泥石流攔擋壩破壞模式及控制對策

丁代坡，閆 俊，張 波

（湖北省地質局第五地質大隊，湖北鄂州436000）

泥石流是山區主要的一種地質災害現象，是一種包含大量泥砂石塊和巨礫的固液氣三相流體。泥石流發生區域一般山坡陡峻，能將勢能轉化為動能，其具有流速快、流量大、破壞力強的特點，在緩坡地帶又會迅速堆積，形成堆積區，成為泥石流受災的主要位置。泥石流的爆發對流域的生態環境、城鎮、附近居民、工礦業、農業、交通、水利、通訊等將造成破壞和影響。此外，泥石流攜帶大量的泥砂進入河道或堵塞江河，給上下游地區帶來巨大危害。

泥石流危害方式主要由預埋、沖刷、撞擊、堵塞、潰決、磨蝕、彎道超高、爬高及擠壓主河道等。與此同時，在已經治理的溝域，泥石流往往對已經設置的攔擋壩體也會造成不同程度的破壞，影響攔擋壩的使用壽命和攔擋效果，這是泥石流治理普遍存在的難題。因此，本文將泥石流攔擋壩作為研究對象，采用調查統計方法，結合搜集資料，實地對已建在運行的攔擋壩進行調查，分析其破損特征和原因，總結攔擋壩的破壞模式，研究控制攔擋壩免受破損，盡可能延長其使用壽命，為攔擋壩的運營、維護提供指導，也為今后泥石流攔擋壩的設計提供參考依據。

1 泥石流攔擋壩破壞模式的調查統計

1.1 泥石流攔擋壩破壞調查方法

對泥石流溝攔擋壩采用現場調查的方法，通過搜集資料獲取攔擋壩坐標，采用RTK 對攔擋壩高程、尺寸進行現場量測，通過相機對攔擋壩破損情況進行典型照片獲取；對于已經堵塞無法到達的攔擋壩，通過無人機進行跟進拍攝，獲取攔擋壩數據。

1.2 攔擋壩所處溝域特征

本次主要調查30條泥石流溝51座壩，均為暴雨型泥石流溝，規模主要為中小型，其中，稀性泥石流18條，粘性泥石流12條；高易發性泥石流9條，中易發性泥石流16條，低易發泥石流5條，調查泥石流溝主要參數如表1所示。

1.3 攔擋壩布設位置及特征

根據調查數據，攔擋壩主要布設于溝道中下游，溝道形態多呈“V”字型，溝道切割較深，壩體布設位置處溝道多為碎石土或卵礫石土，兩側岸坡多為基巖或碎石土。壩體布設位置溝道特征主要包括以下幾種：①兩側均為基巖出露，基礎為碎石土或卵礫石土；②其中一側為基巖，另一側為碎石土，基礎為碎石土或卵礫石土；③兩側均為碎石土，基礎為碎石土或卵礫石土；其典型地質斷面可歸納為如圖1所示。

結合所調研的攔擋壩的壩肩、壩基的地層地質特征情況，統計得到泥石流攔擋壩的壩基基礎與壩肩的地質條件統計分布如表2所示。

1.4 攔擋壩結構特征

統計的破壞泥石流攔擋壩樣本中各泥石流攔擋壩類型的數量比例，其中，漿砌塊石攔擋壩26座，混凝土壩16座，鋼筋混凝土壩為5座，格柵壩3座。說明目前在運營泥石流攔擋壩中，漿砌塊石壩破壞最多，其次為混凝土壩。格柵壩在泥石流治理中使用率較少，因此破壞數量很少；調查區域攔擋壩類型和數量統計如圖2所示。

表1 調查泥石流溝主要參數統計表

表2 攔擋壩壩肩、壩基地質條件統計

圖2 調查區攔擋壩類型及數量圖

2 攔擋壩破壞模式

根據調查的51 座攔擋壩及破損情況，可將攔擋壩主要破損按照破損部位分為以下幾種模式：壩基掏蝕、壩肩沖蝕、溢流口磨蝕、壩身沖毀。根據調查統計的數據，同一壩體有多處破損的重復統計，統計結果為，壩基掏蝕13 處，壩肩沖蝕破壞18 處，溢流口磨蝕破壞15處，壩身沖毀5 處，調查攔擋壩破壞形式統計如表3 所示。

表3 攔擋壩破壞形式統計

3 統計分析

通過調查統計，攔擋壩的破壞主要與壩址所處溝道位置、壩體采用材料、壩基條件、壩肩嵌入條件、泥石流溝道特征等聯系較密。

3.1 攔擋壩址所處溝道位置的影響分析

泥石流攔擋壩位置設置是否合理，攔擋是否有效的關鍵，因為攔擋壩所處溝道不同位置，泥石流過流斷面面積、流速、流量等均不同，對攔擋壩的沖擊情況差別較大；同時，壩址位置是否合理也主要靠所處位置的基礎條件、壩肩條件、坡降情況所決定。

通過參照泥石流攔擋壩設計的原則，對51 座壩進行實地調查攔擋壩的選址合理性，其中，壩址選擇合理的為30 座，占調查總數的58.8%，基本合理的為17 座，占調查總數的33.3%，不合理的為4 座，占調查總數的7.8%；調查所得攔擋壩壩址選擇合理性統計如圖3 所示。

圖3 壩址選擇合理性的調查統計表

通過對破損壩體的破損分析可知，壩址合理的攔擋壩僅為一定程度的溢流口磨蝕，壩基與壩肩基本完好，破損概率僅為23%；基本合理的攔擋壩主要為壩基礎的滲水及壩肩的局部損壞，破損概率上升至37%；而壩址選擇不合理的攔擋壩破損明顯，主要表現為壩基被掏蝕出大坑，壩肩沖蝕破壞嚴重，壩體開裂或者沖毀，破損概率100%。由此可以看出，壩址的選擇是攔擋壩設計至關重要的一步，好的選址為設計提供了質量保障。

3.2 攔擋壩體所用材料的影響分析

攔擋壩所用材料調查結果如表4所示，調查結果顯示，混凝土材料是攔擋壩主要采用的材料，占有率較高。

通過對破損壩體的材料類型分析，漿砌石攔擋壩的破損概率達到了50%，主要為壩基的掏蝕破壞、壩肩的沖擊破壞和溢流口的嚴重磨蝕破壞；混凝土攔擋壩的破損率達到41%，主要表現為壩基被掏蝕、溢流口磨蝕較嚴重；鋼筋砼壩的破損概率僅占9%，主要為壩基的掏蝕破壞和滲透破壞。

表4 攔擋壩材料調查統計

3.3 攔擋壩基礎條件的影響分析

根據調查結果，29 座壩基礎完全坐落于卵礫石和碎石土上，20 座攔擋壩壩基部分處于基巖上部分處于卵礫石上，2 座壩壩基完全處于基巖上。而且，根據攔擋壩的破損情況，壩基為主要的破壞部位，是壩體運行階段主要存在的破損模式。

通過不同壩基的破損情況，29 座壩處于碎石土地基上，有24 座壩的壩基出現掏蝕破壞，占比82.8%；20座攔擋壩壩基處于碎石土和基巖上，其中的13座壩基出現壩基掏蝕破壞，占比65%；2 座壩基處于基巖上的攔擋壩基礎均為出現掏蝕破壞。由此可知，攔擋壩壩基如果完全處于碎石土地基上，并且未對地基進行處理和防沖蝕措施，壩基被掏蝕的可能性較大，其次是基礎部分處于基巖部分處于碎石土，當基礎完全處于基巖上時，壩基基本未破壞。調查攔擋壩壩基條件與損壞情況統計如圖4所示。

圖4 壩基條件與損壞情況統計

3.4 壩肩嵌入條件的影響分析

調查結果中，26座壩的左肩嵌入在碎石土里，25座壩的左壩肩嵌入在基巖里；33 座壩的右壩肩嵌入在碎石土里，18座壩的壩肩嵌入在碎石土里。而且，根據攔擋壩的破損情況，壩肩主要為泥石流沖蝕的破損和開裂，壩肩遭到撞擊發生懸空，也是攔擋壩壩體運行階段主要存在的破損模式。

通過不同壩肩的破損情況，26 座壩壩肩嵌入碎石土里，有22 座壩的壩肩出現沖蝕破壞，占比84.6%；25座攔擋壩壩肩嵌入基巖里，其中的12 座壩壩肩發生沖蝕破壞，占比48%。由此可知，攔擋壩壩肩如果完全處于碎石土地基上，壩肩被沖蝕破壞的可能性較大，當壩肩完全嵌入于基巖上時，壩肩完整性較好。調查所得攔擋壩壩肩條件與損壞情況統計如圖5所示。

圖5 壩肩條件與損壞情況統計

3.5 泥石流溝道特征的影響分析

泥石流溝道特征對泥石流性質、爆發規模和易發性的程度影響較大。通過對30條泥石流溝的調查，攔擋壩發生破損較嚴重的溝道中，粘性泥石流19條，占比63.3%，比稀性泥石流占比略大；稀性泥石流溝道中攔擋壩的破損概率約50%，大多為局部破損，修補后仍能正常使用。規模大的泥石流溝道對攔擋壩的破損概率達到了100%，規模中等的溝道對攔擋壩的破損概率也在85%以上，其破損程度幾乎和規模大的溝道一樣，規模小的泥石流溝道對攔擋壩的破損概率為30%，其破損程度小，容易修復使用。

4 攔擋壩破損控制措施研究

4.1 加深對泥石流溝的調查

攔擋壩的設計是在對泥石流溝道勘查的基礎上完成的，攔擋壩的設計參數需要在對泥石流溝道的充分準確調查后進行選取和確定。攔擋壩的設計過程中，涉及的參數和影響的因素較多，參數選取和計算比較復雜、困難，需要在調查的基礎上，借助地方經驗公式和方法共同完成，要求設計人員經驗豐富且對一些量化指標要有較深的認識和理解。由于不同技術人員對同一泥石流的認識程度差別較大，因此，泥石流攔擋壩的設計往往會較為保守，造成浪費，或設計過于欠缺，達不到攔擋的效果和治理的目的。

4.2 加強壩體的設計優化

攔擋壩壩體的設計需要根據溝道的特征和泥石流參數來確定，特別是攔擋壩壩基和壩肩的結構設計是否合理，很大程度上決定壩體結構設計的合理和堅固；如果壩基為卵礫石土且滲透系數較大，地基承載力及泥石流流速和沖擊力不能滿足設計要求，攔擋壩將很容易遭到基礎掏蝕破壞，對攔擋壩的穩固造成嚴重影響。

對于攔擋壩的壩肩，如果未嵌入基巖，且泥石流為大規模，大塊石對壩肩及壩體的沖擊破壞將較嚴重，且壩肩在泥石流爆發后容易發生懸空破壞。因此，壩肩的嵌固設計較為重要，要根據擬設攔擋壩的地質斷面進行優化細化設計，以達到合理的有效設計。

4.3 新型耐磨材料的使用

攔擋壩的破損另外一種常見形式是磨損破壞，特別是溢流口的磨蝕，往往較常見，因為溢流口作為泥石流溝道過流的主要途徑，常常經過水石流或泥石流的沖刷，久而久之對溢流口的磨損較為嚴重。因此，采用新型耐磨材料對攔擋壩壩體或溢流口進行耐磨設計，增加壩體和溢流口的耐磨性，對增加攔擋壩的使用壽命和攔擋效果有很大幫助。

4.4 防護工程的配套設計

對于攔擋壩的輔助設計，護坦工程對于攔擋壩也是至關重要的，好的護坦工程配套，能夠較好地對攔擋壩基礎進行防護，達到消能作用，減少泥石流或洪水對基礎的沖擊。因此，護坦采用哪種材料，設置多長的護坦長度，對于攔擋壩基礎的保護來說，是十分關鍵和重要的。