薛莉云,賀模紅,葉勝華
梯級(jí)肋檻—樁基組合結(jié)構(gòu)在泥石流攔砂壩下防護(hù)中的應(yīng)用
薛莉云,賀模紅,葉勝華
(四川省地礦局九0九水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì),四川 綿陽(yáng) 621000)
攔砂壩是泥石流防治體系中的骨干工程,發(fā)揮著攔砂節(jié)流、穩(wěn)坡固床等重要作用?!?·12”汶川地震后,震區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā),攔擋壩下消能防沖工程被沖蝕破壞屢見(jiàn)不鮮,嚴(yán)重危及主壩安全,壩下強(qiáng)烈沖蝕是普遍而又嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)北川青林溝泥石流1#攔砂壩(主壩)下護(hù)坦、副壩等消能防沖工程多次損毀特征、破壞原因分析,探索和實(shí)施了多層護(hù)坦、梯級(jí)肋檻、組合樁基深垂裙等多種壩下防沖消能工程措施。實(shí)踐證明:對(duì)于高頻率、深沖刷、大流量、高流速、多石塊的泥石流,采用軟基梯級(jí)肋檻-樁基垂裙復(fù)合型壩下消能防沖工程結(jié)構(gòu)能有效保護(hù)主壩基的安全,可在類似泥石流攔砂壩下防護(hù)中應(yīng)用。
泥石流;復(fù)合型消能防沖;梯級(jí)肋檻;樁基垂裙;青林溝
本文在分析青林溝泥石流1#攔砂壩(主壩)壩下消能防沖工程歷年破壞特征及原因的基礎(chǔ)上,總結(jié)多次失敗和成功經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)方案論證、設(shè)計(jì)、改進(jìn)等階段,實(shí)施了軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙復(fù)合型壩下消能防沖工程,歷經(jīng)多次較大規(guī)模泥石流檢驗(yàn),壩下消能防沖效果較好,有效保護(hù)主壩體的安全。
陳家壩鄉(xiāng)青林溝為都?jí)魏佑野兑患?jí)支溝,常年流水,流量變化大。流域面積23.6km2,主溝長(zhǎng)9.9km,發(fā)育高程660~1730m,相對(duì)高差1070m,平均縱比降108‰。為侵蝕溶蝕低中山地貌區(qū),以茂縣群千枚巖、板巖為主,部分為砂巖,灰?guī)r。龍門山斷裂帶北川逆沖斷層從陳家壩鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)北西側(cè)青林溝溝口通過(guò),“5·12”地震誘發(fā)山體形成H1滑坡(青林滑坡)方量約1100×104m3,下滑后堵塞溝道,形成青林溝堰塞湖,最大庫(kù)容200萬(wàn)m3,最大水深70m(圖1)。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育,多呈“V”型,受沖刷側(cè)蝕較強(qiáng),易誘發(fā)斜坡前部滑塌,溝口段逐漸呈“U”型寬谷,淤積大量較厚泥石流堆積物。
(1)物源極為豐富,暴發(fā)規(guī)模大:主要為溝道侵蝕、滑坡堆積體、崩坡積堆積體物源(李安潤(rùn)等,2019),活動(dòng)特點(diǎn)是溝道侵蝕、搬運(yùn),溝口寬緩處停淤為主,溝內(nèi)固體物源總方量1331.64×104m3,H1滑坡(青林滑坡)占總物源儲(chǔ)量82.6%,動(dòng)儲(chǔ)量300.11×104m3(2017年)。2008年“9·24”泥石流一次沖出固體物質(zhì)總量80.5×104m3,之后多次暴發(fā)泥石流災(zāi)害,暴發(fā)規(guī)模大。
(2)流域面積大,洪峰流量高:青林溝流域面積23.6km2,計(jì)算20年一遇暴雨洪峰流量368.00m3/s。青林溝堰塞湖已發(fā)生2次較大規(guī)模溢流沖刷、漫頂潰堤,堰塞湖潰決峰值流量急劇上升達(dá)888m3/s,對(duì)泥石流防治工程影響巨大。
(3)降雨量大,暴發(fā)頻率高:青林溝位于鹿頭山暴雨區(qū),年平均降雨量1440mm,1h最大降雨量78mm(2008年),最大連續(xù)24h降水量467.5mm(2020年);地震后每年雨季均爆發(fā)不同規(guī)模泥石流。
(4)破壞力強(qiáng),危險(xiǎn)性大:地震后松散堆積體抬高溝床,在堆積體上設(shè)置固源攔擋工程,改變了原有溝道縱坡降,使壩位水力梯度增加,局部流速最大可達(dá)9m/s,高含砂礫及碎、塊石對(duì)攔擋壩及壩下沖擊、沖蝕非常劇烈,最大沖刷深度達(dá)7.0m(2018年7月),多次造成新建及修復(fù)1#攔擋工程及壩下防沖工程強(qiáng)烈破壞,嚴(yán)重威脅現(xiàn)陳家壩老場(chǎng)鎮(zhèn)610戶2135人的生命財(cái)產(chǎn)和105省道跨都?jí)魏哟髽虬踩瑵撛诮?jīng)濟(jì)損失1.22億,危險(xiǎn)性為特大型。
青林溝泥石流防治工程歷經(jīng)數(shù)年治理和修復(fù),主要有1#攔擋壩(主壩)(2010.6)及其壩下副壩防沖工程(3#攔擋壩)(2013.5)、一級(jí)軟基梯級(jí)肋檻-樁基垂裙(2014.5—2015.5)、二級(jí)軟基梯級(jí)肋檻-樁基垂裙(2019.4),下游溝口聚居區(qū)2#攔擋壩(2010.6)、導(dǎo)流堤(2013.5)等工程措施(圖1)。
圖1 防治工程分布圖
2010年6月主體治理工程1#攔擋壩和2#攔擋壩治理工程基本完成。2010年經(jīng)歷“8·12”、“8·17”特大暴雨后,壩下掏蝕深8m。應(yīng)急搶險(xiǎn)工程采用鋼筋籠、鋼絲籠壩下充填沖蝕坑防沖,汛期后修復(fù)設(shè)計(jì)為C20片石砼防沖,坡比1∶0.75,下游采用鋼軌排護(hù)坦;2011年經(jīng)歷“7·24”、“8·17”特大暴雨后,護(hù)坡沖毀,砸毀鋼軌,應(yīng)急采用8mm厚鋼板;2012年“8·17”泥石流,原堰塞湖溢流口發(fā)生潰壩,潰口洪峰流量可達(dá)474.0m3/s;潰壩洪水與上游來(lái)水洪峰(414m3/s)疊加后,溝道洪峰流量達(dá)到888.0m3/s,泥石流體沖擊作用極大,在1#攔擋壩處浪擊高度達(dá)4~5m。沖毀壩下防沖鋼板設(shè)施、右側(cè)壩肩,壩基滲透變形導(dǎo)致左側(cè)壩后基礎(chǔ)懸空,安全隱患嚴(yán)重,基本失去防護(hù)功能;
2012年“8·17”降雨,導(dǎo)致主壩1#攔砂壩基礎(chǔ)掏蝕嚴(yán)重(圖2),常規(guī)壩下護(hù)坦措施無(wú)效后,汛期后在1#攔砂壩下游100m處新建3#攔擋壩(副壩8m)回淤防沖,采用筏板基礎(chǔ),壩下設(shè)置C20砼護(hù)坦護(hù)底,同時(shí)面層鋪放大塊石防沖刷處理。2013年“7·10”降雨,1#攔擋壩溢流口頂部沖刷剝蝕嚴(yán)重(圖3),剝蝕深度最大達(dá)1.8m,3#攔擋壩(副壩)右側(cè)壩肩被沖毀,沖毀深度4.6m,長(zhǎng)度18m,水流沖刷壩下鋼繩石籠前部基礎(chǔ),局部掏蝕深度達(dá)4.6m。副壩內(nèi)溝道物質(zhì)未回淤(圖4、圖5),繼續(xù)造成主壩體壩基掏蝕。汛后設(shè)置兩排樁林,A排樁林樁徑1m,樁間距2.5m,樁長(zhǎng)12m,錨固段6m,共28根,樁頂設(shè)置冠梁,樁前采用鋼繩石籠回填,樁林間采用塊石回填至B樁林樁頂;B樁林樁徑1m,樁間距2.5m,樁長(zhǎng)14m,錨固段10m,共26根,呈梅花型布置,上下排距5.0m;樁前先鋪設(shè)10m長(zhǎng)的C15砼護(hù)坦,厚度1.5m,護(hù)坦前緣再鋪設(shè)鋼繩石籠。
圖2 2012年“8.17”1#主壩基礎(chǔ)掏蝕
圖3 2013年“7.10”1#主壩下未回淤
圖4 2013年“7.10”副壩破壞未回淤
圖5 2013年“7.10”右壩肩破壞
2014年“7·30”降雨,致使3#攔擋壩下鋼繩石籠網(wǎng)基礎(chǔ)嚴(yán)重掏蝕、毀壞,局部淘蝕深度達(dá)5.6m,威脅副壩安全,汛后副壩與樁林間設(shè)置軟基梯級(jí)肋檻消能防沖,歷經(jīng)3個(gè)雨季,防沖效果較好。2018年“6·25”“7·11”堰塞湖潰決,1#主壩和副壩基礎(chǔ)完好,但最前緣樁林下混凝土護(hù)坦損毀(圖6),樁前沖刷侵蝕深度4~6m,樁間回填防沖塊石掏空(圖7),防沖肋檻群最前一段掏空,樁后第一條肋檻左側(cè)局部斷落,斷落長(zhǎng)度25.5 m,段落段左端頭距離7.7m。樁林壩前下切高度6~7m,下游溝道下切深度3~4m,溝道中下切最深位置達(dá)到14m。2020年洪水沖刷,致使已建梯級(jí)肋檻磨蝕嚴(yán)重,新建樁基垂裙局部掏蝕深度2.0m,整體穩(wěn)定性較好。
圖6 2018年“7.11”前緣肋檻掏蝕
圖7 2018年“7.11”樁林下掏蝕
(1)水動(dòng)力強(qiáng)大:鹿頭山暴雨區(qū),雨量豐沛,雨強(qiáng)值大,暴雨型泥石流和潰決型洪水,在時(shí)間和空間上交替、疊加瞬時(shí)流量大,瞬時(shí)流速快,攔擋結(jié)構(gòu)浪高4~5m,大塊石沖擊力638KN,整體沖壓力115kPa,一般結(jié)構(gòu)體難以承受,壩體破壞,壩下掏蝕時(shí)有發(fā)生。
(2)攔擋后的壩下消能措施不足:泥石流或山洪從壩頂高處跌落后轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)大動(dòng)能的流體,壩下掏蝕作用強(qiáng)烈,掏蝕坑外溝道也被侵蝕下切。采用單一消能措施如護(hù)坦、副壩已不能奏效,主壩下剛性護(hù)坦直接被砸毀或沖毀、副壩不能及時(shí)回淤、副壩下游設(shè)置護(hù)坦后又被砸毀,溝道強(qiáng)烈下切,副壩安全又受到威脅。
(3)護(hù)坦前垂裙部位埋深不足:泥石流局部流速大,壩下沖蝕下切深度6~7m,前緣垂裙埋深不足,沖毀后牽塌護(hù)坦,掏蝕壩基,下切深度遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)垂裙設(shè)計(jì)埋深,一般埋深3~5m的圬工結(jié)構(gòu)不能滿足自身在溝道下切后的穩(wěn)定性。
(4)部分消能防沖工程存在缺陷:作為回淤之用的樁林壩,上下排樁間距5m,間距過(guò)大,不能攔截細(xì)顆粒形成回淤防沖區(qū);樁林與副壩間距過(guò)大,區(qū)間縱坡達(dá)到200‰,而溝道平均縱坡僅為80‰,壩下防沖的鋼繩石籠被沖毀掏蝕是必然。
泥石流過(guò)壩的消能原理是:通過(guò)流體之間或流體與溝床堆積物之間的互相沖擊、沖刷、紊動(dòng)、攪拌和磨蝕等作用使流體減速、消能(周必凡等,1991)。根據(jù)周必凡、吳積善(吳積善等,1993;蔣忠信,2014)等人研究,泥石流壩下消能防沖工程常用有:護(hù)坦、潛檻、副壩及其綜合。水利工程主要采用的防沖工程有:水墊塘消能防沖(壩下),四面體砼塊消能防沖(岸坡)等。
針對(duì)青林溝泥石流破壞情況:1#攔擋壩(主壩)下2010年掏蝕8m深度,后重建鋼軌排護(hù)坦,2011年又被砸毀;后又重鋪8mm厚鋼板,2012年也被砸彎沖毀,2013年再增副壩回淤防沖,但2013年 “7·10”泥石流又未回淤,壩基仍受沖蝕(唐川和梁京濤,2008;許強(qiáng),2010),2014年再增1#樁林壩回淤防沖,但2014年降雨樁林壩內(nèi)未回淤,回填鋼繩石籠被沖走,壩基被掏蝕,2015年在副壩與樁林之間設(shè)置軟基梯級(jí)肋檻消能防沖,利用樁林作為深垂裙,安全度過(guò)3個(gè)汛期,但2018年“6·25”堰塞湖潰決,樁林出露一半,樁間大塊石及堆積體完全沖蝕,最下一級(jí)肋坎部分掏空,失去部分消能防沖功能。
根據(jù)該溝泥石流破壞特征及破壞原因分析(齊得旭等,2018;鄭志山等,2019;蔡紅剛,2012),對(duì)壩下整體護(hù)坦,回淤副壩,單一肋檻,四面體砼塊,水墊塘等5種常規(guī)壩下消能防沖方案對(duì)比分析(表1),已建工程實(shí)踐證明:?jiǎn)我坏膲蜗路罌_方案均不可行。因此,常規(guī)的消能防沖工程已經(jīng)不能滿足該溝強(qiáng)大水動(dòng)力或泥石流作用,探索一種復(fù)合型壩下消能防沖結(jié)構(gòu)非常必要。
表1 常規(guī)壩下防沖工程對(duì)比分析表
2014年“7·30”降雨后,調(diào)查副壩下游掏蝕情況分析,雖然壩下沖刷強(qiáng)烈,但3#攔擋壩前緣樁林基本未受損害,可發(fā)揮其抗滑和抗沖刷穩(wěn)定性功能。結(jié)合工程實(shí)際,可依據(jù)樁基的穩(wěn)定性和其他固床消能工程形成復(fù)合型壩下消能防沖方案。充分利用既有樁林壩,結(jié)合水利工程水墊塘防沖理念,軟基梯級(jí)肋檻消能(漆力健等,2014;王兆印等,2012),部分肋檻間設(shè)置縱向支撐梁,增加整體穩(wěn)定性,樁林壩作為深垂裙的思路,采用多級(jí)肋檻進(jìn)行逐級(jí)消能固床防沖,達(dá)到坡降減緩的目的。軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩下防沖工程體系作為創(chuàng)新復(fù)合型壩下防沖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于泥石流防治工程中。
2014年修復(fù)加固工程,軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩下防沖結(jié)構(gòu)(圖8)副壩與樁林間長(zhǎng)度65m,縱坡達(dá)200‰,首先在副壩下游設(shè)置兩級(jí)消能池,大塊石部分充填,單級(jí)長(zhǎng)度6m,下游設(shè)置8道肋檻群,最下一級(jí)采用潛壩形式加強(qiáng)整體穩(wěn)定,肋距6.0~7.0m,肋間充填大塊石(直徑不小于0.5m),基礎(chǔ)埋深3.0m,形成單級(jí)100‰梯級(jí)縱坡,發(fā)揮其多級(jí)軟基消能功效。沖刷能量降低后,前緣樁基作為最后一道屏障,也是沖刷下切后保持壩體穩(wěn)定的最重要的防護(hù)工程,因此達(dá)到2倍最大局部沖刷深度樁長(zhǎng)為12~14m,樁頂冠梁銜接。
圖8 兩級(jí)軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩下防沖工程結(jié)構(gòu)
正常運(yùn)行安全度過(guò)3個(gè)汛期,2018年暴發(fā)“7.11”泥石流,導(dǎo)致軟基梯級(jí)肋檻前緣樁林壩下溝道強(qiáng)烈下蝕護(hù)坦懸空6m,樁林出露一半,樁間堆積體完全沖蝕,回淤防沖功能失去,但經(jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn):軟基梯級(jí)消能肋檻僅最前緣接觸樁林處部分掏空,其余多道大塊石充填的梯級(jí)消能肋檻穩(wěn)固,僅表部出露部分磨蝕較為強(qiáng)烈,發(fā)揮了較好消能作用,前緣樁基雖然掏蝕強(qiáng)烈,但聯(lián)排樁林埋置較深,完整性較好,尚可發(fā)揮一定樁基深垂裙的抗沖刷掏蝕作用。據(jù)此,2018年損毀后壩下防沖消能工程根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì),重點(diǎn)調(diào)整了樁基垂裙的設(shè)計(jì),成為第二級(jí)軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩下防沖結(jié)構(gòu)(圖8),原有沖空樁林采用承臺(tái)澆筑形成整體壩體,端部設(shè)置兩排樁基垂裙,樁中心距減小為2.0m梅花形布置,樁長(zhǎng)14m,樁頂冠梁連接,頂部伸出1.0m作為大塊石回填的端墻,樁下鋪填大塊石防沖。改進(jìn)后的防沖結(jié)構(gòu),成功抵擋了2020年5次大暴雨暴發(fā)的泥石流災(zāi)害,局部沖刷深度最大也達(dá)2.0m(圖9、圖10)。
“軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩”主要由壩下鋪底(水墊塘)、梯級(jí)肋檻群、大塊石回填肋間、組合樁基等幾部分構(gòu)成,設(shè)計(jì)要點(diǎn):
(1)壩下沖刷坑區(qū)域采用護(hù)坦上回填大塊石,前緣為出露地面的肋檻,形成軟基消能池,長(zhǎng)度按坑底與壩頂1~2倍,作為第一道主要消能屏障,必要時(shí)布置鋼筋。
(2)根據(jù)總體縱坡降,肋檻沖刷深度,確定基礎(chǔ)埋深、上下肋檻間距、高差,沖刷深度可按伏谷伊一公式(蔣忠信,2014)計(jì)算確定,基礎(chǔ)可適當(dāng)加深,達(dá)到肋檻群之間起到回淤壓腳的作用。肋間采用大塊石回填,形成梯級(jí)緩坡,軟基消能,最下游一道肋加強(qiáng)設(shè)置可為梯形,其余肋為矩形,溝道較寬可設(shè)置豎向支撐梁增加整體穩(wěn)定性。
(3)組合樁基設(shè)計(jì)可根據(jù)最大降雨及泥石流沖刷下游最大沖刷深度為依據(jù)進(jìn)行,也可在沖刷深度計(jì)算公式基礎(chǔ)上加安全儲(chǔ)備深度,長(zhǎng)度應(yīng)以地面為基準(zhǔn),大于2倍局部最大沖刷深度。可單排亦可雙排梅花形布設(shè),樁頂應(yīng)設(shè)置冠梁,增加整體穩(wěn)定性,樁間距不能過(guò)寬,易引起水流沖蝕樁間堆積的松散體。
圖9 壩下消能工程側(cè)面圖(2020.10)
圖10 壩下消能工程立面圖(2020.10)
(4)加強(qiáng)壩體揚(yáng)壓力和滲透變形分析,根據(jù)前期壩體穩(wěn)定性檢算和各種工況下對(duì)壩體作用力檢算,分析揚(yáng)壓力對(duì)壩體整體穩(wěn)定性影響;壩基滲透變形驗(yàn)算,確保壩體不會(huì)滲透變形破壞以及壩下防護(hù)工程結(jié)構(gòu)不會(huì)因壩基滲透變形和表部沖刷疊加破壞。
(1)青林溝泥石流受地震形成特大型滑坡堵塞溝道影響,形成1處堰塞湖多次潰決,溝道內(nèi)松散固體物質(zhì)豐富,鹿頭山暴雨區(qū),泥石流頻發(fā),嚴(yán)重威脅下游陳家壩老場(chǎng)鎮(zhèn)安全。
(2)青林溝2010年修建防治工程,在多次泥石流的暴發(fā)中起到了一定防護(hù)作用,減小泥石流對(duì)場(chǎng)鎮(zhèn)危害。防治工程已運(yùn)行十年,投入較大資金,防治效果一般。主要問(wèn)題在于多次損毀1#攔擋壩(主壩)及后期修建穩(wěn)固壩基的副壩、護(hù)坦、鋼繩石籠、樁林等工程,搶險(xiǎn)、修復(fù)加固后再次被損毀,陷入壩下沖蝕破壞—修復(fù)加固—沖蝕破壞的循環(huán)。解決壩基穩(wěn)定、壩下消能防沖問(wèn)題是青林溝泥石流防治的關(guān)鍵。
(3)分析青林溝泥石流破壞特征和破壞原因,對(duì)5種常規(guī)壩下消能防沖方案對(duì)比分析:?jiǎn)我粔蜗孪芊罌_方案不可行。采用軟基梯級(jí)肋檻—樁基垂裙壩下防沖組合結(jié)構(gòu)可作為一種復(fù)合型壩下消能防沖措施,2020年5次大暴雨暴發(fā)的泥石流災(zāi)害,局部沖刷深度最大也達(dá)2.0m。對(duì)于高頻率、深沖刷、大流量、高流速、多石塊等特征的泥石流攔擋壩及壩下防沖消能工程,還需重新審視攔擋工程及附屬防護(hù)工程設(shè)計(jì)中,適應(yīng)泥石流(潰決泥石流)、洪水二種水力狀態(tài)對(duì)工程的作用。應(yīng)用水工建筑設(shè)計(jì)要求,對(duì)攔擋工程及附屬防護(hù)工程布局、設(shè)計(jì)進(jìn)行完善與提升。
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The Application of the Combined Structure of Stepped Rib Sill and Pile Foundation to the Protection below Sand-Retaining Dam of Debris Flow
XUE Li-yun HE Mo-hong YE Sheng-hua
(The 909th Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 620010)
The debris flow dam is the main project in the debris flow prevention and control project and it has important functions such as sand blocking and throttling, slope and gully stabilization. After the Wenchuan earthquake on May 12, 2008, debris flow disasters frequently occurred in the earthquake area. It is not uncommon for the energy dissipation and anti-scouring projects below of debris flow dams to be destroyed, which seriously endangers the safety of the dam. The strong erosion damage below of the dam is a common and serious problem. A variety of engineering measures for the energy dissipation and anti-scouring projects of the dam, such as multi-layer aprons, stepped ribs, and composite pile foundations are explored and implemented based on the analysis of multiple damage characteristics and causes of energy dissipation and anti-scouring projects such as the lower apron and auxiliary dam of 1#dam (main dam) of the Qinglin Gully debris flow in Beichuan. Practice has proved that for high-frequency, deep-scouring, large-flow, high-velocity and multi-rock debris flows, soft foundation stepped rib sill-vertical skirt of pile foundation composite type of energy dissipation and erosion control structure under dam can effectively protect the safety of the dam foundation.
debris flow; Compound anti-scouring; stepped rib sill; pile foundation protective wall; Qinglin gully
P642.3
A
1006-0995(2022)02-0250-05
10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.013
2021-05-24
薛莉云(1989— ),男,四川綿陽(yáng)人,工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、巖土工程勘察設(shè)計(jì)