格宾-桩板墙泥石流组合拦阻结构模型试验研究

李慈航，吴红刚, 陈小云

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

格宾-桩板墙泥石流组合拦阻结构模型试验研究

李慈航1，2，吴红刚2, 陈小云1，2

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

近年来，我国大多数地区的泥石流治理工程采用了桩板墙拦挡结构或是碎石格宾结构，但很少有人将它们结合使用来提高拦挡能力。本文基于泥石流模型试验，设置了三层格宾和一道桩板墙，组成了格宾-桩板墙组合结构。格宾-桩板墙组合结构中格宾石笼坝的迎水面呈阶梯型，背水面与桩板墙垂直接触，坝体采用石笼单体堆砌而成，宽度从下到上依次为30 cm、20 cm、10 cm，单体之间用绞合钢丝形成可靠连接，按每层15 cm的高度堆砌形成格宾坝，增强坝体稳定性。背水面与桩板墙垂直接触，一方面可以与坝体形成一个整体结构，防止格宾石笼单体的滑移和倾覆，增强结构的稳定性，以抵抗更大地冲击力，另一方面呈阶梯状布置的格宾石笼也可以削弱泥石流作用在桩板墙上的动能。最后通过分析被拦物源的级配组成，得出格宾-桩板墙拦阻结构的拦阻效果明显，既有快速排水的优点，也能拦截大量固体物质。

泥石流；格宾；桩板墙；模型试验

0 引 言

目前，我国的泥石流治理工程主要是以拦阻和疏导相结合进行的。治理泥石流的最有效和最快捷的措施是修建各种拦挡坝[1],一般多采用拦砂坝、梳齿坝和谷坊坝等重力式结构使坝后形成回淤区，降低泥石流的冲击能量。传统的拦挡坝主要为浆砌石坝和混凝土坝[2-5]，其随基础变形能力差，易产生不均匀沉降，导致坝体破坏比较严重。因此，开发一种拦挡性能优越、造价低廉、易于施工的新型拦挡结构成为治理泥石流需解决的一项任务。格宾石笼作为一种防治工程新技术，它是由格宾网和放入其中一定规格的块石或卵石组成[6]。在孝子店滑坡治理工程中，首次将格宾石笼这一柔性结构用于滑坡的治理，较好的实现了工程结构与生态环境的有机结合，取得了良好的效果[7]。尽管格宾石笼坝具有高耐久性、良好的整体性和柔韧性以及施工造价低等优点[6]，但同时李宇，陈尧隆[8]从格宾石笼的发展、演变入手分析了格宾石笼结构的劣性及产生原因，并提出了石笼结构不同破坏形式的预防和补强措施。因此，基于重力式坝和格宾石笼各自的优缺点，我们试图通过将它们结合使用来提高拦挡能力。本文阐述了新型结构的研发和改进过程，并基于泥石流模型试验，设置了三层格宾和一道桩板墙，组成了格宾-桩板墙组合结构，通过分析拦阻结构迎水面的冲击力和被拦物源的级配组成，为今后柔性-刚性组合拦阻结构的应用提供基础数据。

1 新型拦挡结构的研发改进

1.1 桩板墙应用于泥石流治理工程的典型实例

桩板墙对泥石流的治理在我国甘肃省舟曲县峰迭新区泥石流沟和四川省绵竹市清平乡文家沟取得了较好的效果(图1)。桩板墙设计采用钢筋混凝土材质，下设排水孔，具有强度高、排水能力好的特点。但是泥石流发生时直接作用在桩板墙表面上的石块会对坝顶和坝底排水孔造成破坏，同时治理比较宽的泥石流沟时，过宽的桩板墙会产生不均匀沉降，导致坝体产生裂缝，在泥石流的直接冲击下造成破坏。因此，我们需要在桩板墙之前设置一道拦挡结构来缓冲泥石流作用在桩板墙上的冲击力。

图1 泥石流治理工程分布Fig.1 Debris flow control engineering distribution

1.2 格宾坝应用于泥石流治理工程的典性实例

格宾坝具有柔性好、排水效果佳的优点，在引入我国后曾多次成功的应用于青海玉树尼隆库沟、广东清远连州瑶安泥石流沟等泥石流综合整治工程。但通过对青海玉树尼隆库沟格宾拦挡结构的观察可以发现在经过多年的泥石流冲刷后，格宾坝外包裹石块的钢筋石笼锈蚀情况严重，极大地威胁到了格宾坝的稳定性。同时，由于格宾坝是由单个格宾石笼堆积而成，在遇到强大冲击力时产生倾覆的风险也很高。

1.3 格宾-桩板墙拦挡结构的特征和效果简述

在对甘肃肃南第长达坂沟的的治理过程中，由于长达坂沟流域地层以第四系中更新统冲洪积层及白垩系泥岩为主，受流水侵蚀严重，易于产生沟道崩滑、滑坡和坡面溜塌等不良地质灾害[9]。中铁西北科学研究院针对该地区的地质条件在治理过程中引入了格宾-桩板墙拦挡结构，利用格宾坝柔性好、排水效果佳的特点，在桩板墙迎水面一侧设置格宾坝，减缓了泥石流对桩板墙的冲击力，既保证了液体物质的及时排出，又保证了拦挡结构的整体稳定性，取得了显著地效果。

表1 试验系统参数Table 1 Test system parameters

2 模型设计

2.1 试验系统设计与制作

为了模拟泥石流的产生过程，本次试验采用了一种多模块可调的泥石流模型试验系统(图2)。

图2 试验系统断面示意图Fig.2 Schematic diagram of test system

试验模型箱的长、宽、高分别为9 m、4.8 m、4.6 m。模型箱中包括由物源搅拌系统、溜槽、废料池和拦阻结构等部分组成的试验系统和由黄土夯实的固定坡度的坡体。物源搅拌系统是由电动机轨道、电动卷扬机、电动机、减速机、搅拌桶、泄料阀、搅拌齿、工作平台、支撑架、固定螺栓、溜槽、集料池和油缸组成的，可以控制搅拌杆上下移动[10]。由于物源是由密度差距较大的水、砂、石子等材料组成，放置在桶内会出现分层现象，因此需要此搅拌系统来控制水的固体配料的比例。根据实验所模拟的现场实际情况，设置溜槽截面为矩形，宽度和高度为60 cm，长度为720 cm，溜槽底部为废料池。其中拦阻结构的布置见图3。

图3 拦阻结构布置示意图Fig.3 Schematic diagram of block structure layout

2.2 模型简化

根据弗洛德相似准则，试验泥石流应与原型泥石流的各项物理参数应当相同或相似，结合现有的试验场地，确定泥石流的模型坡度和物源体积、密度等参数，具体情况表1。

实验过程(表1)中测试内容包含以下几项：泥石流冲击力、流速、坝后物源级配和回淤深度。在碎石格宾和桩板墙的接触面上布置五排微型压力盒，每排5个，采集冲击压力；流速的测量是采用浮球法，通过实验视频的时间来判断；试验结束后，测量坝后回淤深度以及被拦阻物源的级配(图4)。

(从左到右依次为1、2、3、4、5号压力盒)图4 拦挡结构迎水面压力盒Fig.4 Pressure box layout of the surface of composite structure

图4和图5分别为组合拦挡结构在桩板墙上迎水面压力盒布置示意图和拦阻结构布置图。拦阻结构分为两道，第一道是碎石格宾，碎石格宾紧贴桩板墙呈阶梯型布置，从下到上格宾的厚度依次为30 cm、20 cm、10 cm，碎石格宾的孔隙率为8%。微型压力盒设置在桩板墙和格宾的接触面上。

图5 拦阻结构布置图Fig.5 Block structure layout

3 试验过程和现象

3.1 实验过程

在泥石流的模拟试验当中，需要根据被模拟地区的地理条件确定物源级配和重度的调配。在向搅拌桶内注水的同时开启可升降式搅拌装置，并向内加入一定比例的砂石，等待10 min后物源被充分搅拌，打开搅拌桶底的泄洪口，泥石流冲击格宾-桩板墙拦挡结构后，进入废料池。

3.2 实验现象

实验结束后，格宾-桩板墙组合拦挡结构后部淤积了大量的固体物质，桩板墙后形成了宽55 cm，高54 m的长方体固体物质堆积物，将格宾完全掩埋。之后堆积物随着离桩板墙的距离增加堆积高度逐渐减小，堆积距离为220 cm。组合拦挡结构未被破坏，拦挡效果较单纯的设置桩板墙非常明显，但同时坝后淤水情况严重。拦挡坝后固体物质粒径分布明显，由内向外粒径逐渐减小。由于碎石格宾呈阶梯型布置，最下面一层格宾承受了较大的冲击力，越往上格宾承受的冲击力越小。由于水的密度比石子小，大量的水都通过格宾的空隙中流走，固体物质完全淤积在各拦挡结构后部。整个试验过程中没有出现明显的翻坝现象。试验结果见图6。

图6 格宾后部固体淤积情况Fig.6 The solid deposition of Gabion

4 实验结果分析

4.1 坝后淤积情况分析

试验结束后，坝后固体物质堆积体内侧的碎石粒径较大(图7(a))，主要是由于格宾的空隙较小，只有少部分的小粒径碎石可以通过，大粒径碎石被留下，随着大粒径碎石的堆积空隙逐渐变小，越来越多的小粒径颗粒被留下(图7(b))。

图7 坝后淤积情况Fig.7 Siltalion after dam

经过测量计算得格宾-桩板墙组合结构后部淤积固体物质总体积为0.42 m3,其级配曲线见图8，中值粒径为4.8 mm。

图8 坝后淤积物质级配曲线Fig.8 Sediment grading curve after dam

4.2 冲击压力分析

第一层格宾首先受到泥石流的冲击，由于格宾是按照阶梯型布置的，对泥石流的冲击力起缓冲作用，第二层和第三层格宾受到的冲击力逐渐减小。格宾坝的冲击力-时间曲线较为平缓，整个接触过程持续时间为23 s，每排压力盒所受冲击力基本上在前5 s以内达到最大值，同一排压力盒上不同位置的压力盒到达最大值的时间和最大值的数值不同，当压力盒所受冲击力趋于平缓时格宾坝坝体产生较大变形。第一排、第二排、第三排、第四排压力盒受到的冲击力曲线见图9(a)-9(d)。

第一排压力盒受到的冲击力在达到最大之后迅速趋于平缓，并呈下降趋势，压力盒5所受的冲击力最大。几乎为其他压力盒所受冲击力的2～3倍。

第二排压力盒受到的冲击力最大，随着时间的增加，冲击力迅速增加，当冲击力到达峰值后，逐渐趋于平稳，并有减小的趋势，最后趋于平稳，冲击力大小分布比较均匀。

图9 各排压力盒冲击曲线Fig.9 Every row pressure box impact curve

第三排压力盒受到的压力显著减小，随着时间的增加，冲击力迅速增加，当冲击力达到峰值后立即减小，波动幅度比较大，最后除了压力盒5外，基于压力盒受到的冲击力趋于平稳。

第四排压力盒受到的冲击力峰值大概是第三排压力盒受到的冲击力的峰值的二分之一，都相比第二排压力盒显著减小。各个压力盒受到的冲击力大小变化幅度波动最大，压力盒5受到的冲击力峰值最大，压力盒4受到的冲击力峰值最小，其他压力盒受到的冲击力几乎相同。

上述实验结果中同一排压力盒中不同位置的压力盒所测冲击力不同的产生原因一方面是泥石流在冲击格宾坝时本身产生的冲击力在不同方向上存在差异，另一方面是格宾坝的制作过程中格宾石笼内的填料不均匀，造成格宾坝在受到冲击力时产生不均匀变形，从而布置在不同位置的压力盒所受的冲击力大小不同。同时说明了格宾坝作为柔性拦挡结构对减小泥石流的冲击力起到了重要作用。

5 结论与建议

通过对不同泥石流拦挡结构的研究分析，提出一种新型的组合拦挡结构，并利用自行研制的升降式搅拌系统，将泥石流拦阻结构物源搅拌均匀，冲击格宾-桩板墙新型泥石流拦阻结构，得到如下结论：

(1)格宾-桩板墙拦阻结构集中了格宾坝和桩板墙的共同优点，既能减小泥石流对拦挡结构的冲击力，又提高了结构的稳定性和抗倾覆能力，拦阻效果明显，既有快速排水的优点，也能拦截大量固体物质。

(2)格宾呈阶梯型的布置可以有效减缓桩板墙中上部所受的冲击力，保持桩板墙的稳定性。

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[10] 中铁西北科学研究院有限公司勘察设计分公司. 一种多模块可调的泥石流模型试验系统: 中国, 201620864002. X. 2016. 08. 11

Survey and Design Branch of Northwest Research Institute Co.，Ltd. of CREC. Multimode adjustable mud-rock flow model test system: China,201620864002.X.2016.08.11.

Gabion-sheetpilewallstructureofdebrisflowmodeltest

LI Cihang1，2, WU Honggang2, CHEN Xiaoyun1，2

(1.PostgraduateDepartment,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China;2.NorthwestResearchInstituteCo.，Ltd.ofCREC，Lanzhou，Gansu730000，China)

In recent years, most areas of our country debris flow control project using the sheet pile wall blocking structure or stone gabion structure, but very few people use the composite structure to improve the blocking ability. In this paper, based on the experimental model of debris flow, we set up three layers of gabion and a sheet pile wall, composed of composite structure. In Gabion-Sheet Pile Wall composite structure, the surface of the Gabion dam is stepped, back surface vertical contact with sheet pile wall, the dam body is made up of a single cage, width from top to bottom are 30 cm, 20 cm, 10 cm, with the formation of single stranded wire between the reliable connection, according to the height of each layer of the 15 cm stack to form gabion dam to enhance the stability of the dam. The back surface of the water vertical contact with the pile wall on the one hand, it can form a whole structure with the dam body, the prevention and control of gabion material single sliding and overturning, enhance the stability of the structure, In order to resist the greater impact, on the other hand is the kinetic energy of gabion material ladder arrangement can also weaken the role of the debris flow in sheet pile wall. Finally, through the analysis of graded provenance was stopped, the gabion structure-pile wall arresting arresting effect is obvious, not only has the advantages of rapid drainage, can intercept a large number of solid materials.

debris flow; gabion; sheet pile wall; model test

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.12

U418.5+6

A

1003-8035(2017)04-0071-06

2017-02-21;

2017-03-30

中铁科研院(科研)字2015-KJ026-Z026-03

李慈航(1993-)，男，山西忻州人，工学学士，主要从事岩土和边坡方面的研究。E-mail：810331684@qq.com

吴红刚(1983-)，男，陕西宝鸡人，工学博士，高级工程师，硕士生导师，主要从事岩土和边坡方面的研究。E-mail：271462550@qq.com