印把子沟泥石流防治设计

刘 伟， 衷 诚， 秦 光 辉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

泥石流是由于降水而形成的的一种挟带大量泥沙、石块和巨砾等固体物质的特殊洪流，多具有爆发突然、历时短暂、来势凶猛、破坏力强等特征[1]。一旦爆发，对工程建设及人民的生命财产等将造成巨大损失。易于泥石流形成的地形条件为上游形成区山高沟深、地形陡峻，中游流通区沟床纵切，下游堆积区地势开阔。以上地形条件也多为水电项目的施工临时设施场地选址的有利条件。

如锦屏一级水电站印把子沟沟内地势较为陡峻，沟谷切割相对较深，坡体的松散固体物质易于向沟道内汇聚。谷底普遍较为狭窄，纵比降大，坡面径流时间短、汇流快、沟道水流集中迅速。沟内松散的地表堆积物及沟谷的堆积体稳定性较差，易被暴雨洪水冲刷或掏蚀后携带进入沟床，为泥石流的爆发提供物源。印把子沟因其独特的山区性气候，降水较丰沛且较集中，局地性大暴雨，利于区内泥石流的爆发。根据综合评判标准，属于轻度易发。

2012年8月30日，强降雨使印把子沟爆发一定规模泥石流[2]，以坡面泥石流为主。印把子沟泥石流流量大、固体物质总量大，排水洞排泄泥石流能力极度不够，导致坝前壅水壅砂(石)严重，排水洞堵塞，对下游渣场稳定影响非常不利。印把子沟渣场为永久特大型渣场，渣场堆渣约3 000万m3，堆渣高度高达350 m。渣场一旦失事，大量渣料流入锦屏二级水库内，减少其调节库容并危及其安全运行，损失巨大。因此必须对印把子沟采取泥石流防护设计，确保渣场及其附属建筑物安全。

1 泥石流防治标准

依据《泥石流防治工程设计规范》(T/CAGHP 021-2018)，印把子沟泥石流防治工程等级及设计标准具体分析见表1 。

表1 印把子沟泥石流防治工程等级及设计标准分析表

综合分析以上防护对象，印把子沟泥石流防治工程等级按一级考虑，对应降雨强度为100年一遇，相应洪水流量为117 m3/s(雨洪法计算值)，泥石流峰值流量为273.94 m3/s，一次冲出固体物质总量约4.68万m3。相应的泥石流灾害防治主体工程设计安全系数[2]值见表2。

表2 泥石流拦砂坝设计安全系数

2 防护思路

泥石流防治措施多为预防与治理相结合的综合措施[3]。预防措施重在固源，可从源头减少泥石流的物源形成；治理措施分拦、滞、排三级措施，重在拦固、滞流、排稀[4]。

印把子沟两岸泥石流物源丰富，若全部防护，施工难度及工程投资太大。印把子沟渣场最大高度约2 000 m高程，渣场垭口高于沟谷高程近40 m，不具备新设排导通道条件。考虑沟谷地势较为开阔，存在一定的积淤场地，并有条件新建多级拦挡坝。因此，印把子沟泥石流防护主要考虑多级拦挡、重点固源、排水通畅、及时清於的的总体设计防护思路。

2.1 预防措施

印把子沟沟床较狭窄，其中左侧岸坡两处滑坡体坡脚位于印把子沟沟床内。为避免沟水淘刷其坡脚，防止坡面堆积物参与泥石流的形成，针对两处滑坡体设置混凝土护坡挡墙。

2.2 治理措施

2.2.1 拦固措施

为拦截印把子沟上游冲出的大粒径的石块及树枝、树杈等物质，考虑采用三级多孔坝进行拦截。旨在分级拦截泥石流中的固体物质、固定沟床、减缓泥石流流速、减轻泥石流的动力作用。

2.2.2 滞流措施

考虑在多孔坝下游修建一道梳齿坝，拦蓄泥沙、石块及树枝等固体物质，减缓沟谷纵坡坡度，减小泥石流流速。

2.2.3 排导措施

印把子沟渣场右侧渣体垭口为倒坡，高差超过40 m，不具备自主排导条件。渣场原已采取了沟水处理工程措施。建筑物由浆砌石引渠、排水隧洞及2级消能竖井和出口隧洞组成。本次治理仍优先利用其作为泥石流排导的主要通道，且为唯一通道。

因此，为保证原排水洞过流通畅，防止泥石流将排水洞进口堵塞，造成渣场失事等安全事故，考虑在原排水洞进口前引渠处修建一座混凝土进水塔。

3 防护设计

3.1 预防措施

由于印把子沟沟床较狭窄，左侧岸坡两处滑坡体坡脚位于印把子沟沟床内，为避免沟水淘刷其坡脚，引起滑坡体不断滑塌，提供大量泥石流物源，因此设置针对两处滑坡体的混凝土护坡挡墙。考虑减少沟道开挖和边坡扰动，滑坡体护坡挡墙根据原沟床转弯和坡度进行布置，并且设置为直接贴于原沟床岸坡的贴坡式，只对挡墙基础下挖至沟床面以下1.5 m。滑坡体护坡挡墙墙高6.5 m，顶宽1.5 m，底宽2.07 m，墙址设一级1.5 m×1.5 m台阶，其基础面设置10 cm厚的C10混凝土垫层，挡墙开挖面需回填至清淤后沟床面。

3.2 治理措施

3.2.1 拦截措施

分别在沟道高程1 942 m、1 925 m、1 910 m处增设三道拦挡坝[5]。坝体均采用多孔坝型式，遵循“水石分离、大库拦挡”的原则，利用坝体开孔下泄水流。坝后设置混凝土挡墙对水流进行归拢，并引排至下游。三道拦挡坝坝体型式相似，上游面为1:0.5坡面，下游面为1:0.2坡面。坝体埋深均为3 m左右。开孔尺寸按上下游依次递减。第一道多孔坝坝顶宽度为4 m，最大坝高7 m；开孔尺寸为1.5 m×1.5 m(宽×高)。第二道多孔坝坝顶宽度为4 m，最大坝高12m；开孔尺寸为1.2 m×1.2 m(宽×高)。第三道多孔坝坝顶宽度为4 m，最大坝高10 m；开孔尺寸为1.2 m×1.0 m(宽×高)。坝后采用混凝土护坦，即防止过坝固体物质掏刷坝体，并增强坝体稳定性。多孔坝典型剖面见图1、2。

3.2.2 滞流措施

图1 拦挡坝坝轴线典型剖面示意图 尺寸标注/cm

图2 拦挡坝典型断面示意图 尺寸标注/cm

3.2.2.1 滞流方案

在多孔坝下游修建一道梳齿坝，拦蓄泥沙、石块、树枝等固体物质；减小泥石流规模，固定沟谷沟床。梳齿坝坝顶宽3 m，坝底宽9 m，最大坝高11 m，坝体基础置于地面以下4 m；坝体上游为竖直面，下游面坡比为1:2。梳齿坝的支墩宽度为1 m，支墩间距1 m。水流及小块石可从梳齿间通过，大块石及其他固体物质被拦挡在库内。梳齿坝示意如图3所示。

图3 梳齿坝平面示意图 尺寸标注/cm

3.2.2.2 稳定计算

选取拦挡坝溢流坝段和非溢流坝段典型断面进行坝体稳定和地基应力计算。计算采用刚体极限平衡分析方法，基本荷载有：坝体自重Wd、泥石流土体重Ws、溢流体重Wf、冲击力Fc、扬压力Fy、水平水压力Fwl和泥石流水平压力Fdl；特殊荷载有：地震力F0和Fi。分空库过流工况、满库容过流工况和满库容过流+地震工况进行计算分析。各级拦挡坝荷载作用简图见图4、5，梳齿坝同理。

图4 拦挡坝段典型剖面荷载作用示意图

图5 拦挡坝非溢流坝段典型剖面荷载作用示意图

稳定计算主要包括抗滑移稳定验算、抗倾覆验算及地基承载力验算。各级拦挡坝及梳齿坝计算参数选取见表3,稳定和地基应力计算结果见表4。

表3 拦挡坝稳定和地基应力计算主要参数表

3.2.3 排导措施

(1)增设引渠盖板。为防止排水洞进口边坡上部滑坡体塌落、树枝树杈及较大石块堵塞排水洞。于排水洞进口至引渠末端转弯处设置钢筋混凝土盖板，形成明洞。其中进口处约4 m为现浇混凝土盖板，跨度约5 m；其余引渠直段采用预制混凝土盖板封盖，盖板间距不大于20 cm。盖板在两侧边墙的支承长度不小于30 cm。

(2)增设高位进水塔。印把子沟排水洞进口处上下游边坡地质条件较差，坡表覆盖层较陡、岩体风化卸荷较深，倾倒变形严重，重新布置排水洞极其困难，且难与原有排水洞顺接。因此综合上述情况，考虑在原排水洞进口前引渠处修建一座混凝土进水塔，塔高约21.5 m，进水塔底部迎水面的过水断面面积为4.5 m×6 m，背水面的过水断面面积为4.5 m×6.5 m，顶部迎水面和背水面的过水断面面积为5 m×4 m，两侧开口断面面积为4.5 m×4 m，顶部为中空，各进水口均设置钢格栅。进水塔底部为10.5 m×13 m×2 m的混凝土基础(长×宽×高)。进水塔结构见图6、7。新增进水塔稳定计算成果见表5。

图6 进水塔迎水面示意图 尺寸标注/cm

根据计算可得，三道拦挡坝及梳齿坝在各工况下抗滑、抗倾安全系数、地基应力均满足要求。

根据规范要求，基础的最大地基应力需小于修正后地基承载力特征值的1.2倍，本工程满足最大地基应力0.43 MPa，满足规范要求。

3.3 防治效果

通过上述综合防治措施，3座拦挡坝的总库容约为2.4万m3，可将设计标准下泥石流固体物质拦蓄将近一半；梳齿坝库容约为0.7万m3；高位进水口高程以下可淤积库容约2万m3。总拦挡库容约5万m3，高于100年一遇泥石流冲出的固体物质4.68万m3，满足设计要求。增设引渠盖板及贴坡挡墙等预防措施，可有效减少坡面或沟内土体参与泥石流的形成，减少泥石流物源。综上所述，本次防护设计达到防治目的。

表4 拦挡坝稳定和地基应力计算成果表

注：1. 工况一为空库过流工况；工况二为满库过流工况；工况三为满库过流+地震工况；

2.抗倾覆安全系数及抗滑移安全系数设计标准见表2。

表5 排水洞进口新增进水塔稳定性验算成果

图7 进水塔侧面示意图 尺寸标注/cm

4 结 语

本次防护设计对印把子沟采取了预防与治理相结合的综合措施，确定了拦、滞、排的主体防治思路。确定泥石流基本特性及动力特性是泥石流防治设计的基础；泥石流防治需因势利导，就地论治，因害设防。因地制宜选取经济合理的泥石流防治方案，才能达到较好的防治效果；拦、滞、排的综合防治思路，仍是现阶段泥石流防治设计较为推广的设计方案；雨季应加强泥石流监测和预报，采取预案措施确保人员和财产安全[6]；每年汛后及时清淤，并检查防护工程损坏情况并及时维护；下阶段需对泥石流的防治效果进行密切追踪分析，检验防治措施是否合理，以便于持续改进、不断完善。