梯級肋檻—樁基組合結構在泥石流攔砂壩下防護中的應用

薛莉云，賀模紅，葉勝華

梯級肋檻—樁基組合結構在泥石流攔砂壩下防護中的應用

薛莉云，賀模紅，葉勝華

（四川省地礦局九0九水文地質工程地質隊，四川 綿陽 621000)

攔砂壩是泥石流防治體系中的骨干工程，發揮著攔砂節流、穩坡固床等重要作用。“5·12”汶川地震后，震區泥石流災害頻發，攔擋壩下消能防沖工程被沖蝕破壞屢見不鮮，嚴重危及主壩安全，壩下強烈沖蝕是普遍而又嚴重的問題。通過對北川青林溝泥石流1#攔砂壩（主壩）下護坦、副壩等消能防沖工程多次損毀特征、破壞原因分析，探索和實施了多層護坦、梯級肋檻、組合樁基深垂裙等多種壩下防沖消能工程措施。實踐證明：對于高頻率、深沖刷、大流量、高流速、多石塊的泥石流，采用軟基梯級肋檻-樁基垂裙復合型壩下消能防沖工程結構能有效保護主壩基的安全，可在類似泥石流攔砂壩下防護中應用。

泥石流；復合型消能防沖；梯級肋檻；樁基垂裙；青林溝

本文在分析青林溝泥石流1#攔砂壩（主壩）壩下消能防沖工程歷年破壞特征及原因的基礎上，總結多次失敗和成功經驗，經過方案論證、設計、改進等階段，實施了軟基梯級肋檻—樁基垂裙復合型壩下消能防沖工程，歷經多次較大規模泥石流檢驗，壩下消能防沖效果較好，有效保護主壩體的安全。

1 泥石流基本特征及防治工程實施概況

1.1 泥石流溝域特征

陳家壩鄉青林溝為都壩河右岸一級支溝，常年流水，流量變化大。流域面積23.6km2，主溝長9.9km，發育高程660～1730m，相對高差1070m，平均縱比降108‰。為侵蝕溶蝕低中山地貌區，以茂縣群千枚巖、板巖為主，部分為砂巖，灰巖。龍門山斷裂帶北川逆沖斷層從陳家壩鄉場鎮北西側青林溝溝口通過，“5·12”地震誘發山體形成H1滑坡（青林滑坡）方量約1100×104m3，下滑后堵塞溝道，形成青林溝堰塞湖，最大庫容200萬m3，最大水深70m（圖1）。區內溝谷發育，多呈“V”型，受沖刷側蝕較強，易誘發斜坡前部滑塌，溝口段逐漸呈“U”型寬谷，淤積大量較厚泥石流堆積物。

1.2 泥石流特點

（1）物源極為豐富，暴發規模大：主要為溝道侵蝕、滑坡堆積體、崩坡積堆積體物源（李安潤等，2019），活動特點是溝道侵蝕、搬運，溝口寬緩處停淤為主，溝內固體物源總方量1331.64×104m3，H1滑坡（青林滑坡）占總物源儲量82.6%，動儲量300.11×104m3（2017年）。2008年“9·24”泥石流一次沖出固體物質總量80.5×104m3，之后多次暴發泥石流災害，暴發規模大。

（2）流域面積大，洪峰流量高：青林溝流域面積23.6km2，計算20年一遇暴雨洪峰流量368.00m3/s。青林溝堰塞湖已發生2次較大規模溢流沖刷、漫頂潰堤，堰塞湖潰決峰值流量急劇上升達888m3/s，對泥石流防治工程影響巨大。

（3）降雨量大，暴發頻率高：青林溝位于鹿頭山暴雨區，年平均降雨量1440mm，1h最大降雨量78mm（2008年），最大連續24h降水量467.5mm（2020年）；地震后每年雨季均爆發不同規模泥石流。

（4）破壞力強，危險性大：地震后松散堆積體抬高溝床，在堆積體上設置固源攔擋工程，改變了原有溝道縱坡降，使壩位水力梯度增加，局部流速最大可達9m/s，高含砂礫及碎、塊石對攔擋壩及壩下沖擊、沖蝕非常劇烈，最大沖刷深度達7.0m（2018年7月），多次造成新建及修復1#攔擋工程及壩下防沖工程強烈破壞，嚴重威脅現陳家壩老場鎮610戶2135人的生命財產和105省道跨都壩河大橋安全，潛在經濟損失1.22億，危險性為特大型。

1.3 防治工程實施概況

青林溝泥石流防治工程歷經數年治理和修復，主要有1#攔擋壩（主壩）（2010.6）及其壩下副壩防沖工程（3#攔擋壩）（2013.5）、一級軟基梯級肋檻-樁基垂裙（2014.5—2015.5）、二級軟基梯級肋檻-樁基垂裙（2019.4），下游溝口聚居區2#攔擋壩（2010.6）、導流堤（2013.5）等工程措施（圖1）。

圖1 防治工程分布圖

2 消能防沖工程破壞特征及原因分析

2.1 消能防沖工程破壞特征

2010年6月主體治理工程1#攔擋壩和2#攔擋壩治理工程基本完成。2010年經歷“8·12”、“8·17”特大暴雨后，壩下掏蝕深8m。應急搶險工程采用鋼筋籠、鋼絲籠壩下充填沖蝕坑防沖，汛期后修復設計為C20片石砼防沖，坡比1∶0.75，下游采用鋼軌排護坦；2011年經歷“7·24”、“8·17”特大暴雨后，護坡沖毀，砸毀鋼軌，應急采用8mm厚鋼板；2012年“8·17”泥石流，原堰塞湖溢流口發生潰壩，潰口洪峰流量可達474.0m3/s；潰壩洪水與上游來水洪峰（414m3/s）疊加后，溝道洪峰流量達到888.0m3/s，泥石流體沖擊作用極大，在1#攔擋壩處浪擊高度達4～5m。沖毀壩下防沖鋼板設施、右側壩肩，壩基滲透變形導致左側壩后基礎懸空，安全隱患嚴重，基本失去防護功能；

2012年“8·17”降雨，導致主壩1#攔砂壩基礎掏蝕嚴重（圖2），常規壩下護坦措施無效后，汛期后在1#攔砂壩下游100m處新建3#攔擋壩（副壩8m）回淤防沖，采用筏板基礎，壩下設置C20砼護坦護底，同時面層鋪放大塊石防沖刷處理。2013年“7·10”降雨，1#攔擋壩溢流口頂部沖刷剝蝕嚴重（圖3），剝蝕深度最大達1.8m，3#攔擋壩（副壩）右側壩肩被沖毀，沖毀深度4.6m，長度18m，水流沖刷壩下鋼繩石籠前部基礎，局部掏蝕深度達4.6m。副壩內溝道物質未回淤（圖4、圖5），繼續造成主壩體壩基掏蝕。汛后設置兩排樁林，A排樁林樁徑1m，樁間距2.5m,樁長12m，錨固段6m，共28根，樁頂設置冠梁，樁前采用鋼繩石籠回填，樁林間采用塊石回填至B樁林樁頂；B樁林樁徑1m，樁間距2.5m,樁長14m，錨固段10m,共26根，呈梅花型布置，上下排距5.0m；樁前先鋪設10m長的C15砼護坦，厚度1.5m，護坦前緣再鋪設鋼繩石籠。

圖2 2012年“8.17”1#主壩基礎掏蝕

圖3 2013年“7.10”1#主壩下未回淤

圖4 2013年“7.10”副壩破壞未回淤

圖5 2013年“7.10”右壩肩破壞

2014年“7·30”降雨，致使3#攔擋壩下鋼繩石籠網基礎嚴重掏蝕、毀壞，局部淘蝕深度達5.6m，威脅副壩安全，汛后副壩與樁林間設置軟基梯級肋檻消能防沖，歷經3個雨季，防沖效果較好。2018年“6·25”“7·11”堰塞湖潰決，1#主壩和副壩基礎完好，但最前緣樁林下混凝土護坦損毀（圖6），樁前沖刷侵蝕深度4～6m，樁間回填防沖塊石掏空（圖7），防沖肋檻群最前一段掏空，樁后第一條肋檻左側局部斷落，斷落長度25.5 m，段落段左端頭距離7.7m。樁林壩前下切高度6～7m，下游溝道下切深度3～4m，溝道中下切最深位置達到14m。2020年洪水沖刷，致使已建梯級肋檻磨蝕嚴重，新建樁基垂裙局部掏蝕深度2.0m，整體穩定性較好。

圖6 2018年“7.11”前緣肋檻掏蝕

圖7 2018年“7.11”樁林下掏蝕

2.2 消能防沖工程破壞原因分析

（1）水動力強大：鹿頭山暴雨區，雨量豐沛，雨強值大，暴雨型泥石流和潰決型洪水，在時間和空間上交替、疊加瞬時流量大，瞬時流速快，攔擋結構浪高4～5m，大塊石沖擊力638KN，整體沖壓力115kPa，一般結構體難以承受，壩體破壞，壩下掏蝕時有發生。

（2）攔擋后的壩下消能措施不足：泥石流或山洪從壩頂高處跌落后轉化為具有強大動能的流體，壩下掏蝕作用強烈，掏蝕坑外溝道也被侵蝕下切。采用單一消能措施如護坦、副壩已不能奏效，主壩下剛性護坦直接被砸毀或沖毀、副壩不能及時回淤、副壩下游設置護坦后又被砸毀，溝道強烈下切，副壩安全又受到威脅。

（3）護坦前垂裙部位埋深不足：泥石流局部流速大，壩下沖蝕下切深度6～7m，前緣垂裙埋深不足，沖毀后牽塌護坦，掏蝕壩基，下切深度遠超過常規垂裙設計埋深，一般埋深3～5m的圬工結構不能滿足自身在溝道下切后的穩定性。

（4）部分消能防沖工程存在缺陷：作為回淤之用的樁林壩，上下排樁間距5m，間距過大，不能攔截細顆粒形成回淤防沖區；樁林與副壩間距過大，區間縱坡達到200‰，而溝道平均縱坡僅為80‰，壩下防沖的鋼繩石籠被沖毀掏蝕是必然。

3 梯級肋檻—樁基垂裙結構分析及應用

3.1 方案論證

泥石流過壩的消能原理是：通過流體之間或流體與溝床堆積物之間的互相沖擊、沖刷、紊動、攪拌和磨蝕等作用使流體減速、消能（周必凡等，1991）。根據周必凡、吳積善（吳積善等，1993；蔣忠信，2014）等人研究，泥石流壩下消能防沖工程常用有：護坦、潛檻、副壩及其綜合。水利工程主要采用的防沖工程有：水墊塘消能防沖（壩下），四面體砼塊消能防沖（岸坡）等。

針對青林溝泥石流破壞情況：1#攔擋壩（主壩）下2010年掏蝕8m深度，后重建鋼軌排護坦，2011年又被砸毀；后又重鋪8mm厚鋼板，2012年也被砸彎沖毀，2013年再增副壩回淤防沖，但2013年 “7·10”泥石流又未回淤，壩基仍受沖蝕（唐川和梁京濤，2008；許強，2010），2014年再增1#樁林壩回淤防沖，但2014年降雨樁林壩內未回淤，回填鋼繩石籠被沖走，壩基被掏蝕，2015年在副壩與樁林之間設置軟基梯級肋檻消能防沖，利用樁林作為深垂裙，安全度過3個汛期，但2018年“6·25”堰塞湖潰決，樁林出露一半，樁間大塊石及堆積體完全沖蝕，最下一級肋坎部分掏空，失去部分消能防沖功能。

根據該溝泥石流破壞特征及破壞原因分析（齊得旭等，2018；鄭志山等，2019；蔡紅剛，2012），對壩下整體護坦，回淤副壩，單一肋檻，四面體砼塊，水墊塘等5種常規壩下消能防沖方案對比分析（表1），已建工程實踐證明：單一的壩下防沖方案均不可行。因此，常規的消能防沖工程已經不能滿足該溝強大水動力或泥石流作用，探索一種復合型壩下消能防沖結構非常必要。

表1 常規壩下防沖工程對比分析表

2014年“7·30”降雨后，調查副壩下游掏蝕情況分析，雖然壩下沖刷強烈，但3#攔擋壩前緣樁林基本未受損害，可發揮其抗滑和抗沖刷穩定性功能。結合工程實際，可依據樁基的穩定性和其他固床消能工程形成復合型壩下消能防沖方案。充分利用既有樁林壩，結合水利工程水墊塘防沖理念，軟基梯級肋檻消能（漆力健等，2014；王兆印等，2012），部分肋檻間設置縱向支撐梁，增加整體穩定性，樁林壩作為深垂裙的思路，采用多級肋檻進行逐級消能固床防沖，達到坡降減緩的目的。軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩下防沖工程體系作為創新復合型壩下防沖結構應用于泥石流防治工程中。

3.2 設計及改進

2014年修復加固工程，軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩下防沖結構（圖8）副壩與樁林間長度65m，縱坡達200‰，首先在副壩下游設置兩級消能池，大塊石部分充填，單級長度6m，下游設置8道肋檻群，最下一級采用潛壩形式加強整體穩定，肋距6.0～7.0m，肋間充填大塊石（直徑不小于0.5m），基礎埋深3.0m，形成單級100‰梯級縱坡，發揮其多級軟基消能功效。沖刷能量降低后，前緣樁基作為最后一道屏障，也是沖刷下切后保持壩體穩定的最重要的防護工程，因此達到2倍最大局部沖刷深度樁長為12～14m，樁頂冠梁銜接。

圖8 兩級軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩下防沖工程結構

正常運行安全度過3個汛期，2018年暴發“7.11”泥石流，導致軟基梯級肋檻前緣樁林壩下溝道強烈下蝕護坦懸空6m，樁林出露一半，樁間堆積體完全沖蝕，回淤防沖功能失去，但經調查分析發現：軟基梯級消能肋檻僅最前緣接觸樁林處部分掏空，其余多道大塊石充填的梯級消能肋檻穩固，僅表部出露部分磨蝕較為強烈，發揮了較好消能作用，前緣樁基雖然掏蝕強烈，但聯排樁林埋置較深，完整性較好，尚可發揮一定樁基深垂裙的抗沖刷掏蝕作用。據此，2018年損毀后壩下防沖消能工程根據前期經驗改進設計，重點調整了樁基垂裙的設計，成為第二級軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩下防沖結構（圖8），原有沖空樁林采用承臺澆筑形成整體壩體，端部設置兩排樁基垂裙，樁中心距減小為2.0m梅花形布置，樁長14m，樁頂冠梁連接，頂部伸出1.0m作為大塊石回填的端墻，樁下鋪填大塊石防沖。改進后的防沖結構，成功抵擋了2020年5次大暴雨暴發的泥石流災害，局部沖刷深度最大也達2.0m（圖9、圖10）。

3.3 設計應用要點

“軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩”主要由壩下鋪底（水墊塘）、梯級肋檻群、大塊石回填肋間、組合樁基等幾部分構成，設計要點：

（1）壩下沖刷坑區域采用護坦上回填大塊石，前緣為出露地面的肋檻，形成軟基消能池，長度按坑底與壩頂1～2倍，作為第一道主要消能屏障，必要時布置鋼筋。

（2）根據總體縱坡降，肋檻沖刷深度，確定基礎埋深、上下肋檻間距、高差，沖刷深度可按伏谷伊一公式（蔣忠信，2014）計算確定，基礎可適當加深，達到肋檻群之間起到回淤壓腳的作用。肋間采用大塊石回填，形成梯級緩坡，軟基消能，最下游一道肋加強設置可為梯形，其余肋為矩形，溝道較寬可設置豎向支撐梁增加整體穩定性。

（3）組合樁基設計可根據最大降雨及泥石流沖刷下游最大沖刷深度為依據進行，也可在沖刷深度計算公式基礎上加安全儲備深度，長度應以地面為基準，大于2倍局部最大沖刷深度。可單排亦可雙排梅花形布設，樁頂應設置冠梁，增加整體穩定性，樁間距不能過寬，易引起水流沖蝕樁間堆積的松散體。

圖9 壩下消能工程側面圖（2020.10）

圖10 壩下消能工程立面圖（2020.10）

（4）加強壩體揚壓力和滲透變形分析，根據前期壩體穩定性檢算和各種工況下對壩體作用力檢算，分析揚壓力對壩體整體穩定性影響；壩基滲透變形驗算，確保壩體不會滲透變形破壞以及壩下防護工程結構不會因壩基滲透變形和表部沖刷疊加破壞。

4 結語

（1）青林溝泥石流受地震形成特大型滑坡堵塞溝道影響，形成1處堰塞湖多次潰決，溝道內松散固體物質豐富，鹿頭山暴雨區，泥石流頻發，嚴重威脅下游陳家壩老場鎮安全。

（2）青林溝2010年修建防治工程，在多次泥石流的暴發中起到了一定防護作用，減小泥石流對場鎮危害。防治工程已運行十年，投入較大資金，防治效果一般。主要問題在于多次損毀1#攔擋壩（主壩）及后期修建穩固壩基的副壩、護坦、鋼繩石籠、樁林等工程，搶險、修復加固后再次被損毀，陷入壩下沖蝕破壞—修復加固—沖蝕破壞的循環。解決壩基穩定、壩下消能防沖問題是青林溝泥石流防治的關鍵。

（3）分析青林溝泥石流破壞特征和破壞原因，對5種常規壩下消能防沖方案對比分析：單一壩下消能防沖方案不可行。采用軟基梯級肋檻—樁基垂裙壩下防沖組合結構可作為一種復合型壩下消能防沖措施，2020年5次大暴雨暴發的泥石流災害，局部沖刷深度最大也達2.0m。對于高頻率、深沖刷、大流量、高流速、多石塊等特征的泥石流攔擋壩及壩下防沖消能工程，還需重新審視攔擋工程及附屬防護工程設計中，適應泥石流（潰決泥石流）、洪水二種水力狀態對工程的作用。應用水工建筑設計要求，對攔擋工程及附屬防護工程布局、設計進行完善與提升。

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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，四川綿陽人，工程師，主要從事地質災害防治、巖土工程勘察設計