 ，盧廷浩

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京210098)

0 前 言

泥石流是一種廣泛分布于世界各國一些具有特殊地形、地貌狀況地區(qū)的自然災(zāi)害，是脆弱山區(qū)介于挾沙水流與滑坡之間的土、水、氣混合流[1]，在山區(qū)溝谷或山地坡面上由暴雨、冰雪融化等水源激發(fā)產(chǎn)生。泥石流的形成條件概括起來主要有三個方面:大量的松散固體物質(zhì)、特定的地形地貌和充足的水源[2]。我國的地形、地貌非常多樣化，是泥石流災(zāi)害的多發(fā)國家。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)工程建設(shè)增多，泥石流災(zāi)害將影響、破壞更多基礎(chǔ)設(shè)施，威脅民眾生命安全，所以有必要對泥石流災(zāi)害防治進行研究[3]。

沈壽長[4]等對鐵路沿線1 300余條泥石流溝及600多處防治工程建筑物的統(tǒng)計，指出攔擋壩是泥石流治理工程中最常用的治理措施，占防治工程建筑物總數(shù)的52%。曾慶利[5]等做了谷坊防治泥石流災(zāi)害研究表明:谷坊工程能夠有效抬高泥石流侵蝕基準面，降低泥石流溝谷回淤段溝床縱坡，降低泥石流流速。管敏鑫[6]等對格柵壩進行了分析研究，表明:格柵壩能夠攔渣滯流，降低圬工量及壩身受力荷載，并提出了漿砌塊石格欄拱壩與系桿拱壩、挖孔樁基礎(chǔ)與三棱形立體壩、可移動式格欄壩等新型壩。相對于實體攔擋壩，透水攔擋壩能排泄水流，降低壩身水壓力，提高庫容利用率。目前透水壩主要形式有梁式壩、格柵壩、切口壩、篩子壩和格子壩等。由于拱壩的特殊受力特點使其壩身承受荷載較小，且拱壩圬工量小，工藝成熟，施工方便，本文提出將透水攔擋壩和拱壩的特點相結(jié)合用于對泥石流的防治，具有一定的創(chuàng)新性和實際工程價值。

1 透水拱壩防治泥石流的思路

1.1 透水壩的發(fā)展

泥石流攔擋工程起初以實體攔擋壩為主體，但實體壩圬工量大，施工不便，壩體承受較大水壓力，壩基存在揚壓力，庫容利用率不高。1934年黑爾特和施特雷爾在實體攔沙壩過水頂部開條形切口，形成切口壩，1950年奧地利修建了鋼筋混凝土平面格欄壩[7]。之后世界各地不斷出現(xiàn)鋼索柔性格欄壩、斜式平面格欄壩、鋼架格欄壩、裝配式鋼筋混凝土立體格欄壩等新壩型。

1.2 研究思路

泥石流的形成區(qū)和流通區(qū)地形多呈狹長的“V”或“U”型谷，適合建設(shè)透水拱形攔擋壩攔擋泥石流流體?？梢园l(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，通過拱形結(jié)構(gòu)將泥石流所受沖擊力、水壓力、堆積物壓力傳遞到壩肩，壩肩巖土體提供支撐力，降低壩身所受內(nèi)力，提高了壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。且相對于重力攔擋壩，其壩身薄且圬工量小，施工方便，便于管理，但對峽谷兩岸壩肩巖土體強度要求較高。對于流域面積較大、主溝長度較長、溝床比降較大的泥石流，則可以在不同區(qū)域設(shè)置透水拱壩，分級攔擋，同時結(jié)合其它消能、排導(dǎo)建筑物進行防治。

2 透水拱壩結(jié)構(gòu)、受力特征

2.1 透水拱壩結(jié)構(gòu)特征

拱壩是一種在平面上向上游彎曲、呈曲線線形，能把一部分水平荷載傳給兩岸的擋水建筑物，是一個空間殼體結(jié)構(gòu)[8]。拱壩壩體可以看作由一系列水平拱圈和一系列懸臂梁所組成，壩體承受的水平荷載一部分通過拱的作用傳給兩岸基巖，另一部分通過豎向梁的作用傳到壩底基巖。拱壩是一個高次超靜定結(jié)構(gòu)，當發(fā)生超載或壩體某一部分產(chǎn)生局部裂縫時，壩體將出現(xiàn)重分配，原來低應(yīng)力部位將承擔增大的應(yīng)力，原來高應(yīng)力部分的應(yīng)力不再增長，裂縫可能停止發(fā)展甚至閉合。

劉逢成等[9]對拱壩式擋土墻的研究表明:可選擇圓弧線作為合理拱軸線，內(nèi)力小，結(jié)構(gòu)簡單有利于施工。因此，建議透水拱壩設(shè)計為單曲，單心圓拱壩，其主要結(jié)構(gòu)有別于水利工程中的拱壩，其壩身主要由水平拱圈梁以及豎向支墩構(gòu)成。支墩沿拱軸線布置，澆筑數(shù)層混凝土拱圈梁與支墩相連接構(gòu)成壩體。

拱壩豎向支墩在不同地區(qū)，根據(jù)地質(zhì)條件、施工條件可以有不同的選擇。在石料比較豐富的地區(qū)，可以選擇漿砌石體為支墩，充分利用材料，降低成本，但漿砌石體抗剪、抗彎強度都偏低；在軟弱基礎(chǔ)地區(qū)，可以選擇挖孔樁為支墩，抗剪、抗拉強度較高；在施工方便地區(qū)可，可以選擇鉆孔灌注樁作為支墩。支墩在壩基下截面較大，與拱圈梁相連接的截面積相對較小。這樣可以既可以避免泥石流對壩基的沖刷，保持壩基穩(wěn)定，又可以降低成本。

拱圈梁層數(shù)可以根據(jù)防治的泥石流標準，受力分析后確定。其各層拱圈梁之間間距b可以根據(jù)當?shù)啬嗍髁黧w中顆粒大小進行調(diào)整，為此需要調(diào)查流體中最大顆粒直徑dmax。游勇通過對梁式格柵壩的研究表明[10]:梁式格柵壩有全部閉塞、臨時閉塞、半閉塞、未閉塞4種閉塞類型。當梁間距b與泥石流體中最大顆粒粒徑 dmax之比b/dmax≤1.0時，格柵壩基本閉塞；b/dmax≥1.5時，格柵壩未閉塞；1.0＜b/dmax＜1.5時，格柵壩半閉塞或臨時閉塞。因此，在透水拱壩設(shè)計時，應(yīng)確保b/dmax＞1。

2.2 透水拱壩受力特征

透水拱壩主要荷載包括:壩體自重、堆積物土壓力、泥石流沖擊力、壩基揚壓力、地震力。其中主要考慮的是前三種荷載作用，其計算方法如下:

(1)壩體自重由拱圈梁和支墩組成，分別根據(jù)式(1)和式(2)計算。

式中:wg、wz分別為拱圈和支墩自重；n為拱圈梁層數(shù)；α為拱圈圓心角；S為拱圈梁截面積；R2、R1分別為拱圈的外半徑、內(nèi)半徑；γg、γz分別為拱圈梁和支墩重度；V為支墩體積。

螺蟲乙酯分別按照有效成分2000倍和3000倍劑量噴施2～3次，距末次施藥后7 d、14 d和28 d采樣測定，樣品中沒有螺蟲乙酯、B-mono、B-glu檢出，B-enol的含量為0～0.04 mg/kg，B-keto的含量為0～0.04 mg/kg。

(2)土壓力由堆積物土壓力、壩前主動土壓力以及壩后被動土壓力組成，計算選用朗肯土壓力理論公式[11](3)和式(4)進行計算。

主動土壓力公式:

被動土壓力公式:

(3)泥石流流體沖擊力，這里的沖擊力為整體沖擊力，包括動水壓力和塊體沖擊力，按式(5)進行計算[12]。

式中:F為泥石流整體沖擊力；g為重力加速度；β為受力面與泥石流沖壓方向所夾角；λ為受力體形狀系數(shù)；γc、Vc分別為泥石流體重度和速度。

透水拱壩受力分析可以根據(jù)分載法進行分析，所受水平荷載由拱圈梁和支墩共同分配承受，壩體自重等豎向荷載由支墩承受。水平壓力均勻分布于拱圈梁表面，受力分析圖如圖1所示，是一個超靜定無鉸拱結(jié)構(gòu)，為受壓構(gòu)件。其內(nèi)力小，截面基本處于無彎矩狀態(tài)，這樣能充分發(fā)揮混凝土材料抗壓強度高、抗拉強度低的特性。支墩承受壩體自重，以及部分水平荷載，其截面既受剪應(yīng)力也受拉壓應(yīng)力，存在較大彎矩。

圖1 拱圈梁受力圖

3 實例分析

四川樂山市大場溝是暴雨、泥石流災(zāi)害重災(zāi)區(qū)。泥石流危及溝口城市街道、機關(guān)、居民、商鋪和縣內(nèi)重要交通干線西萬公路安全。

3.1 現(xiàn)場地質(zhì)資料

大場溝地處縣城，屬北亞熱帶盆地濕潤氣候，其特點是雨多、霧多、濕度大、日照短、年降雨量600 mm～1 230 mm，年平均暴雨1.6次，最多達4次，最大暴雨量為73 mm/h。大場溝面積0.72 km2，溝內(nèi)松散堆積物18×104m3。中低山地貌，呈西北高東南低、上陡下緩、外窄內(nèi)寬、口小肚大之勢，最高處海拔1 249 m，最低處772 m，相對高差359 m。大場溝內(nèi)有七溝八坡，有不穩(wěn)定的中小型滑坡體4處，中型崩塌15處，存在發(fā)生新的滑坡、崩塌危險，是補充大量泥石流的物源?！癡”谷坡降大，植被不發(fā)育，暴雨易形成洪流。地層由雜填土、淤積泥沙層、碎石土層 、花崗巖層組成 ，其埋深H(m)、內(nèi)摩擦角 φ(°)、粘聚力c(kPa)、重度 γ(kN/m3)如表1所示。大場溝區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，對巖體尤其是接觸變質(zhì)巖體切割破壞嚴重。這一特點是區(qū)內(nèi)崩塌發(fā)育的主要原因。

表1 地層組成

3.2 透水拱壩設(shè)計

大場溝泥石流流通區(qū)末端溝口狹窄，直線跨度58 m，背后可以形成較大的淤積容積，而且壩基、壩肩皆為堅硬較完整的塊體結(jié)構(gòu)的花崗巖石，適宜于選用透水拱壩進行攔擋。

設(shè)計選取暴雨強度取73 mm/h，設(shè)計標準P=10%，即設(shè)計降雨強度為10 a一遇暴雨。泥石流流速取值為6.70 m/s，設(shè)計洪峰流量為16.00 m3/s，泥石流平均泥深0.8 m。泥石流流量計算目前有兩種方法[8]:一種是利用流域可能產(chǎn)生的最大清水量為依據(jù)，結(jié)合泥石流的特征加上一些修正系數(shù)及雨洪修正法；二利用泥石流流速乘以過流斷面面積的泥痕調(diào)查法，本文采用第二種方法算得泥石流量約為0.97×104m3。壩肩和壩基弱風(fēng)化花崗巖強度 fck=40MPa。

透水拱形攔擋壩設(shè)計力求壩體輪廓簡單，基巖面、壩面變化平順，避免有任何突變。壩體每一層拱形圈梁對應(yīng)壩肩相應(yīng)高程基巖能夠提供滿足壩體穩(wěn)定性的支撐力，對此可以對壩肩巖體進行一些灌漿加固處理，若施工方便也可以在壩肩加一些斜樁來滿足壩肩穩(wěn)定。

最終設(shè)計透水拱壩為單曲，單心圓拱壩，高16 m，拱圈圓心角為100°，壩頂長53.1 m，壩頂中心圓半徑 R為34.68 m，弧長S為60.5 m，四層拱圈，拱形圈梁間距為1.5 m，寬度為2.5 m。拱圈布置參數(shù)如表2，壩體示意圖如圖2。

表2 拱圈布置參數(shù)

圖2 壩體示意圖

3.3 荷載計算

水平荷載大小直接影響樁的抗滑和抗傾覆能力，在壩前壩體主要受主動土壓力和泥石流沖擊力，其中主動土壓力包括淤積物及壩基巖土的土壓力，在壩后主要受到地層的被動土壓力。土壓力以及泥石流沖擊力計算結(jié)果如表3所示。

表3 壩體水平荷載 單位:kN/m

由表3得壩體凈水平荷載為:主動土壓力+沖擊力-被動土壓力=534 kN/m。

壩身重力按具體拱圈梁、支墩梁材料，按公式(1)和(2)計算即可，除此之外壩體還受到壩基揚壓力以及地震力。由于壩基為樁結(jié)構(gòu)且壩身透水，因而揚壓力可以忽略不計，本地區(qū)較穩(wěn)定地震力亦忽略不計。最終，需要驗證樁的抗傾覆、抗滑能力以及壩肩的穩(wěn)定性，由于本地區(qū)溝床、溝谷存在較好的花崗巖，所以能夠提供足夠的支撐力、抗滑力。

為了進一步降低穿過壩體下泄物的流速，在壩后建立一個扇形消能池以及導(dǎo)流槽，平面布置示意圖如圖3所示。

圖3 透水拱壩平面布置示意圖

4 結(jié) 論

本文將透水攔擋壩及拱壩的特點相結(jié)合應(yīng)用于泥石流災(zāi)害防治工程中，具有創(chuàng)新性和工程實踐性，主要結(jié)論有:①透水拱壩適合建在壩肩巖體強度高的“V”或“U”型峽谷地區(qū)；②相對于平面格柵壩透水拱壩壩體內(nèi)力小，有利于發(fā)揮材料的抗壓強度高、抗拉強度低的特性。③透水拱壩設(shè)計時確保b/dmax＞1，避免壩身閉塞。④透水拱壩結(jié)構(gòu)及作用有別于水利工程，其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，工藝成熟，便于管理。

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