新型悬挑式泥石流网格格栅坝及其应用

刘建兵，侯利峰

(1.江西省地质环境监测总站，江西南昌 330095;2.四川省地质矿产开发局九一五水文地质工程地质队，四川眉山 620010)

0 引言

泥石流具有突发性、破坏性，在防治工程中，多采用实体坝，但以水流为主的泥石流(即水石流)采用实体坝，存在较多的问题，极易产生溢流过坝，使拦挡坝失去效用，并且建造实体坝所需费用较高。针对此类泥石流的特性，宜采用格栅坝，格栅坝拦蓄泥石流中粗大颗粒，排走泥沙、细砾和流体中的自由水，使进入坝库的泥石流很快被疏干，达到水土分离。泥石流停淤固结之后，格栅和坝体受力减小，安全性增加［1］。格栅坝不仅能拦蓄大量的泥沙、石块，而且能起到调解泥沙的效果，与实体重力坝相比，它具有受力条件好、节省材料、施工方便，拦石排水效果好，利于库坝维护管理等优点［2］。

格栅坝是一种节省材料、稳定性很高的拦挡结构，使用范围越来越广，但是目前尚无成熟的格栅坝设计方法［3］。本文根据实际工程，参考已有格栅坝的设计原理，结合泥石流特性、工程场地便利条件和地质条件等因素，推出一种新型的格栅坝体类型——悬挑式网格格栅坝。

1 理论设计

网格格栅坝一般有刚性格栅坝和柔性格栅坝之分，悬挑式网格格栅坝其网格格栅均可采用刚性材料和柔性材料，网格格栅的材质不同对本研究无影响。传统的格栅坝结构由固定梁、格栅和基础组成，悬挑式网格格栅坝结构特征与传统网格格栅坝有明显不同(图1)，其中挑栅和弹性拉索是悬挑式网格格栅坝体的重要组成部分，也是关键设计部分，本文着重对挑栅和弹性拉索的设计研究。悬挑式网格格栅坝的设计主要从以下几个方面进行。

图1 悬挑式格栅坝立体图Fig.1 Graphic model of Jettied crib dam

1.1 坝体基本尺寸

根据设计库容和工程场地确定坝体基本框架，如坝体高(Hd)、坝底长(a)、坝底宽(L)、坝顶长(a2)、坝顶宽(B)和格栅规格(b×b)。其中坝体高(Hd)、坝底宽(L)、坝顶长(a2)和格栅规格(b×b)可依据DZ/T0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》提出的公式计算［4］，坝底长(a)和坝顶宽(B)则需进行公式推导。

①坝高计算公式:

式中:Hd——格栅坝高度(m);

Hm——泥石流最大龙头高(m);

ΔH——泥石流的冲起高度(m);

HL——泥石流的淤积厚度(m)。

②格栅规格关系计算公式:

式中:b——格栅网格宽度(m)，一般网格为正方形;

Dm——沟床质最大粒径(m)。

③坝底宽计算公式:

式中:L——坝底宽度(m);

Hd——格栅坝高度(m)。

④坝底长计算公式:

依据图2坝体纵断面基本尺寸示意图所示。

图2 坝体纵断面基本尺寸示意图Fig.2 Longitudinal section basic size of Jettied crib dam body

式中:a——坝底长度(m);

Hd——格栅坝高度(m);

a2——坝顶长度(m)，一般取 1.0 ～1.5m;

α1——坝迎水面坡度，一般取 60°;

β2——坝背水面坡度，一般取 45°。

则:

⑤坝顶宽计算公式:

依据图3坝体横断面基本尺寸示意图所示。

其中:b1=L1·cosα，b2=L2·cosβ，则:

式中:B——坝顶宽度(m);

图3 坝体横断面基本尺寸示意图Fig.3 Transverse section basic size of Jettied crib dam body

L1、L2——两岸坡长(m);

α2、β2——两岸坡度(°)。

1.2 挑栅设计

挑栅的合理设计是格栅坝运行效能的有力保障，是整个格栅坝的关键技术因素，也是区别于传统格栅坝的重要组成部分，所以其设计思路和方法有别于传统格栅坝。

工程设计时主要确定挑臂(l)、挑度(α3)和挑距(a4)的设计参数。首先对此三个参数的技术释义，挑臂(l)是可挑起的格栅的长度，即活动格栅;挑度(α3)是挑栅从原始状态经泥石流冲击闭合后运动轨迹的弧度;挑距(a4)是原始状态下挑栅与闭合接触底平面的垂直距离。以下就挑栅的主要技术参数进行论证和其计算公式推导。

①挑臂(l)的确定:

挑臂应大于河流沟谷正常的最高水位高度，并且小于或等于泥石流最小龙头高度，即:

一般应高于正常的河流沟谷最高水位0.5m，低于泥石流最小龙头高度0.5m，即:

式中:l——挑臂长度(m);

Hi——泥石流最小龙头高度(m);

Hj——正常的河流沟谷最高水位高度(m)。

②挑距(a4)的确定:

依据图4挑栅尺寸设计示意图所示。

根据直角三角形勾股定理，得:

其中:a1=l·sinα2，则:

代入式(13)得:

图4 挑栅尺寸设计示意图Fig.4 Jettied crib size diagram

经计算得出下式:

1.3 拉索弹性形变量确定

挑栅在泥石流龙头的冲击作用下，其作用力达到使弹性拉索产生拉伸变形时，泥石流龙头的冲击力继续作用于挑栅，使其弹性拉索继续伸展至挑栅闭合。我们称之为这个作用于挑栅拉拽弹性拉索的力为闭合力，即使其挑栅闭合的力，该作用力是不断运动的力;而弹性拉索在挑栅拉力作用下产生变形的大小称之为形变量。根据胡克定律求出的所需弹性拉索的弹性模量，从而选取具备该力学要素的弹性拉索。

①闭合力的确定:

闭合力即为泥石流龙头冲压力，泥石流龙头冲压力可依据DZ/T0239—2004《泥石流灾害防治工程设计规范》提出的公式计算［4］:

其中泥石流流速可采用铁二院推荐的稀性泥石流流速测算公式［5］:

②闭合力与拉索弹性形变量的关系:

拉索屈服条件在弹性极限变形条件以内，即可恢复至原始状态，作用于挑栅的闭合力的大小与拉索拉伸变形成正比例关系，可依据胡克定律［6］:

其中拉索形变量△H是拉索初始状态至挑栅闭合后拉索的伸展长度，可在挑栅尺寸设计时计算得出拉索形变量△H的实值;作用于挑栅的闭合力Fg，可依据公式(17)计算确定。各种材质的拉索其变形系数(k)不同，根据下式可计算出k值，k值即为弹性模量。

拉索的k值受各种因素影响，比如材质(分子或原子排列不同)、形状、粗细、热效应等，一般选用可逆形变的高弹性聚合物材料(如高弹性的蹦极用橡胶绳)。

1.4 坝体稳定性分析

悬挑式网格格栅坝自重较轻，泥石流的推动力较轻易推动格栅坝体位移变形，使其失去对泥石流防治的效用，所以其坝体的稳固尤为重要，关系到悬挑式格栅坝的安全运行。其变形破坏主要受格栅材质影响，一般选用工程力学性质好的材料均可避免变形的发生，本文不作进步研究。坝体稳定主要受坝体与坡岸的锚固程度有直接的影响关系。目前该类坝型一般采用钢筋混凝土格构+预应力锚杆(索)的锚固措施。

钢筋混凝土格构+预应力锚杆(索)设计可采用DZ0240—2004《滑坡防治工程设计与施工技术规范》设计要求和设计方法进行设计［7］。本文着重介绍泥石流推动力对坝体稳定结构的影响关系(即坝体抗泥石流的冲击性能)。泥石流作用于格栅坝的推动力可分解为冲击局部位移的力和推动坝体整体位移的力。其计算关系公式如下［8］:

①局部冲击位移时:

②推动整体位移时:

2 工程案例

以下为漂塘钨矿漂塘河泥石流为工程案例，进行悬挑式格栅坝的工程实例应用。

2.1 工程概况

漂塘河历年来发生多次泥石流(水石流)［9］，对沿河人民的生命财产影响较严重，造成较大损失，针对该漂塘河历年来发生的泥石流特征，该沟应以防洪为主，兼防泥石流，在沟床狭窄处地质条件较好、两岸易于锚固的牛轭湾段设置一座格栅滤水拦石坝，该处河谷切割较深，约15m，呈“V“字型谷，开口窄小，坡岸极陡，大于65°，有利于格栅滤水拦石坝的布设与安装，能有效地发挥滤水拦石的作用，并且在该处布设用料少，成本低。

格栅坝坝址地处漂塘河瓶颈处，且为牛轭湾段，泥石流经此处速度将趋缓，对坝的冲力减小，坝两岸基岩浅，强风化浅，岩石稳固性好，河床纵坡较缓，纵坡降约14.3‰，河床淤塞轻，厚为0.3m，下伏坚硬岩石，地基承载力好，格栅坝址两侧坡岸历年来未见崩、滑现象，两坡岸顶皆为平台，该处地层为∈2gl1岩屑石英杂砂岩，产状135°∠69°，裂隙较发育，岩石呈巨厚层状，左岸强风化层厚约0.2m，残坡积层厚约0.3m，坡高 11m，坡向 225°，右岸强风化层厚约0.1m，残坡积层厚约 0.2m，局部基岩裸露，坡高15m，坡向45°。所以格栅坝两侧坡岸稳定性均好，无需作坡岸失稳处理。

因此，此处适合泥石流拦挡坝的建造，且宜采用格栅坝，格栅坝通透性好，水和泥流过格栅，拦截粗颗粒的碎石、漂砾，起到消能、拦截、疏导的作用，减少对下游河岸的冲刷和河床的淤高，有效控制泥石流对下游的河岸及建(构)筑物的冲击与淹覆能力。该处工程地质条件简单，建造与安装便利，工程投资少，上游停淤场大，交通与地形地貌条件易于清淤，格栅坝运行效能高。

2.2 悬挑式网格格栅坝设计方案

该格栅坝按泥石流灾害防治工程安全等级为四级、工程设计标准为二级(即50年一遇)的标准设计。格栅坝采用悬挑式滤水拦石格栅，悬挑式滤水拦石格栅通水能力强，通过泥石流冲力使挑栅闭合阻截砂石搬运的原理，平时悬挑格栅对河流无阻截，不易堵塞河道。该格栅坝设计有效库容约3.2×104m3，据调查，上游沿岸废石零散堆放总量约6×104m3，废石累进流失率40%，约2.4×104m3，满足要求。栅格坝坝高8m，坝底宽6m，坝底长9.5m，坝顶长9m，坝顶宽1.5m，固定格栅高5.77m，挑栅2.23m，固定格栅与挑栅采用钢活栓栓锚连接，河床清除松散层后在基岩面上铺筑0.2m厚的C30混凝土。栅格网钢筋采用φ12的Ⅲ级冷轧圆钢，主筋采用Ⅲ级φ48×8中空钢管，钢梁采用槽钢20#b型，挑栅挑起时与河床距30cm，挑角 30°，挑臂长 2.23m，格栅规格 20cm ×5cm。悬挑式滤水拦石格栅坝两翼坡岸采用C30现浇钢筋混凝土结构以固定格栅，钢筋采用φ5的Ⅲ级冷轧圆钢，按0.40m×0.40m×0.15m的网格安装后浇筑C30混凝土，并在两翼各设置上下5排预应力锚杆加强悬挑式滤水拦石格栅坝的稳固，预应力锚杆分别在坝两翼高0.6m、2.4m、4.2m、6.0m、7.6m 处水平面布设，水平间距1.5m，上下排呈梅花型布置，杆长均为4m，采用φ20×6的HRB400中空钢管加工，完成钻孔安装预应力锚杆后以1.0MPa的压力全粘结灌注浆，水泥采用425#普通硅酸盐水泥，弹性拉索采用高弹性、机械强度高的胶绳或高强度的弹簧钢线，推荐使用弹性形变拉力为4.5kN的高强弹力橡(硅)胶绳(如蹦极用高强弹力橡胶绳)。坡脚与河床埋设挡栅钢钉，控制悬挑格栅往下游歪扭(图5、图6)。

悬挑格栅在每次拦截砂石之后，应及时河道清淤，并且应把悬挑格栅挑度和弹性拉索恢复原有状态，防止河道淤塞，以便下一次泥石流拦截的良好运行［9］。

图5 悬挑式格栅坝剖面图Fig.5 Profile map of jettied crib dam

图6 悬挑式格栅坝两翼锚杆布设剖面图Fig.6 Profile map of both wings anchor placement

2.3 悬挑式网格格栅坝应用效果分析

根据悬挑式网格格栅坝的运行效果来看，漂塘河平水期水流通畅，其正常流通未受挑栅影响。汛期已拦截规模以上泥石流(水石流)三次，其中最高流量达30m3/s，最大泥水流速5m/s，经多次抗泥石流(水石流)龙头冲击，其结构未受破坏，与沟床、坡岸锚固稳定性仍较好，无整体或局部变形、位移现象，挑栅与弹性拉索能够恢复至初始状态。

在挑栅闭合后，上游泥石流(水石流)体临近网格格栅时，其流速趋缓，泥(水)位增高，泥石流(水石流)动能转换为泥石流(水石流)势能和坡岸、格栅坝的接触应力能，其势能一部分随跌水作用释放，一部分因泥位蓄势，转换的接触应力能往两侧坡岸、山体传递而释放，这样就极大的消减了泥石流(水石流)的动能和冲击格栅坝的冲力，因此下游河岸冲蚀现象与以往相比明显较轻或无，并且无水流漫岸现象，河流行洪能力明显提高。

从该工程拦截的物质特征可知，于泥石流龙头冲撞挑栅闭合之后，首先拦截的是大于格栅网格的粗颗粒物质，如矿山废石、卵砾石、泥沙团块及植物枝根等，其余次一级粗颗粒物质、泥沙和水自由流出，当这些粗颗粒物源密布于格栅网格面之后，次一级粗颗粒流体被拦截下来，这样就有效的拦截了固体物源。

停淤后，矿山先采取人工掏挖清淤，因沟床水流作用，人工清淤难度较大，后采取机械+人工辅助的清淤方法，清淤效果极好，采用适宜的清淤方法需考虑场地条件和沟河水流情况等。解决泥渣的运输与堆存也是棘手的问题，部分泥渣流塑性高，在运输方法上受载体条件限制，需采用携带密闭箱式的运输工具;泥渣堆存场地选址需进行可行性分析与多方案比较，选址时应考虑堆存库容、运距、交通便利条件、预防水土流失、土地利用状况等。

在清淤结束后，挑栅能够及时良好的恢复到初始状态，其挑度和挑距与设计安装时基本吻合，若出现挑距和挑度偏小，应及时对其进行修正，修正时应根据弹性拉索的恢复状态进行调整。停淤后，应及时清淤恢复弹性拉索至初始状态，否则，弹性拉索在长时间高应力状态作用下，可能使弹性拉索的屈服极限发生不可逆的变化，造成回弹不完全，从而影响格栅坝的运行和效用。

在格栅坝建造之后的运行管理和维护尤为重要，若管理不当或维护不及时，可能在下一次泥石流(水石流)之时拦截效果不佳，甚至造成破坏格栅坝。运行管理和维护工作主要是日常监测检查、维修保养、及时清淤、钢铁构件防腐、避免外因破坏等。格栅坝建造投资成本较低，因其结构简单、用料少，施工安装难度较小;后期运行管理和维护成本较高，具体体现在安排人员管理的管护费用和清淤工程费用。

该工程为预防常发性水石流可起到很好的拦渣排水及消能效果，避免冲刷下游河岸、淤塞下游河床;提高河流的行洪能力，避免淹没下游低洼处生产生活设施。该工程结构简单、施工难度小，成本低，但在运行期间，清淤工作较难，一是清淤方法要得当，二是泥渣堆存处理要科学;后期运行管理和维护费用可能较高、清淤工作量较大。

该工程为拦截漂塘河山洪泥石流起到良好的效果，为下游工农业生产和劳动人民的生命财产起到保障作用，促进当地社会与经济的可持续发展，可为类似工程提供借鉴或效仿之用。

3 发展前景

此悬挑式网格格栅坝处于初步研发阶段，设计理论技术还不够成熟，可能存在较多的问题，设计理论和计算公式应不断完善，这就需要做大量的室内试验工作，并且需经大量工程实例的检验。

根据技术的不断进步和科研的不断创新，可结合当代电子设备的新技术和新产品，优化悬挑式网格格栅坝的结构设计和设计理念。具体可从两个方面入手，一是从牵引挑栅的设备入手，可以不单单采用泥石流龙头的推合力使挑栅闭合阻截泥石流运行轨迹，更具发展空间的是采用电子信息控制设备，通过泥石流来临时所表现出来的各种信息要素，电子设备采集其信息要素经传感接受仪反馈到信息分析系统，作出分析结果采取自动投放闭合挑栅，这就需要针对适宜悬挑式网格格栅坝的电子设备和信息分析系统的研发;二是从设计理论着手，本文仅是该格栅坝的初步研究阶段，可能存在设计缺陷，需通过大量的室内试验和工程实践不断进行完善，全面系统的建立设计模型、计算公式、设计方法和思路。

4 结论

挑栅通水能力强，通过泥石流冲力使挑栅闭合阻截砂石搬运的原理，平时悬挑格栅对河流无阻截，不易堵塞河道。缺点是选用弹性拉索时弹性形变参数较难掌握，以后还需进行此类理论研究和试验。悬挑式格栅坝最适合于拦蓄含巨石、大漂砾的水石流、稀性泥石流和挟带大量推移质的高含沙洪水，也可布置在粘性泥石流与洪水相间出现的沟道，但不适用于拦蓄崩滑体和间发性粘性泥石流。将来应加强在泥石流治理中的应用，通过实际工程应用和试验得出成熟的理论研究成果。

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