舟曲泥石流堰塞坝稳定性分析及应急预案研究

王文甫，胡振邦

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450000；2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南郑州450045)

2010年8月7日晚，甘肃省甘南藏族自治州舟曲县城北部山区突降强降雨，诱发北面山体发生特大泥石流，泥石流冲入县城城南的白龙江，致使河道堵塞严重从而形成泥石流堰塞体，堰塞体最大厚度约12 m，长约1 500 m，总体积约140万m3。泥石流堰塞形成的堰塞湖给上下游人民生命和财产安全带来很大威胁，分析堰塞坝稳定性，安全快速清除堰塞湖，疏通河道，解除堰塞湖的威胁，对河流上下游人民生命和财产安全具有巨大意义。

根据国内外研究的成果总结出影响堰塞坝稳定性的因素有很多，概括一下分为内因和外因。内部因素，如Casagli[1]与杨麒麟[2]等针对堰塞湖坝体材料的颗粒级配分析与泥石流的堆积物特征及演变，指出该堆积物是在泥石流及山体崩塌综合作用下形成，堰塞坝内部组成物质较差，具有不稳定堆积物的典型特征；段启忠[3]等对堰塞坝体物质组成和结构特征进行了研究，指出地震崩塌体碎石堆积物具有不均匀的结构特征。外部因素指，由于堰塞坝内部的物质组成，结构构造较差，导致一些外力因素如降雨、水位、地震对其稳定性影响会倍增，夏仲平[4]指出堰塞湖坝体漫顶溢流破坏时坝体的抗侵蚀能力取决于坝体材料的内聚力以及摩擦角。如果坝体是由松散的、密度不高、细颗粒的或者易液化的细粒堆积物构成，那么坝体抗侵蚀能力较弱。樊赟赟[5]等基于结构两相阻力分析的泥石流堆积形态进行研究得出，坝体是由大块堆积物组成且没有渗流，即使是陡峭的堆积体，溃坝的可能性也不大。

表1 模型计算参数(饱和状态)

本文根据堰塞坝内外因素，运用数值分析与极限平衡法，结合对不同水位工况、不同坡比工况与堰塞坝不同含水量工况下的堰塞坝进行稳定性研究[6]，根据研究结果提出应急除险方案。

1 工程地质条件

泥石流阻断白龙江形成的堰塞体，其长度和高度并不是恒定的，长度随着上流沟道中山洪来水中泥沙沉积而增加，高度在表面水流及爆破、开挖和冲刷下而呈下降趋势。堰塞体主要位于城江桥至瓦厂桥之间，其最前缘位于城关桥下游左岸，此外瓦厂桥下游425 m内也有泥石流堆积物[7- 8]。舟曲县城城江桥至瓦厂桥段为泥石流堰塞坝的主体，淤积体大约一半是泥石流形成的，另一半则是三眼峪沟和罗家峪沟泥石流摧毁的沿沟建筑物所形成的。对堰塞体组成物进行直接剪切与三轴剪切试验，参数为：凝聚力10 kPa，内摩擦角12°，砂卵砾石层的承载力范围0.35～0.40 MPa，变形模量30～40 MPa，混凝土/砂卵砾石摩擦系数为0.4～0.45[9-10]。

2 边坡稳定性数值分析

2.1 计算模型及参数

结合现场堰塞体实际情况建立泥石流堰塞坝数值计算模型，模型中上部堰塞体坝顶长350 m，高12 m，宽100 m；堰塞体下部的砂卵砾石层厚20 m，宽100 m，长550 m。计算时采用正方体单元，共剖分为70 000个单元，86 265个节点[11-12]。

泥石流堰塞坝的稳定性分析共采用2种岩土体材料，即堰塞体和河床砂卵石层，计算所采用的物理力学参数见表1。

基本工况K1坝高12 m，上游坡比1∶4，水位9 m，下游坡比1∶3，水位3 m；不同水位工况K2与K3为在工况K1的基础上将上游水位改为10 m与11 m；不同坡比工况K4为在工况K1的基础上将上游坡比改为1∶3；不同含水量工况K5与K6为在工况K1的基础上将坝体含水量改为90%与80%。

2.2 计算结果分析

位移计算结果见表2。从表2可以看出，上游边坡顺河流方向位移分布主要在边坡坡脚至上游水位处，位移大小随河流走向逐渐减小，变化范围为10.0～10.9 mm；在下游边坡位移分布与上游边坡不同，下游坡脚处位移范围为1.60～1.61 mm。在上游水位不同的工况下，上游边坡的位移分布与K1工况类似，位移随上游水位的增加而增大，但增幅不大。在坡比不同的工况下，上游边坡位移分布主要在坡脚至上游水位处，随河流走向逐渐减小，在坡面处位移范围为12.0～14.0 mm。下游边坡位移分布在坡脚部分最多，离该处越近其位移值越大，下游坡脚处最大位移为1.60 mm。不同含水量工况下，在坡面最大位移范围为8.0～8.6 mm。在下游边坡位移分布主要在坡脚部分，离该处越近其位移值越大，下游坡脚处顺河流方向位移为1.20～1.30 mm，不同含水量工况下对其位移影响相对于其他工况的影响程度更大。

表2 位移计算结果

3 堰塞坝极限平衡法分析

3.1 计算模型及参数

为了研究舟曲泥石流堵江形成的堰塞坝在各工况下的安全系数，采用GEOSLOP软件计算，其计算工况和数值模拟分析的工况一致。建立舟曲泥石流堰塞坝极限平衡分析模型，坝高12 m，坝顶长350 m，其中下部砂卵砾石层厚20 m，总长为550 m。

3.2 计算结果分析

计算结果为，采用摩根斯坦-普莱斯法得到的安全系数均大于1.0，舟曲县城“8.8”泥石流堰塞坝在K1、K2、K3、K4、K5、K6工况下上游边坡安全系数计算结果分别为1.18、1.10、1.08、1.19、1.21、1.25，临水侧边坡安全系数计算条件为计算水位骤降至原来正常水位(由于堰塞体透水性差，假设水位骤降后浸润线不变)。

通过分析计算结果可知，各个工况安全系数均大于1.0，分析不同水位下K1、K2、K3的安全系数，上游水位升高边坡安全系数降低，但降幅较小，发生边坡整体破坏的可能性较小；分析不同坡比下的计算结果显示，K4的上游边坡安全系数为1.19，与K1相比较差别不大，证明坡比对安全系数影响不大；最后对比K1、K5、K6工况，在含水量不同的情况下，边坡的安全系数随着含水量百分比的减小上下游的安全系数增加，由1.18增加到1.21再到1.25，含水量对安全系数影响较大。

4 应急预案方法

处理堰塞坝方法有很多种，大体分为直接爆破法、降水挖除法和截流阻断法三类。根据研究的结论可以得到，应急预案应以降低水位与降低坝体含水量作为突破点，如果使用直接爆破法，舟曲泥石流堰塞体组成主要为淤泥、碎石，同时夹杂了大量房屋、木头、建筑垃圾等物质，该混合物力学性质复杂，表现为出较强的流动性，爆破后大部分淤泥和碎石又落回原处，使得淤泥和碎石不能有效、快速离开原处，并且所处位置人口稠密，所以不能采用大药量爆破以防损坏房屋，避免形成二次障碍，爆破法要结合降水法一起使用。工作分为3个阶段：第一阶段迅速排除堰塞湖溃决险情，第二阶段消除城江桥到瓦厂桥之间的淤堵，第三阶段全力消除城江桥上游河段的淤堵[13]。

5 结 论

本文以舟曲泥石流堵江堰塞坝为研究对象，系统分析了坝体在不同水位、不同坡比、不同含水量等不同工况下堰塞坝的位移分布特征和稳定性，计算得出在泥石流堰塞坝不同水位工况下，堰塞坝应力和位移分布特征基本类似，应力和位移随水位增加而增大，但增加值不大；该工况下临水侧边坡安全系数均大于1.0，堰塞坝不会发生整体破坏。堰塞坝在不同坡比工况下，应力和位移分布特征类似，位移随水位增加而变化，但变化范围较小；2种工况临水侧边坡安全系数变化同样较小。随着坝体材料含水量减少，舟曲县城泥石流堰塞坝应力和位移分布特征发生较大变化，应力值增加，但增加范围较小，最大位移值减少，3种工况下最大位移值分别为28.3、23.1 mm和18.4 mm；临水侧边坡安全系数分别为1.18、1.21和1.25。

根据研究的结论，可以得到应急预案应以降低水位与降低坝体含水量作为突破点，所以应急除险研究认为，快速局部爆破瓦厂桥是消除堰塞湖溃决的关键，设计深4 m、底部宽20 m、侧边1∶1.5坡比梯形断面的泄流槽，达到深槽、窄河、急流目标是合适的、可行的，随着上游堰塞湖水位的缓慢下降，不断加大泄流槽深度和宽度，对于快速降低堰塞湖的水位是有效的。