新型懸挑式泥石流網(wǎng)格格柵壩及其應(yīng)用

劉建兵，侯利峰

(1.江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，江西南昌 330095;2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局九一五水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川眉山 620010)

0 引言

泥石流具有突發(fā)性、破壞性，在防治工程中，多采用實(shí)體壩，但以水流為主的泥石流(即水石流)采用實(shí)體壩，存在較多的問題，極易產(chǎn)生溢流過壩，使攔擋壩失去效用，并且建造實(shí)體壩所需費(fèi)用較高。針對此類泥石流的特性，宜采用格柵壩，格柵壩攔蓄泥石流中粗大顆粒，排走泥沙、細(xì)礫和流體中的自由水，使進(jìn)入壩庫的泥石流很快被疏干，達(dá)到水土分離。泥石流停淤固結(jié)之后，格柵和壩體受力減小，安全性增加［1］。格柵壩不僅能攔蓄大量的泥沙、石塊，而且能起到調(diào)解泥沙的效果，與實(shí)體重力壩相比，它具有受力條件好、節(jié)省材料、施工方便，攔石排水效果好，利于庫壩維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)［2］。

格柵壩是一種節(jié)省材料、穩(wěn)定性很高的攔擋結(jié)構(gòu)，使用范圍越來越廣，但是目前尚無成熟的格柵壩設(shè)計(jì)方法［3］。本文根據(jù)實(shí)際工程，參考已有格柵壩的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合泥石流特性、工程場地便利條件和地質(zhì)條件等因素，推出一種新型的格柵壩體類型——懸挑式網(wǎng)格格柵壩。

1 理論設(shè)計(jì)

網(wǎng)格格柵壩一般有剛性格柵壩和柔性格柵壩之分，懸挑式網(wǎng)格格柵壩其網(wǎng)格格柵均可采用剛性材料和柔性材料，網(wǎng)格格柵的材質(zhì)不同對本研究無影響。傳統(tǒng)的格柵壩結(jié)構(gòu)由固定梁、格柵和基礎(chǔ)組成，懸挑式網(wǎng)格格柵壩結(jié)構(gòu)特征與傳統(tǒng)網(wǎng)格格柵壩有明顯不同(圖1)，其中挑柵和彈性拉索是懸挑式網(wǎng)格格柵壩體的重要組成部分，也是關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分，本文著重對挑柵和彈性拉索的設(shè)計(jì)研究。懸挑式網(wǎng)格格柵壩的設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

圖1 懸挑式格柵壩立體圖Fig.1 Graphic model of Jettied crib dam

1.1 壩體基本尺寸

根據(jù)設(shè)計(jì)庫容和工程場地確定壩體基本框架，如壩體高(Hd)、壩底長(a)、壩底寬(L)、壩頂長(a2)、壩頂寬(B)和格柵規(guī)格(b×b)。其中壩體高(Hd)、壩底寬(L)、壩頂長(a2)和格柵規(guī)格(b×b)可依據(jù)DZ/T0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的公式計(jì)算［4］，壩底長(a)和壩頂寬(B)則需進(jìn)行公式推導(dǎo)。

①壩高計(jì)算公式:

式中:Hd——格柵壩高度(m);

Hm——泥石流最大龍頭高(m);

ΔH——泥石流的沖起高度(m);

HL——泥石流的淤積厚度(m)。

②格柵規(guī)格關(guān)系計(jì)算公式:

式中:b——格柵網(wǎng)格寬度(m)，一般網(wǎng)格為正方形;

Dm——溝床質(zhì)最大粒徑(m)。

③壩底寬計(jì)算公式:

式中:L——壩底寬度(m);

Hd——格柵壩高度(m)。

④壩底長計(jì)算公式:

依據(jù)圖2壩體縱斷面基本尺寸示意圖所示。

圖2 壩體縱斷面基本尺寸示意圖Fig.2 Longitudinal section basic size of Jettied crib dam body

式中:a——壩底長度(m);

Hd——格柵壩高度(m);

a2——壩頂長度(m)，一般取 1.0 ～1.5m;

α1——壩迎水面坡度，一般取 60°;

β2——壩背水面坡度，一般取 45°。

則:

⑤壩頂寬計(jì)算公式:

依據(jù)圖3壩體橫斷面基本尺寸示意圖所示。

其中:b1=L1·cosα，b2=L2·cosβ，則:

式中:B——壩頂寬度(m);

圖3 壩體橫斷面基本尺寸示意圖Fig.3 Transverse section basic size of Jettied crib dam body

L1、L2——兩岸坡長(m);

α2、β2——兩岸坡度(°)。

1.2 挑柵設(shè)計(jì)

挑柵的合理設(shè)計(jì)是格柵壩運(yùn)行效能的有力保障，是整個(gè)格柵壩的關(guān)鍵技術(shù)因素，也是區(qū)別于傳統(tǒng)格柵壩的重要組成部分，所以其設(shè)計(jì)思路和方法有別于傳統(tǒng)格柵壩。

工程設(shè)計(jì)時(shí)主要確定挑臂(l)、挑度(α3)和挑距(a4)的設(shè)計(jì)參數(shù)。首先對此三個(gè)參數(shù)的技術(shù)釋義，挑臂(l)是可挑起的格柵的長度，即活動(dòng)格柵;挑度(α3)是挑柵從原始狀態(tài)經(jīng)泥石流沖擊閉合后運(yùn)動(dòng)軌跡的弧度;挑距(a4)是原始狀態(tài)下挑柵與閉合接觸底平面的垂直距離。以下就挑柵的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行論證和其計(jì)算公式推導(dǎo)。

①挑臂(l)的確定:

挑臂應(yīng)大于河流溝谷正常的最高水位高度，并且小于或等于泥石流最小龍頭高度，即:

一般應(yīng)高于正常的河流溝谷最高水位0.5m，低于泥石流最小龍頭高度0.5m，即:

式中:l——挑臂長度(m);

Hi——泥石流最小龍頭高度(m);

Hj——正常的河流溝谷最高水位高度(m)。

②挑距(a4)的確定:

依據(jù)圖4挑柵尺寸設(shè)計(jì)示意圖所示。

根據(jù)直角三角形勾股定理，得:

其中:a1=l·sinα2，則:

代入式(13)得:

圖4 挑柵尺寸設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Jettied crib size diagram

經(jīng)計(jì)算得出下式:

1.3 拉索彈性形變量確定

挑柵在泥石流龍頭的沖擊作用下，其作用力達(dá)到使彈性拉索產(chǎn)生拉伸變形時(shí)，泥石流龍頭的沖擊力繼續(xù)作用于挑柵，使其彈性拉索繼續(xù)伸展至挑柵閉合。我們稱之為這個(gè)作用于挑柵拉拽彈性拉索的力為閉合力，即使其挑柵閉合的力，該作用力是不斷運(yùn)動(dòng)的力;而彈性拉索在挑柵拉力作用下產(chǎn)生變形的大小稱之為形變量。根據(jù)胡克定律求出的所需彈性拉索的彈性模量，從而選取具備該力學(xué)要素的彈性拉索。

①閉合力的確定:

閉合力即為泥石流龍頭沖壓力，泥石流龍頭沖壓力可依據(jù)DZ/T0239—2004《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的公式計(jì)算［4］:

其中泥石流流速可采用鐵二院推薦的稀性泥石流流速測算公式［5］:

②閉合力與拉索彈性形變量的關(guān)系:

拉索屈服條件在彈性極限變形條件以內(nèi)，即可恢復(fù)至原始狀態(tài)，作用于挑柵的閉合力的大小與拉索拉伸變形成正比例關(guān)系，可依據(jù)胡克定律［6］:

其中拉索形變量△H是拉索初始狀態(tài)至挑柵閉合后拉索的伸展長度，可在挑柵尺寸設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算得出拉索形變量△H的實(shí)值;作用于挑柵的閉合力Fg，可依據(jù)公式(17)計(jì)算確定。各種材質(zhì)的拉索其變形系數(shù)(k)不同，根據(jù)下式可計(jì)算出k值，k值即為彈性模量。

拉索的k值受各種因素影響，比如材質(zhì)(分子或原子排列不同)、形狀、粗細(xì)、熱效應(yīng)等，一般選用可逆形變的高彈性聚合物材料(如高彈性的蹦極用橡膠繩)。

1.4 壩體穩(wěn)定性分析

懸挑式網(wǎng)格格柵壩自重較輕，泥石流的推動(dòng)力較輕易推動(dòng)格柵壩體位移變形，使其失去對泥石流防治的效用，所以其壩體的穩(wěn)固尤為重要，關(guān)系到懸挑式格柵壩的安全運(yùn)行。其變形破壞主要受格柵材質(zhì)影響，一般選用工程力學(xué)性質(zhì)好的材料均可避免變形的發(fā)生，本文不作進(jìn)步研究。壩體穩(wěn)定主要受壩體與坡岸的錨固程度有直接的影響關(guān)系。目前該類壩型一般采用鋼筋混凝土格構(gòu)+預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的錨固措施。

鋼筋混凝土格構(gòu)+預(yù)應(yīng)力錨桿(索)設(shè)計(jì)可采用DZ0240—2004《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］。本文著重介紹泥石流推動(dòng)力對壩體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系(即壩體抗泥石流的沖擊性能)。泥石流作用于格柵壩的推動(dòng)力可分解為沖擊局部位移的力和推動(dòng)壩體整體位移的力。其計(jì)算關(guān)系公式如下［8］:

①局部沖擊位移時(shí):

②推動(dòng)整體位移時(shí):

2 工程案例

以下為漂塘鎢礦漂塘河泥石流為工程案例，進(jìn)行懸挑式格柵壩的工程實(shí)例應(yīng)用。

2.1 工程概況

漂塘河歷年來發(fā)生多次泥石流(水石流)［9］，對沿河人民的生命財(cái)產(chǎn)影響較嚴(yán)重，造成較大損失，針對該漂塘河歷年來發(fā)生的泥石流特征，該溝應(yīng)以防洪為主，兼防泥石流，在溝床狹窄處地質(zhì)條件較好、兩岸易于錨固的牛軛灣段設(shè)置一座格柵濾水?dāng)r石壩，該處河谷切割較深，約15m，呈“V“字型谷，開口窄小，坡岸極陡，大于65°，有利于格柵濾水?dāng)r石壩的布設(shè)與安裝，能有效地發(fā)揮濾水?dāng)r石的作用，并且在該處布設(shè)用料少，成本低。

格柵壩壩址地處漂塘河瓶頸處，且為牛軛灣段，泥石流經(jīng)此處速度將趨緩，對壩的沖力減小，壩兩岸基巖淺，強(qiáng)風(fēng)化淺，巖石穩(wěn)固性好，河床縱坡較緩，縱坡降約14.3‰，河床淤塞輕，厚為0.3m，下伏堅(jiān)硬巖石，地基承載力好，格柵壩址兩側(cè)坡岸歷年來未見崩、滑現(xiàn)象，兩坡岸頂皆為平臺，該處地層為∈2gl1巖屑石英雜砂巖，產(chǎn)狀135°∠69°，裂隙較發(fā)育，巖石呈巨厚層狀，左岸強(qiáng)風(fēng)化層厚約0.2m，殘坡積層厚約0.3m，坡高 11m，坡向 225°，右岸強(qiáng)風(fēng)化層厚約0.1m，殘坡積層厚約 0.2m，局部基巖裸露，坡高15m，坡向45°。所以格柵壩兩側(cè)坡岸穩(wěn)定性均好，無需作坡岸失穩(wěn)處理。

因此，此處適合泥石流攔擋壩的建造，且宜采用格柵壩，格柵壩通透性好，水和泥流過格柵，攔截粗顆粒的碎石、漂礫，起到消能、攔截、疏導(dǎo)的作用，減少對下游河岸的沖刷和河床的淤高，有效控制泥石流對下游的河岸及建(構(gòu))筑物的沖擊與淹覆能力。該處工程地質(zhì)條件簡單，建造與安裝便利，工程投資少，上游停淤場大，交通與地形地貌條件易于清淤，格柵壩運(yùn)行效能高。

2.2 懸挑式網(wǎng)格格柵壩設(shè)計(jì)方案

該格柵壩按泥石流災(zāi)害防治工程安全等級為四級、工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為二級(即50年一遇)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。格柵壩采用懸挑式濾水?dāng)r石格柵，懸挑式濾水?dāng)r石格柵通水能力強(qiáng)，通過泥石流沖力使挑柵閉合阻截砂石搬運(yùn)的原理，平時(shí)懸挑格柵對河流無阻截，不易堵塞河道。該格柵壩設(shè)計(jì)有效庫容約3.2×104m3，據(jù)調(diào)查，上游沿岸廢石零散堆放總量約6×104m3，廢石累進(jìn)流失率40%，約2.4×104m3，滿足要求。柵格壩壩高8m，壩底寬6m，壩底長9.5m，壩頂長9m，壩頂寬1.5m，固定格柵高5.77m，挑柵2.23m，固定格柵與挑柵采用鋼活栓栓錨連接，河床清除松散層后在基巖面上鋪筑0.2m厚的C30混凝土。柵格網(wǎng)鋼筋采用φ12的Ⅲ級冷軋圓鋼，主筋采用Ⅲ級φ48×8中空鋼管，鋼梁采用槽鋼20#b型，挑柵挑起時(shí)與河床距30cm，挑角 30°，挑臂長 2.23m，格柵規(guī)格 20cm ×5cm。懸挑式濾水?dāng)r石格柵壩兩翼坡岸采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以固定格柵，鋼筋采用φ5的Ⅲ級冷軋圓鋼，按0.40m×0.40m×0.15m的網(wǎng)格安裝后澆筑C30混凝土，并在兩翼各設(shè)置上下5排預(yù)應(yīng)力錨桿加強(qiáng)懸挑式濾水?dāng)r石格柵壩的穩(wěn)固，預(yù)應(yīng)力錨桿分別在壩兩翼高0.6m、2.4m、4.2m、6.0m、7.6m 處水平面布設(shè)，水平間距1.5m，上下排呈梅花型布置，桿長均為4m，采用φ20×6的HRB400中空鋼管加工，完成鉆孔安裝預(yù)應(yīng)力錨桿后以1.0MPa的壓力全粘結(jié)灌注漿，水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，彈性拉索采用高彈性、機(jī)械強(qiáng)度高的膠繩或高強(qiáng)度的彈簧鋼線，推薦使用彈性形變拉力為4.5kN的高強(qiáng)彈力橡(硅)膠繩(如蹦極用高強(qiáng)彈力橡膠繩)。坡腳與河床埋設(shè)擋柵鋼釘，控制懸挑格柵往下游歪扭(圖5、圖6)。

懸挑格柵在每次攔截砂石之后，應(yīng)及時(shí)河道清淤，并且應(yīng)把懸挑格柵挑度和彈性拉索恢復(fù)原有狀態(tài)，防止河道淤塞，以便下一次泥石流攔截的良好運(yùn)行［9］。

圖5 懸挑式格柵壩剖面圖Fig.5 Profile map of jettied crib dam

圖6 懸挑式格柵壩兩翼錨桿布設(shè)剖面圖Fig.6 Profile map of both wings anchor placement

2.3 懸挑式網(wǎng)格格柵壩應(yīng)用效果分析

根據(jù)懸挑式網(wǎng)格格柵壩的運(yùn)行效果來看，漂塘河平水期水流通暢，其正常流通未受挑柵影響。汛期已攔截規(guī)模以上泥石流(水石流)三次，其中最高流量達(dá)30m3/s，最大泥水流速5m/s，經(jīng)多次抗泥石流(水石流)龍頭沖擊，其結(jié)構(gòu)未受破壞，與溝床、坡岸錨固穩(wěn)定性仍較好，無整體或局部變形、位移現(xiàn)象，挑柵與彈性拉索能夠恢復(fù)至初始狀態(tài)。

在挑柵閉合后，上游泥石流(水石流)體臨近網(wǎng)格格柵時(shí)，其流速趨緩，泥(水)位增高，泥石流(水石流)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為泥石流(水石流)勢能和坡岸、格柵壩的接觸應(yīng)力能，其勢能一部分隨跌水作用釋放，一部分因泥位蓄勢，轉(zhuǎn)換的接觸應(yīng)力能往兩側(cè)坡岸、山體傳遞而釋放，這樣就極大的消減了泥石流(水石流)的動(dòng)能和沖擊格柵壩的沖力，因此下游河岸沖蝕現(xiàn)象與以往相比明顯較輕或無，并且無水流漫岸現(xiàn)象，河流行洪能力明顯提高。

從該工程攔截的物質(zhì)特征可知，于泥石流龍頭沖撞挑柵閉合之后，首先攔截的是大于格柵網(wǎng)格的粗顆粒物質(zhì)，如礦山廢石、卵礫石、泥沙團(tuán)塊及植物枝根等，其余次一級粗顆粒物質(zhì)、泥沙和水自由流出，當(dāng)這些粗顆粒物源密布于格柵網(wǎng)格面之后，次一級粗顆粒流體被攔截下來，這樣就有效的攔截了固體物源。

停淤后，礦山先采取人工掏挖清淤，因溝床水流作用，人工清淤難度較大，后采取機(jī)械+人工輔助的清淤方法，清淤效果極好，采用適宜的清淤方法需考慮場地條件和溝河水流情況等。解決泥渣的運(yùn)輸與堆存也是棘手的問題，部分泥渣流塑性高，在運(yùn)輸方法上受載體條件限制，需采用攜帶密閉箱式的運(yùn)輸工具;泥渣堆存場地選址需進(jìn)行可行性分析與多方案比較，選址時(shí)應(yīng)考慮堆存庫容、運(yùn)距、交通便利條件、預(yù)防水土流失、土地利用狀況等。

在清淤結(jié)束后，挑柵能夠及時(shí)良好的恢復(fù)到初始狀態(tài)，其挑度和挑距與設(shè)計(jì)安裝時(shí)基本吻合，若出現(xiàn)挑距和挑度偏小，應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行修正，修正時(shí)應(yīng)根據(jù)彈性拉索的恢復(fù)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。停淤后，應(yīng)及時(shí)清淤恢復(fù)彈性拉索至初始狀態(tài)，否則，彈性拉索在長時(shí)間高應(yīng)力狀態(tài)作用下，可能使彈性拉索的屈服極限發(fā)生不可逆的變化，造成回彈不完全，從而影響格柵壩的運(yùn)行和效用。

在格柵壩建造之后的運(yùn)行管理和維護(hù)尤為重要，若管理不當(dāng)或維護(hù)不及時(shí)，可能在下一次泥石流(水石流)之時(shí)攔截效果不佳，甚至造成破壞格柵壩。運(yùn)行管理和維護(hù)工作主要是日常監(jiān)測檢查、維修保養(yǎng)、及時(shí)清淤、鋼鐵構(gòu)件防腐、避免外因破壞等。格柵壩建造投資成本較低，因其結(jié)構(gòu)簡單、用料少，施工安裝難度較小;后期運(yùn)行管理和維護(hù)成本較高，具體體現(xiàn)在安排人員管理的管護(hù)費(fèi)用和清淤工程費(fèi)用。

該工程為預(yù)防常發(fā)性水石流可起到很好的攔渣排水及消能效果，避免沖刷下游河岸、淤塞下游河床;提高河流的行洪能力，避免淹沒下游低洼處生產(chǎn)生活設(shè)施。該工程結(jié)構(gòu)簡單、施工難度小，成本低，但在運(yùn)行期間，清淤工作較難，一是清淤方法要得當(dāng)，二是泥渣堆存處理要科學(xué);后期運(yùn)行管理和維護(hù)費(fèi)用可能較高、清淤工作量較大。

該工程為攔截漂塘河山洪泥石流起到良好的效果，為下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和勞動(dòng)人民的生命財(cái)產(chǎn)起到保障作用，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣c經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，可為類似工程提供借鑒或效仿之用。

3 發(fā)展前景

此懸挑式網(wǎng)格格柵壩處于初步研發(fā)階段，設(shè)計(jì)理論技術(shù)還不夠成熟，可能存在較多的問題，設(shè)計(jì)理論和計(jì)算公式應(yīng)不斷完善，這就需要做大量的室內(nèi)試驗(yàn)工作，并且需經(jīng)大量工程實(shí)例的檢驗(yàn)。

根據(jù)技術(shù)的不斷進(jìn)步和科研的不斷創(chuàng)新，可結(jié)合當(dāng)代電子設(shè)備的新技術(shù)和新產(chǎn)品，優(yōu)化懸挑式網(wǎng)格格柵壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)理念。具體可從兩個(gè)方面入手，一是從牽引挑柵的設(shè)備入手，可以不單單采用泥石流龍頭的推合力使挑柵閉合阻截泥石流運(yùn)行軌跡，更具發(fā)展空間的是采用電子信息控制設(shè)備，通過泥石流來臨時(shí)所表現(xiàn)出來的各種信息要素，電子設(shè)備采集其信息要素經(jīng)傳感接受儀反饋到信息分析系統(tǒng)，作出分析結(jié)果采取自動(dòng)投放閉合挑柵，這就需要針對適宜懸挑式網(wǎng)格格柵壩的電子設(shè)備和信息分析系統(tǒng)的研發(fā);二是從設(shè)計(jì)理論著手，本文僅是該格柵壩的初步研究階段，可能存在設(shè)計(jì)缺陷，需通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐不斷進(jìn)行完善，全面系統(tǒng)的建立設(shè)計(jì)模型、計(jì)算公式、設(shè)計(jì)方法和思路。

4 結(jié)論

挑柵通水能力強(qiáng)，通過泥石流沖力使挑柵閉合阻截砂石搬運(yùn)的原理，平時(shí)懸挑格柵對河流無阻截，不易堵塞河道。缺點(diǎn)是選用彈性拉索時(shí)彈性形變參數(shù)較難掌握，以后還需進(jìn)行此類理論研究和試驗(yàn)。懸挑式格柵壩最適合于攔蓄含巨石、大漂礫的水石流、稀性泥石流和挾帶大量推移質(zhì)的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流與洪水相間出現(xiàn)的溝道，但不適用于攔蓄崩滑體和間發(fā)性粘性泥石流。將來應(yīng)加強(qiáng)在泥石流治理中的應(yīng)用，通過實(shí)際工程應(yīng)用和試驗(yàn)得出成熟的理論研究成果。

［1］高速.泥石流災(zāi)害治理技術(shù)及應(yīng)用［Z］.北京:中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2004.GAO Su. The debrisflow controltechnology and application［Z］.Beijing:China Geological Environmental Monitoring Institute，2004.

［2］李德基.透水型攔擋壩在泥石流防治中的應(yīng)用［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1997，8(4):60-66.LI Deji.Application of permeable dam debris flow prevention ［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1997，8(4):60-66.

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