漿砌石攔擋壩穩(wěn)定性驗(yàn)算及在泥石流災(zāi)害治理中的應(yīng)用

丁 霞，王 琦，孫 楠

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京密云101500)

0 前言

泥石流災(zāi)害是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，是指在山區(qū)溝谷，因?yàn)楸┯甑茸匀粸?zāi)害引發(fā)的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流災(zāi)害的發(fā)生具有突然性、流速快、流量大的特點(diǎn)。且破壞力極強(qiáng)，常造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。

目前，對于泥石流災(zāi)害的治理采取以防為主，防治結(jié)合;工程防治與環(huán)境保護(hù)、水土保持相結(jié)合的治理措施。防治工程主要有跨越工程、穿越工程、防護(hù)工程、排導(dǎo)工程和攔擋工程。漿砌石攔擋壩作為攔擋工程主要是控制泥石流的固體物質(zhì)和雨洪徑流，削弱泥石流的流量、下泄總量和能量，減少泥石流對下游的沖刷、撞擊和淤埋等。

2012年7月21日，北京市遭受了61年來的特大暴雨，多處誘發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)的損失。為加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作，保障當(dāng)?shù)卮迕竦纳敭a(chǎn)安全，北京市國土資源局組織相關(guān)人員對北京市周邊山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行排查，委托我院技術(shù)人員對密云縣前火石嶺泥石流溝進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，并要求提出相應(yīng)的治理措施。

1 前火石嶺泥石流溝特征

據(jù)現(xiàn)場勘查，前火石嶺泥石流溝主溝道全長約2700 m，平均縱比降12.6%，支溝平均縱比降22%～28%，流域面積約2.08 km2。該泥石流災(zāi)害屬于暴雨型、水石型、低頻泥石流，依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T 0220—2006)對泥石流溝綜合打分判斷易發(fā)程度為低易發(fā)—中易發(fā)。

溝谷內(nèi)地質(zhì)條件較復(fù)雜。褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖體完整，局部崩塌危巖較發(fā)育，第四系坡積、洪積層附著于山坡、坡腳處，厚度0.5～2.0 m不等，支溝與主溝匯交處堆積物較厚。溝道松散碎石具備再次啟動的能力，其構(gòu)成多為碎石、卵石，磨圓性好，粘性物質(zhì)少，密實(shí)程度為稍密—中密;溝谷兩側(cè)坡面的植被覆蓋率約80%。

2 攔擋工程設(shè)計

2．1 攔擋壩布置

依據(jù)前期勘查及泥石流溝特征分析結(jié)果，擬在溝道下游和近溝口位置修筑兩道漿砌石重力式攔擋壩(參見圖1)。

圖1 攔擋壩位置圖

攔擋壩1:布置于溝谷中下游溝谷最窄處(寬14 m)，此處位于河道自然轉(zhuǎn)彎處，有利于消減泥石流的動能，地勢較高，寬度較窄，是十分有利的攔擋泥石流的地形。

攔擋壩2:布置于溝谷溝口與下游河道交界處最窄處(寬8 m)，此處上游相對開闊，可作泥石流天然停淤場。

2．2 攔擋壩結(jié)構(gòu)

攔擋壩1:總高3.6 m，壩基埋深1.8 m，出露高度1.8 m，有效高度1.5 m，全長18.0 m，溢流口長7.5 m。采用M10漿砌塊石結(jié)構(gòu)砌筑，石料的抗壓強(qiáng)度≮MU30，壩肩伸入基巖1.0～2.0 m;背坡比1∶0.4，面坡比1∶0.1，壩基礎(chǔ)用漿砌石的整體擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板總寬3.5 m，向上游延伸0.3 m，向下游延伸0.8 m，泄水孔寬0.2 m，高0.3 m，孔壁采用C25砼護(hù)壁。參見圖2、圖3。

攔擋壩2:總高3.0 m，壩基埋深1.5 m，出露高度1.5 m，有效高度1.2 m，全長11.5 m，溢流口長度3.5 m。采用M10漿砌塊石結(jié)構(gòu)砌筑，石料的抗壓強(qiáng)度≮MU30，壩肩伸入基巖1.0～2.0 m;背坡比1∶0.4，面坡比1∶0.1，泄水孔寬0.2 m，高0.3 m，孔壁采用C25砼護(hù)壁。參見圖4、圖5。

3 攔擋壩穩(wěn)定性計算

本次治理的泥石流類型為水石流型，在10年一遇的降雨強(qiáng)度下，泥石流災(zāi)害防治工程安全等級為4級，工程場地屬地震6度帶。不考慮地震影響情況下，設(shè)計工況為滿庫過流、半庫過流、空庫過流3種。

3．1 滿庫過流

圖5 攔擋壩2 E－E'、F－F'斷面圖

垂直方向的作用力:壩體自重Wb、斜面土體重Ws、溢流體重Wf;水平方向的作用力:土體水平壓力Fvl和過壩泥石流的動水壓力σ。作用力分析參見圖6。

圖6 滿庫過流荷載分析示意圖

3．2 半庫過流

垂直方向的作用力:壩體自重Wb、斜面土體與泥石流體重Ws、溢流體重Wf和作用在迎水面壩踵處的揚(yáng)壓力Fy;水平方向的作用力:土體水平壓力Fvl、泥石流整體沖壓力Fδ、泥石流中大塊石的沖擊力Fb、泥石流水平壓力Fwl和過壩泥石流的動水壓力σ。作用力分析參見圖7。

圖7 半庫過流荷載分析示意圖

3．3 空庫過流

垂直方向的作用力:壩體自重Wb、斜面泥石流體重Ws、溢流體重Wf和作用在迎水面壩踵處的揚(yáng)壓力Fy;水平方向的作用力:泥石流整體沖壓力Fδ、泥石流中大塊石的沖擊力Fb、泥石流水平壓力Fwl和過壩泥石流的動水壓力σ。參見圖8。

圖8 空庫過流荷載分析示意圖

3．4 計算參數(shù)

3．4．1 壩體自重

式中:Wb——壩體自重，kN;Vb——壩體單寬體積，m3;γb——壩體容重，kN/m3。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果見表1。

表1 攔擋壩壩體自重計算

3．4．2 溢流體重

式中:Wf——溢流體重，kN;hd——溢流體厚度，m;S——壩頂溢流體面積，m2;γd——溢流重度，本次為15.79 kN/m3。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果見表2。

表2 溢流體重計算

3．4．3 土體重 Ws

指攔擋壩溢流面以下垂直作用于壩體斜面上的物體體積質(zhì)量，以體積乘以重度求得?？諑爝^流工況下，Ws為泥石流體重;半庫過流工況下，Ws為泥石流體重+堆積土體重;滿庫過流工況下，Ws為堆積土體重。堆積土體重度取22.4 kN/m3，泥石流重度取15.79 kN/m3。各參數(shù)取值見表3、表4。

表3 堆積土體重計算

表4 泥石流體重計算

3．4．4 泥石流動水壓力

式中:σ——過壩泥石流動水壓力，kPa;γc——泥石流體重度，取 15.79 kN/m3;g——重力加速度，取9.8 m/s2;Vc——泥石流平均流速，m/s。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果為:泥石流重度γc=15.79 kN/m3，泥石流平均流速 Vc=2.7 m/s，重力加速度g取9.8 m/s2，泥石流動水壓力σ=11.75 kPa。

3．4．5 土體水平壓力

式中:γh——泥石流堆積土體重度，取22.4 kN/m3;Hc——泥石流泥深，m;φa——泥石流體內(nèi)摩擦角，一般4°～10°，考慮成分以碎塊石為主，計算時取10°。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果見表5。

表5 泥石流水平壓力計算

3．4．6 水平水壓力

式中:γw——水體重度，取 10 kN/m3;Hw——水的深度，m。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果見表6。

表6 水平水壓力計算

3．4．7 作用于迎水面壩踵處的揚(yáng)力

式中:Fy——作用于迎水面壩踵處的揚(yáng)力，kPa;K——折減系數(shù)，按《漿砌石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 25—2006)，一般取 0.25;H1——壩上游水深，m;H2——壩下游水深，m;B——壩底寬度，m;γw——水體重度，取 10 kN/m3。

各參數(shù)取值及計算結(jié)果見表7。

表7 迎水面壩踵處的揚(yáng)力計算

3．4．8 泥石流整體沖擊力

式中:Fδ——泥石流整體沖擊力，kN;λ——建筑物形狀系數(shù)，矩形建筑物取1.33;γc——泥石流重度，取15.79 kN/m3;g——重力加速度，取 9.8 m/s2;Vc——泥石流斷面平均流速，取 2.7 m/s;α——建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角，取90°。

計算得:Fδ=15.62 kN。

3．4．9 泥石流中石塊的沖擊力

式中:Fb——石塊對壩的沖擊力，kN;E——構(gòu)件彈性模量，取14.5 MPa;J——構(gòu)件截面中心軸的慣性矩，取1.31 m4;VS——石塊的運(yùn)動速度，取3.16 m/s;W——石塊重力，取12.56 kN;L——構(gòu)件長度，取42 m;α——受力面與泥石流石塊沖擊力的夾角，取90°。

計算得:Fb=0.40 kN。

3．5 穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1)壩體抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)按下式計算:

式中:Kc——抗滑移穩(wěn)定性系數(shù);f——壩體與基礎(chǔ)的摩擦力系數(shù)，取0.5;∑N——垂直方向作用力的總和;∑P——水平方向作用力的總和。

(2)攔擋壩抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)按下式計算:

式中:K0——抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù);∑MN——抗傾覆力矩的總和，等于抗傾覆力與抗傾覆力臂Ia的積，由重心位置求得攔擋壩1的Ia為1.88 m，攔擋壩2的Ia為1.44 m;∑MP——傾覆力矩的總和，等于傾覆力與傾覆力臂Ib的積，由重心位置求得攔擋壩1的Ib為1.52 m，攔擋壩2的Ib為1.29 m。

抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果見表8。

表8 前火石嶺村攔擋壩穩(wěn)定性系數(shù)驗(yàn)算

依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》(DZ/T 0239—2004)中，泥石流災(zāi)害防治主體工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):防治工程安全等級為四級，降雨強(qiáng)度為10年一遇，基本荷載組合情況下，攔擋壩抗滑移安全系數(shù)為1.10，攔擋壩抗傾覆安全系數(shù)為1.30。

綜上，攔擋壩抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均滿足安全要求。

(3)地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。地基穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果應(yīng)滿足:

式中:σmax——最大地基應(yīng)力，kN;［σ］——地基容許承載力;σmin——最小地基應(yīng)力，kN;∑N——垂直力的總和，kN;B——基底寬度，m;e0——偏心距，m。

攔擋壩工程所處部位地基土以沖洪積土、卵石土和碎石土為主，厚度0.5～4.0 m，其下為基巖，巖性為太古代變質(zhì)巖(片麻巖)，中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，為較好的天然地基，依據(jù)類似地區(qū)工程地質(zhì)參數(shù)，參考《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》(DBJ 11—501—2009)，確定其地基容許承載力［σ］取200～300(經(jīng)驗(yàn)值)。

計算結(jié)果見表9。

4 結(jié)論與建議

通過分析前火石嶺泥石流溝的特征，設(shè)計該泥石流溝災(zāi)害的防治工程為漿砌石攔擋壩，并對該攔擋壩在10年一遇的降雨強(qiáng)度、工程場地屬地震6度帶、不考慮地震影響的前提下，按設(shè)計工況為滿庫過流、半庫過流、空庫過流條件下進(jìn)行壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)、攔擋壩抗傾覆穩(wěn)定性和地基穩(wěn)定性驗(yàn)算，得到了壩體符合安全技術(shù)要求的結(jié)論。

表9 壩基穩(wěn)定性驗(yàn)算

建議在治理區(qū)枯水期(11—5月)施工，減少地下水對攔擋壩基礎(chǔ)的不利影響，如需在汛期或豐水期施工，應(yīng)做好基坑降水措施，建議采用淺井工程降水，至少降至基底0.5 m以下。同時建議區(qū)內(nèi)以后采取群測群防機(jī)制，針對暴雨天氣進(jìn)行專人監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時預(yù)警。

災(zāi)害的發(fā)生不僅威脅到人民生命財產(chǎn)安全和公共基礎(chǔ)設(shè)施，還會對當(dāng)?shù)氐乃梁椭脖辉斐善茐?，該方案的設(shè)計實(shí)施，將有效地減低泥石流對前火石嶺村村民生命財產(chǎn)及村內(nèi)公共設(shè)施的威脅，削弱泥石流的致災(zāi)能力，保證在10年一遇暴雨條件下人民生命財產(chǎn)的安全，消除或減輕災(zāi)害的同時還能夠改善當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，對于維護(hù)社會與生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有積極意義。

北京地區(qū)泥石流溝的治理，大多數(shù)以固土、排導(dǎo)和造林措施為主，應(yīng)用工程手段治理泥石流的少之甚少，偶見擋墻、護(hù)村堤和護(hù)坡工程。漿砌石攔擋壩在前火石嶺泥石流治理中應(yīng)用，可作為攔擋工程治理泥石流溝的典型案例，為日后北京地區(qū)治理泥石流溝提供可借鑒的參考資料。

［1］ DZ/T 0220—2006，泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］．

［2］ DZ/T 0239—2004，泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］ SL 25—2006，漿砌石壩設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］ 張杰坤．泥石流研究綜述［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1994，5(4)．

［5］ 楊興坤．泥石流災(zāi)害的工程預(yù)防措施［J］．中國水利，2014，(5)．

［6］ 胡凱衡，崔鵬，李浦．泥石流動力學(xué)模型與數(shù)值模擬［J］．自然雜志，2014，36(5)．

［7］ 楊峰，張燕江，任恩．泥石流防治模式初探［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014，(4)．

［8］ 余斌，朱淵，王濤，等．溝床起動型泥石流預(yù)報研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報，2014，22(3)．

［9］ 李乾坤，石勝偉，韓新強(qiáng)，等．國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理與防治技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(7):52 －54．

［10］ 梁柱，陳燕，陳宏偉．特大型泥石流地質(zhì)災(zāi)害治理工程［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(8):70－74．