桩林形式的格栅坝在泥石流固源的应用及算例

李晓玮，刘翠娜，吴 彬

（1． 北京市地质研究所，北京100120；2． 科学出版社，北京100717）

桩林形式的格栅坝在泥石流固源的应用及算例

李晓玮1，刘翠娜2，吴 彬1

（1． 北京市地质研究所，北京100120；2． 科学出版社，北京100717）

2012年7月21日房山区上方山东沟发生了泥石流，景区内寺庙、游览道桥、管理服务设施、给排水系统、供电设施、通信设施等，均遭受不同程度的损毁。根据上方山泥石流基本特征以及地形等因素，治理工程主要从稳固物源与疏通沟道两个方面来减弱泥石流灾害威胁。针对龙虎峪沟底物源以块石为主，且发生频率较低的特点，拟在泥石流物源区布置桩林形式的格栅坝，其作用主要是有效固源及顺利排水。本文在此基础上，对地基横向承载力以及抗倾覆进行了验算，并根据桩身最大弯矩进行配筋计算。

泥石流；桩林；格栅坝；固源

泥石流作为北京地区危害性较为严重的地质灾害之一，常常具有爆发突然，来势凶猛的特点，对人员生命，财产安全具有严重的威胁。2012年7月21日上方山东沟发生了泥石流，景区内寺庙、游览道桥、管理服务设施、给排水系统、供电设施、通信设施等均遭受不同程度的损毁，未造成人员伤亡。对于北京地区泥石流的调查研究，前人已经做过不少工作（陈家华，1994；韦京莲等，1994；吴正华，2001；钟敦伦等，2004；李金海，2007；赵忠海，2009；何媛等，2013；王珊珊等，2015）。

本文在现场调查、地质勘查和室内研究的基础上，针对上方山东沟沟道较窄，物源主要为沟底碎石，并结合地形和运输条件等因素，采取的治理工程主要从稳固物源与疏通沟道两个方面来减弱泥石流灾害威胁。对于泥石流的治理工程，通常是将拦挡坝布置在下游，作用为阻挡已经形成的泥石流。而针对上游龙虎峪沟底物源以块石为主，且发生频率较低的特点，本次工程拟采用了桩林形式的格栅坝，并将五处桩林布置在泥石流物源区，类似于抗滑桩楔进滑动区，其作用主要是有效固源及顺利排水。由于桩林埋深范围内主要为岩石，本工程对地基横向承载力以及抗倾覆进行了验算，并根据桩身最大弯矩进行配筋计算。

1 设计标准、工况及参数的确定

1.1 设计标准

2012年7月21日，上方山森林公园景区发生泥石流地质灾害，景区道路、桥梁、索道、给排水系统、供电设施、通信设施等均遭受不同程度的损毁。上方山景区灾害损失及恢复重建项目初步评估约5828万元，其中上方山东沟灾害损失及恢复重建约3000万元。根据泥石流灾害防治工程安全等级标准，上方山东沟灾害直接经济损失＞1000万元，确定村泥石流防治工程安全等级为一级，本次工程按100年一遇降雨强度进行防治工程设计。

1.2 格栅坝设计工况

空库运行时，格栅坝稳定性最差，是最不利工况，因此对格栅坝按100年一遇空库过流，分别对其进行地基横向承载力、抗倾覆稳定验算。工况Ⅰ为基本荷载组合情况。工况Ⅱ为特殊荷载组合情况。

基本荷载组合：坝体自重、泥石流水平土压力、泥石流冲击力、扬压力。

特殊荷载组合：坝体自重、泥石流水平土压力、泥石流冲击力、扬压力、地震力。

1.3 设计参数

根据“旅游景区地质灾害治理工程勘查设计项目（房山区）韩村河镇圣水峪村上方山东沟泥石流地质灾害勘查报告”，上方山东沟泥石流流体密度约为1.32t/m3，流速为4.33m/s。100年一遇洪峰流量值为93m3/s，相应的一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物分别为4.4×104m3和0.8×104m3，泥石流整体冲击力为36.4 kPa，最大冲起高度为0.96m，爬高为1.53m，弯道超高为0.6m。

2 泥石流隐患地质特征

上方山东沟流域长度2.60km，流域范围约3km2。流域最高点位于西北侧上方山顶峰，海拔高程861m，最低点位于景区大门，海拔200m，相对高差661m，沟口较窄，整体形状呈葫芦形，主沟平均纵坡降254‰。上方山东沟于2012年7月21日曾发生泥石流，规模约6万m3，上方山东沟上游支沟发育，最大的一条为龙虎峪支沟，该支沟平均纵坡坡降为392‰，沟长650m，宽20m，沟内堆积物余量平均厚度1.5m，沟内物源余量约1.95万m3。沟谷两侧山坡坡度岩性为蓟县系白云岩，表层岩体风化强烈，流域内植被茂盛。沟谷两侧部分地区修有干砌石挡墙，石块之间无胶结，抗冲刷能力较低，稳定性差。根据现场踏勘调查，“7·21”发生的泥石流为稀性-沟谷型-水石型-中型泥石流。

3 泥石流成因及引发因素

3.1 地形条件

上方山东沟属于低山区，地势北高南低，地势变化大，主沟长约2.60km，流域面积约3km2。北侧最高点海拔861m，南侧沟口海拔 200m，上方山东沟所在主沟沟谷上游走向约，中下游走向约沟谷切割强烈。

泥石流形成区位于上方山东沟的中上游，主沟上游两岸坡高约30～50m，山坡坡度为沟床平均纵坡坡降344‰。主沟两侧支沟发育较多，2012年7月21日龙虎峪支沟发生泥石流灾害，该支沟流向约长约650m，山高坡陡，呈V型谷，北侧最高点高程675m，在高程为420m的塔院附近汇入主沟，龙虎峪支沟平均纵坡坡降为392‰。

流通区位于沟道中下游，整体呈“U”型，宽约15～30m，沟床平均纵坡坡降157‰。局部地区坡降较大，存在陡崖。

堆积区位于沟口处的景区门口，地形平缓，西侧为景区管理处的2层小楼。

上方山东沟沟域地形形态，有利于降雨的汇集，沟谷纵比降较大，也为松散固体物质的搬运和参与泥石流活动提供了有利的地形条件。

3.2 物源条件

上方山东沟泥石流物源为坡面物源和沟道物源，其中龙虎峪沟底块石为主要物源。“7·21”发生的泥石流，大量碎石泥浆混合体沿沟流动，并淤积在沟道内，堆积物平均厚度约2m，粒径一般10～50cm，目前景区内中下游的松散堆积物大部分已被清理，上游龙虎峪支沟内松散堆积物未被清理，而这些松散堆积物往往又是下次泥石流的重要补给物源。

3.3 水源条件

水源是泥石流发生的主要促发因素，泥石流沟所在区域的气候属温带大陆性季风气候区，一年四季分明。全年降水量大都集中在6—8月份，占总降水量的60%～80%，“7·21”特大暴雨为北京61年来最大暴雨，该区域日最大降雨量接近400mm，为泥石流爆发提供了充足的水力条件。

4 格栅坝工程设计

根据上方山东沟泥石流灾害的基本特征，考虑到地形和运输条件等因素，治理工程主要从稳固物源与疏通沟道两个方面来减弱泥石流灾害威胁。针对龙虎峪沟底物源以块石为主，且发生频率较低的特点，本次格栅坝工程采用桩林形式，其作用既能有效固源，又能顺利排水。

龙虎峪支沟内共修建5道，自上而下编号分别为1#、2#、3#、4#、5#，坝与坝间距约100m。坝址选择根据沟域地形、地质、岸坡工程地质条件和物源及裸露岩体等条件综合确定。1#-4#格栅坝设计高度4.5m，其中埋深（嵌岩深度）1.5m，有效坝高3m。5#格栅坝位于龙虎峪支沟的沟口处，考虑库容及沟口已存在一小型拦挡坝因素，5#设计高度7.5m，其中埋深2.5m，嵌岩深度1.5m，有效坝高3m。桩体均采用钢筋混凝土，截面尺寸1.2 m×1.0m（顺沟向1.2m），桩中心距2m，净间距1m。

4.1 1#-4#格栅坝设计

1#-4#格栅坝单根桩高3m，基础埋深（嵌岩深度）1.5m，截面尺寸1.2m×1m，桩间距2m，水平净间距1m。具体尺寸见表1。

表1 1#-4#格栅坝尺寸参数表Tab.1 Dimension parameter table of 1#-4# grille dam

4.1.1 工况一：空库情况下泥石流冲击工况

荷载组合：泥石流水平作用力+泥石流冲击力

（1）荷载计算

取垂直于沟的方向1m：

1）下滑力F1

则下滑力水平分力FH：

桩中心距2m，则作用于一根桩的下滑力FX：

2）泥石流冲击力

根据《勘查报告》，泥石流整体冲击力为36.4 kPa，桩中心距2m，地面以上高度3m，则作用于一根桩的冲击力FC

3）则作用于一根桩的水平合力F

4）地基为岩层，地基的横向容许承载力

（2）验算

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》，桩基应埋置在冲刷线以下，且埋置深度不小于桩长的1/3，取ld=1.5m，该处冲刷线为基岩面，即嵌岩段为1.5m。

1）地基横向承载力验算

σH＜[σH]，满足地基横向承载力要求。

2）抗倾覆验算

k＞1.6，满足抗倾覆要求。

4.1.2 工况二：空库情况下泥石流作用+地震作用

荷载组合：下滑力+泥石流冲击力+水平地震作用力

（1）荷载计算

根据工况一计算结果：下滑力水平分力FX=1355.2kN

根据工况一计算结果：泥石流冲击力FC=218.4kN

水平地震作用力：根据《勘查报告》，工程所在区域基本抗震烈度为Ⅶ度区内，地震峰值加速度值为0.15g。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），取综合水平地震系数αW=0.038。桩中心距2m，水平地震作用力FE

则作用于一根桩的下滑力水平合力F

（2）验算

1）嵌固深度1.5m，进行地基横向承载力验算：

σEH＜[σH]，满足地基横向承载力要求。

2）抗倾覆验算

k＞1.6，满足抗倾覆要求

（3）桩身内力计算及配筋

桩身弯矩计算见表2。

表2 1#-4#格栅坝单桩桩身弯矩计算Tab.2 Calculation of bending moment of single pile of 1# - 4#grid dam

最大弯矩取3291.6kN·m，进行配筋。

采用φ28钢筋

设计采用22根φ28钢筋对称配筋，配筋图见图1。

图1 1#-4#格栅坝配筋图Fig.1 Reinforcement diagram of single pile of 1# - 4# grille dam

4.2 5#格栅坝设计

5#格栅坝位于龙虎峪支沟沟底，地形较平坦。单根桩高7.5m，基础埋深2.5m，其中嵌岩深度1m，截面尺寸1.2m×1m，桩间距2m，水平净间距1m（表3）。

表3 5#格栅坝尺寸参数表Tab.3 Dimension parameter table of 5# grille dam

4.2.1 工况一：空库情况下泥石流冲击工况

因为5#格栅坝位于龙虎峪支沟沟底，地形较平坦。计算荷载组合采用：泥石流主动土压力+泥石流冲击力

（1）荷载计算

1）泥石流主动土压力F1

桩中心距2m，则作用于一根桩的主动土压力FX：

2）泥石流冲击力

根据《勘查报告》，泥石流整体冲击力为36.4 kPa，桩中心距2m，地面以上高度5m，则作用于一根桩的冲击力Fc

则作用于一根桩的水平合力F：

地基为岩层，地基的横向容许承载力

（2）验算

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》，桩基应埋置在冲刷线以下，且埋置深度不小于桩长的1/3，埋置深度2.5m，其中嵌岩段1m，忽略桩前被动土压力，进行地基横向承载力验算：

1）地基横向承载力验算

σH＜[σH]，满足地基横向承载力要求。

2）抗倾覆验算

K＞1.6，满足抗倾覆要求

4.2.2 工况二：空库情况下泥石流作用+地震作用

荷载组合：泥石流水平主动土压力+泥石流冲击力+水平地震作用力

（1）荷载计算

根据工况一计算结果：泥石流水平主动土压力FH=277.1kN

根据工况一计算结果：泥石流冲击力Fc= 364kN

水平地震作用力：根据《勘查报告》，工程所在区域基本抗震烈度为Ⅶ度区内，地震峰值加速度值为0.15g。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），取综合水平地震系数αW= 0.038。桩中心距2m，水平地震作用力FE

则作用于一根桩的下滑力水平合力F：

（2）验算

1）地基横向承载力验算

根据《泥石流灾害防治工程设计规范》，桩基应埋置在冲刷线以下，且埋置深度不小于桩长的1/3，埋置深度2.5m，其中嵌岩段1m，忽略桩前被动土压力，进行地基横向承载力验算：

σEH＜[σH]，满足地基横向承载力要求。

2）抗倾覆验算

K＞1.6，满足抗倾覆要求

（3）桩身内力计算

桩身弯矩计算见表4。

最大弯矩取4135.5kN·m，进行配筋。

表4 5#格栅坝单桩桩身弯矩计算Tab.4 Calculation of bending moment of single pile of 5# grid dam

采用φ28钢筋，

设计采用28根φ28钢筋对称配筋，配筋图见图2。

图2 5#格栅坝单桩桩身配筋图Fig.2 Reinforcement diagram of single pile of 5# grille dam

5 结语

针对上游龙虎峪沟底物源以块石为主，且发生频率较低的特点，本次工程开始拟在泥石流物源区布置五道桩林形式的格栅坝进行固源，类似于抗滑桩楔进滑动区，其作用主要是有效固源及顺利排水。本文根据桩的尺寸、受力形式对桩林的地基横向承载力和抗倾覆进行了验算，并根据桩身最大弯矩进行配筋计算。后来由于上方山景区想在龙虎峪支沟规划一条直通山顶的道路，将治理方案改为清理沟道并修建几道纵向和横向的挡墙，但是作者认为对以块石为主的物源区进行固源，桩林形式的格栅坝也是一个不错的治理方式，故将该算例进行整理，以供参考。

陈家华，1994. 北京北山地区泥石流灾害特点及其防治现状研究[J]. 中国地质灾害与防治学报，5(1)：36-44.

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中华人民共和国国土资源部，2006. 泥石流灾害防治工程勘查规范（DZ/T0220-2006）[R].

Application and Calculation Example of Grille Dam with Pile Group Type in Debris Flow Reinforcing Source

LI Xiaowei1, LIU Cuina2, WU Bin1
(1. Beijing Institute of Geology, Beijing 100120; 2. China Science Publishing & Media Lab, Beijing 100717)

Because of the occurrence of debris flow in the Donggou ditch of Shangfangshan area, Fangshan District in July 21, 2012, the temple scenic spot, sightseeing bridge, management service facilities, water supply system,power supply facilities, communication facilities have suffered varying degrees of damage. According to the basic characteristics of debris flow and mountain topography and other factors, it should reinforce sources and clear channel to reduce the threat of debris flow. As for the block rocks are dominated in substrate debris of Longhuyu velley, and the debris flow is characterized by low frequency, it needs to construct grille dam with pile group type,which main function is to effectively reinforce source and smooth drainage. At last, the lateral bearing capacity and overturning resistance of the foundation are checked and calculated according to the maximum bending moment of the pile body.

Debris flow; Pile group; Grill dam; Reinforce source

A

1007-1903（2017）04-0076-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.015

李晓玮（1985- ），男，硕士，工程师，主要从事地质灾害防治等方面研究。E-mail：51350737@qq.com