泥石流拦挡坝工程服役性能特征分析——以甘肃省陇南市武都区为例

周 亮，何晓英,2，晋云超，张 展，向灵芝,2，沈 娜,2

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.山区公路水运交通地质减灾重庆市高校重点实验室，重庆 400074）

0 引言

中国是泥石流多发的国家，发生次数占多年地质灾害记录总数的4.35%，造成的直接经济损失约占各类地质灾害总和的30%[1]。对泥石流进行易发性[2]、危险性[3]评价和模拟从理论层面为泥石流灾害防治提供依据，而实施各种具体工程是防治泥石流的有效手段[4-5]。

20 世纪80年代，我国开始泥石流防治工作[6]。拦挡坝是防治工程最重要的手段之一，其主要功能为：①拦蓄：削减泥石流有效方量，降低泥石流峰值流量，减少泥石流下泄规模[7]；②稳：降低上游沟床纵坡率和横向坡度，增加了边坡稳定性，抑制泥石流发育规模[8-9]；③排：排泄流水、细颗粒、抑制坝基渗透和掏蚀作用。拦挡坝服役性能是指拦挡坝在设计使用期间能稳定发挥其功能，有效降低泥石流灾害风险，保证人民生命财产安全。其服役性能主要体现在“安全性”和“有效性”两方面，对拦挡坝的长期效益产生重要影响。

相关学者通过野外调查和室内模拟试验，对拦挡坝的破坏原因、破坏模式等做了大量研究。如刘兴荣等[3]针对陇南市武都区拦挡坝破损分析及优化对策中发现，拦挡坝破损形式依次为副坝破损、坝肩破损、溢流口破损、基础破损、冲毁、勾缝破损，对沟道机理认识不足、坝体存在缺陷和保护措施不当是拦挡坝破损的主要原因。齐得旭等[10]通过对四川63 座拦挡坝现场调查发现：根据拦挡坝破坏部位分为坝基破坏、坝肩破坏和坝体破坏；按破坏原因统计结果显示，冲击破坏占36.59%，冲刷掏蚀破坏占31.71%，滑动倾覆破坏占15.85%，渗透破坏占 15.85%，其中冲击破坏模式占比大。SHOKI 等[11]利用实验和数值模拟发现多个滑坡坝的级联溃坝所引发的洪峰流量要大于单个溃坝所引发的洪峰流量，结果表明：下游坝高开始迅速侵蚀时，流入下游大坝的流量是导致级联故障的主因。LYU 等[12]发现坝间冲淤特性是影响拦挡坝设计的重要因素，通过水槽试验对沟床冲刷开展了研究，结果表明：水槽坡度对冲刷深度、长度、淤积长度和淤积量影响最大，研究结果可为泥石流防灾减灾中的窗口坝设计提供技术依据。刘兴荣等[3]还运用增量加减法模拟三眼峪沟泥石流拦挡坎的抗冲击能力。

我国拦挡坝材料主要为浆砌块石，抗冲击能力弱[13]；拦挡坝库容量随着泥石流的多次冲淤逐渐减小；泥石流冲刷导致沟道边坡稳定差；坝体结构设计缺陷、坝址选择和坝高设置常不合理、坝肩和基础保护措施不足[14]、掏蚀、渗流破坏[15]等诸多原因导致其服役性下降。

拦挡坝的服役性能是泥石流防治工程关注的重点，然而鲜见对服役性评价的研究，因此，深刻认识拦挡坝服役性能降低机理，有效评价拦挡坝服役性能现状，是保证泥石流防治效果，是预测服役寿命、提高长期效益的关键任务。本文选取了武都区15 条泥石流沟中的55座拦挡坝为研究对象，通过调查拦挡坝运行现状和损毁部位情况，运用层次分析法和模糊综合评价法，从安全性、有效性出发，建立服役性评价体系，为拦挡坝服役效果及其定量化评价提供可借鉴依据。

1 研究区概况

1.1 研究区地质条件

研究区位于甘肃省陇南市武都区，属于长江流域嘉陵江水系，总面积为4 683 km2（图1）。武都区位于秦岭山地，区内山峰众多且高差较大，河谷切割较为严重，峡谷多呈“V”字型，属于典型的侵蚀中高山地貌。地势陆峭，坡度多为 30 °以上，地形起伏明显，河道多沿大断裂分布[16]。区域位于南北地震构造带内，属于青藏高原向中部高原过渡带，新构造活动剧烈,造成岩层褶皱较多，小断层发育强烈，表层风化严重，是导致该地区泥石流灾害频发的主要因素。区内出露的地层主要为中、新生界泥质红层软岩、志留系和泥盆系的页岩、千枚岩、炭质千枚岩、板岩[17]。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 区内拦挡坝分布及现状

甘肃省陇南市武都区是我国主要的泥石流高发区之一。据统计，区内泥石流沟349 条，其中危害大、威胁性高和频发的灾害性泥石流沟264 条，占泥石流沟总数的75.6%。主要密集分布于武都区白龙江干流两岸，北峪河马街以下地段以及勾坝河、福津河等地段[15]，均为暴雨型泥石流。区内大部分泥石流沟处于发展期和旺盛期，暴发频率高，如马槽沟、泥湾沟为武都地区的典型“沟谷型”泥石流，其历史活动非常频繁，1956—2005年期间曾8 次暴发大规模泥石流，造成直接经济损失近亿元，数万居民无家可归[17]。

选取研究区内人口密度高、泥石流致灾危害大的马街镇、汉王镇、城关镇等区域内的15 条泥石流沟进行实地考察，对55 座坝的运行情况和损毁特征进行统计分析，拦挡坝分布如图2 所示。由于图2 篇幅有限，部分拦挡坝未标注出来。

图2 研究区拦挡坝分布Fig.2 Distribution of check dams in the study area

研究区内拦挡坝损毁类型多样化，主要表现为有效性与安全性性能降低。①有效性降低-库容淤积，如燕儿沟2 号坝，见图3（a）；②有效性降低-坝肩边坡失稳，如马槽沟12 号坝，见图3（b）上；③有效性降低-排水孔堵塞，如马槽沟12 号坝，见图3（b）下；④安全性降低-坝基损毁，如马槽沟8 号坝，见图3（c）；⑤安全性降低-坝体损毁，如寨子沟1 号坝，见图3（d）；⑥安全性降低-坝肩损毁，如寨子沟1 号坝，见图3（d）。拦挡坝典型损毁特征如表1 所示。

图3 拦挡坝典型损毁类型Fig.3 Typical damage types in check dams

通过实地考察发现，随着泥石流淤积，导致拦挡坝库容量急剧减少和排水孔堵塞，泥石流冲刷造成坝肩边坡失稳。在所选取的55 座坝中，满库占比62%、半库占比11%、空库占比27%。在泥石流的冲击和掏蚀作用下，导致坝基悬空-坝体倾倒、坝肩受冲击-坝肩损毁。坝肩和坝基损毁率较高，分别为20%和18%，坝体损毁率为11%。

因此，需开展拦挡坝服役性能现状评价，为保证泥石流防治效果，开展后续拦挡坝服役寿命预测，提升服役性能工程措施提供依据。

2 泥石流拦挡坝服役性模糊综合评价模型

模糊数学的隶属度理论[18-19]可把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题。目前，该方法已经在泥石流风险评估中得到大量应用[20-21]。拦挡坝作为泥石流防治的重要手段，导致其服役性能下降因子众多，难以定量综合评价，因此模糊综合评价法非常适用于拦挡坝服役性能的评价。

模糊综合评价模型主要流程为：建立评价因子级U→建立评价集V→构建判断矩阵及权重计算→确定隶属函数→代入函数计算→得出评价结果。

2.1 泥石流单坝服役性能评价

（1）建立评价因子级U

武都区地质结构复杂，又属于泥石流高发区，导致拦挡坝服役能力下降因子较多，可运用层次分析法（AHP）建立层次结构。层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案层次，进行定性和定量分析的决策方法[22]，具有层次分明，逻辑清晰等特点。

基于拦挡坝的设计规范、防灾减灾原理和对研究区实地考察，以“拦挡坝服役性”为目标层，“有效性”为准则层，其中包括“安全性、淤积库容比、坝肩边坡失稳程度、排水孔堵塞程度”，“安全性”为方案层，其中包括“坝体、坝基、坝肩损毁度”，以此建立三层拦挡坝服役性评价体系（图4）。

图4 拦挡坝服役性评价体系Fig.4 Service evaluation system for check dams

拦挡坝安全性是指坝体结构在设计使用期内能够承受泥石流冲刷和块石的撞击，能够保持必要的整体稳定性。坝体结构主要由“坝体、坝基、坝肩”组成，分别以“损毁程度”进行评价，评价因子分别以u1、u2、u3表示，损毁程度越小，坝体越稳定。

拦挡坝有效性是指其设计使用期内能发挥拦蓄、稳定沟床岸坡、排泄泥沙、水流的功能性。由“安全性、拦蓄、稳、排”四部分组成。其中“安全性”评价因子，即u4，安全性起至关重要的作用；“拦蓄”以“淤积库容比”为评价因子，即u5，淤积库容比为泥石流淤积量与设计库容之比，淤积库容比越小则拦蓄能力越大；“稳”以“坝肩边坡失稳程度”为评价因子，即u6，失稳程度越小越稳定；“排”以“排水孔堵塞程度”为评价因子，即u7，堵塞程度越小越通畅。

（2）建立评价集V

参照地质灾害分级分类标准[23]，划分拦挡坝服役性能评价集：V={优（V1），良（V2），中等（V3），差（V4）}，综合诸多学者的研究成果，并结合实际调查情况进行分析，将7 个评价因子进行分级及定量化取值[22]（表2—3）。

表2 拦挡坝服役性能评价因子等级及赋值Table 2 Check dam service performance evaluation factor rating and assignment

表3 评价值的取值依据及定量化取值Table 3 The basis and quantitative values for evaluation values

（3）构建判断矩阵及权重计算

按照评价目标将相关评价指标构建起判断矩阵，并建立起上层对下层的支配关系，将方案层评价因子依次进行两两间的相互比较，引用1～9 的整数及其倒数的标度方法[24-25]，判断矩阵的标度及其含义如表4所示。

表4 判断矩阵标度及其含义Table 4 The scale of judgment matrix and its significance

可得方案层、准则层各影响因素的权重值（表5—6）。

表5 方案层的权重Table 5 Weights at the scheme level

表6 准则层的权重Table 6 Weight at the criterion level

（4）确定隶属函数

基于评价因子数据的分布特征，参考相关学者的使用经验，建立“梯形分布”函数，进行隶属度函数的设计[21]，如下：

式中：xi——各因子实际取值；

ei——评价集的上下限。

（5）应用案例

拦挡坝服役性模糊综合评判计算公式[26]：

式中：O——模糊综合评判集；

W——权重向量；

R——模糊关系矩阵。

将“安全性”和“有效性”记为“A”和“B”，根据定量化取值代入隶属函数计算得到模糊关系矩阵R[25]。计算流程为：先计算方案层“安全性”模糊综合评判集O值，将计算结果带入准则层计算“有效性”，准则层模糊综合评判集即为目标层最终评判值，根据最大隶属度原则，综合评判集中最大值所对应的评价等级为评价结果。

以马槽沟12 号拦挡坝为例，该坝现状分析：坝体表面局部脱落；坝基裸露；右侧坝肩表面脱落，出现轻度裂缝；右侧坝肩边坡出现大面积滑坡，边坡稳定性差；排水孔严重堵塞；库容已淤满。

方案层“安全性”评价因子u1、u2、u3的取值分别为25、15、18。模糊关系矩阵如下：

可得方案层“安全性”模糊综合评判：

准则层“有效性”评价因子u4、u5、u6、u7的取值分别为OA、90、30、90，则准则层的模糊关系矩阵如下：

准则层“有效性”模糊综合评判:

即目标层模糊综合评判矩阵为：

根据最大隶属度原则，综合评判结果集OB中最大值所对应的评价等级为评价结果。即12 号坝中OB值最高为0.440，则其服役性能等级为“差”，评判结果与现场调查相符，该坝现状如图5 所示。

图5 马槽沟12 号坝现状Fig.5 Current state of dam No.12 in Macao gully

由上述计算过程，推广至马槽沟内其余拦挡坝。其余拦挡坝服役性的评价因子实际取值及评判结果如表7 -8 所示。

表7 马槽沟拦挡坝的评价因子实际取值Table 7 Actual values of evaluation factors for check dams in Macao gully

表8 马槽沟拦挡坝服役性评价结果Table 8 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

马槽沟共调查12 座坝，评价结果表明：单坝服役性等级“优”占8.3%，“良”占8.3%，“中等”占25%，“差”占58.3%，多数拦挡坝服役性能已不能达到要求。

2.2 泥石流拦挡坝单沟综合服役性能评价

对于一条泥石流沟而言，其沟内常设置多座拦挡坝。拦挡坝的数量由泥石流冲出总量、泥石流拦排比、拦挡坝设计坝高、回淤纵坡等多参数决定。因此，单沟内拦挡坝的服役性能，应为多座坝体综合服役的结果。因此，为评价多个拦挡坝共同作用下的泥石流沟内整体服役性能，本文对各座单坝增加 “重要性”评价因子，主要从以下3 方面综合考虑：①拦挡坝地理位置重要性：位于泥石流堆积区、流通区、沟口处；②拦挡坝设计库容重要性：根据设计库容大小；③防治重要性：拦挡坝周围居民、建筑物、道路密度等级。重要系数取值依据及定量化取值如表9 所示。单沟综合服役性“评判等级”与单坝服役性一致[27]。

表9 重要系数取值依据及定量化取值Table 9 Basis and quantitative values of important coefficients

拦挡坝单沟综合服役性评判流程：单坝重要系数定量化取值→计算重要系数均值→累加重要系数均值与单坝模糊综合评判矩阵的乘积→单沟服役性模糊综合评判集→得出评判结果。

拦挡坝单沟服役性模糊综合评判[12]公式：

式中：D——拦挡坝单沟模糊综合评判集；

n——重要性评价因子个数；

表10 马槽沟重要系数取值及均值Table 10 The value and mean of the important coefficient of Macao gully

O——单坝模糊综合评判集。

以马槽沟为例，计算拦挡坝单沟综合服役性能评价。

马槽沟拦挡坝单沟服役性模糊综合评判矩阵为：

根据隶属度最大原则，最大值所对应的评价等级为评价结果，马槽沟拦挡坝服役性模糊综合评判最大值为3.709，即服役性等级为“差”，评判结果如图6所示。

图6 马槽沟拦挡坝服役性评价结果Fig.6 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

依据上述方法，分别对研究区余下佛堂沟、桔柑沟等进行综合服役性评价，评判结果如表11 和图7 所示。

表11 武都区拦挡坝单沟综合服役性评价结果Table 11 Comprehensive service evaluation results of single gully check dam in Wudu District

图7 武都区单沟综合服役性评价结果Fig.7 Comprehensive service evaluation results of single gully in Wudu District

研究区所调查的15 条泥石流沟，评价等级占比结果如表12 所示。

表12 泥石流沟道综合服役性评价结果Table 12 Comprehensive service evaluation results of debris flow gully

3 结论

（1）根据武都区15 条泥石流沟中的55 座拦挡坝现场调研和服役性评价，泥石流单坝服役性等级“优”占32.7%，“良”占25.2%，“中等”占7.3%，“差”占34.5%。泥石流拦挡坝单沟综合服役性等级“优”占40%，“良”占20%，“中等”占6.7%，“差”占33.3%。其评判结果与研究区实际调查相符。

（2）泥石流多次冲淤、掏蚀、渗透和坝体自身存在缺陷、保护措施不足、物源量大、泥石流频发等，是导致区内拦挡坝服役性能降低的主要原因。

（3）文章可为拦挡坝服役性能现状分析和服役效果及定量化评价提供可借鉴的依据，为未来进行拦挡坝寿命预测奠定了基础。