格賓-樁板墻泥石流組合攔阻結(jié)構(gòu)模型試驗研究

李慈航，吳紅剛, 陳小云

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

格賓-樁板墻泥石流組合攔阻結(jié)構(gòu)模型試驗研究

李慈航1，2，吳紅剛2, 陳小云1，2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

近年來，我國大多數(shù)地區(qū)的泥石流治理工程采用了樁板墻攔擋結(jié)構(gòu)或是碎石格賓結(jié)構(gòu)，但很少有人將它們結(jié)合使用來提高攔擋能力。本文基于泥石流模型試驗，設(shè)置了三層格賓和一道樁板墻，組成了格賓-樁板墻組合結(jié)構(gòu)。格賓-樁板墻組合結(jié)構(gòu)中格賓石籠壩的迎水面呈階梯型，背水面與樁板墻垂直接觸，壩體采用石籠單體堆砌而成，寬度從下到上依次為30 cm、20 cm、10 cm，單體之間用絞合鋼絲形成可靠連接，按每層15 cm的高度堆砌形成格賓壩，增強壩體穩(wěn)定性。背水面與樁板墻垂直接觸，一方面可以與壩體形成一個整體結(jié)構(gòu)，防止格賓石籠單體的滑移和傾覆，增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以抵抗更大地沖擊力，另一方面呈階梯狀布置的格賓石籠也可以削弱泥石流作用在樁板墻上的動能。最后通過分析被攔物源的級配組成，得出格賓-樁板墻攔阻結(jié)構(gòu)的攔阻效果明顯，既有快速排水的優(yōu)點，也能攔截大量固體物質(zhì)。

泥石流；格賓；樁板墻；模型試驗

0 引 言

目前，我國的泥石流治理工程主要是以攔阻和疏導(dǎo)相結(jié)合進行的。治理泥石流的最有效和最快捷的措施是修建各種攔擋壩[1],一般多采用攔砂壩、梳齒壩和谷坊壩等重力式結(jié)構(gòu)使壩后形成回淤區(qū)，降低泥石流的沖擊能量。傳統(tǒng)的攔擋壩主要為漿砌石壩和混凝土壩[2-5]，其隨基礎(chǔ)變形能力差，易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致壩體破壞比較嚴重。因此，開發(fā)一種攔擋性能優(yōu)越、造價低廉、易于施工的新型攔擋結(jié)構(gòu)成為治理泥石流需解決的一項任務(wù)。格賓石籠作為一種防治工程新技術(shù)，它是由格賓網(wǎng)和放入其中一定規(guī)格的塊石或卵石組成[6]。在孝子店滑坡治理工程中，首次將格賓石籠這一柔性結(jié)構(gòu)用于滑坡的治理，較好的實現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的有機結(jié)合，取得了良好的效果[7]。盡管格賓石籠壩具有高耐久性、良好的整體性和柔韌性以及施工造價低等優(yōu)點[6]，但同時李宇，陳堯隆[8]從格賓石籠的發(fā)展、演變?nèi)胧址治隽烁褓e石籠結(jié)構(gòu)的劣性及產(chǎn)生原因，并提出了石籠結(jié)構(gòu)不同破壞形式的預(yù)防和補強措施。因此，基于重力式壩和格賓石籠各自的優(yōu)缺點，我們試圖通過將它們結(jié)合使用來提高攔擋能力。本文闡述了新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)和改進過程，并基于泥石流模型試驗，設(shè)置了三層格賓和一道樁板墻，組成了格賓-樁板墻組合結(jié)構(gòu)，通過分析攔阻結(jié)構(gòu)迎水面的沖擊力和被攔物源的級配組成，為今后柔性-剛性組合攔阻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 新型攔擋結(jié)構(gòu)的研發(fā)改進

1.1 樁板墻應(yīng)用于泥石流治理工程的典型實例

樁板墻對泥石流的治理在我國甘肅省舟曲縣峰迭新區(qū)泥石流溝和四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝取得了較好的效果(圖1)。樁板墻設(shè)計采用鋼筋混凝土材質(zhì)，下設(shè)排水孔，具有強度高、排水能力好的特點。但是泥石流發(fā)生時直接作用在樁板墻表面上的石塊會對壩頂和壩底排水孔造成破壞，同時治理比較寬的泥石流溝時，過寬的樁板墻會產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫，在泥石流的直接沖擊下造成破壞。因此，我們需要在樁板墻之前設(shè)置一道攔擋結(jié)構(gòu)來緩沖泥石流作用在樁板墻上的沖擊力。

圖1 泥石流治理工程分布Fig.1 Debris flow control engineering distribution

1.2 格賓壩應(yīng)用于泥石流治理工程的典性實例

格賓壩具有柔性好、排水效果佳的優(yōu)點，在引入我國后曾多次成功的應(yīng)用于青海玉樹尼隆庫溝、廣東清遠連州瑤安泥石流溝等泥石流綜合整治工程。但通過對青海玉樹尼隆庫溝格賓攔擋結(jié)構(gòu)的觀察可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過多年的泥石流沖刷后，格賓壩外包裹石塊的鋼筋石籠銹蝕情況嚴重，極大地威脅到了格賓壩的穩(wěn)定性。同時，由于格賓壩是由單個格賓石籠堆積而成，在遇到強大沖擊力時產(chǎn)生傾覆的風(fēng)險也很高。

1.3 格賓-樁板墻攔擋結(jié)構(gòu)的特征和效果簡述

在對甘肅肅南第長達坂溝的的治理過程中，由于長達坂溝流域地層以第四系中更新統(tǒng)沖洪積層及白堊系泥巖為主，受流水侵蝕嚴重，易于產(chǎn)生溝道崩滑、滑坡和坡面溜塌等不良地質(zhì)災(zāi)害[9]。中鐵西北科學(xué)研究院針對該地區(qū)的地質(zhì)條件在治理過程中引入了格賓-樁板墻攔擋結(jié)構(gòu)，利用格賓壩柔性好、排水效果佳的特點，在樁板墻迎水面一側(cè)設(shè)置格賓壩，減緩了泥石流對樁板墻的沖擊力，既保證了液體物質(zhì)的及時排出，又保證了攔擋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，取得了顯著地效果。

表1 試驗系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Test system parameters

2 模型設(shè)計

2.1 試驗系統(tǒng)設(shè)計與制作

為了模擬泥石流的產(chǎn)生過程，本次試驗采用了一種多模塊可調(diào)的泥石流模型試驗系統(tǒng)(圖2)。

圖2 試驗系統(tǒng)斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system

試驗?zāi)Ｐ拖涞拈L、寬、高分別為9 m、4.8 m、4.6 m。模型箱中包括由物源攪拌系統(tǒng)、溜槽、廢料池和攔阻結(jié)構(gòu)等部分組成的試驗系統(tǒng)和由黃土夯實的固定坡度的坡體。物源攪拌系統(tǒng)是由電動機軌道、電動卷揚機、電動機、減速機、攪拌桶、泄料閥、攪拌齒、工作平臺、支撐架、固定螺栓、溜槽、集料池和油缸組成的，可以控制攪拌桿上下移動[10]。由于物源是由密度差距較大的水、砂、石子等材料組成，放置在桶內(nèi)會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，因此需要此攪拌系統(tǒng)來控制水的固體配料的比例。根據(jù)實驗所模擬的現(xiàn)場實際情況，設(shè)置溜槽截面為矩形，寬度和高度為60 cm，長度為720 cm，溜槽底部為廢料池。其中攔阻結(jié)構(gòu)的布置見圖3。

圖3 攔阻結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of block structure layout

2.2 模型簡化

根據(jù)弗洛德相似準則，試驗?zāi)嗍鲬?yīng)與原型泥石流的各項物理參數(shù)應(yīng)當(dāng)相同或相似，結(jié)合現(xiàn)有的試驗場地，確定泥石流的模型坡度和物源體積、密度等參數(shù)，具體情況表1。

實驗過程(表1)中測試內(nèi)容包含以下幾項：泥石流沖擊力、流速、壩后物源級配和回淤深度。在碎石格賓和樁板墻的接觸面上布置五排微型壓力盒，每排5個，采集沖擊壓力；流速的測量是采用浮球法，通過實驗視頻的時間來判斷；試驗結(jié)束后，測量壩后回淤深度以及被攔阻物源的級配(圖4)。

(從左到右依次為1、2、3、4、5號壓力盒)圖4 攔擋結(jié)構(gòu)迎水面壓力盒Fig.4 Pressure box layout of the surface of composite structure

圖4和圖5分別為組合攔擋結(jié)構(gòu)在樁板墻上迎水面壓力盒布置示意圖和攔阻結(jié)構(gòu)布置圖。攔阻結(jié)構(gòu)分為兩道，第一道是碎石格賓，碎石格賓緊貼樁板墻呈階梯型布置，從下到上格賓的厚度依次為30 cm、20 cm、10 cm，碎石格賓的孔隙率為8%。微型壓力盒設(shè)置在樁板墻和格賓的接觸面上。

圖5 攔阻結(jié)構(gòu)布置圖Fig.5 Block structure layout

3 試驗過程和現(xiàn)象

3.1 實驗過程

在泥石流的模擬試驗當(dāng)中，需要根據(jù)被模擬地區(qū)的地理條件確定物源級配和重度的調(diào)配。在向攪拌桶內(nèi)注水的同時開啟可升降式攪拌裝置，并向內(nèi)加入一定比例的砂石，等待10 min后物源被充分攪拌，打開攪拌桶底的泄洪口，泥石流沖擊格賓-樁板墻攔擋結(jié)構(gòu)后，進入廢料池。

3.2 實驗現(xiàn)象

實驗結(jié)束后，格賓-樁板墻組合攔擋結(jié)構(gòu)后部淤積了大量的固體物質(zhì)，樁板墻后形成了寬55 cm，高54 m的長方體固體物質(zhì)堆積物，將格賓完全掩埋。之后堆積物隨著離樁板墻的距離增加堆積高度逐漸減小，堆積距離為220 cm。組合攔擋結(jié)構(gòu)未被破壞，攔擋效果較單純的設(shè)置樁板墻非常明顯，但同時壩后淤水情況嚴重。攔擋壩后固體物質(zhì)粒徑分布明顯，由內(nèi)向外粒徑逐漸減小。由于碎石格賓呈階梯型布置，最下面一層格賓承受了較大的沖擊力，越往上格賓承受的沖擊力越小。由于水的密度比石子小，大量的水都通過格賓的空隙中流走，固體物質(zhì)完全淤積在各攔擋結(jié)構(gòu)后部。整個試驗過程中沒有出現(xiàn)明顯的翻壩現(xiàn)象。試驗結(jié)果見圖6。

圖6 格賓后部固體淤積情況Fig.6 The solid deposition of Gabion

4 實驗結(jié)果分析

4.1 壩后淤積情況分析

試驗結(jié)束后，壩后固體物質(zhì)堆積體內(nèi)側(cè)的碎石粒徑較大(圖7(a))，主要是由于格賓的空隙較小，只有少部分的小粒徑碎石可以通過，大粒徑碎石被留下，隨著大粒徑碎石的堆積空隙逐漸變小，越來越多的小粒徑顆粒被留下(圖7(b))。

圖7 壩后淤積情況Fig.7 Siltalion after dam

經(jīng)過測量計算得格賓-樁板墻組合結(jié)構(gòu)后部淤積固體物質(zhì)總體積為0.42 m3,其級配曲線見圖8，中值粒徑為4.8 mm。

圖8 壩后淤積物質(zhì)級配曲線Fig.8 Sediment grading curve after dam

4.2 沖擊壓力分析

第一層格賓首先受到泥石流的沖擊，由于格賓是按照階梯型布置的，對泥石流的沖擊力起緩沖作用，第二層和第三層格賓受到的沖擊力逐漸減小。格賓壩的沖擊力-時間曲線較為平緩，整個接觸過程持續(xù)時間為23 s，每排壓力盒所受沖擊力基本上在前5 s以內(nèi)達到最大值，同一排壓力盒上不同位置的壓力盒到達最大值的時間和最大值的數(shù)值不同，當(dāng)壓力盒所受沖擊力趨于平緩時格賓壩壩體產(chǎn)生較大變形。第一排、第二排、第三排、第四排壓力盒受到的沖擊力曲線見圖9(a)-9(d)。

第一排壓力盒受到的沖擊力在達到最大之后迅速趨于平緩，并呈下降趨勢，壓力盒5所受的沖擊力最大。幾乎為其他壓力盒所受沖擊力的2～3倍。

第二排壓力盒受到的沖擊力最大，隨著時間的增加，沖擊力迅速增加，當(dāng)沖擊力到達峰值后，逐漸趨于平穩(wěn)，并有減小的趨勢，最后趨于平穩(wěn)，沖擊力大小分布比較均勻。

圖9 各排壓力盒沖擊曲線Fig.9 Every row pressure box impact curve

第三排壓力盒受到的壓力顯著減小，隨著時間的增加，沖擊力迅速增加，當(dāng)沖擊力達到峰值后立即減小，波動幅度比較大，最后除了壓力盒5外，基于壓力盒受到的沖擊力趨于平穩(wěn)。

第四排壓力盒受到的沖擊力峰值大概是第三排壓力盒受到的沖擊力的峰值的二分之一，都相比第二排壓力盒顯著減小。各個壓力盒受到的沖擊力大小變化幅度波動最大，壓力盒5受到的沖擊力峰值最大，壓力盒4受到的沖擊力峰值最小，其他壓力盒受到的沖擊力幾乎相同。

上述實驗結(jié)果中同一排壓力盒中不同位置的壓力盒所測沖擊力不同的產(chǎn)生原因一方面是泥石流在沖擊格賓壩時本身產(chǎn)生的沖擊力在不同方向上存在差異，另一方面是格賓壩的制作過程中格賓石籠內(nèi)的填料不均勻，造成格賓壩在受到?jīng)_擊力時產(chǎn)生不均勻變形，從而布置在不同位置的壓力盒所受的沖擊力大小不同。同時說明了格賓壩作為柔性攔擋結(jié)構(gòu)對減小泥石流的沖擊力起到了重要作用。

5 結(jié)論與建議

通過對不同泥石流攔擋結(jié)構(gòu)的研究分析，提出一種新型的組合攔擋結(jié)構(gòu)，并利用自行研制的升降式攪拌系統(tǒng)，將泥石流攔阻結(jié)構(gòu)物源攪拌均勻，沖擊格賓-樁板墻新型泥石流攔阻結(jié)構(gòu)，得到如下結(jié)論：

(1)格賓-樁板墻攔阻結(jié)構(gòu)集中了格賓壩和樁板墻的共同優(yōu)點，既能減小泥石流對攔擋結(jié)構(gòu)的沖擊力，又提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗傾覆能力，攔阻效果明顯，既有快速排水的優(yōu)點，也能攔截大量固體物質(zhì)。

(2)格賓呈階梯型的布置可以有效減緩樁板墻中上部所受的沖擊力，保持樁板墻的穩(wěn)定性。

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[9] 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司勘察設(shè)計分公司. 格賓-樁板式泥石流攔擋結(jié)構(gòu).中國, 2016.

Survey and Design Branch of Northwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC. Gabion-sheet Pile Wall Structure[R]. 2016.

[10] 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司勘察設(shè)計分公司. 一種多模塊可調(diào)的泥石流模型試驗系統(tǒng): 中國, 201620864002. X. 2016. 08. 11

Survey and Design Branch of Northwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC. Multimode adjustable mud-rock flow model test system: China,201620864002.X.2016.08.11.

Gabion-sheetpilewallstructureofdebrisflowmodeltest

LI Cihang1，2, WU Honggang2, CHEN Xiaoyun1，2

(1.PostgraduateDepartment,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China;2.NorthwestResearchInstituteCo.，Ltd.ofCREC，Lanzhou，Gansu730000，China)

In recent years, most areas of our country debris flow control project using the sheet pile wall blocking structure or stone gabion structure, but very few people use the composite structure to improve the blocking ability. In this paper, based on the experimental model of debris flow, we set up three layers of gabion and a sheet pile wall, composed of composite structure. In Gabion-Sheet Pile Wall composite structure, the surface of the Gabion dam is stepped, back surface vertical contact with sheet pile wall, the dam body is made up of a single cage, width from top to bottom are 30 cm, 20 cm, 10 cm, with the formation of single stranded wire between the reliable connection, according to the height of each layer of the 15 cm stack to form gabion dam to enhance the stability of the dam. The back surface of the water vertical contact with the pile wall on the one hand, it can form a whole structure with the dam body, the prevention and control of gabion material single sliding and overturning, enhance the stability of the structure, In order to resist the greater impact, on the other hand is the kinetic energy of gabion material ladder arrangement can also weaken the role of the debris flow in sheet pile wall. Finally, through the analysis of graded provenance was stopped, the gabion structure-pile wall arresting arresting effect is obvious, not only has the advantages of rapid drainage, can intercept a large number of solid materials.

debris flow; gabion; sheet pile wall; model test

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.12

U418.5+6

A

1003-8035(2017)04-0071-06

2017-02-21;

2017-03-30

中鐵科研院(科研)字2015-KJ026-Z026-03

李慈航(1993-)，男，山西忻州人，工學(xué)學(xué)士，主要從事巖土和邊坡方面的研究。E-mail：810331684@qq.com

吳紅剛(1983-)，男，陜西寶雞人，工學(xué)博士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土和邊坡方面的研究。E-mail：271462550@qq.com