泥石流攔擋壩破壞模式調查分析

齊得旭, 閆 俊, 張云衛

(湖北省地質局 第五地質大隊,湖北 黃石 435000)

泥石流是一種常見山區自然地質災害，具體指松散土體和水的混合體在重力作用下沿自然坡面或壓力坡流動的現象[1]。由于泥石流中固體含量較多，再加上巨石的影響，沿高陡的坡面運動，其流速高達幾十米每秒，高的勢能轉化為動能，使得泥石流具有很大的破壞力，對交通運輸設施和人民生命財產造成極大危害的。目前的泥石流治理工程主要從松散固體物質和水動力著手：形成區抗滑固坡工程(擋土墻、抗滑樁、錨固)、坡面水土保持工程、控制水體工程(截流渠、調洪水庫、泄洪洞)；流通區的攔擋壩和固床護坡工程(谷坊、淺檻、放沖肋、防護墻)；堆積區的防護工程和停淤工程[2]。其中，傳統的實體攔擋壩一般為重力式攔擋壩，由水工壩演化而來，具有良好的攔砂節流、固床護

坡的作用，在自然界山洪泥石流防治中被廣泛應用。

各種形式的攔擋壩經歷過常年的水力沖刷和泥石流破壞后，很多均出現了不同程度的破壞，因此，泥石流擋壩將不斷修復或重建，泥石流的治理始終處于”治理—破壞—治理”的循環中。依托科研項目《泥石流攔擋壩基礎處理及壩體優化設計》，科研團隊對四川省內63座出現變形破壞狀況的泥石流攔擋壩進行調查統計分析。

1 攔擋壩類型和變形破壞特征

根據調查情況對調查樣本進行破壞部位[3]、破壞原因和破壞特征統計分析，其變形破壞特征如表1所示。

表1 攔擋壩調查統計表Table 1 Statistics of dam survey

圖1 調查區攔擋壩類型及數量直方圖Fig.1 Histogram of type and quantity of dam in survey area

本次現場調查63座出現變形破壞狀況的攔擋壩，包含5種攔擋壩類型，分別為漿砌塊石攔擋壩、混凝土壩、鋼筋混凝土壩、鋼混格柵壩、鋼混梳齒壩。圖1為統計的破壞泥石流攔擋壩樣本中各泥石流攔擋壩類型的數量比例，其中漿砌塊石攔擋壩35座，混凝土壩及鋼筋混凝土壩為25座。說明在泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩最容易破壞，其次為混凝土壩。

2 變形的攔擋壩壩基、壩肩工程地質條件及比例關系

結合所調研的攔擋壩的壩肩、壩基的地層地質特征情況，統計分析得到泥石流攔擋壩的壩基主要為基巖和碎石土兩種情況,壩肩和地質體接觸情況分別為嵌入基巖、嵌入碎石土和懸空三種工況。壩肩與壩基的地質條件統計分布如圖2所示。對于左壩肩，碎石土∶基巖∶懸空=38∶25∶0，嵌入碎石土、基巖的比例分別為60.3%、39.7%；對于右壩肩，碎石土∶基巖∶懸空=34∶25∶4，嵌入碎石土、基巖、懸空的比例分別為54.0%、39.7%、6.3%；對于壩基，碎石土∶基巖∶懸空=59∶4∶0，碎石土壩基與基巖壩基的比例分別為3.7%、6.7%。可看出，泥石流攔擋壩壩址受泥石流災區地質條件限制，變形破壞的攔擋壩中,其工況條件為壩肩和壩基嵌入碎石土比嵌入基巖的比例大，壩肩和壩基為碎石的攔擋壩比壩肩和壩基為基巖的更容易受到變形破壞。

圖2 攔擋壩壩肩、壩基地質條件統計直方圖Fig.2 Histogram of geological conditions of dam abutment and dam foundation

3 泥石流攔擋壩各種破壞類型所占比重分析

本次經現場的統計、分析將泥石流攔擋壩破壞模式按控制因素分為四種破壞模式：沖刷掏蝕破壞、滲透破壞、沖擊破壞、滑動傾覆破壞。各泥石流攔擋壩破壞模式統計分布比例如圖3所示。

圖3 攔擋壩破壞模式統計餅圖Fig.3 Statistical pie chart of dam failure mode

統計結果顯示，沖擊破壞占36.59%，沖刷掏蝕破壞占31.71%，滑動傾覆破壞占15.85%，滲透破壞占15.85%。其中沖擊破壞模式占比最大，這體現泥石流的沖擊毀壞特征。其次沖刷掏蝕破壞模式占的比例也較大，這和泥石流壩址的水文地質條件相關。比例較小的破壞模式是滑動傾覆破壞。

4 從壩基和壩肩地質條件組合統計分析攔擋壩破壞模式

對不同的壩基和壩肩地質條件組合下的攔擋壩各種破壞模式進行統計，分析地質條件和攔擋壩破壞模式的關系。由圖4可知，壩肩和壩基都是碎石情況，攔擋壩的主要破壞模式為沖刷掏蝕破壞，其次為沖擊破壞，說明碎石地基易于發生沖刷掏蝕破壞，泥石流的動力破壞作用主要體現在沖擊破壞。

圖4 壩肩和壩基都是碎石破壞模式統計直方圖Fig.4 Histogram of failure mode of crushed stone in dam abutment and dam foundation

圖5是壩肩為基巖(一側壩肩為基巖或兩側壩肩均為基巖)，壩基為碎石情況下攔擋壩破壞模式統計圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的主要破壞模式仍然為沖刷掏蝕破壞，其次為沖擊破壞，說明碎石地基為碎石壩基的沖刷掏蝕破壞的重要影響因素。泥石流的動力破壞作用仍然主要體現在沖擊破壞。

圖5 基巖壩肩和碎石壩基破壞模式統計直方圖Fig.5 Statistical histogram of failure mode of base rock abutment and crushed stone dam foundation

圖6是其中一邊壩肩為基巖(一側壩肩為基巖或兩側壩肩均為基巖)，壩基為基巖情況下攔擋壩破壞模式統計圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的破壞模式只有沖擊破壞模式。當壩基和壩肩基礎均為基巖時，壩基穩定性好，不易發生滑移傾倒破壞。但在超大泥石流的沖擊下，可能出現破裂損壞或整體潰壩。

圖6 壩肩入基巖和壩基巖基巖破壞模式統計直方圖Fig.6 Statistical histogram of base rock failure mode of dam abutment into base rock and dam foundation

圖7 一個壩肩懸空調查直方圖Fig.7 Investigation histogram of the abutment

圖7是其中一側壩肩懸空情況下攔擋壩破壞模式統計圖，由圖可知，該情況下攔擋壩的破壞模式只有沖擊破壞模式，說明壩肩懸空情況下，對壩體抗泥石流沖擊不利。在泥石流沖擊力下，壩肩在懸臂條件下很容易斷裂，最終壩體發生局部破裂損壞或整體潰散。

泥石流對實際工程的影響主要體現在沖擊破壞、磨蝕破壞及掏蝕破壞。

5 結語

(1) 按照攔擋壩受損部位劃分，泥石流對攔擋壩的破壞主要表現在壩體破壞、壩基破壞和壩肩破壞。其中，壩體破壞主要由泥石流漿體及其攜帶的巨礫塊石產生的沖擊破壞作用，壩基破壞主要是由于泥石流的沖蝕作用、掏蝕作用和滲透作用；壩肩破壞主要是由于泥石流漿體的滲透作用和沖擊作用。

(2) 按照泥石流攔擋壩破壞主控因素劃分，其破壞模式主要為：沖刷掏蝕破壞、滲透破壞、沖擊破壞、滑動傾覆破壞四種破壞模式。

(3) 在統計的破壞泥石流攔擋壩樣本中，從壩體的材料類型看，其中漿砌塊石攔擋壩35座，混凝土壩及鋼筋混凝土壩為25座。說明在泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩更容易破壞。

(4) 統計結果顯示，沖擊破壞占36.59%，沖刷掏蝕破壞占31.71%，滑動傾覆破壞占15.85%，滲透破壞占15.85%。其中沖擊破壞模式占比例最大，這體現了泥石流的沖擊毀壞特征。因此在攔擋壩設計時，可根據泥石流的實際情況，適當提高攔擋壩的抗沖擊的安全性；其次沖刷掏蝕破壞模式占的比例也很大，這和泥石流壩址的水文地質條件相關，因此在泥石流攔擋壩設計時，壩基和壩肩選址盡量選擇基巖等抗沖刷能力強的地層。

[1] 蔣忠信.震后山地地質災害治理工程設計概要[D].成都：西南交通大學，2015.

[2] 余政.沖擊荷載作用下泥石流攔擋壩變形破壞機制[D].西安：西安科技大學,2016.

[3] 蔡紅剛.汶川震區泥石流防護工程損毀特征及破壞機制研究[D].成都:成都理工大學,2012.