魚嘴式穹隆格柵壩型泥石流水石分離攔擋結(jié)構(gòu)

陳紫云，王希寶，夏 磊，王延可

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059； 2.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

我國從20世紀(jì)50年代開始泥石流防治工作，近年來透水型攔擋壩在泥石流防治工程中應(yīng)用日趨廣泛。泥石流攔擋水石分離結(jié)構(gòu)作為修建在形成區(qū)或者形成區(qū)—流通區(qū)溝谷內(nèi)的一種橫斷溝床的人工構(gòu)筑物，是災(zāi)害防治的重要工程措施，其主要功能有：攔截泥石流裹挾的塊體，降低壩體下游泥石流的流速或動(dòng)能；控制或抬高溝底侵蝕基準(zhǔn)面，防止溝道下切和護(hù)床固坡，減少泥石流物源；利用回淤效應(yīng)改善溝床縱坡，減小泥石流的沖刷和沖擊力，減輕溝床侵蝕，抑制泥石流發(fā)育；通過排沙梳齒調(diào)節(jié)泥沙，調(diào)節(jié)溝道演變。泥石流攔擋水石分離結(jié)構(gòu)可分為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型改良結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致分為梳齒壩、篩子壩、谷坊壩、樁林壩和格柵壩。近年來隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，公路、鐵路等長、大、線性工程遭受泥石流危害的可能性增大，越來越多的學(xué)者針對傳統(tǒng)透水壩的優(yōu)勢與不足開展了相關(guān)研究，通過對傳統(tǒng)形式透水壩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新，相繼推出了一些新形式的透水壩[1-2]，如鋼混組合壩、格賓壩、柔性網(wǎng)格壩、水平透水格柵壩等。其中，謝濤等[3]提出了魚脊型泥石流水石分離結(jié)構(gòu)，將水石分離結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了創(chuàng)新，但缺點(diǎn)是遇大型、黏性泥石流則無能為力；王秀麗等[1-2]也在傳統(tǒng)格柵壩的基礎(chǔ)上提出了一種新型鋼結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)格攔擋結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度，同時(shí)滿足水石分離的需要。

縱觀泥石流防治工程實(shí)踐，近年來在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)發(fā)展改良、創(chuàng)新形成的一些新型結(jié)構(gòu)大多是基于新材料應(yīng)用對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，但結(jié)構(gòu)原理仍未完全脫離傳統(tǒng)形式，并且目前的防護(hù)工程失效較多，受場地條件限制，水石分離結(jié)構(gòu)相對并不豐富。為此，筆者嘗試就魚嘴式穹隆格柵壩的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行初步探討。

1 結(jié)構(gòu)的基本組成

魚嘴式穹隆格柵壩型水石分離結(jié)構(gòu)的基本組成：①總體外形為魚嘴狀分流的流線型穹隆狀格柵過濾篩，前端設(shè)纖維混凝土魚嘴，結(jié)構(gòu)主體采用加勁(鋼管混凝土、勁性混凝土或型鋼)骨架梁和柱形成格柵壩，根據(jù)加勁骨架設(shè)置方式不同而分為兩種形式，見圖1。②加密格柵壩的網(wǎng)孔能提高攔擋結(jié)構(gòu)攔截塊石能力，表層還要覆蓋菱形或環(huán)形柔性鋼繩網(wǎng)。③格柵壩一般采用條形基礎(chǔ)，若溝床沖刷嚴(yán)重，必要時(shí)設(shè)置深基礎(chǔ)。④配套結(jié)構(gòu)包括格柵壩下方的泄流槽和護(hù)坦、兩側(cè)停淤場，以及與穹隆口相連的駁岸。⑤原則上，格柵的主體結(jié)構(gòu)采用加勁的混凝土、鋼管混凝土或型鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)宜采用纖維混凝土，主體格柵中的加密網(wǎng)眼既可用鋼格柵，也可用可調(diào)節(jié)、可更換、耐磨耗的柔性網(wǎng)。

圖1 魚嘴式穹隆格柵壩主體結(jié)構(gòu)三維視圖

格柵壩在使用時(shí)還可以將結(jié)構(gòu)平面旋轉(zhuǎn)180°倒置，將穹隆口作為泥石流迎水面，但該結(jié)構(gòu)在水石分離原理和使用條件上與倒置前有一些區(qū)別?？紤]到場地條件、防護(hù)對象性質(zhì)的差異，壩的空間形態(tài)還可以為雙曲拱形，能節(jié)約用材，但設(shè)計(jì)、施工難度大；穹隆格柵壩還可采用橫斷面為漸變半徑圓弧形、縱斷面為螺旋曲線(圖2)，用以對黏度較大的泥石流進(jìn)行水石分離，能擴(kuò)大分離接觸面，但設(shè)計(jì)難度非常大，施工工藝要求也很高。

圖2 魚嘴式穹隆格柵壩的另一種形式

2 結(jié)構(gòu)的水石分離基本原理

魚嘴式穹隆格柵壩水石分離結(jié)構(gòu)的基本原理：利用結(jié)構(gòu)的格柵透水、攔石，結(jié)構(gòu)主要受壓，對材料的利用率較高；通過魚嘴分流、穹隆結(jié)構(gòu)阻擋，將流體的準(zhǔn)層流狀態(tài)調(diào)整為紊流，利用泥石流自身的黏滯作用降低平均流速，為水石分離創(chuàng)造條件；在運(yùn)動(dòng)過程中，人為增大分離過流面積和過流時(shí)程，利用泥石流動(dòng)水壓力促成水石分離；魚嘴之后的流線型結(jié)構(gòu)，能使降低流速之后的流體在流動(dòng)過程中水石分離的同時(shí)，其中大塊石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并未完全改變，讓其逐步消能并堆積，降低了結(jié)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)；兩側(cè)駁岸屬于結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不僅是河(溝)岸的保護(hù)措施，也是通過摩擦和斜向碰撞降低泥石流中塊石流速、提高堆積效率的措施；結(jié)構(gòu)倒置時(shí)，是通過駁岸(兼導(dǎo)流堤)導(dǎo)流、束流來為泥石流進(jìn)入結(jié)構(gòu)物實(shí)施水石分離創(chuàng)造條件，此時(shí)結(jié)構(gòu)受拉且停淤場地變小，材料利用率降低。

3 格柵壩的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件

格柵壩的主體結(jié)構(gòu)由縱(柱)橫(梁)桿件組成。當(dāng)橫桿(梁)水平設(shè)置時(shí)，如圖3(a)，橫桿組成的平面相互平行，結(jié)構(gòu)尾端的A1、A2點(diǎn)在平面圖上的A點(diǎn)重合，見圖3(a)、圖4(a)，此時(shí)需要設(shè)置的基礎(chǔ)最小，用料最省。當(dāng)橫桿(梁)斜置時(shí)，如圖3(b)，橫桿組成的平面相互平行，且垂直于a-a軸(柱)，在這種形式下，結(jié)構(gòu)尾端的A1、A2點(diǎn)在平面上跨度較小時(shí)一般難以重合，見圖3(b)、圖4(b)，當(dāng)跨度較大時(shí)采用這種形式較經(jīng)濟(jì)。防護(hù)時(shí)，在桿件中間的孔洞設(shè)置的柔性網(wǎng)一般采用菱形網(wǎng)，當(dāng)泥石流中塊體較大時(shí)，宜設(shè)置變形量更大的環(huán)形網(wǎng)，以降低結(jié)構(gòu)荷載，而當(dāng)泥石流塊體特別大時(shí)，甚至可以在內(nèi)側(cè)設(shè)置菱形網(wǎng)的基礎(chǔ)上在外側(cè)再設(shè)置一道環(huán)形網(wǎng)。柔性網(wǎng)整體制作并覆蓋在格柵上，并且在孔洞之間的桿件上設(shè)置減壓裝置，充分利用柔性結(jié)構(gòu)的能量耗散能力，降低格柵壩受損風(fēng)險(xiǎn)。柔性網(wǎng)屬于易損構(gòu)件，在抵御較大災(zāi)害后一般需要更換。壩的下游設(shè)置護(hù)坦及n%的坡度向中央排水泄流，并在中央設(shè)置泄流槽排導(dǎo)分流后的洪水。常規(guī)的構(gòu)造形式中，壩的跨度與魚嘴至壩尾長度的比例為2.0～2.5，魚嘴傾角在50°左右，橫桿形成的上開口角(φ2)大于下開口角(φ1)，φ1宜在80°～90°之間，φ2宜在120°～130°之間。

圖3 魚嘴式穹隆格柵壩平面圖

圖4 魚嘴式穹隆格柵壩立面圖

上述兩種結(jié)構(gòu)形式一般對應(yīng)不同的地基條件，當(dāng)兩岸地基條件好時(shí)，宜采用圖3(a)的形式，將結(jié)構(gòu)遭受的壓力傳遞到壩尾的基礎(chǔ)上；當(dāng)兩岸地基條件不好或者溝谷寬緩時(shí)，宜采用圖3(b)的形式，使下部基礎(chǔ)及河床地基分擔(dān)結(jié)構(gòu)承受的大部分壓力。通過變形分析，這樣設(shè)置可以最大程度地保障桿件承受軸心壓應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)受剪的風(fēng)險(xiǎn)。為了分流，魚嘴的截面可設(shè)置成棱臺形(圖3)，也可以設(shè)置成圓弧形(圖1)。當(dāng)溝谷非常寬緩，兩岸又具有較好的地基條件，且沖擊力不是很大的時(shí)候，還可采用拱形或雙曲拱形格柵壩。當(dāng)泥石流固體中存在較大塊石，分流過程中對魚嘴的沖擊力過大可能造成結(jié)構(gòu)損毀時(shí)，可以在正前方加施錨索作為柔性的耗能構(gòu)件，利用錨索的損毀耗能換取格柵壩使用壽命的延長。魚嘴與地基交界處為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一般應(yīng)設(shè)置棱臺形纖維混凝土防沖墩，以防止泥石流強(qiáng)烈的底蝕和巨大的頂沖侵蝕結(jié)構(gòu)前端，見圖5。

4 格柵結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)

以魚嘴為原點(diǎn)建立右手直角坐標(biāo)系O-xyz，以過O點(diǎn)和a-a軸(參見圖3，下同)所在的豎直面的豎直線

圖5 格柵壩左(右)正立面圖

為z軸，向上為正，以水平向右垂直于豎直面為x軸，向右為正，垂直紙面方向?yàn)閥軸，出紙面為負(fù)，見圖6，魚嘴與地面最小夾角為α(圖5)。為了分析方便，再以投影在基礎(chǔ)的A[圖6(a)]或A′點(diǎn)[圖6(b)，因A1、A2點(diǎn)不重合，故在延長線重合的A′點(diǎn)建立坐標(biāo)系]為原點(diǎn)建立右手直角坐標(biāo)系O′-x′y′z′。在O′-x′y′z′坐標(biāo)系中，曲面服從下面兩組方程

圖6 格柵壩空間幾何關(guān)系分析

(1)

(2)

上式中：l為魚嘴a-a軸桿長；Δl為求解坐標(biāo)處的a-a軸桿長；Δφ為O′y′向O′x′方向的偏角；φ1為格柵壩的下開口角；φ2為格柵壩的上開口角。

邊界條件為

(3)

魚嘴處橫桿擬設(shè)長度為b，計(jì)算公式為

(4)

若要采用xOy坐標(biāo)系并求解各點(diǎn)的坐標(biāo)，可通過xOy平面先平移、后繞z軸旋轉(zhuǎn)獲取的張量矩陣求得在O-xyz坐標(biāo)系的坐標(biāo),即

(5)

攔擋壩以a-a軸所在豎直面為對稱面，曲面形態(tài)為向y軸正向開口的半幅拋物面，由一系列逐漸閉合的拋物線組成。圖6(a)壩的橫桿為直線，縱桿為曲線，當(dāng)縱桿的傾角接近Δφ即φ2-φ1時(shí)，曲率半徑最大，受到的剪應(yīng)力最小。

5 魚嘴式穹隆格柵壩的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本研究僅從理論角度將設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，以利于工程實(shí)施時(shí)參考。鑒于本結(jié)構(gòu)尚未經(jīng)歷實(shí)踐檢驗(yàn)，歡迎業(yè)內(nèi)人士廣泛參與，使其不斷完善。

5.1 總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)對泥石流活動(dòng)特征的適應(yīng)性。魚嘴式穹隆格柵壩為受壓結(jié)構(gòu)，剛度較大，能夠較好地發(fā)揮材料和結(jié)構(gòu)的受壓性能，能夠適應(yīng)泥石流越頂，適用于稀性、黏性及過渡性等類型泥石流，能適應(yīng)大流量。倒置時(shí)主要為受拉結(jié)構(gòu)，剛度較大，采用的勁性骨架能夠很好地發(fā)揮材料的抗拉性能，但不能承受較大規(guī)模的泥石流越頂，且攔截庫容與結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系密切，故雖適用于各種類型泥石流，但以稀性為主，不能適應(yīng)大流量，對一次性沖出量應(yīng)有充分的預(yù)估。

(2)對場地環(huán)境條件的適應(yīng)性。兩種結(jié)構(gòu)對溝道比降的要求均不高，能適應(yīng)各種地形，特別是在大比降條件下，因動(dòng)水壓力增大更有利于水石分離。但是同時(shí)，魚嘴式穹隆格柵壩在大比降條件下的堆積場庫容將顯著減小，部分泥石流會(huì)堆積在結(jié)構(gòu)上，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要另外考慮相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。兩種結(jié)構(gòu)對地基均有設(shè)計(jì)要求，需要考慮泄流通道、護(hù)坦存在的集中沖刷地基的風(fēng)險(xiǎn)。圖3(b)地基受壓，需驗(yàn)算承載力；倒置時(shí)基礎(chǔ)受拉，需要設(shè)置為深基礎(chǔ)，應(yīng)驗(yàn)算抗拔力?？紤]到結(jié)構(gòu)的分流、束流作用及水壓力影響，需要關(guān)注泄洪后溝道側(cè)壁侵蝕問題，要有意識地采取導(dǎo)流、護(hù)岸措施。

(3)對施工條件的把握。結(jié)構(gòu)的施工難度較大，主要是地基和基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)本身。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮材料的運(yùn)輸和生產(chǎn)、供應(yīng)(對地材的使用較少，主材為鋼材和混凝土)、施工支架或場地的布置、施工隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)等。

(4)對運(yùn)行維護(hù)管理的總體把握。一是清淤。無論是大型還是小型泥石流活動(dòng)后都需要進(jìn)行清淤。多次小型泥石流活動(dòng)后會(huì)有大量淤積，影響壩體庫容乃至結(jié)構(gòu)安全，而大型泥石流活動(dòng)更是會(huì)嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的攔擋能力。因此，應(yīng)通盤考慮清理場地、通道或設(shè)施，布設(shè)運(yùn)輸便道，尋找棄土場地，避免引發(fā)次生災(zāi)害。二是損毀修復(fù)。將結(jié)構(gòu)破壞修復(fù)和局部修復(fù)進(jìn)行分類，做好預(yù)案。三是災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和壩體健康監(jiān)控。不僅要掌握泥石流活動(dòng)狀況，做到緊急避險(xiǎn)，而且要掌握結(jié)構(gòu)工作狀況，為壩體健康運(yùn)營提供保障。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)荷載的確定。這是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)泥石流特征，結(jié)合保護(hù)對象的重要程度，擬定防治工程的設(shè)計(jì)年限，將對應(yīng)的暴雨頻率誘發(fā)泥石流作為設(shè)計(jì)值。根據(jù)泥石流的暴發(fā)頻率和活動(dòng)規(guī)律，將歷史極值或工程設(shè)計(jì)年限內(nèi)可能遭受的極大值作為校核值。

(2)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。應(yīng)驗(yàn)算在塊石、流體荷載條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在沖擊荷載和堆積荷載條件下驗(yàn)算剛度和變形。

(3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的設(shè)計(jì)。應(yīng)驗(yàn)算沖擊荷載條件下結(jié)構(gòu)的抗破壞能力(強(qiáng)度)和結(jié)構(gòu)的抗變形能力(剛度)。若格柵上部覆蓋有柔性網(wǎng)用以攔截粒徑較小的塊石，則應(yīng)驗(yàn)算柔性網(wǎng)的強(qiáng)度，避免其在沖擊荷載下被撕裂、頂破，或者遭受大塊石沖擊頂壓破壞，必要時(shí)應(yīng)增加結(jié)構(gòu)的格柵。

(4)結(jié)構(gòu)遭受沖擊荷載分析。泥石流中大的塊體水平以速度v0向右運(yùn)動(dòng)，撞擊右側(cè)障礙物，當(dāng)障礙物傾角β發(fā)生變化時(shí)，碰撞后的反射速度vR及碰撞后的運(yùn)動(dòng)曲線y=f(x)將大致如圖7所示。

圖7 泥石流塊體碰撞障礙物的力學(xué)行為示意

mΔv=FΔt

(6)

式中：m為沖擊物質(zhì)量，t；Δt為碰撞作用時(shí)間，可取值0.07～0.08 s，速度慢時(shí)取高值；F為平均沖擊力，kN；Δv為速度改變量，m/s。

式(6)結(jié)果中的平均沖擊力，若與峰值沖擊力相比偏小，則結(jié)構(gòu)存在不安全風(fēng)險(xiǎn)。參考日本道路公團(tuán)基于落石沖擊力的實(shí)測數(shù)據(jù)和Hertz彈性碰撞理論推導(dǎo)出的落石最大沖擊力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核，計(jì)算公式為

(7)

式中：P為落石最大沖擊力，kN；λ為拉梅系數(shù)，建議取1 000 kN/m2；H為表達(dá)落石沖擊速度的自由落體高度，m。

為適應(yīng)本結(jié)構(gòu)模型，將H換算后得到的計(jì)算公式為

(8)

當(dāng)β<45°時(shí)，理論上講切向恢復(fù)系數(shù)小于法向恢復(fù)系數(shù)，此時(shí)切向恢復(fù)系數(shù)建議取0.1～0.5，法向恢復(fù)系數(shù)建議取0.3～0.7。

6 結(jié) 論

(1)魚嘴式穹隆格柵壩是一種新型的泥石流水石分離結(jié)構(gòu)，其為外形類似魚嘴狀的流線型穹隆狀格柵過濾篩，基本組成為格柵壩、魚嘴及嘴前錨、壩后基礎(chǔ)、壩下基礎(chǔ)、駁岸等導(dǎo)流設(shè)施、護(hù)坦、泄流槽，格柵壩主體為縱橫向勁性骨架，格柵上覆蓋柔性網(wǎng)加密格柵網(wǎng)眼。

(2)格柵壩橫向勁性骨架分為水平放置和傾斜放置兩類，分別適用于岸坡條件好和地基條件好兩種類型。魚嘴式穹隆格柵壩也可以倒置使用。

(3)魚嘴式穹隆格柵壩結(jié)構(gòu)適用于稀性、黏性及過渡性等類型泥石流，能適應(yīng)大流量，適應(yīng)泥石流越頂，而倒置時(shí)不能承受較大規(guī)模的泥石流越頂，不能適應(yīng)大流量。