泥石流拦挡坝研究现状及发展趋势

谢 涛，徐小林，陈洪凯(. 重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400047；. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430050)

泥石流拦挡坝研究现状及发展趋势

谢 涛1，徐小林2，陈洪凯1
(1. 重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400047；2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430050)

拦挡坝已大量应用于泥石流治理工程中。它不仅能拦蓄部分泥石流固相物质，减小泥石流规模，还能稳定沟坡、控制沟道侵蚀，抑制泥石流发育。本文梳理了泥石流拦挡坝的研究成果，分析总结出工程设计中拦挡坝存在以下问题：(1)相关泥石流运动特征参数的计算问题；(2)拦挡坝修建级数与设计库容的选取问题；(3)拦挡坝的结构型式与坝体材料选取问题；(4)拦挡坝的清淤问题；(5)与格栅坝设计相关的问题。基于以上问题，提出今后拦挡坝应重点发展以下研究方向：(1)拦挡坝设计方法改进和结构型式创新；(2)基于水土分离的泥石流防治理念；(3)基于物质和能量调控的泥石流减灾技术。

泥石流；拦挡坝；防治工程；发展趋势

0 引言

泥石流是山区常见的一种自然现象，由于其强大的冲击和淤埋能力，往往在流通和堆积区域造成严重灾害[1]。泥石流减灾工程是减轻泥石流灾害最直接的手段之一。我国从20世纪50年代起开始了泥石流防治工作，发展至今已形成了以“稳、拦、排”为主的泥石流流域综合治理体系[2]，即在泥石流流域上游开展一系列生物工程，修建谷坊群和引水、截水工程，控制物源和水源，削弱泥石流形成条件，抑制泥石流发生；在泥石流流域中游修建各种类型的拦挡坝，拦截泥石流体，减小泥石流规模，削减泥石流流速和流量，控制沟道侵蚀，削弱泥石流流动的动力条件；在泥石流流域下游修建排导槽、导流堤等，使运动能量得到衰减的泥石流沿着固定通道运动到安全地带(停积场)停积下来，或直接排向主河，避免泥石流在堆积区域淤埋各种设施，以及堵塞主河造成二次灾害。其中，横跨泥石流流域中上游沟道中的拦挡坝是该治理体系的骨干工程，关乎防治工程的成败。本文总结了前人的研究成果，分析了拦挡坝设计中存在的问题，并对拦挡坝的发展趋势进行了评述。

1 拦挡坝的研究现状

国内外学者对各种类型拦挡坝的研究主要体现在以下两个方面： 一是拦挡坝的优化设计方法；二是评价拦挡坝的防治效果。

1.1 拦挡坝的优化设计方法

对于拦挡坝的优化设计方法，日本的学者重点研究了泥石流格子坝的设计方法，通过大量的模型试验研究格子坝开口宽度的合理取值，建议开口宽度b与泥石流最大粒径dmax的比值b/dmax取为1.5～2.0[3-6]，并颁布了相应的设计标准[7]；而我国台湾地区的学者重点研究了梳子坝的设计方法，如连慧邦等通过模型试验，并结合理论分析得到梳子坝的泥沙流出比、过坝前后泥沙浓度比以及泥沙拦截率三个参数的关系和计算式，并依据这些计算式得到了梳子坝高度、开口宽度等参数的设计方法[8-9]，而我国内地应用最多的是重力式拦挡坝，目前关于重力拦挡坝的设计主要借鉴水工建筑物的重力坝，一些学者对此也作了一定研究，如姚令侃建立了一种以可靠度理论为指导的泥石流防治工程优化设计方法[10]；李发斌等建立了基于GIS的拦挡坝优化模型[11]；钟卫等推导了谷坊工程的可靠度计算方法[12]；林雪平等研究了拦挡坝溢流口的过流能力，并建立了拦挡坝溢流口尺寸的计算方法[13]。此外，部分学者也对格栅坝的设计方法进行了研究，如孟河清、游勇和韩文兵等通过模型试验分别研究了格栅坝中的梁式坝和梳子坝开口宽度与堵塞条件之间的关系[14-16]。阿尔卑斯山地区一些国家的学者对拦挡坝的设计方法也进行了相应研究，如Armanini 等通过模型试验，根据固液两相质量守恒定律提出了缝隙坝开口宽度的设计方法[17]。

总体而言，虽然泥石流拦挡坝已广泛应用于我国的泥石流防治中，但是我国至今还未制定泥石流防治工程设计的国家标准，仅颁布了地质矿产行业标准(DZ/T0239-2004)。关于各种类型拦挡坝，特别是格栅坝的设计方法的研究还有待进一步加强。

1.2 评价拦挡坝的防治效果

拦挡坝的防治效果方面的研究成果很多，主要集中在拦挡坝调节泥石流物质和能量的效应、泥石流对拦挡坝的反作用等内容。

(1)拦挡坝调节泥石流物质和能量的效应

在拦挡坝调节泥石流物质和能量的效应方面，重点研究了拦挡坝的拦砂性能及其对泥石流性质的影响，如Mizuyama等通过模型试验得到了泥石流峰值流量减小率、格子坝开口宽度和泥石流固相物质体积浓度三者之间的关系式[18]；柴钫武通过模型试验，根据泥石流质量守恒定理，建立了梳子坝坝前泥沙体积浓度、泥沙体积浓度比及泥沙流出率之间的关系式[19]；韩文兵等通过模型试验研究了梳子坝开口深度h、开口宽度b以及开口密度∑b/B对梳子坝的淤砂形态、淤砂长度和回淤纵坡的影响[20-21]；刘贵慎通过模型试验比较了复合式拦挡坝群(分别选取梳子坝、格子坝和梁式坝中的两者为一个组合，分别放置于中游及下游)的防治效果，试验结果表明：复合坝群的拦砂率比单一坝体高，且建议在下游设置格子坝，中游根据地形条件可设置梳子坝或梁式坝[22]；Chen等对比了格子坝、缝隙坝、梁式坝、桩林的防治效果，试验结果显示桩林在减小泥石流能量方面最为突出[23]；林基源等通过模型试验对比了梳子坝、梁式坝、重力拦挡坝的坝前堆积特性、拦砂率以及粗颗粒分离效率[24]；Fukawa等利用有限元方法模拟了泥石流堵塞格子坝的情况[25]；林泽松等利用FLO-2D数值模型方法模拟了梳子坝防治泥石流的效果[26]；Takahara等通过模型试验研究了具有狭小缝隙的格子坝防治泥石流的效果[27]；贾世涛等研究了泥石流经过重力拦挡坝后，泥石流容重、流量、固体物质组成等因素的变化规律[28];周海波等和曾庆利等通过选取典型的泥石流沟研究了谷坊工程防治泥石流的效果[29-30]。

(2)泥石流对拦挡坝的反作用

在泥石流对拦挡坝的反作用方面，重点研究了泥石流冲击拦挡坝的动力效应以及拦挡坝下游冲刷的问题。针对泥石流冲击拦挡坝的动力效应问题，主要采用模型试验和数值模拟等方法研究坝体受力和变形的特征，如吕典翰等通过模型试验探讨直立型梳子坝、斜面型梳子坝、曲面型梳子坝受到泥石流冲击时的受力情况，试验结果表明梳子坝冲击力随泥石流流量、水槽坡度的增大而增大，且直立型梳子坝受力最大，斜面型次之，曲面型最小[31]；黄育珍等通过模型试验研究了沟床坡度、坝体角度、梳子坝开口宽度等因子对梳子坝冲击力的影响[32]；段锦浩研究了废旧轮胎对泥石流冲击拦挡坝的消能效果[33]；林德贵等利用三维有限元数值分析研究了泥石流作用下梳子坝应力应变的分布规律[34]；马宗建等运用计算流体动力学技术对黏性泥石流冲击拦挡坝进行了数值模拟，得到泥石流流速与拦挡坝冲击力的分布[35]；徐江等利用数值模型进行泥石流与拦挡结构的双向流固耦合分析，得到了泥石流在沟谷内的运动规律及拦挡坝的应力和位移[36]；李昆等运用流固耦合理论对黏性泥石流冲击切口拦挡坝进行了模拟，得到了拦挡坝坝体应力应变的分布规律[37]。

针对拦挡坝下游冲刷问题，主要通过模型试验和理论分析研究冲刷坑的演变规律，如石川芳治等利用模型试验对拦挡坝下游冲刷深度和长度进行了预测[38]；连慧邦利用冲射流理论探讨了拦挡坝下游侵蚀坑深度随时间的变化规律[39]；潘华利等通过模型试验研究了拦挡坝下游侵蚀坑坡度与泥沙水下休止角、沟床原始纵坡之间的关系等[40]。

以上研究工作的开展，为泥石流防治工程中各种类型拦挡坝的实际应用提供了理论基础。

2 与泥石流拦挡坝设计相关的问题

从20世纪50年代以来，我国泥石流治理工程中修建了大量的拦挡坝，取得了较好的防治效益，但是在拦挡坝设计中还存在以下问题：

2.1 相关泥石流运动特征参数的计算问题

泥石流流速、流量、冲击力等是设计拦挡坝时需要确定的基本参数。在确定泥石流流速时，目前常使用的是以曼宁公式为基本形式的经验公式，即利用某些地区的泥石流观测资料为基础，对曼宁公式中的各个系数加以率定，最终得到泥石流流速的计算方法。因此这些公式具有明显的地区性，适用范围有限。同时，这些公式得到的多为泥石流平均流速，然而泥石流流速通常在横向和垂向上的分布是不均匀的，平均流速已不能满足日益提高的泥石流防治工程设计要求，因此有必要研究考虑横向和垂向分布不均匀的泥石流流速计算方法。

配方法是目前常用的泥石流流量计算方法。该方法假定泥石流与流域暴雨洪水同频率且同步发生，在利用水文方法得到不同频率洪水流量的基础上，考虑固相物质体积浓度和沟道堵塞条件，最终得到泥石流流量。利用配方法可以得到不同频率下的泥石流流量，从而为拦挡坝的设计提供依据。但是针对由地震引发的次生泥石流时，利用该方法计算的泥石流流量远小于实际值，因此针对山区地震使得泥石流流域内松散固体物质总量急增的情形，还有必要建立更精确的泥石流流量计算方法。

在计算泥石流冲击力时，通常将泥石流看作固液两相流体，冲击力分为浆体动压力和大石块冲击力两部分。该方法分别考虑了泥石流固液两相物质对拦挡坝的冲击特性，具有一定合理性。但是在计算大石块冲击力时，目前仅考虑了固相物质中粒径最大的砾石对拦挡坝的冲击作用，而泥石流固相物质粒径范围通常较大，因此该计算方法显然与实际不相符，有必要研究考虑固相物质粒径组成的冲击力计算方法。

2.2 拦挡坝修建级数与设计库容的选取问题

拦挡坝最直接的作用是拦蓄泥石流固相物质，但是由于泥石流流域内的松散固体物质总量多，特别是由山区地震诱发的大量崩滑体作为泥石流物源的情形，拦挡坝的拦蓄库容往往远小于泥石流松散固体物质总量。如2008年汶川“5·12”地震在四川绵竹清平乡文家沟诱发了巨型滑坡，总体积约5.9×107m3，据估算，即使在沟口修建高50 m 高的拦挡坝，也仅能提供2.0×106m3的库容[41]。因此拦蓄了固相物质的拦挡坝，特别是位于流域上游的谷坊群除了起到拦截作用外，往往还需起到稳定沟坡、控制沟床侵蚀的作用，从而减少流域内参与泥石流活动的物源总量。但是由于目前针对拦挡坝的上述作用还缺乏定量的评估方法，导致工程设计人员常常仅根据工程经验选择拦挡坝的修建级数，以及拦挡坝的拦蓄库容，因此拦挡坝的设计缺乏相应的理论指导，针对上述问题还有待进一步研究。

2.3 拦挡坝的结构型式与坝体材料选取问题

为了节约建设成本，我国已建成的拦挡坝多为浆砌石重力坝，在泥石流冲击作用下坝体变形小，且浆砌石强度较低，导致拦挡坝易被冲毁。如2010年甘肃舟曲“8·8”特大泥石流将三眼峪沟内已修建的7座拦砂坝不同程度的损毁[42]。因此需研究坝体变形较大、材料强度高，抵抗泥石流冲击性能好的新型拦挡坝。

2.4 拦挡坝的清淤问题

受到地形条件限制，大部分泥石流流域的交通条件极其简陋，一旦拦挡坝被固体物质淤满后，机械设备很难到达拦挡坝库区进行清淤工作，从而导致拦挡坝对后续泥石流失去调节作用，影响其防治效益。

2.5 与格栅坝设计相关的问题

格栅坝的种类很多，在我国较常见的主要有梁式格栅坝、梳子坝、桩林等。《泥石流灾害防治工程设计规范》中对上述格栅坝的设计方法仅做了简要介绍(主要对其开口间距作了相应规定)。因此还需进一步研究各种格栅坝的设计方法。

同时从工程实践效果看，现有格栅坝在运行初期能有分选地将泥石流中的粗颗粒拦截在坝内，而危害较小的细颗粒可以流向下游，但是由于拦截的颗粒直接停积在格栅开口处，易造成开口堵塞，最终使格栅坝失去“拦粗排细”功能，影响其防治效果[43]。

SNCR系统中的脱硝反应发生在一个特定的温度区间内，在这个温度区间内，能提供足够的能量使脱硝进行化学反应。对于以氨作为还原剂的SNCR脱硝反应最佳温度窗口为850℃～1100℃。

3 拦挡坝发展方向

综上所述, 由于泥石流拦挡坝存在以上问题，因此，今后拦挡坝的重点发展方向如下：

3.1 拦挡坝设计方法的发展

目前，我国已建的拦挡坝多为重力拦挡坝，且每级拦挡坝泄流孔的尺寸变化不大，泥石流固相物质被整体拦截在坝内，降低了拦挡坝的库容，减少其使用年限。为了增大拦挡坝的拦截能力，陈晓清等提出通过不同开孔的拦挡坝群沿程分级拦截泥石流中的固体颗粒，最大限度地发挥拦挡坝的拦蓄功能。同时针对依据工程经验确定拦挡坝修建级数与设计库容的问题，陈晓清提出了主河输移型泥石流防治规划设计原理，即最大限度利用主河的输移能力，合理地将泥石流峰值流量分配给拦挡坝削减流量、通过排导工程向主河排泄的流量、以及停淤工程接受的流量，从而确定拦挡坝级数和修建高度[44]，如在汶川“5·12”地震诱发的四川绵竹清平乡小岗剑泥石流的治理工程中，便利用该原理对拦挡坝进行了设计。基于主河输移能力的拦挡坝设计方法有望得到广泛应用。

3.2 拦挡坝结构型式的发展

为了解决浆砌石修建而成拦挡坝难以抵御泥石流冲击力的问题，陈晓清等提出了钢筋混凝土框架+浆砌石坝体式泥石流拦挡坝、预制钢筋混凝土箱体组装式拦挡坝等新型泥石流拦挡结构[45]，王秀丽等提出了一些抗冲击性能更好的新型拦挡坝，如钢-混凝土组合式新型拦挡坝、格宾拦挡坝等[46-47]。同时，瑞士布鲁克公司从防治崩塌、滚石的防护网中研发了一种柔性网格坝[48]，室内模型试验和现场试验表明该结构具有良好的拦截固体物质能力，且具有良好的抗冲击能力。如在瑞士Illgraben流域对该结构(高5 m，宽约10 m，网眼直径0.3 m，底部距沟床0.5 m)进行的现场试验显示，该结构在当年共遭到三场泥石流的考验，7月18日暴发的第一场泥石流总量达到19 000 m3，整个结构被淤满，随后8月2日和18日暴发的两场总量达到14 000 m3的泥石流时，结构并没有遭到破坏[49-50](图1)。与传统的刚性拦挡坝相比，该结构具有安装简单，施工周期短，工程费用节省(减少30%～50%)，便于广泛应用等优点，目前该结构最大可拦截1 000 m3固体物质，因此针对一些规模较小的泥石流，用柔性网格坝替代目前普遍使用的刚性拦挡坝将是不错的选择。

图1 柔性格网结构[50]Fig.1 Debris flow flexible barrier

3.3 基于水土分离的泥石流防治理念

针对松散固体物质总量特别多的泥石流流域，现有拦挡坝的防治效果甚微。如能通过工程措施在泥石流中上游实行水土分离，抑制泥石流发生或降低泥石流规模，将有效提高下游拦挡坝的防治效果。基于水土分离理念，日本早在上世纪80年代就发展了一种水平透水格栅[3](图2)，同时也进行了相应的研究，如Gonda和Kim等通过模型试验和数值模拟解释了泥石流在水平透水格栅停止运动的力学作用机理[51-52]。类似结构已应用于我国四川清平文家沟特大泥石流治理工程中(图3)，文家沟泥石流的松散固体物质主要来自于2008年汶川“5·12”地震诱发的巨型滑坡堆积体，体积约5.900×107m3，2010年8月12～13日，在强降雨的作用下文家沟在4 h内冲出约4.50×106m3固体物质，18座拦挡坝被泥石流彻底摧毁[53]，说明单纯的拦挡和排泄已不能满足松散固体物质极其丰富的泥石流灾害防治需求。因此，在文家沟泥石流治理工程中，通过在流域上游修建水平透水格栅和引水隧道，将泥石流形成区内的洪水排走，从而抑制泥石流发生。工程实践表明，泥石流运动到水平透水格栅表面后，泥石流浆体迅速透过格栅，流体内部孔隙水压降低，泥石流流速减小甚至停止运动，从而有效降低了泥石流规模。因此基于水土分离的泥石流防治技术有望在未来得到广泛应用。

图2 日本的水平透水格栅[3]Fig.2 Debris flow breaker in Japan

图3 修建于四川省绵竹市文家沟的水平透水格栅Fig.3 Debris flow breaker in Wenjia gully of Mianzhu County，Sichuan Province

3.4 基于物质和能量调控的泥石流减灾技术

图4 鱼脊型泥石流水石分离结构Fig.4 Herringbone water-sediment separation structure for debris flow

4 结论

本文详细分析了泥石流拦挡坝的研究成果，以及在工程设计中拦挡坝存在的问题，并阐述了拦挡坝的发展趋势，得到以下结论：

在拦挡坝研究现状方面，目前的研究主要集中在拦挡坝的优化设计方法、拦挡坝调节泥石流物质和能量的效应、泥石流对拦挡坝的反作用等方面。

在拦挡坝设计方面，存在以下问题：

(1)泥石流流速、流量、冲击力是拦挡坝设计时需要使用的基本参数，目前这些参数的计算方法已不能满足日益提高的工程设计要求；

(2)在确定拦挡坝修建级数、设计库容时主要依据工程经验，缺乏理论指导；

(3)在泥石流冲击作用下，由刚性材料修筑而成的拦挡坝坝体易被破坏；

(4)受到地形限制，坝库淤满的拦挡坝难以清淤，影响防治效益；

(5)还需进一步研究格栅坝的设计方法，同时其开口易被分离的粗颗粒堵塞，难以持续实现“拦粗排细”功能。

针对上述问题，今后拦挡坝的发展方向如下：

(1)应用主河输移型泥石流防治规划设计原理，解决根据工程经验确定拦挡坝修建级数、设计库容的问题；

(2)发展钢筋混凝土框架+浆砌石坝体式泥石流拦挡坝、预制钢筋混凝土箱体组装式拦挡坝、柔性网格坝等新型泥石流拦挡坝；

(3)拦挡坝群可设计成不同开口尺寸，沿程分级拦截泥石流中的固体颗粒，最大限度地发挥拦挡坝的拦蓄功能；

(4)在泥石流流域中上游实行水土分离的工程措施，如水平透水格栅等，抑制泥石流发育或降低泥石流规模， 发展基于水土分离的泥石流防治理念；

(5)发展基于物质和能量调控的泥石流减灾新技术。

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Review and trends on debris dam research

XIE Tao1，XU Xiaolin2,CHEN Hongkai1
(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.CCCCSecondHighwayConsultantsCo.Ltd,Wuhan,Hubei430050,China)

Debris dam has been widely used in debris flow control works, which can reduce the scale of debris flow by retaining solid material of debris flow, and reduce debris flow frequency by stabilizing slope and controlling deep-cutting erosion. This paper analyzes the current research result of debris dam, and debris dam exist the following problems in the engineering design: (1) calculating characteristic parameters which is related to debris dam design. (2) Selecting quantity and design capacity of debris dam. (3) Selecting structural style and dam body material. (4) Solid material in the debris dam cannot be dredged. (5) Design problem related to the open-type dam. Based on the above questions, development trend of debris dam should be as follows: (1) Improving debris dam design and structure type innovation. (2) Prevention and control concept based on soil and water separation of debris flow. (3) The debris flow disaster reduction technology based on material and energy regulation.

debris flow; debris dam; prevention project; development trend

2016-07-16;

2016-08-17

中国博士后科学基金资助项目(2016M590868)；重庆市博士后科研项目(Xm2015062)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1600510)；2016年重庆高校创新团队建设计划资助项目(CXTDG201602012)

谢 涛(1986-)，男，重庆黔江人，博士，讲师，主要从事泥石流防灾减灾理论与技术研究。E-mail：xietao@cqjtu.eud.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.19

P642.23

A

1003-8035(2017)02-0137-09