泥石流攔擋壩破壞模式及控制對(duì)策

丁代坡，閆 俊，張 波

（湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，湖北鄂州436000）

泥石流是山區(qū)主要的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，是一種包含大量泥砂石塊和巨礫的固液氣三相流體。泥石流發(fā)生區(qū)域一般山坡陡峻，能將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其具有流速快、流量大、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，在緩坡地帶又會(huì)迅速堆積，形成堆積區(qū)，成為泥石流受災(zāi)的主要位置。泥石流的爆發(fā)對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境、城鎮(zhèn)、附近居民、工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、水利、通訊等將造成破壞和影響。此外，泥石流攜帶大量的泥砂進(jìn)入河道或堵塞江河，給上下游地區(qū)帶來(lái)巨大危害。

泥石流危害方式主要由預(yù)埋、沖刷、撞擊、堵塞、潰決、磨蝕、彎道超高、爬高及擠壓主河道等。與此同時(shí)，在已經(jīng)治理的溝域，泥石流往往對(duì)已經(jīng)設(shè)置的攔擋壩體也會(huì)造成不同程度的破壞，影響攔擋壩的使用壽命和攔擋效果，這是泥石流治理普遍存在的難題。因此，本文將泥石流攔擋壩作為研究對(duì)象，采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合搜集資料，實(shí)地對(duì)已建在運(yùn)行的攔擋壩進(jìn)行調(diào)查，分析其破損特征和原因，總結(jié)攔擋壩的破壞模式，研究控制攔擋壩免受破損，盡可能延長(zhǎng)其使用壽命，為攔擋壩的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)提供指導(dǎo)，也為今后泥石流攔擋壩的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 泥石流攔擋壩破壞模式的調(diào)查統(tǒng)計(jì)

1.1 泥石流攔擋壩破壞調(diào)查方法

對(duì)泥石流溝攔擋壩采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法，通過(guò)搜集資料獲取攔擋壩坐標(biāo)，采用RTK 對(duì)攔擋壩高程、尺寸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，通過(guò)相機(jī)對(duì)攔擋壩破損情況進(jìn)行典型照片獲取；對(duì)于已經(jīng)堵塞無(wú)法到達(dá)的攔擋壩，通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行跟進(jìn)拍攝，獲取攔擋壩數(shù)據(jù)。

1.2 攔擋壩所處溝域特征

本次主要調(diào)查30條泥石流溝51座壩，均為暴雨型泥石流溝，規(guī)模主要為中小型，其中，稀性泥石流18條，粘性泥石流12條；高易發(fā)性泥石流9條，中易發(fā)性泥石流16條，低易發(fā)泥石流5條，調(diào)查泥石流溝主要參數(shù)如表1所示。

1.3 攔擋壩布設(shè)位置及特征

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，攔擋壩主要布設(shè)于溝道中下游，溝道形態(tài)多呈“V”字型，溝道切割較深，壩體布設(shè)位置處溝道多為碎石土或卵礫石土，兩側(cè)岸坡多為基巖或碎石土。壩體布設(shè)位置溝道特征主要包括以下幾種：①兩側(cè)均為基巖出露，基礎(chǔ)為碎石土或卵礫石土；②其中一側(cè)為基巖，另一側(cè)為碎石土，基礎(chǔ)為碎石土或卵礫石土；③兩側(cè)均為碎石土，基礎(chǔ)為碎石土或卵礫石土；其典型地質(zhì)斷面可歸納為如圖1所示。

結(jié)合所調(diào)研的攔擋壩的壩肩、壩基的地層地質(zhì)特征情況，統(tǒng)計(jì)得到泥石流攔擋壩的壩基基礎(chǔ)與壩肩的地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)分布如表2所示。

1.4 攔擋壩結(jié)構(gòu)特征

統(tǒng)計(jì)的破壞泥石流攔擋壩樣本中各泥石流攔擋壩類型的數(shù)量比例，其中，漿砌塊石攔擋壩26座，混凝土壩16座，鋼筋混凝土壩為5座，格柵壩3座。說(shuō)明目前在運(yùn)營(yíng)泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩破壞最多，其次為混凝土壩。格柵壩在泥石流治理中使用率較少，因此破壞數(shù)量很少；調(diào)查區(qū)域攔擋壩類型和數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

表1 調(diào)查泥石流溝主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 攔擋壩壩肩、壩基地質(zhì)條件統(tǒng)計(jì)

圖2 調(diào)查區(qū)攔擋壩類型及數(shù)量圖

2 攔擋壩破壞模式

根據(jù)調(diào)查的51 座攔擋壩及破損情況，可將攔擋壩主要破損按照破損部位分為以下幾種模式：壩基掏蝕、壩肩沖蝕、溢流口磨蝕、壩身沖毀。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，同一壩體有多處破損的重復(fù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為，壩基掏蝕13 處，壩肩沖蝕破壞18 處，溢流口磨蝕破壞15處，壩身沖毀5 處，調(diào)查攔擋壩破壞形式統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 攔擋壩破壞形式統(tǒng)計(jì)

3 統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，攔擋壩的破壞主要與壩址所處溝道位置、壩體采用材料、壩基條件、壩肩嵌入條件、泥石流溝道特征等聯(lián)系較密。

3.1 攔擋壩址所處溝道位置的影響分析

泥石流攔擋壩位置設(shè)置是否合理，攔擋是否有效的關(guān)鍵，因?yàn)閿r擋壩所處溝道不同位置，泥石流過(guò)流斷面面積、流速、流量等均不同，對(duì)攔擋壩的沖擊情況差別較大；同時(shí)，壩址位置是否合理也主要靠所處位置的基礎(chǔ)條件、壩肩條件、坡降情況所決定。

通過(guò)參照泥石流攔擋壩設(shè)計(jì)的原則，對(duì)51 座壩進(jìn)行實(shí)地調(diào)查攔擋壩的選址合理性，其中，壩址選擇合理的為30 座，占調(diào)查總數(shù)的58.8%，基本合理的為17 座，占調(diào)查總數(shù)的33.3%，不合理的為4 座，占調(diào)查總數(shù)的7.8%；調(diào)查所得攔擋壩壩址選擇合理性統(tǒng)計(jì)如圖3 所示。

圖3 壩址選擇合理性的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)破損壩體的破損分析可知，壩址合理的攔擋壩僅為一定程度的溢流口磨蝕，壩基與壩肩基本完好，破損概率僅為23%；基本合理的攔擋壩主要為壩基礎(chǔ)的滲水及壩肩的局部損壞，破損概率上升至37%；而壩址選擇不合理的攔擋壩破損明顯，主要表現(xiàn)為壩基被掏蝕出大坑，壩肩沖蝕破壞嚴(yán)重，壩體開(kāi)裂或者沖毀，破損概率100%。由此可以看出，壩址的選擇是攔擋壩設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一步，好的選址為設(shè)計(jì)提供了質(zhì)量保障。

3.2 攔擋壩體所用材料的影響分析

攔擋壩所用材料調(diào)查結(jié)果如表4所示，調(diào)查結(jié)果顯示，混凝土材料是攔擋壩主要采用的材料，占有率較高。

通過(guò)對(duì)破損壩體的材料類型分析，漿砌石攔擋壩的破損概率達(dá)到了50%，主要為壩基的掏蝕破壞、壩肩的沖擊破壞和溢流口的嚴(yán)重磨蝕破壞；混凝土攔擋壩的破損率達(dá)到41%，主要表現(xiàn)為壩基被掏蝕、溢流口磨蝕較嚴(yán)重；鋼筋砼壩的破損概率僅占9%，主要為壩基的掏蝕破壞和滲透破壞。

表4 攔擋壩材料調(diào)查統(tǒng)計(jì)

3.3 攔擋壩基礎(chǔ)條件的影響分析

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，29 座壩基礎(chǔ)完全坐落于卵礫石和碎石土上，20 座攔擋壩壩基部分處于基巖上部分處于卵礫石上，2 座壩壩基完全處于基巖上。而且，根據(jù)攔擋壩的破損情況，壩基為主要的破壞部位，是壩體運(yùn)行階段主要存在的破損模式。

通過(guò)不同壩基的破損情況，29 座壩處于碎石土地基上，有24 座壩的壩基出現(xiàn)掏蝕破壞，占比82.8%；20座攔擋壩壩基處于碎石土和基巖上，其中的13座壩基出現(xiàn)壩基掏蝕破壞，占比65%；2 座壩基處于基巖上的攔擋壩基礎(chǔ)均為出現(xiàn)掏蝕破壞。由此可知，攔擋壩壩基如果完全處于碎石土地基上，并且未對(duì)地基進(jìn)行處理和防沖蝕措施，壩基被掏蝕的可能性較大，其次是基礎(chǔ)部分處于基巖部分處于碎石土，當(dāng)基礎(chǔ)完全處于基巖上時(shí)，壩基基本未破壞。調(diào)查攔擋壩壩基條件與損壞情況統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 壩基條件與損壞情況統(tǒng)計(jì)

3.4 壩肩嵌入條件的影響分析

調(diào)查結(jié)果中，26座壩的左肩嵌入在碎石土里，25座壩的左壩肩嵌入在基巖里；33 座壩的右壩肩嵌入在碎石土里，18座壩的壩肩嵌入在碎石土里。而且，根據(jù)攔擋壩的破損情況，壩肩主要為泥石流沖蝕的破損和開(kāi)裂，壩肩遭到撞擊發(fā)生懸空，也是攔擋壩壩體運(yùn)行階段主要存在的破損模式。

通過(guò)不同壩肩的破損情況，26 座壩壩肩嵌入碎石土里，有22 座壩的壩肩出現(xiàn)沖蝕破壞，占比84.6%；25座攔擋壩壩肩嵌入基巖里，其中的12 座壩壩肩發(fā)生沖蝕破壞，占比48%。由此可知，攔擋壩壩肩如果完全處于碎石土地基上，壩肩被沖蝕破壞的可能性較大，當(dāng)壩肩完全嵌入于基巖上時(shí)，壩肩完整性較好。調(diào)查所得攔擋壩壩肩條件與損壞情況統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 壩肩條件與損壞情況統(tǒng)計(jì)

3.5 泥石流溝道特征的影響分析

泥石流溝道特征對(duì)泥石流性質(zhì)、爆發(fā)規(guī)模和易發(fā)性的程度影響較大。通過(guò)對(duì)30條泥石流溝的調(diào)查，攔擋壩發(fā)生破損較嚴(yán)重的溝道中，粘性泥石流19條，占比63.3%，比稀性泥石流占比略大；稀性泥石流溝道中攔擋壩的破損概率約50%，大多為局部破損，修補(bǔ)后仍能正常使用。規(guī)模大的泥石流溝道對(duì)攔擋壩的破損概率達(dá)到了100%，規(guī)模中等的溝道對(duì)攔擋壩的破損概率也在85%以上，其破損程度幾乎和規(guī)模大的溝道一樣，規(guī)模小的泥石流溝道對(duì)攔擋壩的破損概率為30%，其破損程度小，容易修復(fù)使用。

4 攔擋壩破損控制措施研究

4.1 加深對(duì)泥石流溝的調(diào)查

攔擋壩的設(shè)計(jì)是在對(duì)泥石流溝道勘查的基礎(chǔ)上完成的，攔擋壩的設(shè)計(jì)參數(shù)需要在對(duì)泥石流溝道的充分準(zhǔn)確調(diào)查后進(jìn)行選取和確定。攔擋壩的設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及的參數(shù)和影響的因素較多，參數(shù)選取和計(jì)算比較復(fù)雜、困難，需要在調(diào)查的基礎(chǔ)上，借助地方經(jīng)驗(yàn)公式和方法共同完成，要求設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)豐富且對(duì)一些量化指標(biāo)要有較深的認(rèn)識(shí)和理解。由于不同技術(shù)人員對(duì)同一泥石流的認(rèn)識(shí)程度差別較大，因此，泥石流攔擋壩的設(shè)計(jì)往往會(huì)較為保守，造成浪費(fèi)，或設(shè)計(jì)過(guò)于欠缺，達(dá)不到攔擋的效果和治理的目的。

4.2 加強(qiáng)壩體的設(shè)計(jì)優(yōu)化

攔擋壩壩體的設(shè)計(jì)需要根據(jù)溝道的特征和泥石流參數(shù)來(lái)確定，特別是攔擋壩壩基和壩肩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，很大程度上決定壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理和堅(jiān)固；如果壩基為卵礫石土且滲透系數(shù)較大，地基承載力及泥石流流速和沖擊力不能滿足設(shè)計(jì)要求，攔擋壩將很容易遭到基礎(chǔ)掏蝕破壞，對(duì)攔擋壩的穩(wěn)固造成嚴(yán)重影響。

對(duì)于攔擋壩的壩肩，如果未嵌入基巖，且泥石流為大規(guī)模，大塊石對(duì)壩肩及壩體的沖擊破壞將較嚴(yán)重，且壩肩在泥石流爆發(fā)后容易發(fā)生懸空破壞。因此，壩肩的嵌固設(shè)計(jì)較為重要，要根據(jù)擬設(shè)攔擋壩的地質(zhì)斷面進(jìn)行優(yōu)化細(xì)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到合理的有效設(shè)計(jì)。

4.3 新型耐磨材料的使用

攔擋壩的破損另外一種常見(jiàn)形式是磨損破壞，特別是溢流口的磨蝕，往往較常見(jiàn)，因?yàn)橐缌骺谧鳛槟嗍鳒系肋^(guò)流的主要途徑，常常經(jīng)過(guò)水石流或泥石流的沖刷，久而久之對(duì)溢流口的磨損較為嚴(yán)重。因此，采用新型耐磨材料對(duì)攔擋壩壩體或溢流口進(jìn)行耐磨設(shè)計(jì)，增加壩體和溢流口的耐磨性，對(duì)增加攔擋壩的使用壽命和攔擋效果有很大幫助。

4.4 防護(hù)工程的配套設(shè)計(jì)

對(duì)于攔擋壩的輔助設(shè)計(jì)，護(hù)坦工程對(duì)于攔擋壩也是至關(guān)重要的，好的護(hù)坦工程配套，能夠較好地對(duì)攔擋壩基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)，達(dá)到消能作用，減少泥石流或洪水對(duì)基礎(chǔ)的沖擊。因此，護(hù)坦采用哪種材料，設(shè)置多長(zhǎng)的護(hù)坦長(zhǎng)度，對(duì)于攔擋壩基礎(chǔ)的保護(hù)來(lái)說(shuō)，是十分關(guān)鍵和重要的。