重力式攔砂壩在泥石流治理中的應用

曹艷秋 CAO Yan-qiu

（中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 730070）

0 引言

我國是一個多山國家，尤其四川地區(qū)山體結(jié)構極其復雜，而且山體地質(zhì)多種多樣，加之四川地區(qū)降雨量大，山體植被覆蓋率低，當降雨量超過一定規(guī)模時往往會發(fā)生地質(zhì)泥石流災害。泥石流發(fā)生時不但會對人們?nèi)罕姷娜松戆踩a(chǎn)生嚴重影響，而且對當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟也會造成重大損失，因此預防和降低泥石流發(fā)生的災害影響一直是我國所面臨的重要工作。四川省茶埡鄉(xiāng)二村泥石流區(qū)域主溝長1.06km，流域總面積約0.36km2，海拔范圍677～832m，主溝縱比降為209.5‰。主溝及支溝均以“V”型谷為主，溝寬10～60m。經(jīng)過分析和計算，50 年一遇茶埡鄉(xiāng)二村一次泥石流過流總量量約10261.92m3，該泥石流暴發(fā)的規(guī)模屬于小型。

茶埡鄉(xiāng)二村泥石流溝危及溝口學校、民宅、耕地及村道等重要建（構）筑物及數(shù)百名群眾的生命財產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟損失超過1500 萬元。一旦發(fā)生泥石流，損失巨大，影響面廣，危害程度為中型，嚴重制約著當?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展，必須及時進行治理。

1 茶埡鄉(xiāng)二村泥石流成因分析

1.1 降水

根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T提供的降水資料顯示，每年8～10月為全年最高降雨月份。雨季（特別是持續(xù)降雨天氣）地表匯水易與山體及河溝內(nèi)的松散土石融合，形成泥石混合物（泥石流）。短時、強降水是引發(fā)該次泥石流的主要誘導因素。

1.2 特殊地質(zhì)情況

茶埡鄉(xiāng)二村地表地質(zhì)情況主要為Q4dl+el、Qcol和Qsef，該地質(zhì)情況的山體較為松散，地形陡峻，為崩塌、松散土石粒徑在10～100cm 居多，松散強風化泥巖含量高，且多為棱角狀，該地質(zhì)情況遇水容易形成泥石混合物（泥石流）。

1.3 地形條件

茶埡鄉(xiāng)二村泥石流山谷呈倒梯形，縱向長度約1060m，平均寬度約150m，面積約0.36km2。山谷內(nèi)水系呈樹叉狀分布，最高點位于北側(cè)的山脊上，高程832m，最低點位于茶埡鄉(xiāng)二村泥石流溝匯入人工溝渠處，高程676m，相對高差155m，平均坡度在35°以上，溝谷縱坡較大，特別是主溝上游段縱坡多在300‰以上，有利于降雨的匯集，為泥石流水源的匯流集中提供了基礎。

同時，由于地形陡峻，為崩塌、不穩(wěn)定斜坡等不良地質(zhì)作用的發(fā)育提供了有利的地形地質(zhì)條件，為泥石流增加了松散固體物源，且溝谷縱坡較大，也為松散固體物質(zhì)的搬運和參與泥石流活動提供了有利的地形條件。

萬源市茶埡鄉(xiāng)二村一社爛田灣泥石流由形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)組成。根據(jù)泥石流形成條件和運動機制及泥石流松散固體物源的分布，將溝域劃分為三片：萬源市茶埡鄉(xiāng)二村一社爛田灣泥石流溝中上游為形成區(qū)，崩滑現(xiàn)象發(fā)育，溝道兩側(cè)人工堆積、殘坡積物質(zhì)豐富，為溝域內(nèi)泥石流松散固體物源的主要分布區(qū)域；人工堆積區(qū)域以下至溝口均為泥石流流通區(qū)，溝床兩側(cè)地形坡度較大，溝床內(nèi)松散物源堆積較厚，且多處形成高2～3m 的跌水陡坎，為泥石流的運移提供了有利條件；溝口與人工溝渠交匯處為泥石流堆積區(qū)，在該處形成較為完整的泥石流堆積扇。

2 泥石流治理工程設計

2.1 防治工程等級確定

根據(jù)《泥石流防治工程設計規(guī)范》（DZ/T0239-2004）確定了該防治工程的設計等級如表1。

表1 該攔擋工程防治設計等級

2.2 設計工況及荷載的確定

攔擋設計需考慮的工況及荷載組合如表2。

表2 設計工況一覽表

其中以工況Ⅴ為設計工況，工況Ⅵ為校核工況。

2.3 具體治理方案

總體治理措施為：1 座重力攔砂壩+2 道護腳墻+1 道單面防護堤+1 條截水溝+清坡綠化，本文將著重介紹重力攔砂壩的設計思路。

2.3.1 攔砂壩的布置位置

根據(jù)茶埡鄉(xiāng)二村溝泥石流分布的特點，該攔砂壩布置在茶埡鄉(xiāng)二村溝中下段縱坡相對較緩處。

2.3.2 壩體斷面和結(jié)構設計

各壩斷面尺寸統(tǒng)計如表3。

表3 攔砂壩斷面設計尺寸統(tǒng)計表單位：m

攔砂壩壩體結(jié)構采用M10 漿砌塊石，壩頂溢流口采用厚0.3m 的防滲C25 混凝土，攔砂壩基底鋪設厚0.2mC25 砼墊層。

2.3.3 壩的庫容和功能參數(shù)計算

根據(jù)目前工程領域的驗算規(guī)則，在此不對庫容進行計算，僅對穩(wěn)攔能力進行計算。

回淤坡度按下式計算：

式中：I0—回淤縱坡（‰）；

I—溝床縱坡（‰）。

庫容計算結(jié)果詳見表4。

表4 攔砂壩穩(wěn)攔物源能力一覽表

通過上述計算可知，如果考慮每次滿庫后清淤，按勘查報告估算50 年滿庫5 次并清庫5 次計，累計可穩(wěn)攔物源量5.65×104m3，為目前動儲量的77.5%，將為泥石流防治發(fā)揮積極的作用。

2.3.4 壩體荷載計算

①壩體自重的計算。

各壩壩體自重計算參數(shù)及結(jié)果詳見表5。

表5 攔砂壩壩體自重計算表

②泥石流豎向壓力。

泥石流壓力有土體重Ws和溢流重Wf兩部分。Wf=hd×γd×b

計算結(jié)果詳見表6。

表6 泥石流豎向壓力計算表

③作用于壩體的水平壓力。

水平水壓力按下式計算：

求得泥石流水平壓力詳見表7。

表7 泥石流水平壓力計算表

④泥石流動水壓力。

求得泥石流動水壓力詳見表8。

表8 泥石流動水壓力計算表

⑤作用于迎水面壩踵處的揚力。

求得泥石流迎水面壩踵處的揚力詳見表9。

表9 攔砂壩迎水面壩踵揚壓力計算表

⑥泥石流整體沖擊力。

計算過程主要選擇擬布設攔砂壩位置各斷面進行計算，建筑物形狀系數(shù)按矩形建筑取λ=1.33，各壩位泥石流整體沖壓力計算參數(shù)及計算結(jié)果詳見表10。

表10 攔砂壩泥石流整體沖壓力計算表

⑦泥石流中石塊的沖擊力。

石塊對壩的沖擊力按簡支梁的計算公式計算：

其中石塊運動速度按下式計算：

各壩泥石流石塊沖壓力計算參數(shù)及結(jié)果詳見表11。

表11 泥石流石塊沖壓力計算表

⑧地震力。

求得地震力詳見表12。

表12 攔砂壩地震力計算表

2.3.5 壩體穩(wěn)定性驗算

①抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性驗算。

壩體抗滑穩(wěn)定系數(shù)按下式計算：

壩體傾覆穩(wěn)定系數(shù)按下式計算：

根據(jù)前述不同工況下的荷載組合求得不同工況下各壩的抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性結(jié)果見表13、表14。由表可見，攔砂壩穩(wěn)定系數(shù)均符合要求。

表13 抗滑移穩(wěn)定性計算結(jié)果

表14 抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果

②地基穩(wěn)定性驗算。

計算公式：

其中：

據(jù)此，對六種工況地基承載力進行了驗算，其結(jié)果統(tǒng)計詳見表15。

表15 地基承載力驗算結(jié)果統(tǒng)計表

通過上述計算可知承載力滿足要求。

2.3.6 壩頂溢流口設計及過壩流量復核

經(jīng)綜合考慮，溢流口安全超高按0.5m 設計。各攔砂壩溢流口設計尺寸及流量復核計算結(jié)果如表16，溢流口允許過流能力計算公式為：

表16 溢流口過壩流量復核計算表

由計算表可見，溢流口設計可滿足過壩泥石流流量要求。

3 結(jié)束語

目前該泥石流治理工程設計方案已經(jīng)完成，采用重力式攔砂壩具有因地制宜效果佳且治理成本低的特點，得到了各界的一直認可，目前已進入施工階段，對其他中小型泥石流治理工程具有一定的借鑒意義。