鱼嘴式穹隆格栅坝型泥石流水石分离拦挡结构

陈紫云，王希宝，夏 磊，王延可

(1.成都理工大学，四川 成都 610059； 2.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

我国从20世纪50年代开始泥石流防治工作，近年来透水型拦挡坝在泥石流防治工程中应用日趋广泛。泥石流拦挡水石分离结构作为修建在形成区或者形成区—流通区沟谷内的一种横断沟床的人工构筑物，是灾害防治的重要工程措施，其主要功能有：拦截泥石流裹挟的块体，降低坝体下游泥石流的流速或动能；控制或抬高沟底侵蚀基准面，防止沟道下切和护床固坡，减少泥石流物源；利用回淤效应改善沟床纵坡，减小泥石流的冲刷和冲击力，减轻沟床侵蚀，抑制泥石流发育；通过排沙梳齿调节泥沙，调节沟道演变。泥石流拦挡水石分离结构可分为传统结构和新型改良结构，传统结构大致分为梳齿坝、筛子坝、谷坊坝、桩林坝和格栅坝。近年来随着基础设施建设速度的加快，公路、铁路等长、大、线性工程遭受泥石流危害的可能性增大，越来越多的学者针对传统透水坝的优势与不足开展了相关研究，通过对传统形式透水坝的结构优化与创新，相继推出了一些新形式的透水坝[1-2]，如钢混组合坝、格宾坝、柔性网格坝、水平透水格栅坝等。其中，谢涛等[3]提出了鱼脊型泥石流水石分离结构，将水石分离结构形式进行了创新，但缺点是遇大型、黏性泥石流则无能为力；王秀丽等[1-2]也在传统格栅坝的基础上提出了一种新型钢结构空间网格拦挡结构，增强了结构的整体刚度和强度，同时满足水石分离的需要。

纵观泥石流防治工程实践，近年来在传统基础上经技术发展改良、创新形成的一些新型结构大多是基于新材料应用对防护结构进行创新，但结构原理仍未完全脱离传统形式，并且目前的防护工程失效较多，受场地条件限制，水石分离结构相对并不丰富。为此，笔者尝试就鱼嘴式穹隆格栅坝的空间形态、结构和设计要点进行初步探讨。

1 结构的基本组成

鱼嘴式穹隆格栅坝型水石分离结构的基本组成：①总体外形为鱼嘴状分流的流线型穹隆状格栅过滤筛，前端设纤维混凝土鱼嘴，结构主体采用加劲(钢管混凝土、劲性混凝土或型钢)骨架梁和柱形成格栅坝，根据加劲骨架设置方式不同而分为两种形式，见图1。②加密格栅坝的网孔能提高拦挡结构拦截块石能力，表层还要覆盖菱形或环形柔性钢绳网。③格栅坝一般采用条形基础，若沟床冲刷严重，必要时设置深基础。④配套结构包括格栅坝下方的泄流槽和护坦、两侧停淤场，以及与穹隆口相连的驳岸。⑤原则上，格栅的主体结构采用加劲的混凝土、钢管混凝土或型钢结构，基础宜采用纤维混凝土，主体格栅中的加密网眼既可用钢格栅，也可用可调节、可更换、耐磨耗的柔性网。

图1 鱼嘴式穹隆格栅坝主体结构三维视图

格栅坝在使用时还可以将结构平面旋转180°倒置，将穹隆口作为泥石流迎水面，但该结构在水石分离原理和使用条件上与倒置前有一些区别。考虑到场地条件、防护对象性质的差异，坝的空间形态还可以为双曲拱形，能节约用材，但设计、施工难度大；穹隆格栅坝还可采用横断面为渐变半径圆弧形、纵断面为螺旋曲线(图2)，用以对黏度较大的泥石流进行水石分离，能扩大分离接触面，但设计难度非常大，施工工艺要求也很高。

图2 鱼嘴式穹隆格栅坝的另一种形式

2 结构的水石分离基本原理

鱼嘴式穹隆格栅坝水石分离结构的基本原理：利用结构的格栅透水、拦石，结构主要受压，对材料的利用率较高；通过鱼嘴分流、穹隆结构阻挡，将流体的准层流状态调整为紊流，利用泥石流自身的黏滞作用降低平均流速，为水石分离创造条件；在运动过程中，人为增大分离过流面积和过流时程，利用泥石流动水压力促成水石分离；鱼嘴之后的流线型结构，能使降低流速之后的流体在流动过程中水石分离的同时，其中大块石的运动状态并未完全改变，让其逐步消能并堆积，降低了结构破坏风险；两侧驳岸属于结构的重要组成部分，不仅是河(沟)岸的保护措施，也是通过摩擦和斜向碰撞降低泥石流中块石流速、提高堆积效率的措施；结构倒置时，是通过驳岸(兼导流堤)导流、束流来为泥石流进入结构物实施水石分离创造条件，此时结构受拉且停淤场地变小，材料利用率降低。

3 格栅坝的结构及构件

格栅坝的主体结构由纵(柱)横(梁)杆件组成。当横杆(梁)水平设置时，如图3(a)，横杆组成的平面相互平行，结构尾端的A1、A2点在平面图上的A点重合，见图3(a)、图4(a)，此时需要设置的基础最小，用料最省。当横杆(梁)斜置时，如图3(b)，横杆组成的平面相互平行，且垂直于a-a轴(柱)，在这种形式下，结构尾端的A1、A2点在平面上跨度较小时一般难以重合，见图3(b)、图4(b)，当跨度较大时采用这种形式较经济。防护时，在杆件中间的孔洞设置的柔性网一般采用菱形网，当泥石流中块体较大时，宜设置变形量更大的环形网，以降低结构荷载，而当泥石流块体特别大时，甚至可以在内侧设置菱形网的基础上在外侧再设置一道环形网。柔性网整体制作并覆盖在格栅上，并且在孔洞之间的杆件上设置减压装置，充分利用柔性结构的能量耗散能力，降低格栅坝受损风险。柔性网属于易损构件，在抵御较大灾害后一般需要更换。坝的下游设置护坦及n%的坡度向中央排水泄流，并在中央设置泄流槽排导分流后的洪水。常规的构造形式中，坝的跨度与鱼嘴至坝尾长度的比例为2.0～2.5，鱼嘴倾角在50°左右，横杆形成的上开口角(φ2)大于下开口角(φ1)，φ1宜在80°～90°之间，φ2宜在120°～130°之间。

图3 鱼嘴式穹隆格栅坝平面图

图4 鱼嘴式穹隆格栅坝立面图

上述两种结构形式一般对应不同的地基条件，当两岸地基条件好时，宜采用图3(a)的形式，将结构遭受的压力传递到坝尾的基础上；当两岸地基条件不好或者沟谷宽缓时，宜采用图3(b)的形式，使下部基础及河床地基分担结构承受的大部分压力。通过变形分析，这样设置可以最大程度地保障杆件承受轴心压应力，降低结构受剪的风险。为了分流，鱼嘴的截面可设置成棱台形(图3)，也可以设置成圆弧形(图1)。当沟谷非常宽缓，两岸又具有较好的地基条件，且冲击力不是很大的时候，还可采用拱形或双曲拱形格栅坝。当泥石流固体中存在较大块石，分流过程中对鱼嘴的冲击力过大可能造成结构损毁时，可以在正前方加施锚索作为柔性的耗能构件，利用锚索的损毁耗能换取格栅坝使用寿命的延长。鱼嘴与地基交界处为结构的薄弱部位，一般应设置棱台形纤维混凝土防冲墩，以防止泥石流强烈的底蚀和巨大的顶冲侵蚀结构前端，见图5。

4 格栅结构的空间形态

以鱼嘴为原点建立右手直角坐标系O-xyz，以过O点和a-a轴(参见图3，下同)所在的竖直面的竖直线

图5 格栅坝左(右)正立面图

为z轴，向上为正，以水平向右垂直于竖直面为x轴，向右为正，垂直纸面方向为y轴，出纸面为负，见图6，鱼嘴与地面最小夹角为α(图5)。为了分析方便，再以投影在基础的A[图6(a)]或A′点[图6(b)，因A1、A2点不重合，故在延长线重合的A′点建立坐标系]为原点建立右手直角坐标系O′-x′y′z′。在O′-x′y′z′坐标系中，曲面服从下面两组方程

图6 格栅坝空间几何关系分析

(1)

(2)

上式中：l为鱼嘴a-a轴杆长；Δl为求解坐标处的a-a轴杆长；Δφ为O′y′向O′x′方向的偏角；φ1为格栅坝的下开口角；φ2为格栅坝的上开口角。

边界条件为

(3)

鱼嘴处横杆拟设长度为b，计算公式为

(4)

若要采用xOy坐标系并求解各点的坐标，可通过xOy平面先平移、后绕z轴旋转获取的张量矩阵求得在O-xyz坐标系的坐标,即

(5)

拦挡坝以a-a轴所在竖直面为对称面，曲面形态为向y轴正向开口的半幅抛物面，由一系列逐渐闭合的抛物线组成。图6(a)坝的横杆为直线，纵杆为曲线，当纵杆的倾角接近Δφ即φ2-φ1时，曲率半径最大，受到的剪应力最小。

5 鱼嘴式穹隆格栅坝的设计要点

本研究仅从理论角度将设计要点进行分析，以利于工程实施时参考。鉴于本结构尚未经历实践检验，欢迎业内人士广泛参与，使其不断完善。

5.1 总体设计要点

(1)对泥石流活动特征的适应性。鱼嘴式穹隆格栅坝为受压结构，刚度较大，能够较好地发挥材料和结构的受压性能，能够适应泥石流越顶，适用于稀性、黏性及过渡性等类型泥石流，能适应大流量。倒置时主要为受拉结构，刚度较大，采用的劲性骨架能够很好地发挥材料的抗拉性能，但不能承受较大规模的泥石流越顶，且拦截库容与结构尺寸关系密切，故虽适用于各种类型泥石流，但以稀性为主，不能适应大流量，对一次性冲出量应有充分的预估。

(2)对场地环境条件的适应性。两种结构对沟道比降的要求均不高，能适应各种地形，特别是在大比降条件下，因动水压力增大更有利于水石分离。但是同时，鱼嘴式穹隆格栅坝在大比降条件下的堆积场库容将显著减小，部分泥石流会堆积在结构上，因此设计时需要另外考虑相应的结构强度和刚度。两种结构对地基均有设计要求，需要考虑泄流通道、护坦存在的集中冲刷地基的风险。图3(b)地基受压，需验算承载力；倒置时基础受拉，需要设置为深基础，应验算抗拔力。考虑到结构的分流、束流作用及水压力影响，需要关注泄洪后沟道侧壁侵蚀问题，要有意识地采取导流、护岸措施。

(3)对施工条件的把握。结构的施工难度较大，主要是地基和基础、结构本身。设计时应综合考虑材料的运输和生产、供应(对地材的使用较少，主材为钢材和混凝土)、施工支架或场地的布置、施工队伍的经验等。

(4)对运行维护管理的总体把握。一是清淤。无论是大型还是小型泥石流活动后都需要进行清淤。多次小型泥石流活动后会有大量淤积，影响坝体库容乃至结构安全，而大型泥石流活动更是会严重削弱结构的拦挡能力。因此，应通盘考虑清理场地、通道或设施，布设运输便道，寻找弃土场地，避免引发次生灾害。二是损毁修复。将结构破坏修复和局部修复进行分类，做好预案。三是灾害监测预警和坝体健康监控。不仅要掌握泥石流活动状况，做到紧急避险，而且要掌握结构工作状况，为坝体健康运营提供保障。

5.2 结构设计要点

(1)设计荷载的确定。这是泥石流防治工程设计的难点，应根据泥石流特征，结合保护对象的重要程度，拟定防治工程的设计年限，将对应的暴雨频率诱发泥石流作为设计值。根据泥石流的暴发频率和活动规律，将历史极值或工程设计年限内可能遭受的极大值作为校核值。

(2)结构的稳定性验算。应验算在块石、流体荷载条件下的结构稳定性，在冲击荷载和堆积荷载条件下验算刚度和变形。

(3)结构强度、刚度的设计。应验算冲击荷载条件下结构的抗破坏能力(强度)和结构的抗变形能力(刚度)。若格栅上部覆盖有柔性网用以拦截粒径较小的块石，则应验算柔性网的强度，避免其在冲击荷载下被撕裂、顶破，或者遭受大块石冲击顶压破坏，必要时应增加结构的格栅。

(4)结构遭受冲击荷载分析。泥石流中大的块体水平以速度v0向右运动，撞击右侧障碍物，当障碍物倾角β发生变化时，碰撞后的反射速度vR及碰撞后的运动曲线y=f(x)将大致如图7所示。

图7 泥石流块体碰撞障碍物的力学行为示意

mΔv=FΔt

(6)

式中：m为冲击物质量，t；Δt为碰撞作用时间，可取值0.07～0.08 s，速度慢时取高值；F为平均冲击力，kN；Δv为速度改变量，m/s。

式(6)结果中的平均冲击力，若与峰值冲击力相比偏小，则结构存在不安全风险。参考日本道路公团基于落石冲击力的实测数据和Hertz弹性碰撞理论推导出的落石最大冲击力计算经验公式进行校核，计算公式为

(7)

式中：P为落石最大冲击力，kN；λ为拉梅系数，建议取1 000 kN/m2；H为表达落石冲击速度的自由落体高度，m。

为适应本结构模型，将H换算后得到的计算公式为

(8)

当β<45°时，理论上讲切向恢复系数小于法向恢复系数，此时切向恢复系数建议取0.1～0.5，法向恢复系数建议取0.3～0.7。

6 结 论

(1)鱼嘴式穹隆格栅坝是一种新型的泥石流水石分离结构，其为外形类似鱼嘴状的流线型穹隆状格栅过滤筛，基本组成为格栅坝、鱼嘴及嘴前锚、坝后基础、坝下基础、驳岸等导流设施、护坦、泄流槽，格栅坝主体为纵横向劲性骨架，格栅上覆盖柔性网加密格栅网眼。

(2)格栅坝横向劲性骨架分为水平放置和倾斜放置两类，分别适用于岸坡条件好和地基条件好两种类型。鱼嘴式穹隆格栅坝也可以倒置使用。

(3)鱼嘴式穹隆格栅坝结构适用于稀性、黏性及过渡性等类型泥石流，能适应大流量，适应泥石流越顶，而倒置时不能承受较大规模的泥石流越顶，不能适应大流量。