泥石流重力拦挡坝稳定性验算方法探讨

刘建兵，杨 曼，肖智锋

(江西省地质环境监测总站，江西南昌 330095)

目前，在泥石流治理工程中多采用重力式拦挡坝进行泥石流的防治工作(周龙茂等，2008)，在工程设计时，须对其进行稳定性验算，以提高工程的可靠性和安全性，验算时多采用电子软件验算(江峰，2009)，国内的一些验算软件一般是工程设计者自行研发和编写，验算理论和验算过程对于工程设计人员并不易掌握。笔者提出，此类工程验算可根据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的验算公式进行验算，称之为手动笔算，简称手算。其验算步骤明确，简单易懂，结合工程力学性质验算，结论较准确，计算过程可在Excel中完成。

1 工程案例

江西漂塘钨业有限公司漂塘矿区猪斗窝至漂塘河泥石流治理工程中设计的一处拦挡坝作为本次工程实例①刘建兵.2012.江西漂塘钨业有限公司漂塘矿区矿山地质环境保护与恢复治理方案［R］.南昌:江西省地质环境监测总站:70-72.。根据工程实例，采取手动笔算对重力式泥石流拦挡坝的稳定性验算。

1.1 工程概况

该易发性泥石流沟开口方向总体为210°，相对高差180～330 m，主沟呈“V”型，纵坡降150‰，汇水面积约1.5 km2。两侧山坡坡度一般25°～35°，植被较发育，以灌木为主，覆盖率80%。上覆残坡积土，厚一般0.5～2.0 m，局部2.0～4.0 m，下伏∈Ⅱ变质砂岩，地层产状355°∠55°。据野外调查，该处沟谷两侧浅层滑坡较为发育，见4处崩塌、滑坡，山坡、沟谷中有4处废石堆放场(总方量约358.2×104m3)及零星堆放小方量的废石、矿渣、弃土等，废石堆结构松散，稳定性较差，为形成泥石流提供了丰富的松散物质来源，一旦遭遇到特大暴雨，沟内水流将携带大量的泥土矿渣形成泥石流，对矿区造成危害，威胁人口约150人，威胁资产约300万元。因此，在适宜位置设置重力式拦挡坝预防突发泥石流灾害对下游遭受破坏。

1.2 重力式拦挡坝设计参数

该重力式拦挡坝采用浆砌块石砌筑，泥石流灾害防治工程安全等级为四级，工程设计标准为二级，即50年一遇，坝址左右两岸斜坡坡度均为28°，上覆残坡积厚0.5～1.5 m，岩性为含碎石粉质粘土，下伏地层为∈1n1岩屑石英杂砂岩，产状120°∠50°，强风化层厚1.0～3.5 m。该拦挡坝设计尺寸参数为坝长50 m，坝体高10 m，坝顶宽1.6 m，坝底宽9.6 m，基础厚2.5 m，下游坝坡比1∶0.2，上游坝坡比1∶0.6，在坝体高1.5 m，3.0 m，4.5 m，6.0 m，7.5 m处设置五排泄水孔，孔径DN90，孔距2.0 m，上下排呈“品”字型布置，采用M10.0砂浆砌筑块石和1∶2水泥砂浆勾缝及抹面，水泥采用普通硅酸盐32.5R型，坝顶设有溢流口，长2.0 m，高0.4 m。设计库容约13.2×104m3，上游废石累进流失率6%，约13.05×104m3，满足要求(图1，2)。

图1 重力式拦挡坝横剖面图Fig.1 Cross section of gravity dam

图2 重力式拦挡坝纵剖面图Fig.2 Longitudinal section of gravity dam

1.3 重力式拦挡坝稳定性验算

依据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)，拦挡坝抗滑安全系数应大于1.20，抗倾覆安全系数应大于1.50，地基容许承载力应大于1.2倍最大地基应力。假定该重力式拦挡坝在满负荷工况下运行进行以下稳定性验算。

作用于拦挡坝的垂直压力，即拦挡坝坝体自重计算(其它外力忽略不计)，采用《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的计算公式(中国地质调查局，2004):

式中，Wd为单宽坝体自重(kN);Vb为单宽坝体体积(m3);γb为筑坝材料重度，取24 kN/m3。

把Vb=65.4 m3，γb=24 kN/m3代入(1)式计算得:Wd=1 569.6 kN。

作用于拦挡坝的水平压力，即泥石流体水平压力(其它外力忽略不计)，采用《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的朗肯主动土压力计算公式:

式中，Fvl为泥石流体水平压力(kN);γc为泥石流重度(kN/m3);Hc为泥石流体泥深(m);φa为泥石流体内摩擦角，一般取值4°～10°。

γc取20 kN/m3，Hc取9 m，φa取4°，根据(2)式计算得:Fvl=704.34 kN。

1.3.1 抗滑稳定性验算

抗滑稳定性验算采用《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的抗滑稳定性计算公式:

式中，kc为抗滑安全系数;f为滑动面上的抗剪摩擦系数，取值0.5～0.8;∑N为垂直方向作用力的总和(kN);∑P为水平方向作用力的总和(kN)。

f取0.6，∑N=Wd=1 569.6 kN;∑P=Fvl=704.34 kN，根据(3)式计算得:kc=1.34＞1.20，因此，拦挡坝在自身重力和外力的作用下，发生滑动的可能性小。

1.3.2 抗倾覆验算

抗倾覆验算采用《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的抗倾覆计算公式:

式中，k0为抗倾覆安全系数;∑MN为抗倾力矩的总和，即垂直方向的力的力矩总和(kN·m);∑MP为抗倾覆力矩的总和，即水平方向的力的力矩总和(kN·m)。

图3 拦挡坝坝体受力分析示意图Fig.3 Stress of dambody analysis diagram

根据图3坝体受力分析示意图，可得，

则根据上述公式计算得:k0=4.16＞1.50，因此，拦挡坝在自身重力和外力的作用下，发生倾倒的可能性小。

1.3.3 地基承载力验算

地基承载力验算采用《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)提出的地基承载力计算公式:

地基承载力应满足下式:

式中，σmax为最大地基应力(kN);σmin为最小地基应力(kN/m2);∑N为垂直力的总和(kN);B为坝底宽度(m);e0为偏心矩;［σ］为地基容许承载力(kN)。

根据地基岩性力学特征(彭元贵等，2006)，σ取1.5×104kN，∑N=Wd=1 569.6 kN，B=9.6 m，e0=B÷2－L1=9.6÷2－5.6=－0.8 m，根据上述公式计算得:σmax=98.1 kN ＜1.5×104kN，σmin=2.55 kN/m2＞0，该场地基本满足拦挡坝地基承载要求。

所以，该重力式拦挡坝抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和地基承载力基本满足拦挡坝的建造要求。

根据以上验算过程和结论可知，其验算步骤简单明了，结论准确清晰，经稳定性验算该工程设计的坝体安全稳定，满足技术规范要求，能够起到很好的防护作用，进一步为工程设计提供可靠的技术依据，确保工程安全有效。

2 结论

在泥石流防治工程设计中，拦挡坝的稳定性十分重要，重力式拦挡坝是泥石流防治中使用较普遍、设计方法较为成熟的典型坝型(吴玮江等，2012)，其稳定性验算方法多种多样，有些方法并非适合某种特定环境下的重力式拦挡坝稳定性验算。

这样就亟需在某一特定环境下具体分析研究，采取适宜此类状况下的验算法则，而目前较多的工程设计人员在进行重力式拦挡坝设计验算时多采用某种验算软件，该种验算软件中设置的参数并不能使设计人员完全理解。因此，应从工程实际出发，结合国家制定的规范、规程、技术标准和以往工程经验作出单一环境下的验算思路和验算方法，这样可以使验算结论符合工程本身。

本文以江西漂塘钨业有限公司漂塘矿区猪斗窝至漂塘河泥石流治理工程中设计的某一重力式拦挡坝为验算案例，通过以上验算方法的详细阐述，依据《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT0239—2004)设计要求和结合工程实际情况，在分析重力式拦挡坝受力状态的基础上进行坝体稳定性验算，此稳定性验算方法在验算泥石流物源以矿山废石等粗颗粒为主要物质的环境下所设计的重力式拦挡坝尤为适宜。该稳定性验算方法简单易懂，步骤详尽，结论可靠，本验算方法可供工程设计人员参考和借鉴。

江峰.2009.泥石流防治工程设计的若干问题初探［J］.中国地质灾害与防治学报，20(4):36-40.

彭元贵，刘文华.2006.土的抗剪强度指标对地基承载力影响的理论分析［J］.东华理工大学学报:自然科学版，29(4):365-369.

吴玮江，冯乐涛.2012.重力式泥石流拦挡坝稳定性计算［J］.甘肃科学学报，24(3):58-59.

中国地质调查局.DZT0239-2004.泥石流灾害防治工程设计规范［S］.

周龙茂，龚育龄.2008.武宁县花香林泥石流灾害成因及防治对策［J］.东华理工大学学报:自然科学版，31(2):136-139.