舟曲泥石流堰塞壩穩(wěn)定性分析及應(yīng)急預(yù)案研究

王文甫，胡振邦

(1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州450000；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450045)

2010年8月7日晚，甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣城北部山區(qū)突降強降雨，誘發(fā)北面山體發(fā)生特大泥石流，泥石流沖入縣城城南的白龍江，致使河道堵塞嚴(yán)重從而形成泥石流堰塞體，堰塞體最大厚度約12 m，長約1 500 m，總體積約140萬m3。泥石流堰塞形成的堰塞湖給上下游人民生命和財產(chǎn)安全帶來很大威脅，分析堰塞壩穩(wěn)定性，安全快速清除堰塞湖，疏通河道，解除堰塞湖的威脅，對河流上下游人民生命和財產(chǎn)安全具有巨大意義。

根據(jù)國內(nèi)外研究的成果總結(jié)出影響堰塞壩穩(wěn)定性的因素有很多，概括一下分為內(nèi)因和外因。內(nèi)部因素，如Casagli[1]與楊麒麟[2]等針對堰塞湖壩體材料的顆粒級配分析與泥石流的堆積物特征及演變，指出該堆積物是在泥石流及山體崩塌綜合作用下形成，堰塞壩內(nèi)部組成物質(zhì)較差，具有不穩(wěn)定堆積物的典型特征；段啟忠[3]等對堰塞壩體物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征進行了研究，指出地震崩塌體碎石堆積物具有不均勻的結(jié)構(gòu)特征。外部因素指，由于堰塞壩內(nèi)部的物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)構(gòu)造較差，導(dǎo)致一些外力因素如降雨、水位、地震對其穩(wěn)定性影響會倍增，夏仲平[4]指出堰塞湖壩體漫頂溢流破壞時壩體的抗侵蝕能力取決于壩體材料的內(nèi)聚力以及摩擦角。如果壩體是由松散的、密度不高、細(xì)顆粒的或者易液化的細(xì)粒堆積物構(gòu)成，那么壩體抗侵蝕能力較弱。樊赟赟[5]等基于結(jié)構(gòu)兩相阻力分析的泥石流堆積形態(tài)進行研究得出，壩體是由大塊堆積物組成且沒有滲流，即使是陡峭的堆積體，潰壩的可能性也不大。

表1 模型計算參數(shù)(飽和狀態(tài))

本文根據(jù)堰塞壩內(nèi)外因素，運用數(shù)值分析與極限平衡法，結(jié)合對不同水位工況、不同坡比工況與堰塞壩不同含水量工況下的堰塞壩進行穩(wěn)定性研究[6]，根據(jù)研究結(jié)果提出應(yīng)急除險方案。

1 工程地質(zhì)條件

泥石流阻斷白龍江形成的堰塞體，其長度和高度并不是恒定的，長度隨著上流溝道中山洪來水中泥沙沉積而增加，高度在表面水流及爆破、開挖和沖刷下而呈下降趨勢。堰塞體主要位于城江橋至瓦廠橋之間，其最前緣位于城關(guān)橋下游左岸，此外瓦廠橋下游425 m內(nèi)也有泥石流堆積物[7- 8]。舟曲縣城城江橋至瓦廠橋段為泥石流堰塞壩的主體，淤積體大約一半是泥石流形成的，另一半則是三眼峪溝和羅家峪溝泥石流摧毀的沿溝建筑物所形成的。對堰塞體組成物進行直接剪切與三軸剪切試驗，參數(shù)為：凝聚力10 kPa，內(nèi)摩擦角12°，砂卵礫石層的承載力范圍0.35～0.40 MPa，變形模量30～40 MPa，混凝土/砂卵礫石摩擦系數(shù)為0.4～0.45[9-10]。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 計算模型及參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場堰塞體實際情況建立泥石流堰塞壩數(shù)值計算模型，模型中上部堰塞體壩頂長350 m，高12 m，寬100 m；堰塞體下部的砂卵礫石層厚20 m，寬100 m，長550 m。計算時采用正方體單元，共剖分為70 000個單元，86 265個節(jié)點[11-12]。

泥石流堰塞壩的穩(wěn)定性分析共采用2種巖土體材料，即堰塞體和河床砂卵石層，計算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

基本工況K1壩高12 m，上游坡比1∶4，水位9 m，下游坡比1∶3，水位3 m；不同水位工況K2與K3為在工況K1的基礎(chǔ)上將上游水位改為10 m與11 m；不同坡比工況K4為在工況K1的基礎(chǔ)上將上游坡比改為1∶3；不同含水量工況K5與K6為在工況K1的基礎(chǔ)上將壩體含水量改為90%與80%。

2.2 計算結(jié)果分析

位移計算結(jié)果見表2。從表2可以看出，上游邊坡順河流方向位移分布主要在邊坡坡腳至上游水位處，位移大小隨河流走向逐漸減小，變化范圍為10.0～10.9 mm；在下游邊坡位移分布與上游邊坡不同，下游坡腳處位移范圍為1.60～1.61 mm。在上游水位不同的工況下，上游邊坡的位移分布與K1工況類似，位移隨上游水位的增加而增大，但增幅不大。在坡比不同的工況下，上游邊坡位移分布主要在坡腳至上游水位處，隨河流走向逐漸減小，在坡面處位移范圍為12.0～14.0 mm。下游邊坡位移分布在坡腳部分最多，離該處越近其位移值越大，下游坡腳處最大位移為1.60 mm。不同含水量工況下，在坡面最大位移范圍為8.0～8.6 mm。在下游邊坡位移分布主要在坡腳部分，離該處越近其位移值越大，下游坡腳處順河流方向位移為1.20～1.30 mm，不同含水量工況下對其位移影響相對于其他工況的影響程度更大。

表2 位移計算結(jié)果

3 堰塞壩極限平衡法分析

3.1 計算模型及參數(shù)

為了研究舟曲泥石流堵江形成的堰塞壩在各工況下的安全系數(shù)，采用GEOSLOP軟件計算，其計算工況和數(shù)值模擬分析的工況一致。建立舟曲泥石流堰塞壩極限平衡分析模型，壩高12 m，壩頂長350 m，其中下部砂卵礫石層厚20 m，總長為550 m。

3.2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果為，采用摩根斯坦-普萊斯法得到的安全系數(shù)均大于1.0，舟曲縣城“8.8”泥石流堰塞壩在K1、K2、K3、K4、K5、K6工況下上游邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果分別為1.18、1.10、1.08、1.19、1.21、1.25，臨水側(cè)邊坡安全系數(shù)計算條件為計算水位驟降至原來正常水位(由于堰塞體透水性差，假設(shè)水位驟降后浸潤線不變)。

通過分析計算結(jié)果可知，各個工況安全系數(shù)均大于1.0，分析不同水位下K1、K2、K3的安全系數(shù)，上游水位升高邊坡安全系數(shù)降低，但降幅較小，發(fā)生邊坡整體破壞的可能性較小；分析不同坡比下的計算結(jié)果顯示，K4的上游邊坡安全系數(shù)為1.19，與K1相比較差別不大，證明坡比對安全系數(shù)影響不大；最后對比K1、K5、K6工況，在含水量不同的情況下，邊坡的安全系數(shù)隨著含水量百分比的減小上下游的安全系數(shù)增加，由1.18增加到1.21再到1.25，含水量對安全系數(shù)影響較大。

4 應(yīng)急預(yù)案方法

處理堰塞壩方法有很多種，大體分為直接爆破法、降水挖除法和截流阻斷法三類。根據(jù)研究的結(jié)論可以得到，應(yīng)急預(yù)案應(yīng)以降低水位與降低壩體含水量作為突破點，如果使用直接爆破法，舟曲泥石流堰塞體組成主要為淤泥、碎石，同時夾雜了大量房屋、木頭、建筑垃圾等物質(zhì)，該混合物力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，表現(xiàn)為出較強的流動性，爆破后大部分淤泥和碎石又落回原處，使得淤泥和碎石不能有效、快速離開原處，并且所處位置人口稠密，所以不能采用大藥量爆破以防損壞房屋，避免形成二次障礙，爆破法要結(jié)合降水法一起使用。工作分為3個階段：第一階段迅速排除堰塞湖潰決險情，第二階段消除城江橋到瓦廠橋之間的淤堵，第三階段全力消除城江橋上游河段的淤堵[13]。

5 結(jié) 論

本文以舟曲泥石流堵江堰塞壩為研究對象，系統(tǒng)分析了壩體在不同水位、不同坡比、不同含水量等不同工況下堰塞壩的位移分布特征和穩(wěn)定性，計算得出在泥石流堰塞壩不同水位工況下，堰塞壩應(yīng)力和位移分布特征基本類似，應(yīng)力和位移隨水位增加而增大，但增加值不大；該工況下臨水側(cè)邊坡安全系數(shù)均大于1.0，堰塞壩不會發(fā)生整體破壞。堰塞壩在不同坡比工況下，應(yīng)力和位移分布特征類似，位移隨水位增加而變化，但變化范圍較小；2種工況臨水側(cè)邊坡安全系數(shù)變化同樣較小。隨著壩體材料含水量減少，舟曲縣城泥石流堰塞壩應(yīng)力和位移分布特征發(fā)生較大變化，應(yīng)力值增加，但增加范圍較小，最大位移值減少，3種工況下最大位移值分別為28.3、23.1 mm和18.4 mm；臨水側(cè)邊坡安全系數(shù)分別為1.18、1.21和1.25。

根據(jù)研究的結(jié)論，可以得到應(yīng)急預(yù)案應(yīng)以降低水位與降低壩體含水量作為突破點，所以應(yīng)急除險研究認(rèn)為，快速局部爆破瓦廠橋是消除堰塞湖潰決的關(guān)鍵，設(shè)計深4 m、底部寬20 m、側(cè)邊1∶1.5坡比梯形斷面的泄流槽，達(dá)到深槽、窄河、急流目標(biāo)是合適的、可行的，隨著上游堰塞湖水位的緩慢下降，不斷加大泄流槽深度和寬度，對于快速降低堰塞湖的水位是有效的。