泥石流拦挡坝破坏模式及控制对策

2022-02-14丁代坡

西部探矿工程 2022年2期

丁代坡，闫俊，张波

（湖北省地质局第五地质大队，湖北鄂州436000）

泥石流是山区主要的一种地质灾害现象，是一种包含大量泥砂石块和巨砾的固液气三相流体。泥石流发生区域一般山坡陡峻，能将势能转化为动能，其具有流速快、流量大、破坏力强的特点，在缓坡地带又会迅速堆积，形成堆积区，成为泥石流受灾的主要位置。泥石流的爆发对流域的生态环境、城镇、附近居民、工矿业、农业、交通、水利、通讯等将造成破坏和影响。此外，泥石流携带大量的泥砂进入河道或堵塞江河，给上下游地区带来巨大危害。

泥石流危害方式主要由预埋、冲刷、撞击、堵塞、溃决、磨蚀、弯道超高、爬高及挤压主河道等。与此同时，在已经治理的沟域，泥石流往往对已经设置的拦挡坝体也会造成不同程度的破坏，影响拦挡坝的使用寿命和拦挡效果，这是泥石流治理普遍存在的难题。因此，本文将泥石流拦挡坝作为研究对象，采用调查统计方法，结合搜集资料，实地对已建在运行的拦挡坝进行调查，分析其破损特征和原因，总结拦挡坝的破坏模式，研究控制拦挡坝免受破损，尽可能延长其使用寿命，为拦挡坝的运营、维护提供指导，也为今后泥石流拦挡坝的设计提供参考依据。

1 泥石流拦挡坝破坏模式的调查统计

1.1 泥石流拦挡坝破坏调查方法

对泥石流沟拦挡坝采用现场调查的方法，通过搜集资料获取拦挡坝坐标，采用RTK 对拦挡坝高程、尺寸进行现场量测，通过相机对拦挡坝破损情况进行典型照片获取；对于已经堵塞无法到达的拦挡坝，通过无人机进行跟进拍摄，获取拦挡坝数据。

1.2 拦挡坝所处沟域特征

本次主要调查30条泥石流沟51座坝，均为暴雨型泥石流沟，规模主要为中小型，其中，稀性泥石流18条，粘性泥石流12条；高易发性泥石流9条，中易发性泥石流16条，低易发泥石流5条，调查泥石流沟主要参数如表1所示。

1.3 拦挡坝布设位置及特征

根据调查数据，拦挡坝主要布设于沟道中下游，沟道形态多呈“V”字型，沟道切割较深，坝体布设位置处沟道多为碎石土或卵砾石土，两侧岸坡多为基岩或碎石土。坝体布设位置沟道特征主要包括以下几种：①两侧均为基岩出露，基础为碎石土或卵砾石土；②其中一侧为基岩，另一侧为碎石土，基础为碎石土或卵砾石土；③两侧均为碎石土，基础为碎石土或卵砾石土；其典型地质断面可归纳为如图1所示。

结合所调研的拦挡坝的坝肩、坝基的地层地质特征情况，统计得到泥石流拦挡坝的坝基基础与坝肩的地质条件统计分布如表2所示。

1.4 拦挡坝结构特征

统计的破坏泥石流拦挡坝样本中各泥石流拦挡坝类型的数量比例，其中，浆砌块石拦挡坝26座，混凝土坝16座，钢筋混凝土坝为5座，格栅坝3座。说明目前在运营泥石流拦挡坝中，浆砌块石坝破坏最多，其次为混凝土坝。格栅坝在泥石流治理中使用率较少，因此破坏数量很少；调查区域拦挡坝类型和数量统计如图2所示。

表1 调查泥石流沟主要参数统计表

表2 拦挡坝坝肩、坝基地质条件统计

图2 调查区拦挡坝类型及数量图

2 拦挡坝破坏模式

根据调查的51 座拦挡坝及破损情况，可将拦挡坝主要破损按照破损部位分为以下几种模式：坝基掏蚀、坝肩冲蚀、溢流口磨蚀、坝身冲毁。根据调查统计的数据，同一坝体有多处破损的重复统计，统计结果为，坝基掏蚀13 处，坝肩冲蚀破坏18 处，溢流口磨蚀破坏15处，坝身冲毁5 处，调查拦挡坝破坏形式统计如表3 所示。

表3 拦挡坝破坏形式统计

3 统计分析

通过调查统计，拦挡坝的破坏主要与坝址所处沟道位置、坝体采用材料、坝基条件、坝肩嵌入条件、泥石流沟道特征等联系较密。

3.1 拦挡坝址所处沟道位置的影响分析

泥石流拦挡坝位置设置是否合理，拦挡是否有效的关键，因为拦挡坝所处沟道不同位置，泥石流过流断面面积、流速、流量等均不同，对拦挡坝的冲击情况差别较大；同时，坝址位置是否合理也主要靠所处位置的基础条件、坝肩条件、坡降情况所决定。

通过参照泥石流拦挡坝设计的原则，对51 座坝进行实地调查拦挡坝的选址合理性，其中，坝址选择合理的为30 座，占调查总数的58.8%，基本合理的为17 座，占调查总数的33.3%，不合理的为4 座，占调查总数的7.8%；调查所得拦挡坝坝址选择合理性统计如图3 所示。

图3 坝址选择合理性的调查统计表

通过对破损坝体的破损分析可知，坝址合理的拦挡坝仅为一定程度的溢流口磨蚀，坝基与坝肩基本完好，破损概率仅为23%；基本合理的拦挡坝主要为坝基础的渗水及坝肩的局部损坏，破损概率上升至37%；而坝址选择不合理的拦挡坝破损明显，主要表现为坝基被掏蚀出大坑，坝肩冲蚀破坏严重，坝体开裂或者冲毁，破损概率100%。由此可以看出，坝址的选择是拦挡坝设计至关重要的一步，好的选址为设计提供了质量保障。

3.2 拦挡坝体所用材料的影响分析

拦挡坝所用材料调查结果如表4所示，调查结果显示，混凝土材料是拦挡坝主要采用的材料，占有率较高。

通过对破损坝体的材料类型分析，浆砌石拦挡坝的破损概率达到了50%，主要为坝基的掏蚀破坏、坝肩的冲击破坏和溢流口的严重磨蚀破坏；混凝土拦挡坝的破损率达到41%，主要表现为坝基被掏蚀、溢流口磨蚀较严重；钢筋砼坝的破损概率仅占9%，主要为坝基的掏蚀破坏和渗透破坏。

表4 拦挡坝材料调查统计

3.3 拦挡坝基础条件的影响分析

根据调查结果，29 座坝基础完全坐落于卵砾石和碎石土上，20 座拦挡坝坝基部分处于基岩上部分处于卵砾石上，2 座坝坝基完全处于基岩上。而且，根据拦挡坝的破损情况，坝基为主要的破坏部位，是坝体运行阶段主要存在的破损模式。

通过不同坝基的破损情况，29 座坝处于碎石土地基上，有24 座坝的坝基出现掏蚀破坏，占比82.8%；20座拦挡坝坝基处于碎石土和基岩上，其中的13座坝基出现坝基掏蚀破坏，占比65%；2 座坝基处于基岩上的拦挡坝基础均为出现掏蚀破坏。由此可知，拦挡坝坝基如果完全处于碎石土地基上，并且未对地基进行处理和防冲蚀措施，坝基被掏蚀的可能性较大，其次是基础部分处于基岩部分处于碎石土，当基础完全处于基岩上时，坝基基本未破坏。调查拦挡坝坝基条件与损坏情况统计如图4所示。

图4 坝基条件与损坏情况统计

3.4 坝肩嵌入条件的影响分析

调查结果中，26座坝的左肩嵌入在碎石土里，25座坝的左坝肩嵌入在基岩里；33 座坝的右坝肩嵌入在碎石土里，18座坝的坝肩嵌入在碎石土里。而且，根据拦挡坝的破损情况，坝肩主要为泥石流冲蚀的破损和开裂，坝肩遭到撞击发生悬空，也是拦挡坝坝体运行阶段主要存在的破损模式。

通过不同坝肩的破损情况，26 座坝坝肩嵌入碎石土里，有22 座坝的坝肩出现冲蚀破坏，占比84.6%；25座拦挡坝坝肩嵌入基岩里，其中的12 座坝坝肩发生冲蚀破坏，占比48%。由此可知，拦挡坝坝肩如果完全处于碎石土地基上，坝肩被冲蚀破坏的可能性较大，当坝肩完全嵌入于基岩上时，坝肩完整性较好。调查所得拦挡坝坝肩条件与损坏情况统计如图5所示。

图5 坝肩条件与损坏情况统计

3.5 泥石流沟道特征的影响分析

泥石流沟道特征对泥石流性质、爆发规模和易发性的程度影响较大。通过对30条泥石流沟的调查，拦挡坝发生破损较严重的沟道中，粘性泥石流19条，占比63.3%，比稀性泥石流占比略大；稀性泥石流沟道中拦挡坝的破损概率约50%，大多为局部破损，修补后仍能正常使用。规模大的泥石流沟道对拦挡坝的破损概率达到了100%，规模中等的沟道对拦挡坝的破损概率也在85%以上，其破损程度几乎和规模大的沟道一样，规模小的泥石流沟道对拦挡坝的破损概率为30%，其破损程度小，容易修复使用。

4 拦挡坝破损控制措施研究

4.1 加深对泥石流沟的调查

拦挡坝的设计是在对泥石流沟道勘查的基础上完成的，拦挡坝的设计参数需要在对泥石流沟道的充分准确调查后进行选取和确定。拦挡坝的设计过程中，涉及的参数和影响的因素较多，参数选取和计算比较复杂、困难，需要在调查的基础上，借助地方经验公式和方法共同完成，要求设计人员经验丰富且对一些量化指标要有较深的认识和理解。由于不同技术人员对同一泥石流的认识程度差别较大，因此，泥石流拦挡坝的设计往往会较为保守，造成浪费，或设计过于欠缺，达不到拦挡的效果和治理的目的。

4.2 加强坝体的设计优化

拦挡坝坝体的设计需要根据沟道的特征和泥石流参数来确定，特别是拦挡坝坝基和坝肩的结构设计是否合理，很大程度上决定坝体结构设计的合理和坚固；如果坝基为卵砾石土且渗透系数较大，地基承载力及泥石流流速和冲击力不能满足设计要求，拦挡坝将很容易遭到基础掏蚀破坏，对拦挡坝的稳固造成严重影响。

对于拦挡坝的坝肩，如果未嵌入基岩，且泥石流为大规模，大块石对坝肩及坝体的冲击破坏将较严重，且坝肩在泥石流爆发后容易发生悬空破坏。因此，坝肩的嵌固设计较为重要，要根据拟设拦挡坝的地质断面进行优化细化设计，以达到合理的有效设计。

4.3 新型耐磨材料的使用

拦挡坝的破损另外一种常见形式是磨损破坏，特别是溢流口的磨蚀，往往较常见，因为溢流口作为泥石流沟道过流的主要途径，常常经过水石流或泥石流的冲刷，久而久之对溢流口的磨损较为严重。因此，采用新型耐磨材料对拦挡坝坝体或溢流口进行耐磨设计，增加坝体和溢流口的耐磨性，对增加拦挡坝的使用寿命和拦挡效果有很大帮助。