透过型泥石流拦砂坝工程减灾效果分析

孙 昊,游 勇,李道凌,柳金峰,王东伟,3,刘 帆

(1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041;2. 四川省阿坝藏族羌族自治州自然资源局,四川 马尔康 624000; 3. 中国科学院大学,北京 100049;4. 广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510006)

0 引言

泥石流作为山区常见的一种地表过程或突发性的灾害现象,是介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气三相重力混合流[1-2],具有暴发突然,流动速度差异悬殊,规模巨大,历时短暂,危害严重等特征[3]。拦砂坝作为调控泥石流运动的关键防治工程,在泥石流灾害治理中被广泛地应用[4-6],其主要用于降低泥石流动力,抬高侵蚀面,增加沟床稳定性等[2]。通过半个多世纪的发展演化,泥石流拦砂坝根据结构形式一般可分为透过型(open-type)和非透过型(closed-type)两大类,其中非透过型拦砂坝也称实体坝[7-8]。透过型拦砂坝是由实体坝演化而来,其在拦砂坝溢流段采用开放式结构,具有与实体坝相同的功能,如拦蓄回淤、稳坡固床等,但又有其独特之处,如拦粗排细、汰沙排水等,表现出良好的调控特性,在相同坝高的条件下,可以有效地扩大调节库容量[1]。而且,由于溢流段透过式的结构(受力接触面小),使其在拦截泥石流过程中,受到的龙头冲击力也较实体坝更小[9]。此外,部分透过型拦砂坝可组装式的结构也较好地提高了其适用性,解决了目前实体坝难以改善的现状和缺点。这都是透过型拦砂坝的结构可变空间较大,地形适应性较高带来的优势。

国内外学者关于透过型坝的研究主要是通过模型试验或数值模拟手段,分析其拦砂调控[10-14]、库内淤积[15-17]、自清淤[18],以及泥石流-坝体相互作用时的动力响应[19-21]。特别是,SUN等[18]分析了梁式格栅坝闭塞表现对拦砂调控性能的影响,提出了坝体开口闭塞的综合判据,一定程度上可指导工程实践中的开口设计;WENDELER等[10]和ZHOU等[14]分别基于模型试验结果给出了网格坝和梳齿坝的开口参数建议值;HU等[21]分析了泥石流通过缝隙坝时,开口大小对泥石流冲击过程和最大冲击力的影响,阐释了泥石流冲击力的纵向分布特征(简化的折线型分布)。

汶川地震后,岷江上游地区泥石流活跃性显著增强[22-23],随后的几年内,通过修建大量的工程防治结构,有效地缓解了泥石流的危害,其中拦砂坝工程则大多采用了透过式的结构,主要是考虑到震后区内物源极大丰富[24],泥石流频发,一次最大冲出总量增加[25],而岷江主河具有良好的输沙能力[26],因此采用透过型拦砂坝是较为科学合理的防治措施,这也为泥石流灾害的综合防治体系开辟了新思路。

尽管透过型拦砂坝在泥石流防治中已经发挥了一定的作用,但是与大多数泥石流防治工程一样,其设计仍然处于实践先于理论的过程。目前针对透过型拦砂坝的设计仍处于经验化阶段,对其功能性和运行机理还不明晰,对其关键设计参数也无定量化计算方法可供参考,导致透过型拦砂坝设计具有很大的主观性和经验性。本文通过对西南地区(特别是岷江上游流域)透过型拦砂坝的详细野外调查,完善透过型坝的结构分类,分析其减灾效果,总结运行过程中存在的问题及隐患,旨在为透过型坝的结构性能优化等提供科学参考,降低工程设计中的经验性,以期更好地为泥石流防灾减灾服务。

1 研究区域与研究方法

岷江上游属青藏高原东缘高山峡谷区,位于青藏高原向四川盆地及边缘山地过渡带,以中、高山地貌为主,区域地质环境复杂,断裂发育,地震活动频繁,是四川省,乃至全国,泥石流最发育的地区之一。特别是“5·12”汶川地震后,强烈地震造成岩体严重破坏和山坡失稳,岷江流域出现一个较长的泥石流活跃期。安宁河流域地处横断山脉东缘,系雅砻江最大的支流,受安宁河断裂带控制,地势北高南低,以剥蚀侵蚀、构造高山和中山、堆积河谷平原、山间断陷盆地地貌为主。泥石流是安宁河流域内最主要的地质灾害之一。例如,2019年8月20日,岷江流域汶川县境内因强降雨诱发群发性泥石流灾害,图1(a)为耿达乡仓旺沟泥石流造成沟口右侧居民房屋大面积冲毁或淤埋,图1(b)为绵虒镇簇头沟泥石流造成沟口国道G213跨岷江桥梁发生结构破坏(桥面与桥墩错位)。本文重点对岷江上游、安宁河流域内的典型泥石流沟的透过型拦砂坝工程开展了野外考察工作。

图1 汶川“8·20”群发性泥石流灾害Fig. 1 The “8·20” group-occurred debris flow disasters in Wenchuan

在采取的研究方法和调查手段上,通过无人机航测如图2所示,获取透过型拦砂坝上下游沟道的冲淤情况,如库内回淤形态,调查坝体结构的完整性、开口闭塞等情况,同时在典型透过型坝上、下游进行取样分析,为工程减灾效果分析提供基础数据支撑。

图2 耿达乡幸福沟2#坝库内淤积Fig. 2 Sediment siltation upstream of 2# check dam in Xingfu Gully

2 透过型拦砂坝的开口形式与分类

目前对于透过型拦砂坝国内外均没有统一的分类标准,WEHRMANN等[7]提出了一种基于结构形式和开口尺寸的分类方法,将泥石流拦砂坝工程划分为七大类,包括实体坝和六类透过型坝。而国内虽然透过型拦砂坝的应用越来越广泛,但其分类则略显混乱,仍多以溢流段结构形式进行分门别类,如梳齿坝[27]、缝隙坝[28]、梁式格栅坝[29-30]、窗口坝[31]、格子坝[13]、柔性网格坝[19]等。这些都是根据拦砂坝溢流段采用的开口结构形式来区分的,也导致结构形式越来越多样,分类也越来越混乱模糊。

除泥石流性质和坝址处的地形条件外,拦砂坝防治泥石流的效果很大程度上取决于溢流段的功能性结构,而受筑坝材料和受力特点等影响较小。透过型坝与实体坝拦截泥石流时的主要差异在于透过型坝坝体溢流段采用开放式结构,其开口在被泥石流固体颗粒完全闭塞之前具有一定的过流能力。因此,透过型拦砂坝的开口闭塞对拦砂调控性能有显著影响。野外调查结果(图3)和室内试验[30-31]都表明,不同坝型(开口形式)其闭塞表现差异明显。

图3 野外实际工程运行中的闭塞现象 图4 开口闭塞优势与发展方向分析示意图Fig. 3 Open structure clogging phenomenon in field Fig. 4 Analysis diagram of the predominant direction during the open structure clogging

前人研究表明,透过型拦砂坝的闭塞主要取决于开口尺寸的较小值,即min(h0,w0),h0和w0分别为单个开口结构的高度和宽度。从坝体开口闭塞的角度分析,假设其他条件相同情况下,当h0大于w0到一定程度时,在拦截泥石流过程中,相同颗粒将在横向上先形成闭塞,反之,则在竖向上优先形成闭塞,即对于不同形式的开口存在优势闭塞的方向。但这个优势方向随着h0和w0大小接近,这一闭塞方向优势将逐渐减弱,表现为闭塞双向发展的趋势如图4所示。

2017年，诸暨市出台《行政机关行政调解权力义务清单》，厘清了行政机关的行政调解职责，落实行政调解责任。清单共梳理出各行政机关的行政调解权力义务52条，涉及20个行政管理部门。与此同时，该市力推人民调解与行政调解的联动，在公安派出所、交警队等机构，都设置了人民调解工作室，受委托从事相关民事纠纷的调处。

ISHIKAWA等[32]认为3个以内大颗粒之间咬合才能形成相对稳定的闭塞体,即针对同样的大颗粒,当开口尺寸大于其某一特征粒径的2倍,则无法形成闭塞。因此,针对前文提出的基于坝体开口形式和可能的闭塞表现的透过型拦砂坝分类方法,分析认为,当h0>2w0,则在拦截泥石流过程中横向约束明显大于竖向约束,常见的梳齿坝、缝隙坝、桩林坝即属于此类;当w0>2h0,则在拦截泥石流过程中竖向约束明显大于横向约束,常见的有梁式坝等;当1/2h0

根据国内外文献,以及对我国西南地区既有透过型拦砂坝工程的野外考察,尽管结构形式呈现多样化的特点,但开口形式总体上可分为横向开口、竖向开口、方形开口以及混合开口4种类型,如图5所示。

图5 透过型拦砂坝开口形式分类Fig. 5 Classification of open forms of open-type check dams

本文统计了西南山区100余座具有透过型特征的拦砂坝工程,结果表明,结构形式上主要采用方形和混合开口结构,分别占比58.25%和22.33%(图6),且混合开口均为方形+竖向开口的组合形式,从汶川震区震后泥石流治理工程来看,坝体型式的采用与设计单位,即设计从业者密切相关。目前针对透过型坝调控泥石流的减灾效果还缺乏系统性地研究,在工程实践中,设计者多借鉴既有的成功经验,而没有根据不同坝型的功效和适用条件进行针对性地设计。

图6 透过型拦砂坝开口类型分布统计Fig. 6 Classification statistics of open form of check dams

3 透过型拦砂坝的减灾效果

3.1 运行现状分析

为研究透过型拦砂坝对泥石流的减灾效果,本文以岷江流域和安宁河流域为研究区,经野外实地考察发现,大多数泥石流沟流域均是采用了透过型拦砂坝群从上游至下游分级拦蓄的治理思路,但未遵循从上游至下游开口逐级减小的原则,基本都采取的小开口设计,多小于1.0 m。

表1列出了岷江流域、安宁河流域13条泥石流沟内32座透过型拦砂坝的运行情况。调查结果表明,空库工况多出现在下游区段,即只有上游拦砂坝淤满后,泥石流才能运动输移至下游,梯级拦砂坝群很难达到多级调控的效果。2019年汶川“8·20”群发性泥石流,幸福沟、彻底关沟、簇头沟、板子沟、登溪沟等均暴发较大规模泥石流灾害,沟内防治工程整体上表现出了较好的减灾作用,大部分泥石流固体物质被拦蓄于库内,但由于部分泥石流超防治工程设计标准,也导致了不同程度的灾害损失情况。如板子沟流域沟口修建有一座梁式坝,在“8·20”泥石流之前,该坝已呈现半库运行状态,导致“8·20”泥石流发生时,由于库容不足,大量泥石流直接冲至下游,损毁房屋89栋,冲毁都汶高速公路桥梁400m,淤埋村道50m,同时泥石流越过左侧坝肩,并形成强烈冲刷,导致梁式坝坝体左侧严重受损如图7所示。

表1 部分透过型拦砂坝工程野外调查统计一览表Table 1 Some of the open-type check dams investigated in field and their service situation

图7 “8·20”泥石流前后板子沟梁式坝运行情况对比图Fig. 7 Service situation of the beam dam in Banzi Gully before and after the “8·20” debris flow disaster

从整体上来看,由于各小流域泥石流发育情况、防治工程修建时间等方面的差异,其运行现状也差异较大,目前拦砂坝以空库、半库和满库工况运行的都有,但主要以满库和半库运行为主,分别占比约33.65%和40.38%,如图8所示。且空库工况条件下,也多为防治工程修建后沟内未发生泥石流,或发生小规模泥石流被上游防治工程拦截而未运行至下游。

图8 透过型坝库容运行统计图Fig. 8 Remaining storage capacity of open-type check dam investigated in field

从调查统计来看,相较于安宁河流域,岷江上游流域(映秀-茂县段)因经历震后泥石流活跃期,拦砂坝基本以满库和半库为主。此外,区内防治工程中多开展了人工清淤措施,但由于清淤工程量较大,多是库容一次淤满后的被动清淤,难以一次清淤到底,将拦砂坝库容腾空以拦截下一次泥石流。

3.2 减灾效果分析

不论是透过型拦砂坝,或是非透过型坝,回淤缓坡是工程设计中最重要的功能之一。现行的泥石流灾害防治工程设计规范中建议选取淤积纵坡Sdep为0.5～0.8倍的原始沟床纵坡Sinit。类似地,OSTI等[33]和D’AGOSTINO等[34]也分别提出了拦砂坝库内回淤纵坡的估算方法:Sdep≈(1/2或2/3)Sinit。一般地,泥石流在拦砂坝库内的回淤纵坡和回淤长度受泥石流性质、沟道条件等因素的影响,此外还与泥石流规模、拦砂坝溢流口位置和形状有关[35]。

研究结果表明(图9),透过型坝库内回淤纵坡在20‰～88‰之间,回淤纵坡与原始沟床纵坡的比值(Sdep/Sinit)为0.31～0.83,整体来看,透过型坝表现出良好的回淤缓坡的效果。调查发现,透过型坝的回淤与其开口的闭塞密切相关,由于溢流段开口结构的存在,在后期水动力条件作用下,库内淤积物多有表面颗粒粗化的现象,或形成明显的侵蚀沟槽,这也间接解释了透过型坝的Sdep/Sinit小于规范推荐值(非透过型坝)。显然地,在透过型坝的设计中,Sdep/Sinit可适当取小值,以避免出现库容误算等问题。此外,对不同坝体开口结构开展模拟实验研究以确定透过型坝的库内回淤规律,也是后续需要重点研究的内容之一。

图9 透过型拦砂坝库内回淤纵比降与原始沟床比降关系图Fig. 9 Relationship between deposition gradient and initial gradient upstream of open check dams

2)拦砂调控功效

不论是透过型拦砂坝,或是实体拦砂坝,在拦截泥石流过程中,均能表现出不同的调控效果。由于野外泥石流体的全级配曲线较难获取,一般需采用槽探,本文为分析透过型坝对泥石流颗粒组成和性质的调控效果,通过实地调查获取了典型透过型坝上、下游泥石流样品(注:本文所取样品均为60 mm以下的小样),并根据颗分实验确定了上、下游泥石流颗粒粒径百分含量的差异。调查结果表明(图10),大部分拦砂坝对泥石流颗粒组成均能表现出一定的调控作用,但不同坝体之间差异明显,这与泥石流的性质、坝体结构形式等因素有关。同时注意到,登溪沟1#坝上、下游泥石流堆积物中砾石的含量分别为68.26%和71.11%,差异较小,甚至有所增大,这主要是登溪沟1#坝在拦截“8·20”泥石流时坝体结构完全损毁而失效。上述是基于泥石流小样的分析结果,若需揭示其普适的拦砂调控规律,下一步还需通过获取坝体上下游的泥石流堆积物的全级配特征,进而从工程实践的野外原型分析其功效。

此外,根据工程实践调查分析,“拦粗排细”应该是一个相对的概念,坝体对泥石流体进行分选,并不是所有小于某粒径的固体颗粒都会被排泄至下游,或者大于某粒径的固体颗粒都会被坝体拦截于库内。对于透过型拦砂坝而言,坝体开口的闭塞是其拦截泥石流体的前提,是泥石流体中一个或多个大块石在开口边界处成拱效应的结果。

3.3 工程运行中存在的问题与隐患

岷江流域,特别是映秀至汶川段,一直以来都受泥石流灾害困扰,威胁当地居民的生产生活及公共交通、水电等基础设施。汶川地震后,该区域的泥石流灾害问题凸显,进入震后泥石流活跃期。随后该区域也迅速实施了大量的防治工程(透过型拦砂坝)措施,极大地减轻了当地泥石流的危害,但经过近十年的运行,不同程度地存在以下问题与隐患:

1)开口参数设计不合理

透过型拦砂坝(群)一般是小流域泥石流防治的骨干工程体系,通过不同开口的透过型拦砂坝对泥石流中的颗粒从上游至下游进行分级拦截,同时逐级削峰减流。但野外调查结果发现,大多数拦砂坝的开口设置都较小,普遍在0.5～1.0 m之间,很难达到规范中建议的1.5～2.0倍的dm。此外,研究表明从上游至下游开口逐级减小,有利于充分发挥逐级拦挡的功效。但实际工程设计中同一透过型拦砂坝体系其坝体开口设计差异不大,比如,棉簇沟1～3#拦砂坝开口均为0.4 m×0.6 m,4#坝开口为0.6 m×0.8 m,如表1所示。调查还发现,甚至有上游开口明显小于下游的情况,比如幸福沟1～5#坝开口尺寸均小于1.0 m,但6～7#坝开口大小却达到2.0 m,如表1所示。这些不合理的设计也导致大量物质在上游拦蓄,而未达到一个“物质沿程分配,逐级调控”的效果。

2)拦砂坝结构整体性差

与实体拦砂坝相比,透过型拦砂坝其溢流段采用的透过式结构,坝体结构整体性相对较差,在受泥石流冲击时,虽因接触面小而受到的整体冲压力更小,但溢流段极易造成局部,甚至整体的破坏(图11)。例如,北川杨家沟桩林坝群,桩与桩之间虽有衔接梁相连,但仍被冲击破坏,桩林散落,加之沟道内松散堆积层较厚,在泥石流强烈的下切侵蚀条件下稳定性进一步变弱。

3)拦砂坝过流结构的磨蚀破坏

磨蚀是泥石流过流结构(拦砂坝溢流口、排导槽等)的一种常见现象。对于透过型拦砂坝,由于其结构的特殊性,过流时与泥石流接触作用面更大,除上部溢流口外,其溢流段的开口结构也存在较为显著的磨蚀问题。如青林沟桩林坝桩体迎水面因过流时受强烈磨蚀使桩内钢筋外漏,而桃关沟窗口坝则因过流时开口结构底部和侧面发生磨蚀破坏,出现磨蚀坑(图12)。

4)拦砂坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏

拦砂坝下游的冲刷侵蚀以及进而可能的基础淘蚀是其运行过程中普遍存在的问题。在工程运行过程中,拦砂坝库内将被泥石流淤满,并从溢流口处过流,而泥石流的越坝冲刷,不断地淘蚀拦砂坝下游沟床,形成冲刷坑,使拦砂坝稳定性受到极大的威胁。野外调查还发现,对于一些大开口的透过型拦砂坝,如桩林坝,由于其溢流段过流能力较强,在满库运行前,坝下游沟道即遭受不同程度的侵蚀。与实体坝或其他透过型坝体不同,若桩间基础不是整体连接,在坝体闭塞回淤前,极易受淘蚀破坏。

5)拦砂坝人工清淤不当

人工清淤是拦砂坝运行期间较为常见的措施,是其持续发挥拦蓄或调控作用的重要保障,但野外调查发现,在透过型拦砂坝的库内人工清淤过程中,并没有充分考虑其结构特点,造成了事倍功半的结果。如牛圈沟2#坝,人工清淤仅清理了库内的堆积物,而未清理坝体开口的闭塞体,导致汛期时库内蓄水,占用了大量的库容(图13)。此外,库内蓄水不仅占用有效库容,而且一定程度上增大坝体扬压力,这都为拦截和调控流域内下一次泥石流埋下隐患。

图13 拦砂坝库内人工清淤及存在的隐患Fig. 13 Artificial dredging of open check dam and its potential risk

4 结论与建议

本文通过多期次、多地区的透过型泥石流拦砂坝的野外考察工作,得到以下主要结论:

1)提出一种基于开口闭塞作用的透过型拦砂坝分类方法,包括横向开口、竖向开口、方形开口以及混合开口4种开口结构类型。调查统计显示,西南地区现有透过型坝的溢流段开口结构多采用方形开口和混合开口,分别占比58.25%和22.33%,坝体结构形式整体较为单一,开口设计偏保守。

2)调查了西南山区既有透过型拦砂坝运行现状,结果表明,满库工况和半库工况占比分别为33.65%和40.38%,从地区差异上来看,相较于安宁河流域,岷江上游流域(映秀-茂县段)因仍处于震后泥石流活跃期,拦砂坝满库或半库比例更高。

3)分析了透过型拦砂坝的工程减灾效果,回淤纵坡经验值为Sdep=(0.31～0.83)Sinit,整体都表现出较好的回淤缓坡效果,在调控方面,透过型坝能表现出一定的拦粗排细特征,但由于坝体开口较小,其对粒径的分选效果并不显著,且泥石流性质调控是颗粒组成调控的结果。此外,部分泥石流沟内设置的梯级坝没有遵循从上游至下游开口逐渐减小的原则,因此无法较好地发挥透过型坝的优势。

4)总结了西南山区已建透过型坝运行过程中存在的问题与隐患,包括拦砂坝(群)开口参数设计不合理、拦砂坝结构整体性较差、拦砂坝过流结构的磨蚀破坏、拦砂坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏以及拦砂坝人工清淤不当等五大类。