梯级肋槛—桩基组合结构在泥石流拦砂坝下防护中的应用

薛莉云，贺模红，叶胜华

梯级肋槛—桩基组合结构在泥石流拦砂坝下防护中的应用

薛莉云，贺模红，叶胜华

（四川省地矿局九0九水文地质工程地质队，四川 绵阳 621000)

拦砂坝是泥石流防治体系中的骨干工程，发挥着拦砂节流、稳坡固床等重要作用。“5·12”汶川地震后，震区泥石流灾害频发，拦挡坝下消能防冲工程被冲蚀破坏屡见不鲜，严重危及主坝安全，坝下强烈冲蚀是普遍而又严重的问题。通过对北川青林沟泥石流1#拦砂坝（主坝）下护坦、副坝等消能防冲工程多次损毁特征、破坏原因分析，探索和实施了多层护坦、梯级肋槛、组合桩基深垂裙等多种坝下防冲消能工程措施。实践证明：对于高频率、深冲刷、大流量、高流速、多石块的泥石流，采用软基梯级肋槛-桩基垂裙复合型坝下消能防冲工程结构能有效保护主坝基的安全，可在类似泥石流拦砂坝下防护中应用。

泥石流；复合型消能防冲；梯级肋槛；桩基垂裙；青林沟

本文在分析青林沟泥石流1#拦砂坝（主坝）坝下消能防冲工程历年破坏特征及原因的基础上，总结多次失败和成功经验，经过方案论证、设计、改进等阶段，实施了软基梯级肋槛—桩基垂裙复合型坝下消能防冲工程，历经多次较大规模泥石流检验，坝下消能防冲效果较好，有效保护主坝体的安全。

1 泥石流基本特征及防治工程实施概况

1.1 泥石流沟域特征

陈家坝乡青林沟为都坝河右岸一级支沟，常年流水，流量变化大。流域面积23.6km2，主沟长9.9km，发育高程660～1730m，相对高差1070m，平均纵比降108‰。为侵蚀溶蚀低中山地貌区，以茂县群千枚岩、板岩为主，部分为砂岩，灰岩。龙门山断裂带北川逆冲断层从陈家坝乡场镇北西侧青林沟沟口通过，“5·12”地震诱发山体形成H1滑坡（青林滑坡）方量约1100×104m3，下滑后堵塞沟道，形成青林沟堰塞湖，最大库容200万m3，最大水深70m（图1）。区内沟谷发育，多呈“V”型，受冲刷侧蚀较强，易诱发斜坡前部滑塌，沟口段逐渐呈“U”型宽谷，淤积大量较厚泥石流堆积物。

1.2 泥石流特点

（1）物源极为丰富，暴发规模大：主要为沟道侵蚀、滑坡堆积体、崩坡积堆积体物源（李安润等，2019），活动特点是沟道侵蚀、搬运，沟口宽缓处停淤为主，沟内固体物源总方量1331.64×104m3，H1滑坡（青林滑坡）占总物源储量82.6%，动储量300.11×104m3（2017年）。2008年“9·24”泥石流一次冲出固体物质总量80.5×104m3，之后多次暴发泥石流灾害，暴发规模大。

（2）流域面积大，洪峰流量高：青林沟流域面积23.6km2，计算20年一遇暴雨洪峰流量368.00m3/s。青林沟堰塞湖已发生2次较大规模溢流冲刷、漫顶溃堤，堰塞湖溃决峰值流量急剧上升达888m3/s，对泥石流防治工程影响巨大。

（3）降雨量大，暴发频率高：青林沟位于鹿头山暴雨区，年平均降雨量1440mm，1h最大降雨量78mm（2008年），最大连续24h降水量467.5mm（2020年）；地震后每年雨季均爆发不同规模泥石流。

（4）破坏力强，危险性大：地震后松散堆积体抬高沟床，在堆积体上设置固源拦挡工程，改变了原有沟道纵坡降，使坝位水力梯度增加，局部流速最大可达9m/s，高含砂砾及碎、块石对拦挡坝及坝下冲击、冲蚀非常剧烈，最大冲刷深度达7.0m（2018年7月），多次造成新建及修复1#拦挡工程及坝下防冲工程强烈破坏，严重威胁现陈家坝老场镇610户2135人的生命财产和105省道跨都坝河大桥安全，潜在经济损失1.22亿，危险性为特大型。

1.3 防治工程实施概况

青林沟泥石流防治工程历经数年治理和修复，主要有1#拦挡坝（主坝）（2010.6）及其坝下副坝防冲工程（3#拦挡坝）（2013.5）、一级软基梯级肋槛-桩基垂裙（2014.5—2015.5）、二级软基梯级肋槛-桩基垂裙（2019.4），下游沟口聚居区2#拦挡坝（2010.6）、导流堤（2013.5）等工程措施（图1）。

图1 防治工程分布图

2 消能防冲工程破坏特征及原因分析

2.1 消能防冲工程破坏特征

2010年6月主体治理工程1#拦挡坝和2#拦挡坝治理工程基本完成。2010年经历“8·12”、“8·17”特大暴雨后，坝下掏蚀深8m。应急抢险工程采用钢筋笼、钢丝笼坝下充填冲蚀坑防冲，汛期后修复设计为C20片石砼防冲，坡比1∶0.75，下游采用钢轨排护坦；2011年经历“7·24”、“8·17”特大暴雨后，护坡冲毁，砸毁钢轨，应急采用8mm厚钢板；2012年“8·17”泥石流，原堰塞湖溢流口发生溃坝，溃口洪峰流量可达474.0m3/s；溃坝洪水与上游来水洪峰（414m3/s）叠加后，沟道洪峰流量达到888.0m3/s，泥石流体冲击作用极大，在1#拦挡坝处浪击高度达4～5m。冲毁坝下防冲钢板设施、右侧坝肩，坝基渗透变形导致左侧坝后基础悬空，安全隐患严重，基本失去防护功能；

2012年“8·17”降雨，导致主坝1#拦砂坝基础掏蚀严重（图2），常规坝下护坦措施无效后，汛期后在1#拦砂坝下游100m处新建3#拦挡坝（副坝8m）回淤防冲，采用筏板基础，坝下设置C20砼护坦护底，同时面层铺放大块石防冲刷处理。2013年“7·10”降雨，1#拦挡坝溢流口顶部冲刷剥蚀严重（图3），剥蚀深度最大达1.8m，3#拦挡坝（副坝）右侧坝肩被冲毁，冲毁深度4.6m，长度18m，水流冲刷坝下钢绳石笼前部基础，局部掏蚀深度达4.6m。副坝内沟道物质未回淤（图4、图5），继续造成主坝体坝基掏蚀。汛后设置两排桩林，A排桩林桩径1m，桩间距2.5m,桩长12m，锚固段6m，共28根，桩顶设置冠梁，桩前采用钢绳石笼回填，桩林间采用块石回填至B桩林桩顶；B桩林桩径1m，桩间距2.5m,桩长14m，锚固段10m,共26根，呈梅花型布置，上下排距5.0m；桩前先铺设10m长的C15砼护坦，厚度1.5m，护坦前缘再铺设钢绳石笼。

图2 2012年“8.17”1#主坝基础掏蚀

图3 2013年“7.10”1#主坝下未回淤

图4 2013年“7.10”副坝破坏未回淤

图5 2013年“7.10”右坝肩破坏

2014年“7·30”降雨，致使3#拦挡坝下钢绳石笼网基础严重掏蚀、毁坏，局部淘蚀深度达5.6m，威胁副坝安全，汛后副坝与桩林间设置软基梯级肋槛消能防冲，历经3个雨季，防冲效果较好。2018年“6·25”“7·11”堰塞湖溃决，1#主坝和副坝基础完好，但最前缘桩林下混凝土护坦损毁（图6），桩前冲刷侵蚀深度4～6m，桩间回填防冲块石掏空（图7），防冲肋槛群最前一段掏空，桩后第一条肋槛左侧局部断落，断落长度25.5 m，段落段左端头距离7.7m。桩林坝前下切高度6～7m，下游沟道下切深度3～4m，沟道中下切最深位置达到14m。2020年洪水冲刷，致使已建梯级肋槛磨蚀严重，新建桩基垂裙局部掏蚀深度2.0m，整体稳定性较好。

图6 2018年“7.11”前缘肋槛掏蚀

图7 2018年“7.11”桩林下掏蚀

2.2 消能防冲工程破坏原因分析

（1）水动力强大：鹿头山暴雨区，雨量丰沛，雨强值大，暴雨型泥石流和溃决型洪水，在时间和空间上交替、叠加瞬时流量大，瞬时流速快，拦挡结构浪高4～5m，大块石冲击力638KN，整体冲压力115kPa，一般结构体难以承受，坝体破坏，坝下掏蚀时有发生。

（2）拦挡后的坝下消能措施不足：泥石流或山洪从坝顶高处跌落后转化为具有强大动能的流体，坝下掏蚀作用强烈，掏蚀坑外沟道也被侵蚀下切。采用单一消能措施如护坦、副坝已不能奏效，主坝下刚性护坦直接被砸毁或冲毁、副坝不能及时回淤、副坝下游设置护坦后又被砸毁，沟道强烈下切，副坝安全又受到威胁。

（3）护坦前垂裙部位埋深不足：泥石流局部流速大，坝下冲蚀下切深度6～7m，前缘垂裙埋深不足，冲毁后牵塌护坦，掏蚀坝基，下切深度远超过常规垂裙设计埋深，一般埋深3～5m的圬工结构不能满足自身在沟道下切后的稳定性。

（4）部分消能防冲工程存在缺陷：作为回淤之用的桩林坝，上下排桩间距5m，间距过大，不能拦截细颗粒形成回淤防冲区；桩林与副坝间距过大，区间纵坡达到200‰，而沟道平均纵坡仅为80‰，坝下防冲的钢绳石笼被冲毁掏蚀是必然。

3 梯级肋槛—桩基垂裙结构分析及应用

3.1 方案论证

泥石流过坝的消能原理是：通过流体之间或流体与沟床堆积物之间的互相冲击、冲刷、紊动、搅拌和磨蚀等作用使流体减速、消能（周必凡等，1991）。根据周必凡、吴积善（吴积善等，1993；蒋忠信，2014）等人研究，泥石流坝下消能防冲工程常用有：护坦、潜槛、副坝及其综合。水利工程主要采用的防冲工程有：水垫塘消能防冲（坝下），四面体砼块消能防冲（岸坡）等。

针对青林沟泥石流破坏情况：1#拦挡坝（主坝）下2010年掏蚀8m深度，后重建钢轨排护坦，2011年又被砸毁；后又重铺8mm厚钢板，2012年也被砸弯冲毁，2013年再增副坝回淤防冲，但2013年 “7·10”泥石流又未回淤，坝基仍受冲蚀（唐川和梁京涛，2008；许强，2010），2014年再增1#桩林坝回淤防冲，但2014年降雨桩林坝内未回淤，回填钢绳石笼被冲走，坝基被掏蚀，2015年在副坝与桩林之间设置软基梯级肋槛消能防冲，利用桩林作为深垂裙，安全度过3个汛期，但2018年“6·25”堰塞湖溃决，桩林出露一半，桩间大块石及堆积体完全冲蚀，最下一级肋坎部分掏空，失去部分消能防冲功能。

根据该沟泥石流破坏特征及破坏原因分析（齐得旭等，2018；郑志山等，2019；蔡红刚，2012），对坝下整体护坦，回淤副坝，单一肋槛，四面体砼块，水垫塘等5种常规坝下消能防冲方案对比分析（表1），已建工程实践证明：单一的坝下防冲方案均不可行。因此，常规的消能防冲工程已经不能满足该沟强大水动力或泥石流作用，探索一种复合型坝下消能防冲结构非常必要。

表1 常规坝下防冲工程对比分析表

2014年“7·30”降雨后，调查副坝下游掏蚀情况分析，虽然坝下冲刷强烈，但3#拦挡坝前缘桩林基本未受损害，可发挥其抗滑和抗冲刷稳定性功能。结合工程实际，可依据桩基的稳定性和其他固床消能工程形成复合型坝下消能防冲方案。充分利用既有桩林坝，结合水利工程水垫塘防冲理念，软基梯级肋槛消能（漆力健等，2014；王兆印等，2012），部分肋槛间设置纵向支撑梁，增加整体稳定性，桩林坝作为深垂裙的思路，采用多级肋槛进行逐级消能固床防冲，达到坡降减缓的目的。软基梯级肋槛—桩基垂裙坝下防冲工程体系作为创新复合型坝下防冲结构应用于泥石流防治工程中。

3.2 设计及改进

2014年修复加固工程，软基梯级肋槛—桩基垂裙坝下防冲结构（图8）副坝与桩林间长度65m，纵坡达200‰，首先在副坝下游设置两级消能池，大块石部分充填，单级长度6m，下游设置8道肋槛群，最下一级采用潜坝形式加强整体稳定，肋距6.0～7.0m，肋间充填大块石（直径不小于0.5m），基础埋深3.0m，形成单级100‰梯级纵坡，发挥其多级软基消能功效。冲刷能量降低后，前缘桩基作为最后一道屏障，也是冲刷下切后保持坝体稳定的最重要的防护工程，因此达到2倍最大局部冲刷深度桩长为12～14m，桩顶冠梁衔接。

图8 两级软基梯级肋槛—桩基垂裙坝下防冲工程结构

正常运行安全度过3个汛期，2018年暴发“7.11”泥石流，导致软基梯级肋槛前缘桩林坝下沟道强烈下蚀护坦悬空6m，桩林出露一半，桩间堆积体完全冲蚀，回淤防冲功能失去，但经调查分析发现：软基梯级消能肋槛仅最前缘接触桩林处部分掏空，其余多道大块石充填的梯级消能肋槛稳固，仅表部出露部分磨蚀较为强烈，发挥了较好消能作用，前缘桩基虽然掏蚀强烈，但联排桩林埋置较深，完整性较好，尚可发挥一定桩基深垂裙的抗冲刷掏蚀作用。据此，2018年损毁后坝下防冲消能工程根据前期经验改进设计，重点调整了桩基垂裙的设计，成为第二级软基梯级肋槛—桩基垂裙坝下防冲结构（图8），原有冲空桩林采用承台浇筑形成整体坝体，端部设置两排桩基垂裙，桩中心距减小为2.0m梅花形布置，桩长14m，桩顶冠梁连接，顶部伸出1.0m作为大块石回填的端墙，桩下铺填大块石防冲。改进后的防冲结构，成功抵挡了2020年5次大暴雨暴发的泥石流灾害，局部冲刷深度最大也达2.0m（图9、图10）。

3.3 设计应用要点

“软基梯级肋槛—桩基垂裙坝”主要由坝下铺底（水垫塘）、梯级肋槛群、大块石回填肋间、组合桩基等几部分构成，设计要点：

（1）坝下冲刷坑区域采用护坦上回填大块石，前缘为出露地面的肋槛，形成软基消能池，长度按坑底与坝顶1～2倍，作为第一道主要消能屏障，必要时布置钢筋。

（2）根据总体纵坡降，肋槛冲刷深度，确定基础埋深、上下肋槛间距、高差，冲刷深度可按伏谷伊一公式（蒋忠信，2014）计算确定，基础可适当加深，达到肋槛群之间起到回淤压脚的作用。肋间采用大块石回填，形成梯级缓坡，软基消能，最下游一道肋加强设置可为梯形，其余肋为矩形，沟道较宽可设置竖向支撑梁增加整体稳定性。

（3）组合桩基设计可根据最大降雨及泥石流冲刷下游最大冲刷深度为依据进行，也可在冲刷深度计算公式基础上加安全储备深度，长度应以地面为基准，大于2倍局部最大冲刷深度。可单排亦可双排梅花形布设，桩顶应设置冠梁，增加整体稳定性，桩间距不能过宽，易引起水流冲蚀桩间堆积的松散体。

图9 坝下消能工程侧面图（2020.10）

图10 坝下消能工程立面图（2020.10）

（4）加强坝体扬压力和渗透变形分析，根据前期坝体稳定性检算和各种工况下对坝体作用力检算，分析扬压力对坝体整体稳定性影响；坝基渗透变形验算，确保坝体不会渗透变形破坏以及坝下防护工程结构不会因坝基渗透变形和表部冲刷叠加破坏。

4 结语

（1）青林沟泥石流受地震形成特大型滑坡堵塞沟道影响，形成1处堰塞湖多次溃决，沟道内松散固体物质丰富，鹿头山暴雨区，泥石流频发，严重威胁下游陈家坝老场镇安全。

（2）青林沟2010年修建防治工程，在多次泥石流的暴发中起到了一定防护作用，减小泥石流对场镇危害。防治工程已运行十年，投入较大资金，防治效果一般。主要问题在于多次损毁1#拦挡坝（主坝）及后期修建稳固坝基的副坝、护坦、钢绳石笼、桩林等工程，抢险、修复加固后再次被损毁，陷入坝下冲蚀破坏—修复加固—冲蚀破坏的循环。解决坝基稳定、坝下消能防冲问题是青林沟泥石流防治的关键。

（3）分析青林沟泥石流破坏特征和破坏原因，对5种常规坝下消能防冲方案对比分析：单一坝下消能防冲方案不可行。采用软基梯级肋槛—桩基垂裙坝下防冲组合结构可作为一种复合型坝下消能防冲措施，2020年5次大暴雨暴发的泥石流灾害，局部冲刷深度最大也达2.0m。对于高频率、深冲刷、大流量、高流速、多石块等特征的泥石流拦挡坝及坝下防冲消能工程，还需重新审视拦挡工程及附属防护工程设计中，适应泥石流（溃决泥石流）、洪水二种水力状态对工程的作用。应用水工建筑设计要求，对拦挡工程及附属防护工程布局、设计进行完善与提升。

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The Application of the Combined Structure of Stepped Rib Sill and Pile Foundation to the Protection below Sand-Retaining Dam of Debris Flow

XUE Li-yun HE Mo-hong YE Sheng-hua

(The 909th Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 620010)

The debris flow dam is the main project in the debris flow prevention and control project and it has important functions such as sand blocking and throttling, slope and gully stabilization. After the Wenchuan earthquake on May 12, 2008, debris flow disasters frequently occurred in the earthquake area. It is not uncommon for the energy dissipation and anti-scouring projects below of debris flow dams to be destroyed, which seriously endangers the safety of the dam. The strong erosion damage below of the dam is a common and serious problem. A variety of engineering measures for the energy dissipation and anti-scouring projects of the dam, such as multi-layer aprons, stepped ribs, and composite pile foundations are explored and implemented based on the analysis of multiple damage characteristics and causes of energy dissipation and anti-scouring projects such as the lower apron and auxiliary dam of 1#dam (main dam) of the Qinglin Gully debris flow in Beichuan. Practice has proved that for high-frequency, deep-scouring, large-flow, high-velocity and multi-rock debris flows, soft foundation stepped rib sill-vertical skirt of pile foundation composite type of energy dissipation and erosion control structure under dam can effectively protect the safety of the dam foundation.

debris flow; Compound anti-scouring; stepped rib sill; pile foundation protective wall; Qinglin gully

P642.3

A

1006-0995（2022）02-0250-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.013

2021-05-24

薛莉云（1989— ），男，四川绵阳人，工程师，主要从事地质灾害防治、岩土工程勘察设计