樁林形式的格柵壩在泥石流固源的應(yīng)用及算例

李曉瑋，劉翠娜，吳 彬

（1． 北京市地質(zhì)研究所，北京100120；2． 科學(xué)出版社，北京100717）

樁林形式的格柵壩在泥石流固源的應(yīng)用及算例

李曉瑋1，劉翠娜2，吳 彬1

（1． 北京市地質(zhì)研究所，北京100120；2． 科學(xué)出版社，北京100717）

2012年7月21日房山區(qū)上方山東溝發(fā)生了泥石流，景區(qū)內(nèi)寺廟、游覽道橋、管理服務(wù)設(shè)施、給排水系統(tǒng)、供電設(shè)施、通信設(shè)施等，均遭受不同程度的損毀。根據(jù)上方山泥石流基本特征以及地形等因素，治理工程主要從穩(wěn)固物源與疏通溝道兩個方面來減弱泥石流災(zāi)害威脅。針對龍虎峪溝底物源以塊石為主，且發(fā)生頻率較低的特點(diǎn)，擬在泥石流物源區(qū)布置樁林形式的格柵壩，其作用主要是有效固源及順利排水。本文在此基礎(chǔ)上，對地基橫向承載力以及抗傾覆進(jìn)行了驗算，并根據(jù)樁身最大彎矩進(jìn)行配筋計算。

泥石流；樁林；格柵壩；固源

泥石流作為北京地區(qū)危害性較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，常常具有爆發(fā)突然，來勢兇猛的特點(diǎn)，對人員生命，財產(chǎn)安全具有嚴(yán)重的威脅。2012年7月21日上方山東溝發(fā)生了泥石流，景區(qū)內(nèi)寺廟、游覽道橋、管理服務(wù)設(shè)施、給排水系統(tǒng)、供電設(shè)施、通信設(shè)施等均遭受不同程度的損毀，未造成人員傷亡。對于北京地區(qū)泥石流的調(diào)查研究，前人已經(jīng)做過不少工作（陳家華，1994；韋京蓮等，1994；吳正華，2001；鐘敦倫等，2004；李金海，2007；趙忠海，2009；何媛等，2013；王珊珊等，2015）。

本文在現(xiàn)場調(diào)查、地質(zhì)勘查和室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，針對上方山東溝溝道較窄，物源主要為溝底碎石，并結(jié)合地形和運(yùn)輸條件等因素，采取的治理工程主要從穩(wěn)固物源與疏通溝道兩個方面來減弱泥石流災(zāi)害威脅。對于泥石流的治理工程，通常是將攔擋壩布置在下游，作用為阻擋已經(jīng)形成的泥石流。而針對上游龍虎峪溝底物源以塊石為主，且發(fā)生頻率較低的特點(diǎn)，本次工程擬采用了樁林形式的格柵壩，并將五處樁林布置在泥石流物源區(qū)，類似于抗滑樁楔進(jìn)滑動區(qū)，其作用主要是有效固源及順利排水。由于樁林埋深范圍內(nèi)主要為巖石，本工程對地基橫向承載力以及抗傾覆進(jìn)行了驗算，并根據(jù)樁身最大彎矩進(jìn)行配筋計算。

1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工況及參數(shù)的確定

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2012年7月21日，上方山森林公園景區(qū)發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，景區(qū)道路、橋梁、索道、給排水系統(tǒng)、供電設(shè)施、通信設(shè)施等均遭受不同程度的損毀。上方山景區(qū)災(zāi)害損失及恢復(fù)重建項目初步評估約5828萬元，其中上方山東溝災(zāi)害損失及恢復(fù)重建約3000萬元。根據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程安全等級標(biāo)準(zhǔn)，上方山東溝災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失＞1000萬元，確定村泥石流防治工程安全等級為一級，本次工程按100年一遇降雨強(qiáng)度進(jìn)行防治工程設(shè)計。

1.2 格柵壩設(shè)計工況

空庫運(yùn)行時，格柵壩穩(wěn)定性最差，是最不利工況，因此對格柵壩按100年一遇空庫過流，分別對其進(jìn)行地基橫向承載力、抗傾覆穩(wěn)定驗算。工況Ⅰ為基本荷載組合情況。工況Ⅱ為特殊荷載組合情況。

基本荷載組合：壩體自重、泥石流水平土壓力、泥石流沖擊力、揚(yáng)壓力。

特殊荷載組合：壩體自重、泥石流水平土壓力、泥石流沖擊力、揚(yáng)壓力、地震力。

1.3 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)“旅游景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理工程勘查設(shè)計項目（房山區(qū)）韓村河鎮(zhèn)圣水峪村上方山東溝泥石流地質(zhì)災(zāi)害勘查報告”，上方山東溝泥石流流體密度約為1.32t/m3，流速為4.33m/s。100年一遇洪峰流量值為93m3/s，相應(yīng)的一次泥石流過程總量和一次泥石流固體沖出物分別為4.4×104m3和0.8×104m3，泥石流整體沖擊力為36.4 kPa，最大沖起高度為0.96m，爬高為1.53m，彎道超高為0.6m。

2 泥石流隱患地質(zhì)特征

上方山東溝流域長度2.60km，流域范圍約3km2。流域最高點(diǎn)位于西北側(cè)上方山頂峰，海拔高程861m，最低點(diǎn)位于景區(qū)大門，海拔200m，相對高差661m，溝口較窄，整體形狀呈葫蘆形，主溝平均縱坡降254‰。上方山東溝于2012年7月21日曾發(fā)生泥石流，規(guī)模約6萬m3，上方山東溝上游支溝發(fā)育，最大的一條為龍虎峪支溝，該支溝平均縱坡坡降為392‰，溝長650m，寬20m，溝內(nèi)堆積物余量平均厚度1.5m，溝內(nèi)物源余量約1.95萬m3。溝谷兩側(cè)山坡坡度巖性為薊縣系白云巖，表層巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，流域內(nèi)植被茂盛。溝谷兩側(cè)部分地區(qū)修有干砌石擋墻，石塊之間無膠結(jié)，抗沖刷能力較低，穩(wěn)定性差。根據(jù)現(xiàn)場踏勘調(diào)查，“7·21”發(fā)生的泥石流為稀性-溝谷型-水石型-中型泥石流。

3 泥石流成因及引發(fā)因素

3.1 地形條件

上方山東溝屬于低山區(qū)，地勢北高南低，地勢變化大，主溝長約2.60km，流域面積約3km2。北側(cè)最高點(diǎn)海拔861m，南側(cè)溝口海拔 200m，上方山東溝所在主溝溝谷上游走向約，中下游走向約溝谷切割強(qiáng)烈。

泥石流形成區(qū)位于上方山東溝的中上游，主溝上游兩岸坡高約30～50m，山坡坡度為溝床平均縱坡坡降344‰。主溝兩側(cè)支溝發(fā)育較多，2012年7月21日龍虎峪支溝發(fā)生泥石流災(zāi)害，該支溝流向約長約650m，山高坡陡，呈V型谷，北側(cè)最高點(diǎn)高程675m，在高程為420m的塔院附近匯入主溝，龍虎峪支溝平均縱坡坡降為392‰。

流通區(qū)位于溝道中下游，整體呈“U”型，寬約15～30m，溝床平均縱坡坡降157‰。局部地區(qū)坡降較大，存在陡崖。

堆積區(qū)位于溝口處的景區(qū)門口，地形平緩，西側(cè)為景區(qū)管理處的2層小樓。

上方山東溝溝域地形形態(tài)，有利于降雨的匯集，溝谷縱比降較大，也為松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)和參與泥石流活動提供了有利的地形條件。

3.2 物源條件

上方山東溝泥石流物源為坡面物源和溝道物源，其中龍虎峪溝底塊石為主要物源?！?·21”發(fā)生的泥石流，大量碎石泥漿混合體沿溝流動，并淤積在溝道內(nèi)，堆積物平均厚度約2m，粒徑一般10～50cm，目前景區(qū)內(nèi)中下游的松散堆積物大部分已被清理，上游龍虎峪支溝內(nèi)松散堆積物未被清理，而這些松散堆積物往往又是下次泥石流的重要補(bǔ)給物源。

3.3 水源條件

水源是泥石流發(fā)生的主要促發(fā)因素，泥石流溝所在區(qū)域的氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，一年四季分明。全年降水量大都集中在6—8月份，占總降水量的60%～80%，“7·21”特大暴雨為北京61年來最大暴雨，該區(qū)域日最大降雨量接近400mm，為泥石流爆發(fā)提供了充足的水力條件。

4 格柵壩工程設(shè)計

根據(jù)上方山東溝泥石流災(zāi)害的基本特征，考慮到地形和運(yùn)輸條件等因素，治理工程主要從穩(wěn)固物源與疏通溝道兩個方面來減弱泥石流災(zāi)害威脅。針對龍虎峪溝底物源以塊石為主，且發(fā)生頻率較低的特點(diǎn)，本次格柵壩工程采用樁林形式，其作用既能有效固源，又能順利排水。

龍虎峪支溝內(nèi)共修建5道，自上而下編號分別為1#、2#、3#、4#、5#，壩與壩間距約100m。壩址選擇根據(jù)溝域地形、地質(zhì)、岸坡工程地質(zhì)條件和物源及裸露巖體等條件綜合確定。1#-4#格柵壩設(shè)計高度4.5m，其中埋深（嵌巖深度）1.5m，有效壩高3m。5#格柵壩位于龍虎峪支溝的溝口處，考慮庫容及溝口已存在一小型攔擋壩因素，5#設(shè)計高度7.5m，其中埋深2.5m，嵌巖深度1.5m，有效壩高3m。樁體均采用鋼筋混凝土，截面尺寸1.2 m×1.0m（順溝向1.2m），樁中心距2m，凈間距1m。

4.1 1#-4#格柵壩設(shè)計

1#-4#格柵壩單根樁高3m，基礎(chǔ)埋深（嵌巖深度）1.5m，截面尺寸1.2m×1m，樁間距2m，水平凈間距1m。具體尺寸見表1。

表1 1#-4#格柵壩尺寸參數(shù)表Tab.1 Dimension parameter table of 1#-4# grille dam

4.1.1 工況一：空庫情況下泥石流沖擊工況

荷載組合：泥石流水平作用力+泥石流沖擊力

（1）荷載計算

取垂直于溝的方向1m：

1）下滑力F1

則下滑力水平分力FH：

樁中心距2m，則作用于一根樁的下滑力FX：

2）泥石流沖擊力

根據(jù)《勘查報告》，泥石流整體沖擊力為36.4 kPa，樁中心距2m，地面以上高度3m，則作用于一根樁的沖擊力FC

3）則作用于一根樁的水平合力F

4）地基為巖層，地基的橫向容許承載力

（2）驗算

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》，樁基應(yīng)埋置在沖刷線以下，且埋置深度不小于樁長的1/3，取ld=1.5m，該處沖刷線為基巖面，即嵌巖段為1.5m。

1）地基橫向承載力驗算

σH＜[σH]，滿足地基橫向承載力要求。

2）抗傾覆驗算

k＞1.6，滿足抗傾覆要求。

4.1.2 工況二：空庫情況下泥石流作用+地震作用

荷載組合：下滑力+泥石流沖擊力+水平地震作用力

（1）荷載計算

根據(jù)工況一計算結(jié)果：下滑力水平分力FX=1355.2kN

根據(jù)工況一計算結(jié)果：泥石流沖擊力FC=218.4kN

水平地震作用力：根據(jù)《勘查報告》，工程所在區(qū)域基本抗震烈度為Ⅶ度區(qū)內(nèi)，地震峰值加速度值為0.15g。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），取綜合水平地震系數(shù)αW=0.038。樁中心距2m，水平地震作用力FE

則作用于一根樁的下滑力水平合力F

（2）驗算

1）嵌固深度1.5m，進(jìn)行地基橫向承載力驗算：

σEH＜[σH]，滿足地基橫向承載力要求。

2）抗傾覆驗算

k＞1.6，滿足抗傾覆要求

（3）樁身內(nèi)力計算及配筋

樁身彎矩計算見表2。

表2 1#-4#格柵壩單樁樁身彎矩計算Tab.2 Calculation of bending moment of single pile of 1# - 4#grid dam

最大彎矩取3291.6kN·m，進(jìn)行配筋。

采用φ28鋼筋

設(shè)計采用22根φ28鋼筋對稱配筋，配筋圖見圖1。

圖1 1#-4#格柵壩配筋圖Fig.1 Reinforcement diagram of single pile of 1# - 4# grille dam

4.2 5#格柵壩設(shè)計

5#格柵壩位于龍虎峪支溝溝底，地形較平坦。單根樁高7.5m，基礎(chǔ)埋深2.5m，其中嵌巖深度1m，截面尺寸1.2m×1m，樁間距2m，水平凈間距1m（表3）。

表3 5#格柵壩尺寸參數(shù)表Tab.3 Dimension parameter table of 5# grille dam

4.2.1 工況一：空庫情況下泥石流沖擊工況

因為5#格柵壩位于龍虎峪支溝溝底，地形較平坦。計算荷載組合采用：泥石流主動土壓力+泥石流沖擊力

（1）荷載計算

1）泥石流主動土壓力F1

樁中心距2m，則作用于一根樁的主動土壓力FX：

2）泥石流沖擊力

根據(jù)《勘查報告》，泥石流整體沖擊力為36.4 kPa，樁中心距2m，地面以上高度5m，則作用于一根樁的沖擊力Fc

則作用于一根樁的水平合力F：

地基為巖層，地基的橫向容許承載力

（2）驗算

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》，樁基應(yīng)埋置在沖刷線以下，且埋置深度不小于樁長的1/3，埋置深度2.5m，其中嵌巖段1m，忽略樁前被動土壓力，進(jìn)行地基橫向承載力驗算：

1）地基橫向承載力驗算

σH＜[σH]，滿足地基橫向承載力要求。

2）抗傾覆驗算

K＞1.6，滿足抗傾覆要求

4.2.2 工況二：空庫情況下泥石流作用+地震作用

荷載組合：泥石流水平主動土壓力+泥石流沖擊力+水平地震作用力

（1）荷載計算

根據(jù)工況一計算結(jié)果：泥石流水平主動土壓力FH=277.1kN

根據(jù)工況一計算結(jié)果：泥石流沖擊力Fc= 364kN

水平地震作用力：根據(jù)《勘查報告》，工程所在區(qū)域基本抗震烈度為Ⅶ度區(qū)內(nèi)，地震峰值加速度值為0.15g。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013），取綜合水平地震系數(shù)αW= 0.038。樁中心距2m，水平地震作用力FE

則作用于一根樁的下滑力水平合力F：

（2）驗算

1）地基橫向承載力驗算

根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》，樁基應(yīng)埋置在沖刷線以下，且埋置深度不小于樁長的1/3，埋置深度2.5m，其中嵌巖段1m，忽略樁前被動土壓力，進(jìn)行地基橫向承載力驗算：

σEH＜[σH]，滿足地基橫向承載力要求。

2）抗傾覆驗算

K＞1.6，滿足抗傾覆要求

（3）樁身內(nèi)力計算

樁身彎矩計算見表4。

最大彎矩取4135.5kN·m，進(jìn)行配筋。

表4 5#格柵壩單樁樁身彎矩計算Tab.4 Calculation of bending moment of single pile of 5# grid dam

采用φ28鋼筋，

設(shè)計采用28根φ28鋼筋對稱配筋，配筋圖見圖2。

圖2 5#格柵壩單樁樁身配筋圖Fig.2 Reinforcement diagram of single pile of 5# grille dam

5 結(jié)語

針對上游龍虎峪溝底物源以塊石為主，且發(fā)生頻率較低的特點(diǎn)，本次工程開始擬在泥石流物源區(qū)布置五道樁林形式的格柵壩進(jìn)行固源，類似于抗滑樁楔進(jìn)滑動區(qū)，其作用主要是有效固源及順利排水。本文根據(jù)樁的尺寸、受力形式對樁林的地基橫向承載力和抗傾覆進(jìn)行了驗算，并根據(jù)樁身最大彎矩進(jìn)行配筋計算。后來由于上方山景區(qū)想在龍虎峪支溝規(guī)劃一條直通山頂?shù)牡缆罚瑢⒅卫矸桨父臑榍謇頊系啦⑿藿◣椎揽v向和橫向的擋墻，但是作者認(rèn)為對以塊石為主的物源區(qū)進(jìn)行固源，樁林形式的格柵壩也是一個不錯的治理方式，故將該算例進(jìn)行整理，以供參考。

陳家華，1994. 北京北山地區(qū)泥石流災(zāi)害特點(diǎn)及其防治現(xiàn)狀研究[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，5(1)：36-44.

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Application and Calculation Example of Grille Dam with Pile Group Type in Debris Flow Reinforcing Source

LI Xiaowei1, LIU Cuina2, WU Bin1
(1. Beijing Institute of Geology, Beijing 100120; 2. China Science Publishing & Media Lab, Beijing 100717)

Because of the occurrence of debris flow in the Donggou ditch of Shangfangshan area, Fangshan District in July 21, 2012, the temple scenic spot, sightseeing bridge, management service facilities, water supply system,power supply facilities, communication facilities have suffered varying degrees of damage. According to the basic characteristics of debris flow and mountain topography and other factors, it should reinforce sources and clear channel to reduce the threat of debris flow. As for the block rocks are dominated in substrate debris of Longhuyu velley, and the debris flow is characterized by low frequency, it needs to construct grille dam with pile group type,which main function is to effectively reinforce source and smooth drainage. At last, the lateral bearing capacity and overturning resistance of the foundation are checked and calculated according to the maximum bending moment of the pile body.

Debris flow; Pile group; Grill dam; Reinforce source

A

1007-1903（2017）04-0076-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.015

李曉瑋（1985- ），男，碩士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治等方面研究。E-mail：51350737@qq.com