泥石流攔擋壩工程服役性能特征分析
——以甘肅省隴南市武都區(qū)為例

周 亮，何曉英,2，晉云超，張 展，向靈芝,2，沈 娜,2

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2.山區(qū)公路水運(yùn)交通地質(zhì)減災(zāi)重慶市高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

0 引言

中國(guó)是泥石流多發(fā)的國(guó)家，發(fā)生次數(shù)占多年地質(zhì)災(zāi)害記錄總數(shù)的4.35%，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占各類地質(zhì)災(zāi)害總和的30%[1]。對(duì)泥石流進(jìn)行易發(fā)性[2]、危險(xiǎn)性[3]評(píng)價(jià)和模擬從理論層面為泥石流災(zāi)害防治提供依據(jù)，而實(shí)施各種具體工程是防治泥石流的有效手段[4-5]。

20 世紀(jì)80年代，我國(guó)開始泥石流防治工作[6]。攔擋壩是防治工程最重要的手段之一，其主要功能為：①攔蓄：削減泥石流有效方量，降低泥石流峰值流量，減少泥石流下泄規(guī)模[7]；②穩(wěn)：降低上游溝床縱坡率和橫向坡度，增加了邊坡穩(wěn)定性，抑制泥石流發(fā)育規(guī)模[8-9]；③排：排泄流水、細(xì)顆粒、抑制壩基滲透和掏蝕作用。攔擋壩服役性能是指攔擋壩在設(shè)計(jì)使用期間能穩(wěn)定發(fā)揮其功能，有效降低泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全。其服役性能主要體現(xiàn)在“安全性”和“有效性”兩方面，對(duì)攔擋壩的長(zhǎng)期效益產(chǎn)生重要影響。

相關(guān)學(xué)者通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)攔擋壩的破壞原因、破壞模式等做了大量研究。如劉興榮等[3]針對(duì)隴南市武都區(qū)攔擋壩破損分析及優(yōu)化對(duì)策中發(fā)現(xiàn)，攔擋壩破損形式依次為副壩破損、壩肩破損、溢流口破損、基礎(chǔ)破損、沖毀、勾縫破損，對(duì)溝道機(jī)理認(rèn)識(shí)不足、壩體存在缺陷和保護(hù)措施不當(dāng)是攔擋壩破損的主要原因。齊得旭等[10]通過(guò)對(duì)四川63 座攔擋壩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：根據(jù)攔擋壩破壞部位分為壩基破壞、壩肩破壞和壩體破壞；按破壞原因統(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大。SHOKI 等[11]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)多個(gè)滑坡壩的級(jí)聯(lián)潰壩所引發(fā)的洪峰流量要大于單個(gè)潰壩所引發(fā)的洪峰流量，結(jié)果表明：下游壩高開始迅速侵蝕時(shí)，流入下游大壩的流量是導(dǎo)致級(jí)聯(lián)故障的主因。LYU 等[12]發(fā)現(xiàn)壩間沖淤特性是影響攔擋壩設(shè)計(jì)的重要因素，通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)溝床沖刷開展了研究，結(jié)果表明：水槽坡度對(duì)沖刷深度、長(zhǎng)度、淤積長(zhǎng)度和淤積量影響最大，研究結(jié)果可為泥石流防災(zāi)減災(zāi)中的窗口壩設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。劉興榮等[3]還運(yùn)用增量加減法模擬三眼峪溝泥石流攔擋坎的抗沖擊能力。

我國(guó)攔擋壩材料主要為漿砌塊石，抗沖擊能力弱[13]；攔擋壩庫(kù)容量隨著泥石流的多次沖淤逐漸減小；泥石流沖刷導(dǎo)致溝道邊坡穩(wěn)定差；壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷、壩址選擇和壩高設(shè)置常不合理、壩肩和基礎(chǔ)保護(hù)措施不足[14]、掏蝕、滲流破壞[15]等諸多原因?qū)е缕浞坌韵陆怠?/p>

攔擋壩的服役性能是泥石流防治工程關(guān)注的重點(diǎn)，然而鮮見(jiàn)對(duì)服役性評(píng)價(jià)的研究，因此，深刻認(rèn)識(shí)攔擋壩服役性能降低機(jī)理，有效評(píng)價(jià)攔擋壩服役性能現(xiàn)狀，是保證泥石流防治效果，是預(yù)測(cè)服役壽命、提高長(zhǎng)期效益的關(guān)鍵任務(wù)。本文選取了武都區(qū)15 條泥石流溝中的55座攔擋壩為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)查攔擋壩運(yùn)行現(xiàn)狀和損毀部位情況，運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，從安全性、有效性出發(fā)，建立服役性評(píng)價(jià)體系，為攔擋壩服役效果及其定量化評(píng)價(jià)提供可借鑒依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)位于甘肅省隴南市武都區(qū)，屬于長(zhǎng)江流域嘉陵江水系，總面積為4 683 km2（圖1）。武都區(qū)位于秦嶺山地，區(qū)內(nèi)山峰眾多且高差較大，河谷切割較為嚴(yán)重，峽谷多呈“V”字型，屬于典型的侵蝕中高山地貌。地勢(shì)陸峭，坡度多為 30 °以上，地形起伏明顯，河道多沿大斷裂分布[16]。區(qū)域位于南北地震構(gòu)造帶內(nèi)，屬于青藏高原向中部高原過(guò)渡帶，新構(gòu)造活動(dòng)劇烈,造成巖層褶皺較多，小斷層發(fā)育強(qiáng)烈，表層風(fēng)化嚴(yán)重，是導(dǎo)致該地區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā)的主要因素。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為中、新生界泥質(zhì)紅層軟巖、志留系和泥盆系的頁(yè)巖、千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖[17]。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 區(qū)內(nèi)攔擋壩分布及現(xiàn)狀

甘肅省隴南市武都區(qū)是我國(guó)主要的泥石流高發(fā)區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)泥石流溝349 條，其中危害大、威脅性高和頻發(fā)的災(zāi)害性泥石流溝264 條，占泥石流溝總數(shù)的75.6%。主要密集分布于武都區(qū)白龍江干流兩岸，北峪河馬街以下地段以及勾壩河、福津河等地段[15]，均為暴雨型泥石流。區(qū)內(nèi)大部分泥石流溝處于發(fā)展期和旺盛期，暴發(fā)頻率高，如馬槽溝、泥灣溝為武都地區(qū)的典型“溝谷型”泥石流，其歷史活動(dòng)非常頻繁，1956—2005年期間曾8 次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近億元，數(shù)萬(wàn)居民無(wú)家可歸[17]。

選取研究區(qū)內(nèi)人口密度高、泥石流致災(zāi)危害大的馬街鎮(zhèn)、漢王鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)等區(qū)域內(nèi)的15 條泥石流溝進(jìn)行實(shí)地考察，對(duì)55 座壩的運(yùn)行情況和損毀特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，攔擋壩分布如圖2 所示。由于圖2 篇幅有限，部分?jǐn)r擋壩未標(biāo)注出來(lái)。

圖2 研究區(qū)攔擋壩分布Fig.2 Distribution of check dams in the study area

研究區(qū)內(nèi)攔擋壩損毀類型多樣化，主要表現(xiàn)為有效性與安全性性能降低。①有效性降低-庫(kù)容淤積，如燕兒溝2 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（a）；②有效性降低-壩肩邊坡失穩(wěn)，如馬槽溝12 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（b）上；③有效性降低-排水孔堵塞，如馬槽溝12 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（b）下；④安全性降低-壩基損毀，如馬槽溝8 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（c）；⑤安全性降低-壩體損毀，如寨子溝1 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（d）；⑥安全性降低-壩肩損毀，如寨子溝1 號(hào)壩，見(jiàn)圖3（d）。攔擋壩典型損毀特征如表1 所示。

圖3 攔擋壩典型損毀類型Fig.3 Typical damage types in check dams

通過(guò)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，隨著泥石流淤積，導(dǎo)致攔擋壩庫(kù)容量急劇減少和排水孔堵塞，泥石流沖刷造成壩肩邊坡失穩(wěn)。在所選取的55 座壩中，滿庫(kù)占比62%、半庫(kù)占比11%、空庫(kù)占比27%。在泥石流的沖擊和掏蝕作用下，導(dǎo)致壩基懸空-壩體傾倒、壩肩受沖擊-壩肩損毀。壩肩和壩基損毀率較高，分別為20%和18%，壩體損毀率為11%。

因此，需開展攔擋壩服役性能現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，為保證泥石流防治效果，開展后續(xù)攔擋壩服役壽命預(yù)測(cè)，提升服役性能工程措施提供依據(jù)。

2 泥石流攔擋壩服役性模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論[18-19]可把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題。目前，該方法已經(jīng)在泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中得到大量應(yīng)用[20-21]。攔擋壩作為泥石流防治的重要手段，導(dǎo)致其服役性能下降因子眾多，難以定量綜合評(píng)價(jià)，因此模糊綜合評(píng)價(jià)法非常適用于攔擋壩服役性能的評(píng)價(jià)。

模糊綜合評(píng)價(jià)模型主要流程為：建立評(píng)價(jià)因子級(jí)U→建立評(píng)價(jià)集V→構(gòu)建判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算→確定隸屬函數(shù)→代入函數(shù)計(jì)算→得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.1 泥石流單壩服役性能評(píng)價(jià)

（1）建立評(píng)價(jià)因子級(jí)U

武都區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又屬于泥石流高發(fā)區(qū)，導(dǎo)致攔擋壩服役能力下降因子較多，可運(yùn)用層次分析法（AHP）建立層次結(jié)構(gòu)。層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案層次，進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[22]，具有層次分明，邏輯清晰等特點(diǎn)。

基于攔擋壩的設(shè)計(jì)規(guī)范、防災(zāi)減災(zāi)原理和對(duì)研究區(qū)實(shí)地考察，以“攔擋壩服役性”為目標(biāo)層，“有效性”為準(zhǔn)則層，其中包括“安全性、淤積庫(kù)容比、壩肩邊坡失穩(wěn)程度、排水孔堵塞程度”，“安全性”為方案層，其中包括“壩體、壩基、壩肩損毀度”，以此建立三層攔擋壩服役性評(píng)價(jià)體系（圖4）。

圖4 攔擋壩服役性評(píng)價(jià)體系Fig.4 Service evaluation system for check dams

攔擋壩安全性是指壩體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)能夠承受泥石流沖刷和塊石的撞擊，能夠保持必要的整體穩(wěn)定性。壩體結(jié)構(gòu)主要由“壩體、壩基、壩肩”組成，分別以“損毀程度”進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因子分別以u(píng)1、u2、u3表示，損毀程度越小，壩體越穩(wěn)定。

攔擋壩有效性是指其設(shè)計(jì)使用期內(nèi)能發(fā)揮攔蓄、穩(wěn)定溝床岸坡、排泄泥沙、水流的功能性。由“安全性、攔蓄、穩(wěn)、排”四部分組成。其中“安全性”評(píng)價(jià)因子，即u4，安全性起至關(guān)重要的作用；“攔蓄”以“淤積庫(kù)容比”為評(píng)價(jià)因子，即u5，淤積庫(kù)容比為泥石流淤積量與設(shè)計(jì)庫(kù)容之比，淤積庫(kù)容比越小則攔蓄能力越大；“穩(wěn)”以“壩肩邊坡失穩(wěn)程度”為評(píng)價(jià)因子，即u6，失穩(wěn)程度越小越穩(wěn)定；“排”以“排水孔堵塞程度”為評(píng)價(jià)因子，即u7，堵塞程度越小越通暢。

（2）建立評(píng)價(jià)集V

參照地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)[23]，劃分?jǐn)r擋壩服役性能評(píng)價(jià)集：V={優(yōu)（V1），良（V2），中等（V3），差（V4）}，綜合諸多學(xué)者的研究成果，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行分析，將7 個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分級(jí)及定量化取值[22]（表2—3）。

表2 攔擋壩服役性能評(píng)價(jià)因子等級(jí)及賦值Table 2 Check dam service performance evaluation factor rating and assignment

表3 評(píng)價(jià)值的取值依據(jù)及定量化取值Table 3 The basis and quantitative values for evaluation values

（3）構(gòu)建判斷矩陣及權(quán)重計(jì)算

按照評(píng)價(jià)目標(biāo)將相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建起判斷矩陣，并建立起上層對(duì)下層的支配關(guān)系，將方案層評(píng)價(jià)因子依次進(jìn)行兩兩間的相互比較，引用1～9 的整數(shù)及其倒數(shù)的標(biāo)度方法[24-25]，判斷矩陣的標(biāo)度及其含義如表4所示。

表4 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 4 The scale of judgment matrix and its significance

可得方案層、準(zhǔn)則層各影響因素的權(quán)重值（表5—6）。

表5 方案層的權(quán)重Table 5 Weights at the scheme level

表6 準(zhǔn)則層的權(quán)重Table 6 Weight at the criterion level

（4）確定隸屬函數(shù)

基于評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)的分布特征，參考相關(guān)學(xué)者的使用經(jīng)驗(yàn)，建立“梯形分布”函數(shù)，進(jìn)行隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)[21]，如下：

式中：xi——各因子實(shí)際取值；

ei——評(píng)價(jià)集的上下限。

（5）應(yīng)用案例

攔擋壩服役性模糊綜合評(píng)判計(jì)算公式[26]：

式中：O——模糊綜合評(píng)判集；

W——權(quán)重向量；

R——模糊關(guān)系矩陣。

將“安全性”和“有效性”記為“A”和“B”，根據(jù)定量化取值代入隸屬函數(shù)計(jì)算得到模糊關(guān)系矩陣R[25]。計(jì)算流程為：先計(jì)算方案層“安全性”模糊綜合評(píng)判集O值，將計(jì)算結(jié)果帶入準(zhǔn)則層計(jì)算“有效性”，準(zhǔn)則層模糊綜合評(píng)判集即為目標(biāo)層最終評(píng)判值，根據(jù)最大隸屬度原則，綜合評(píng)判集中最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)為評(píng)價(jià)結(jié)果。

以馬槽溝12 號(hào)攔擋壩為例，該壩現(xiàn)狀分析：壩體表面局部脫落；壩基裸露；右側(cè)壩肩表面脫落，出現(xiàn)輕度裂縫；右側(cè)壩肩邊坡出現(xiàn)大面積滑坡，邊坡穩(wěn)定性差；排水孔嚴(yán)重堵塞；庫(kù)容已淤滿。

方案層“安全性”評(píng)價(jià)因子u1、u2、u3的取值分別為25、15、18。模糊關(guān)系矩陣如下：

可得方案層“安全性”模糊綜合評(píng)判：

準(zhǔn)則層“有效性”評(píng)價(jià)因子u4、u5、u6、u7的取值分別為OA、90、30、90，則準(zhǔn)則層的模糊關(guān)系矩陣如下：

準(zhǔn)則層“有效性”模糊綜合評(píng)判:

即目標(biāo)層模糊綜合評(píng)判矩陣為：

根據(jù)最大隸屬度原則，綜合評(píng)判結(jié)果集OB中最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)為評(píng)價(jià)結(jié)果。即12 號(hào)壩中OB值最高為0.440，則其服役性能等級(jí)為“差”，評(píng)判結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相符，該壩現(xiàn)狀如圖5 所示。

圖5 馬槽溝12 號(hào)壩現(xiàn)狀Fig.5 Current state of dam No.12 in Macao gully

由上述計(jì)算過(guò)程，推廣至馬槽溝內(nèi)其余攔擋壩。其余攔擋壩服役性的評(píng)價(jià)因子實(shí)際取值及評(píng)判結(jié)果如表7 -8 所示。

表7 馬槽溝攔擋壩的評(píng)價(jià)因子實(shí)際取值Table 7 Actual values of evaluation factors for check dams in Macao gully

表8 馬槽溝攔擋壩服役性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 8 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

馬槽溝共調(diào)查12 座壩，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：?jiǎn)螇畏坌缘燃?jí)“優(yōu)”占8.3%，“良”占8.3%，“中等”占25%，“差”占58.3%，多數(shù)攔擋壩服役性能已不能達(dá)到要求。

2.2 泥石流攔擋壩單溝綜合服役性能評(píng)價(jià)

對(duì)于一條泥石流溝而言，其溝內(nèi)常設(shè)置多座攔擋壩。攔擋壩的數(shù)量由泥石流沖出總量、泥石流攔排比、攔擋壩設(shè)計(jì)壩高、回淤縱坡等多參數(shù)決定。因此，單溝內(nèi)攔擋壩的服役性能，應(yīng)為多座壩體綜合服役的結(jié)果。因此，為評(píng)價(jià)多個(gè)攔擋壩共同作用下的泥石流溝內(nèi)整體服役性能，本文對(duì)各座單壩增加 “重要性”評(píng)價(jià)因子，主要從以下3 方面綜合考慮：①攔擋壩地理位置重要性：位于泥石流堆積區(qū)、流通區(qū)、溝口處；②攔擋壩設(shè)計(jì)庫(kù)容重要性：根據(jù)設(shè)計(jì)庫(kù)容大??；③防治重要性：攔擋壩周圍居民、建筑物、道路密度等級(jí)。重要系數(shù)取值依據(jù)及定量化取值如表9 所示。單溝綜合服役性“評(píng)判等級(jí)”與單壩服役性一致[27]。

表9 重要系數(shù)取值依據(jù)及定量化取值Table 9 Basis and quantitative values of important coefficients

攔擋壩單溝綜合服役性評(píng)判流程：?jiǎn)螇沃匾禂?shù)定量化取值→計(jì)算重要系數(shù)均值→累加重要系數(shù)均值與單壩模糊綜合評(píng)判矩陣的乘積→單溝服役性模糊綜合評(píng)判集→得出評(píng)判結(jié)果。

攔擋壩單溝服役性模糊綜合評(píng)判[12]公式：

式中：D——攔擋壩單溝模糊綜合評(píng)判集；

n——重要性評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)；

表10 馬槽溝重要系數(shù)取值及均值Table 10 The value and mean of the important coefficient of Macao gully

O——單壩模糊綜合評(píng)判集。

以馬槽溝為例，計(jì)算攔擋壩單溝綜合服役性能評(píng)價(jià)。

馬槽溝攔擋壩單溝服役性模糊綜合評(píng)判矩陣為：

根據(jù)隸屬度最大原則，最大值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)為評(píng)價(jià)結(jié)果，馬槽溝攔擋壩服役性模糊綜合評(píng)判最大值為3.709，即服役性等級(jí)為“差”，評(píng)判結(jié)果如圖6所示。

圖6 馬槽溝攔擋壩服役性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

依據(jù)上述方法，分別對(duì)研究區(qū)余下佛堂溝、桔柑溝等進(jìn)行綜合服役性評(píng)價(jià)，評(píng)判結(jié)果如表11 和圖7 所示。

表11 武都區(qū)攔擋壩單溝綜合服役性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 11 Comprehensive service evaluation results of single gully check dam in Wudu District

圖7 武都區(qū)單溝綜合服役性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 Comprehensive service evaluation results of single gully in Wudu District

研究區(qū)所調(diào)查的15 條泥石流溝，評(píng)價(jià)等級(jí)占比結(jié)果如表12 所示。

表12 泥石流溝道綜合服役性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 12 Comprehensive service evaluation results of debris flow gully

3 結(jié)論

（1）根據(jù)武都區(qū)15 條泥石流溝中的55 座攔擋壩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和服役性評(píng)價(jià)，泥石流單壩服役性等級(jí)“優(yōu)”占32.7%，“良”占25.2%，“中等”占7.3%，“差”占34.5%。泥石流攔擋壩單溝綜合服役性等級(jí)“優(yōu)”占40%，“良”占20%，“中等”占6.7%，“差”占33.3%。其評(píng)判結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際調(diào)查相符。

（2）泥石流多次沖淤、掏蝕、滲透和壩體自身存在缺陷、保護(hù)措施不足、物源量大、泥石流頻發(fā)等，是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)攔擋壩服役性能降低的主要原因。

（3）文章可為攔擋壩服役性能現(xiàn)狀分析和服役效果及定量化評(píng)價(jià)提供可借鑒的依據(jù)，為未來(lái)進(jìn)行攔擋壩壽命預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。