泥石流攔擋壩破壞模式調(diào)查分析

齊得旭, 閆 俊, 張?jiān)菩l(wèi)

(湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435000)

泥石流是一種常見山區(qū)自然地質(zhì)災(zāi)害，具體指松散土體和水的混合體在重力作用下沿自然坡面或壓力坡流動(dòng)的現(xiàn)象[1]。由于泥石流中固體含量較多，再加上巨石的影響，沿高陡的坡面運(yùn)動(dòng)，其流速高達(dá)幾十米每秒，高的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使得泥石流具有很大的破壞力，對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大危害的。目前的泥石流治理工程主要從松散固體物質(zhì)和水動(dòng)力著手：形成區(qū)抗滑固坡工程(擋土墻、抗滑樁、錨固)、坡面水土保持工程、控制水體工程(截流渠、調(diào)洪水庫、泄洪洞)；流通區(qū)的攔擋壩和固床護(hù)坡工程(谷坊、淺檻、放沖肋、防護(hù)墻)；堆積區(qū)的防護(hù)工程和停淤工程[2]。其中，傳統(tǒng)的實(shí)體攔擋壩一般為重力式攔擋壩，由水工壩演化而來，具有良好的攔砂節(jié)流、固床護(hù)

坡的作用，在自然界山洪泥石流防治中被廣泛應(yīng)用。

各種形式的攔擋壩經(jīng)歷過常年的水力沖刷和泥石流破壞后，很多均出現(xiàn)了不同程度的破壞，因此，泥石流擋壩將不斷修復(fù)或重建，泥石流的治理始終處于”治理—破壞—治理”的循環(huán)中。依托科研項(xiàng)目《泥石流攔擋壩基礎(chǔ)處理及壩體優(yōu)化設(shè)計(jì)》，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)四川省內(nèi)63座出現(xiàn)變形破壞狀況的泥石流攔擋壩進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析。

1 攔擋壩類型和變形破壞特征

根據(jù)調(diào)查情況對(duì)調(diào)查樣本進(jìn)行破壞部位[3]、破壞原因和破壞特征統(tǒng)計(jì)分析，其變形破壞特征如表1所示。

表1 攔擋壩調(diào)查統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of dam survey

圖1 調(diào)查區(qū)攔擋壩類型及數(shù)量直方圖Fig.1 Histogram of type and quantity of dam in survey area

本次現(xiàn)場調(diào)查63座出現(xiàn)變形破壞狀況的攔擋壩，包含5種攔擋壩類型，分別為漿砌塊石攔擋壩、混凝土壩、鋼筋混凝土壩、鋼混格柵壩、鋼混梳齒壩。圖1為統(tǒng)計(jì)的破壞泥石流攔擋壩樣本中各泥石流攔擋壩類型的數(shù)量比例，其中漿砌塊石攔擋壩35座，混凝土壩及鋼筋混凝土壩為25座。說明在泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩最容易破壞，其次為混凝土壩。

2 變形的攔擋壩壩基、壩肩工程地質(zhì)條件及比例關(guān)系

結(jié)合所調(diào)研的攔擋壩的壩肩、壩基的地層地質(zhì)特征情況，統(tǒng)計(jì)分析得到泥石流攔擋壩的壩基主要為基巖和碎石土兩種情況,壩肩和地質(zhì)體接觸情況分別為嵌入基巖、嵌入碎石土和懸空三種工況。壩肩與壩基的地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)分布如圖2所示。對(duì)于左壩肩，碎石土∶基巖∶懸空=38∶25∶0，嵌入碎石土、基巖的比例分別為60.3%、39.7%；對(duì)于右壩肩，碎石土∶基巖∶懸空=34∶25∶4，嵌入碎石土、基巖、懸空的比例分別為54.0%、39.7%、6.3%；對(duì)于壩基，碎石土∶基巖∶懸空=59∶4∶0，碎石土壩基與基巖壩基的比例分別為3.7%、6.7%?？煽闯?，泥石流攔擋壩壩址受泥石流災(zāi)區(qū)地質(zhì)條件限制，變形破壞的攔擋壩中,其工況條件為壩肩和壩基嵌入碎石土比嵌入基巖的比例大，壩肩和壩基為碎石的攔擋壩比壩肩和壩基為基巖的更容易受到變形破壞。

圖2 攔擋壩壩肩、壩基地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.2 Histogram of geological conditions of dam abutment and dam foundation

3 泥石流攔擋壩各種破壞類型所占比重分析

本次經(jīng)現(xiàn)場的統(tǒng)計(jì)、分析將泥石流攔擋壩破壞模式按控制因素分為四種破壞模式：沖刷掏蝕破壞、滲透破壞、沖擊破壞、滑動(dòng)傾覆破壞。各泥石流攔擋壩破壞模式統(tǒng)計(jì)分布比例如圖3所示。

圖3 攔擋壩破壞模式統(tǒng)計(jì)餅圖Fig.3 Statistical pie chart of dam failure mode

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，沖擊破壞占36.59%，沖刷掏蝕破壞占31.71%，滑動(dòng)傾覆破壞占15.85%，滲透破壞占15.85%。其中沖擊破壞模式占比最大，這體現(xiàn)泥石流的沖擊毀壞特征。其次沖刷掏蝕破壞模式占的比例也較大，這和泥石流壩址的水文地質(zhì)條件相關(guān)。比例較小的破壞模式是滑動(dòng)傾覆破壞。

4 從壩基和壩肩地質(zhì)條件組合統(tǒng)計(jì)分析攔擋壩破壞模式

對(duì)不同的壩基和壩肩地質(zhì)條件組合下的攔擋壩各種破壞模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析地質(zhì)條件和攔擋壩破壞模式的關(guān)系。由圖4可知，壩肩和壩基都是碎石情況，攔擋壩的主要破壞模式為沖刷掏蝕破壞，其次為沖擊破壞，說明碎石地基易于發(fā)生沖刷掏蝕破壞，泥石流的動(dòng)力破壞作用主要體現(xiàn)在沖擊破壞。

圖4 壩肩和壩基都是碎石破壞模式統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.4 Histogram of failure mode of crushed stone in dam abutment and dam foundation

圖5是壩肩為基巖(一側(cè)壩肩為基巖或兩側(cè)壩肩均為基巖)，壩基為碎石情況下攔擋壩破壞模式統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的主要破壞模式仍然為沖刷掏蝕破壞，其次為沖擊破壞，說明碎石地基為碎石壩基的沖刷掏蝕破壞的重要影響因素。泥石流的動(dòng)力破壞作用仍然主要體現(xiàn)在沖擊破壞。

圖5 基巖壩肩和碎石壩基破壞模式統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Statistical histogram of failure mode of base rock abutment and crushed stone dam foundation

圖6是其中一邊壩肩為基巖(一側(cè)壩肩為基巖或兩側(cè)壩肩均為基巖)，壩基為基巖情況下攔擋壩破壞模式統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的破壞模式只有沖擊破壞模式。當(dāng)壩基和壩肩基礎(chǔ)均為基巖時(shí)，壩基穩(wěn)定性好，不易發(fā)生滑移傾倒破壞。但在超大泥石流的沖擊下，可能出現(xiàn)破裂損壞或整體潰壩。

圖6 壩肩入基巖和壩基巖基巖破壞模式統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.6 Statistical histogram of base rock failure mode of dam abutment into base rock and dam foundation

圖7 一個(gè)壩肩懸空調(diào)查直方圖Fig.7 Investigation histogram of the abutment

圖7是其中一側(cè)壩肩懸空情況下攔擋壩破壞模式統(tǒng)計(jì)圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的破壞模式只有沖擊破壞模式，說明壩肩懸空情況下，對(duì)壩體抗泥石流沖擊不利。在泥石流沖擊力下，壩肩在懸臂條件下很容易斷裂，最終壩體發(fā)生局部破裂損壞或整體潰散。

泥石流對(duì)實(shí)際工程的影響主要體現(xiàn)在沖擊破壞、磨蝕破壞及掏蝕破壞。

5 結(jié)語

(1) 按照攔擋壩受損部位劃分，泥石流對(duì)攔擋壩的破壞主要表現(xiàn)在壩體破壞、壩基破壞和壩肩破壞。其中，壩體破壞主要由泥石流漿體及其攜帶的巨礫塊石產(chǎn)生的沖擊破壞作用，壩基破壞主要是由于泥石流的沖蝕作用、掏蝕作用和滲透作用；壩肩破壞主要是由于泥石流漿體的滲透作用和沖擊作用。

(2) 按照泥石流攔擋壩破壞主控因素劃分，其破壞模式主要為：沖刷掏蝕破壞、滲透破壞、沖擊破壞、滑動(dòng)傾覆破壞四種破壞模式。

(3) 在統(tǒng)計(jì)的破壞泥石流攔擋壩樣本中，從壩體的材料類型看，其中漿砌塊石攔擋壩35座，混凝土壩及鋼筋混凝土壩為25座。說明在泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩更容易破壞。

(4) 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，沖擊破壞占36.59%，沖刷掏蝕破壞占31.71%，滑動(dòng)傾覆破壞占15.85%，滲透破壞占15.85%。其中沖擊破壞模式占比例最大，這體現(xiàn)了泥石流的沖擊毀壞特征。因此在攔擋壩設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)泥石流的實(shí)際情況，適當(dāng)提高攔擋壩的抗沖擊的安全性；其次沖刷掏蝕破壞模式占的比例也很大，這和泥石流壩址的水文地質(zhì)條件相關(guān)，因此在泥石流攔擋壩設(shè)計(jì)時(shí)，壩基和壩肩選址盡量選擇基巖等抗沖刷能力強(qiáng)的地層。

[1] 蔣忠信.震后山地地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)概要[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[2] 余政.沖擊荷載作用下泥石流攔擋壩變形破壞機(jī)制[D].西安：西安科技大學(xué),2016.

[3] 蔡紅剛.汶川震區(qū)泥石流防護(hù)工程損毀特征及破壞機(jī)制研究[D].成都:成都理工大學(xué),2012.