重力式攔砂壩在泥石流治理中的應(yīng)用

曹艷秋 CAO Yan-qiu

（中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，蘭州 730070）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，尤其四川地區(qū)山體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，而且山體地質(zhì)多種多樣，加之四川地區(qū)降雨量大，山體植被覆蓋率低，當(dāng)降雨量超過(guò)一定規(guī)模時(shí)往往會(huì)發(fā)生地質(zhì)泥石流災(zāi)害。泥石流發(fā)生時(shí)不但會(huì)對(duì)人們?nèi)罕姷娜松戆踩a(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)也會(huì)造成重大損失，因此預(yù)防和降低泥石流發(fā)生的災(zāi)害影響一直是我國(guó)所面臨的重要工作。四川省茶埡鄉(xiāng)二村泥石流區(qū)域主溝長(zhǎng)1.06km，流域總面積約0.36km2，海拔范圍677～832m，主溝縱比降為209.5‰。主溝及支溝均以“V”型谷為主，溝寬10～60m。經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算，50 年一遇茶埡鄉(xiāng)二村一次泥石流過(guò)流總量量約10261.92m3，該泥石流暴發(fā)的規(guī)模屬于小型。

茶埡鄉(xiāng)二村泥石流溝危及溝口學(xué)校、民宅、耕地及村道等重要建（構(gòu)）筑物及數(shù)百名群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1500 萬(wàn)元。一旦發(fā)生泥石流，損失巨大，影響面廣，危害程度為中型，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，必須及時(shí)進(jìn)行治理。

1 茶埡鄉(xiāng)二村泥石流成因分析

1.1 降水

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的降水資料顯示，每年8～10月為全年最高降雨月份。雨季（特別是持續(xù)降雨天氣）地表匯水易與山體及河溝內(nèi)的松散土石融合，形成泥石混合物（泥石流）。短時(shí)、強(qiáng)降水是引發(fā)該次泥石流的主要誘導(dǎo)因素。

1.2 特殊地質(zhì)情況

茶埡鄉(xiāng)二村地表地質(zhì)情況主要為Q4dl+el、Qcol和Qsef，該地質(zhì)情況的山體較為松散，地形陡峻，為崩塌、松散土石粒徑在10～100cm 居多，松散強(qiáng)風(fēng)化泥巖含量高，且多為棱角狀，該地質(zhì)情況遇水容易形成泥石混合物（泥石流）。

1.3 地形條件

茶埡鄉(xiāng)二村泥石流山谷呈倒梯形，縱向長(zhǎng)度約1060m，平均寬度約150m，面積約0.36km2。山谷內(nèi)水系呈樹(shù)叉狀分布，最高點(diǎn)位于北側(cè)的山脊上，高程832m，最低點(diǎn)位于茶埡鄉(xiāng)二村泥石流溝匯入人工溝渠處，高程676m，相對(duì)高差155m，平均坡度在35°以上，溝谷縱坡較大，特別是主溝上游段縱坡多在300‰以上，有利于降雨的匯集，為泥石流水源的匯流集中提供了基礎(chǔ)。

同時(shí)，由于地形陡峻，為崩塌、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)作用的發(fā)育提供了有利的地形地質(zhì)條件，為泥石流增加了松散固體物源，且溝谷縱坡較大，也為松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)和參與泥石流活動(dòng)提供了有利的地形條件。

萬(wàn)源市茶埡鄉(xiāng)二村一社爛田灣泥石流由形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)組成。根據(jù)泥石流形成條件和運(yùn)動(dòng)機(jī)制及泥石流松散固體物源的分布，將溝域劃分為三片：萬(wàn)源市茶埡鄉(xiāng)二村一社爛田灣泥石流溝中上游為形成區(qū)，崩滑現(xiàn)象發(fā)育，溝道兩側(cè)人工堆積、殘坡積物質(zhì)豐富，為溝域內(nèi)泥石流松散固體物源的主要分布區(qū)域；人工堆積區(qū)域以下至溝口均為泥石流流通區(qū)，溝床兩側(cè)地形坡度較大，溝床內(nèi)松散物源堆積較厚，且多處形成高2～3m 的跌水陡坎，為泥石流的運(yùn)移提供了有利條件；溝口與人工溝渠交匯處為泥石流堆積區(qū)，在該處形成較為完整的泥石流堆積扇。

2 泥石流治理工程設(shè)計(jì)

2.1 防治工程等級(jí)確定

根據(jù)《泥石流防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DZ/T0239-2004）確定了該防治工程的設(shè)計(jì)等級(jí)如表1。

表1 該攔擋工程防治設(shè)計(jì)等級(jí)

2.2 設(shè)計(jì)工況及荷載的確定

攔擋設(shè)計(jì)需考慮的工況及荷載組合如表2。

表2 設(shè)計(jì)工況一覽表

其中以工況Ⅴ為設(shè)計(jì)工況，工況Ⅵ為校核工況。

2.3 具體治理方案

總體治理措施為：1 座重力攔砂壩+2 道護(hù)腳墻+1 道單面防護(hù)堤+1 條截水溝+清坡綠化，本文將著重介紹重力攔砂壩的設(shè)計(jì)思路。

2.3.1 攔砂壩的布置位置

根據(jù)茶埡鄉(xiāng)二村溝泥石流分布的特點(diǎn)，該攔砂壩布置在茶埡鄉(xiāng)二村溝中下段縱坡相對(duì)較緩處。

2.3.2 壩體斷面和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

各壩斷面尺寸統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 攔砂壩斷面設(shè)計(jì)尺寸統(tǒng)計(jì)表單位：m

攔砂壩壩體結(jié)構(gòu)采用M10 漿砌塊石，壩頂溢流口采用厚0.3m 的防滲C25 混凝土，攔砂壩基底鋪設(shè)厚0.2mC25 砼墊層。

2.3.3 壩的庫(kù)容和功能參數(shù)計(jì)算

根據(jù)目前工程領(lǐng)域的驗(yàn)算規(guī)則，在此不對(duì)庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算，僅對(duì)穩(wěn)攔能力進(jìn)行計(jì)算。

回淤坡度按下式計(jì)算：

式中：I0—回淤縱坡（‰）；

I—溝床縱坡（‰）。

庫(kù)容計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 攔砂壩穩(wěn)攔物源能力一覽表

通過(guò)上述計(jì)算可知，如果考慮每次滿庫(kù)后清淤，按勘查報(bào)告估算50 年滿庫(kù)5 次并清庫(kù)5 次計(jì)，累計(jì)可穩(wěn)攔物源量5.65×104m3，為目前動(dòng)儲(chǔ)量的77.5%，將為泥石流防治發(fā)揮積極的作用。

2.3.4 壩體荷載計(jì)算

①壩體自重的計(jì)算。

各壩壩體自重計(jì)算參數(shù)及結(jié)果詳見(jiàn)表5。

表5 攔砂壩壩體自重計(jì)算表

②泥石流豎向壓力。

泥石流壓力有土體重Ws和溢流重Wf兩部分。Wf=hd×γd×b

計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 泥石流豎向壓力計(jì)算表

③作用于壩體的水平壓力。

水平水壓力按下式計(jì)算：

求得泥石流水平壓力詳見(jiàn)表7。

表7 泥石流水平壓力計(jì)算表

④泥石流動(dòng)水壓力。

求得泥石流動(dòng)水壓力詳見(jiàn)表8。

表8 泥石流動(dòng)水壓力計(jì)算表

⑤作用于迎水面壩踵處的揚(yáng)力。

求得泥石流迎水面壩踵處的揚(yáng)力詳見(jiàn)表9。

表9 攔砂壩迎水面壩踵揚(yáng)壓力計(jì)算表

⑥泥石流整體沖擊力。

計(jì)算過(guò)程主要選擇擬布設(shè)攔砂壩位置各斷面進(jìn)行計(jì)算，建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ=1.33，各壩位泥石流整體沖壓力計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表10。

表10 攔砂壩泥石流整體沖壓力計(jì)算表

⑦泥石流中石塊的沖擊力。

石塊對(duì)壩的沖擊力按簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)算：

其中石塊運(yùn)動(dòng)速度按下式計(jì)算：

各壩泥石流石塊沖壓力計(jì)算參數(shù)及結(jié)果詳見(jiàn)表11。

表11 泥石流石塊沖壓力計(jì)算表

⑧地震力。

求得地震力詳見(jiàn)表12。

表12 攔砂壩地震力計(jì)算表

2.3.5 壩體穩(wěn)定性驗(yàn)算

①抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。

壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算：

壩體傾覆穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算：

根據(jù)前述不同工況下的荷載組合求得不同工況下各壩的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)表13、表14。由表可見(jiàn)，攔砂壩穩(wěn)定系數(shù)均符合要求。

表13 抗滑移穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表14 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

②地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。

計(jì)算公式：

其中：

據(jù)此，對(duì)六種工況地基承載力進(jìn)行了驗(yàn)算，其結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表15。

表15 地基承載力驗(yàn)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述計(jì)算可知承載力滿足要求。

2.3.6 壩頂溢流口設(shè)計(jì)及過(guò)壩流量復(fù)核

經(jīng)綜合考慮，溢流口安全超高按0.5m 設(shè)計(jì)。各攔砂壩溢流口設(shè)計(jì)尺寸及流量復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表16，溢流口允許過(guò)流能力計(jì)算公式為：

表16 溢流口過(guò)壩流量復(fù)核計(jì)算表

由計(jì)算表可見(jiàn)，溢流口設(shè)計(jì)可滿足過(guò)壩泥石流流量要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前該泥石流治理工程設(shè)計(jì)方案已經(jīng)完成，采用重力式攔砂壩具有因地制宜效果佳且治理成本低的特點(diǎn)，得到了各界的一直認(rèn)可，目前已進(jìn)入施工階段，對(duì)其他中小型泥石流治理工程具有一定的借鑒意義。