潰決型泥石流格柵壩與攔渣壩組合配置研究及運(yùn)用
——以9·17云南元謀海洛箐泥石流為例

李明和，陳 飛，閆曉波，楊小強(qiáng)，王 飛

（1.云南省地質(zhì)工程勘察總公司，昆明 650051；2.云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；3.中化地質(zhì)江蘇巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221000）

泥石流是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑等地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，因暴雨、暴雪或其他自然災(zāi)害引發(fā)的攜帶有大量泥沙及石塊的特殊洪流，具有突然性、流速快、流量大和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)水源類型可分為暴雨型泥石流、潰決型泥石流、冰雪融水型泥石流及泉水型泥石流，其中潰決型泥石流因其短時(shí)堵溝蓄能集聚能量，使其具有較大破壞力。

1 9·17云南元謀泥石流概況

1.1 致災(zāi)歷史及影響

2016年9月17 日上午，持續(xù)強(qiáng)降雨引發(fā)元謀縣黃瓜園鎮(zhèn)海洛村海洛箐、朱布村雷布大箐發(fā)生泥石流，在朱布村與龍川江交界處龍川江形成堰塞湖，堵塞物約126萬(wàn)m3土石方量；在海洛村與龍川江交界處形成堰塞湖，堵塞物約32萬(wàn)m3土石方量；泥石流破壞沿岸大量農(nóng)田，沖毀下游既有護(hù)岸堤工程，阻斷黃江公路主干道，堵塞龍川江形成堰塞湖，短時(shí)內(nèi)淹沒(méi)溝口發(fā)電站，導(dǎo)致成昆鐵路長(zhǎng)時(shí)間中斷，造成1人失聯(lián)，并對(duì)下游黃瓜園、江邊2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)3個(gè)村委會(huì)2 561戶8 066人生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大[1]。

1.2 致災(zāi)主因分析

海洛箐泥石流應(yīng)急治理資金1 700萬(wàn)，地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情等級(jí)屬大型，歷年爆發(fā)頻率較高，松散物源儲(chǔ)備十分巨大，局部坡降大且卡口發(fā)育，爆發(fā)時(shí)水動(dòng)力異常且強(qiáng)大，泥石流發(fā)育條件特別充分，但鮮有記錄如此次大規(guī)模堵斷龍川江，可見(jiàn)泥石流先后堵溝、堵河形成堰塞湖是造成本次地質(zhì)災(zāi)害巨大損失的最大因素。首先，在溝道上游地形轉(zhuǎn)折處且溝床收窄的卡口位置，泥石流流通受阻迅速淤積，短時(shí)積累較多泥石流物質(zhì)，并形成溝道堰塞湖，并在暴雨持續(xù)作用和后續(xù)泥石流沖擊作用下卡口部位整體失穩(wěn)，最終形成潰決型泥石流，巨大的沖擊動(dòng)能及揭底作用，就像滾雪球一樣導(dǎo)致泥石流越發(fā)壯大，快速排泄至下游主河時(shí)迅速堵斷龍川江，河水無(wú)法再順暢流淌，巨量黏稠的泥石流物質(zhì)持續(xù)堆積并壅高河水形成更大規(guī)模的堰塞湖，淹沒(méi)區(qū)達(dá)5.7 km2，造成成昆鐵路長(zhǎng)時(shí)間中斷，而后堰塞湖決堤造成下游沿線大量基建及農(nóng)田等損毀。可見(jiàn)，數(shù)次形成堰塞湖是本次泥石流破壞力巨大的主要原因。假如溝道上游未形成堰塞湖并誘發(fā)潰決型泥石流，而是以正常流速和動(dòng)能持續(xù)地排泄至龍川江，則龍川江巨大的流量動(dòng)能基本能將泥石流物質(zhì)順暢排泄至主河下游。

2 海洛箐泥石流治理思路

山區(qū)泥石流治理工程以“攔排結(jié)合”為主，并視地形特征或以攔、或以排為主。9·17元謀海洛箐泥石流下游主河龍川江縱坡降小、地勢(shì)平緩，大規(guī)模排導(dǎo)勢(shì)必會(huì)淤塞甚至再次堵斷龍川江，故海洛箐泥石流溝治理工程宏觀上只能以“穩(wěn)、攔”為主，微觀上則必須考慮特殊地帶再次產(chǎn)生堰塞湖誘發(fā)潰決型泥石流的巨大風(fēng)險(xiǎn)。海洛箐泥石流治理工程以上游及中游地段布設(shè)實(shí)體攔渣壩（攔砂壩、谷坊壩工程）穩(wěn)攔物源為主，并于主、支溝中上游易形成堰塞湖地段設(shè)置格柵壩以“攔大排小”和“邊攔邊排”，以期實(shí)現(xiàn)小流域內(nèi)“攔—排—攔”和“適攔則攔、適排則排”的綜合治理效果。

3 格柵壩概況

3.1 格柵壩研究進(jìn)展

日本是世界著名的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，日本對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的研究及試驗(yàn)?zāi)M、理論分析較早，防治體系相對(duì)健全，特別是在格柵壩的試驗(yàn)研究與工程運(yùn)用于泥石流災(zāi)害治理方面積累了大量試驗(yàn)、理論與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，格柵壩“攔大排小”的特征十分明顯，并被廣泛使用于泥石流防治工程[2-6]。

我國(guó)地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，早期各類工程建設(shè)時(shí)常遭受泥石流強(qiáng)烈破壞，新中國(guó)成立后鐵路、水利和公路部門在泥石流防治與研究方面積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，特別是將廢舊、廢棄鋼軌運(yùn)用于鋼軌格柵壩，我國(guó)格柵壩運(yùn)用于泥石流防治是工程界重大創(chuàng)新。20世紀(jì)90年代，在參照日本研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我國(guó)格柵壩的研究以工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為主，總體處于探索和實(shí)施階段[7-13]。近20年我國(guó)在格柵運(yùn)行試驗(yàn)?zāi)M、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析方面已取得較大突破，格柵壩工程運(yùn)用與理論研究也越發(fā)完善，并日趨形成理論結(jié)合工程、理論指導(dǎo)實(shí)踐的完整體系[14-24]。

3.2 格柵壩特征

泥石流格柵壩是由實(shí)體壩的泄水孔（洞）與溢流口不斷演變而形成的，具有在壩前選擇性攔蓄的特點(diǎn)，能改變壩前堆積組構(gòu)，延長(zhǎng)壩庫(kù)時(shí)限，提高工程效益等優(yōu)點(diǎn)。格柵壩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、節(jié)省材料、節(jié)約投資且施工方便，特別有利于搶險(xiǎn)應(yīng)急和養(yǎng)護(hù)維修工作。近年來(lái)，新型格柵壩結(jié)構(gòu)形式正在蓬勃發(fā)展，其中大多數(shù)為柔性格柵壩，有輕巧簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)易且速度快的特點(diǎn)，能調(diào)節(jié)攔排泥沙比例。

相比實(shí)體重力攔渣壩而言，格柵壩主要有以下特點(diǎn)[17]。

（1）留下較大的礫石、塊石及漂石，而讓對(duì)下游危害小的小顆粒固體物質(zhì)下泄，達(dá)到“攔大排小、攔排結(jié)合”的效果。

（2）可根據(jù)物源顆粒特征調(diào)節(jié)格柵的間距控制下泄固體的孔徑，通過(guò)調(diào)節(jié)攔排數(shù)量比例、組成，避免局部大沖大淤，保證縱坡沖淤平衡。

（3）通過(guò)調(diào)節(jié)柵孔，利用雨季后的流水沖刷，沖走庫(kù)內(nèi)細(xì)粒物質(zhì)，適當(dāng)提高壩體使用年限。

（4）迅速排泄水體，降低壩體承受的水壓力及揚(yáng)壓力，提高壩體穩(wěn)定性。

（5）利于向裝配式、輕型化發(fā)展，節(jié)省材料、縮短工期，利于搶險(xiǎn)應(yīng)急。

4 攔渣壩特點(diǎn)

泥石流攔渣壩是修建在泥石流溝道中上游區(qū)段的橫向攔擋重力式實(shí)體構(gòu)筑物，主要起攔擋泥石流固體物質(zhì)而不攔泥石流漿體的作用，總的目標(biāo)是削弱泥石流、控制泥石流。攔渣壩作為泥石流治理工程的先導(dǎo)工程，有泄洪、攔渣、調(diào)節(jié)、固床、穩(wěn)坡和控制固體物質(zhì)補(bǔ)給量與防止溝道下切侵蝕的作用，見(jiàn)效快但使用庫(kù)容時(shí)效短。泥石流攔渣壩透水性強(qiáng)才能減少上游動(dòng)水壓力，壩頂及背水坡流水面防磨性要高才能保證運(yùn)行效能，使用壽命要長(zhǎng)以致庫(kù)容淤滿也不至于潰壩而引發(fā)次生災(zāi)害，總的目標(biāo)是削弱泥石流動(dòng)能并穩(wěn)定控制固體顆粒物。

5 格柵壩與攔渣壩組合配置

根據(jù)格柵壩的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，特別適用于海洛箐泥石流坡降大且地形轉(zhuǎn)折大的卡口地段。海洛箐泥石流應(yīng)急治理主體工程以實(shí)體重力壩為主，但在主支溝上游瓶頸地形、地基堅(jiān)實(shí)和溝道轉(zhuǎn)折處設(shè)置格柵壩，能實(shí)現(xiàn)泥石流部分?jǐn)r擋、邊攔邊擋和水石分離的效果，可有效快速、大量排水，大大降低上游形成堰塞湖的概率，從而降低形成潰決型泥石流的巨大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，格柵壩淤積后對(duì)上游不良地質(zhì)體坡腳起掩埋與支護(hù)作用，增強(qiáng)山坡及溝床穩(wěn)定性，能減緩河床縱坡、降低流速；其次，其“攔大排小”的特點(diǎn)能減小泥石流下泄大顆粒固體物質(zhì)，均可有效減弱大塊石對(duì)實(shí)體重力壩的沖擊力；再者，格柵壩能攔截泥石流搬運(yùn)的大粒徑砂石，使峰值泥沙量減少、降低泥石流流體濃度，有利于提高實(shí)體壩的安全穩(wěn)定性，使空庫(kù)狀態(tài)的骨干工程抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性得到保障?？梢?jiàn)，格柵壩與攔渣壩有機(jī)組合使用，能實(shí)現(xiàn)較好的攔排效果。

6 溢流口設(shè)計(jì)

（1）攔渣壩設(shè)置溢流口是使泥石流安全通過(guò)設(shè)計(jì)的泥石流流量，溢流口的位置要根據(jù)壩型、地形、地質(zhì)和壩下沖刷條件而定。如壩基地質(zhì)條件好，或壩型為橋式，壩下防沖條件好的，溢流口應(yīng)設(shè)置在壩體上。如壩端地形、地質(zhì)條件好且流向順暢，溢流口也可放在壩的端部，具體位置應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合決定[25]。

（2）攔渣壩的溢流口改良。從以往眾多工程實(shí)例及9·17元謀泥石流潰壩、越壩實(shí)際情況看，攔渣壩主體工程不容易損壞，壩肩和壩基才是最容易失穩(wěn)、失效的薄弱構(gòu)件，極易誘發(fā)泥石流越壩漫流及下切掏蝕基礎(chǔ)。一般而言，壩體溢流口必須設(shè)置于溢流壩段，溢流口應(yīng)與下游溝道中安全流路的中心線垂直，溢流口形式宜遵守“寬、淺”的原則，應(yīng)避免“深、窄”形式，盡可能減低對(duì)壩下的沖刷破壞能力。因此根據(jù)流量計(jì)算設(shè)計(jì)溢流口尺寸，在滿足設(shè)計(jì)工況要求的基礎(chǔ)上，海洛箐泥石流攔渣壩溢流口采取分臺(tái)和分級(jí)加高設(shè)計(jì)的復(fù)式形式，以增加泥石流流量滿足極端工況過(guò)流需要，更好地避免漫壩和掏刷壩肩的出現(xiàn)，工程投資僅增加約2%～3%，但有效過(guò)流能力增加約30%。

（3）格柵壩橫梁間距與壩距設(shè)計(jì)。格柵壩如何“攔大放小”的關(guān)鍵取決于橫梁間設(shè)計(jì)，而前人對(duì)此已有較多研究[15，17]，本工程設(shè)計(jì)采用吳強(qiáng)等提出的改良公式b2/d90≤0.75，并采用公式b1/d90≤0.75（n-1）、b2/d90≤0.75n進(jìn)行格柵壩間距設(shè)計(jì)。式中b1為格柵壩支墩間距；b2為高度超過(guò)泥石流設(shè)計(jì)深度的格柵間距；d90為野外現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于90%的塊石粒徑?？⒐ず螅Ｂ弩淠嗍鞲駯艍维F(xiàn)狀運(yùn)行效果良好。

7 防治工程運(yùn)行效果

自9·17元謀泥石流海洛箐泥石流應(yīng)急治理項(xiàng)目竣工后，各分項(xiàng)治理工程歷經(jīng)多次暴雨和數(shù)次泥石流考驗(yàn)，2021年海洛箐泥石流應(yīng)急治理項(xiàng)目順利通過(guò)省廳專家組終驗(yàn)，實(shí)踐證明格柵壩與攔渣壩工程組合實(shí)施效果較好，將為今后我國(guó)山區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害防治工程提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

8 結(jié)論

（1）海洛箐泥石流松散物源儲(chǔ)備十分巨大，水動(dòng)力條件異常強(qiáng)大，局部坡降大且卡口發(fā)育，泥石流發(fā)育條件特別充分，屬大型地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅成昆安全運(yùn)行。

（2）海洛箐泥石流堵塞溝道形成堰塞湖誘發(fā)潰決型泥石流，使其破壞力成倍增大，并堵斷下游主河龍川江再次形成堰塞湖，是造成本次地質(zhì)災(zāi)害巨大損失的最大因素。

（3）下游主河龍川江縱坡降小、地勢(shì)平緩，大規(guī)模排導(dǎo)勢(shì)必會(huì)淤塞甚至再次堵斷龍川江，海洛箐泥石流應(yīng)急治理應(yīng)以“穩(wěn)、攔”為主。

（4）海洛箐泥石流應(yīng)急治理工程在適宜地段布設(shè)格柵壩，能使泥石流部分?jǐn)r擋、邊攔邊擋及水石分離，降低上游形成堰塞湖的概率，從而降低誘發(fā)潰決型泥石流的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

（5）攔渣壩溢流口采取分臺(tái)和分級(jí)加高設(shè)計(jì)的復(fù)式形式，能增加泥石流流量滿足極端工況過(guò)流需要，降低漫壩和掏刷壩肩風(fēng)險(xiǎn)，工程投資增加約2%～3%，有效過(guò)流能力增加約30%，值得類似地質(zhì)災(zāi)害防治工程參考。

（6）格柵壩與攔渣壩組合攔蓄效能較好，組合配置有利于提高實(shí)體壩的安全穩(wěn)定性，值得類似地質(zhì)災(zāi)害防治工程借鑒。