重力式拦砂坝在泥石流治理中的应用

曹艳秋 CAO Yan-qiu

（中铁二十一局集团有限公司，兰州 730070）

0 引言

我国是一个多山国家，尤其四川地区山体结构极其复杂，而且山体地质多种多样，加之四川地区降雨量大，山体植被覆盖率低，当降雨量超过一定规模时往往会发生地质泥石流灾害。泥石流发生时不但会对人们群众的人身安全产生严重影响，而且对当地农业经济也会造成重大损失，因此预防和降低泥石流发生的灾害影响一直是我国所面临的重要工作。四川省茶垭乡二村泥石流区域主沟长1.06km，流域总面积约0.36km2，海拔范围677～832m，主沟纵比降为209.5‰。主沟及支沟均以“V”型谷为主，沟宽10～60m。经过分析和计算，50 年一遇茶垭乡二村一次泥石流过流总量量约10261.92m3，该泥石流暴发的规模属于小型。

茶垭乡二村泥石流沟危及沟口学校、民宅、耕地及村道等重要建（构）筑物及数百名群众的生命财产安全，潜在经济损失超过1500 万元。一旦发生泥石流，损失巨大，影响面广，危害程度为中型，严重制约着当地的社会经济发展，必须及时进行治理。

1 茶垭乡二村泥石流成因分析

1.1 降水

根据当地气象部门提供的降水资料显示，每年8～10月为全年最高降雨月份。雨季（特别是持续降雨天气）地表汇水易与山体及河沟内的松散土石融合，形成泥石混合物（泥石流）。短时、强降水是引发该次泥石流的主要诱导因素。

1.2 特殊地质情况

茶垭乡二村地表地质情况主要为Q4dl+el、Qcol和Qsef，该地质情况的山体较为松散，地形陡峻，为崩塌、松散土石粒径在10～100cm 居多，松散强风化泥岩含量高，且多为棱角状，该地质情况遇水容易形成泥石混合物（泥石流）。

1.3 地形条件

茶垭乡二村泥石流山谷呈倒梯形，纵向长度约1060m，平均宽度约150m，面积约0.36km2。山谷内水系呈树叉状分布，最高点位于北侧的山脊上，高程832m，最低点位于茶垭乡二村泥石流沟汇入人工沟渠处，高程676m，相对高差155m，平均坡度在35°以上，沟谷纵坡较大，特别是主沟上游段纵坡多在300‰以上，有利于降雨的汇集，为泥石流水源的汇流集中提供了基础。

同时，由于地形陡峻，为崩塌、不稳定斜坡等不良地质作用的发育提供了有利的地形地质条件，为泥石流增加了松散固体物源，且沟谷纵坡较大，也为松散固体物质的搬运和参与泥石流活动提供了有利的地形条件。

万源市茶垭乡二村一社烂田湾泥石流由形成区、流通区和堆积区组成。根据泥石流形成条件和运动机制及泥石流松散固体物源的分布，将沟域划分为三片：万源市茶垭乡二村一社烂田湾泥石流沟中上游为形成区，崩滑现象发育，沟道两侧人工堆积、残坡积物质丰富，为沟域内泥石流松散固体物源的主要分布区域；人工堆积区域以下至沟口均为泥石流流通区，沟床两侧地形坡度较大，沟床内松散物源堆积较厚，且多处形成高2～3m 的跌水陡坎，为泥石流的运移提供了有利条件；沟口与人工沟渠交汇处为泥石流堆积区，在该处形成较为完整的泥石流堆积扇。

2 泥石流治理工程设计

2.1 防治工程等级确定

根据《泥石流防治工程设计规范》（DZ/T0239-2004）确定了该防治工程的设计等级如表1。

表1 该拦挡工程防治设计等级

2.2 设计工况及荷载的确定

拦挡设计需考虑的工况及荷载组合如表2。

表2 设计工况一览表

其中以工况Ⅴ为设计工况，工况Ⅵ为校核工况。

2.3 具体治理方案

总体治理措施为：1 座重力拦砂坝+2 道护脚墙+1 道单面防护堤+1 条截水沟+清坡绿化，本文将着重介绍重力拦砂坝的设计思路。

2.3.1 拦砂坝的布置位置

根据茶垭乡二村沟泥石流分布的特点，该拦砂坝布置在茶垭乡二村沟中下段纵坡相对较缓处。

2.3.2 坝体断面和结构设计

各坝断面尺寸统计如表3。

表3 拦砂坝断面设计尺寸统计表单位：m

拦砂坝坝体结构采用M10 浆砌块石，坝顶溢流口采用厚0.3m 的防渗C25 混凝土，拦砂坝基底铺设厚0.2mC25 砼垫层。

2.3.3 坝的库容和功能参数计算

根据目前工程领域的验算规则，在此不对库容进行计算，仅对稳拦能力进行计算。

回淤坡度按下式计算：

式中：I0—回淤纵坡（‰）；

I—沟床纵坡（‰）。

库容计算结果详见表4。

表4 拦砂坝稳拦物源能力一览表

通过上述计算可知，如果考虑每次满库后清淤，按勘查报告估算50 年满库5 次并清库5 次计，累计可稳拦物源量5.65×104m3，为目前动储量的77.5%，将为泥石流防治发挥积极的作用。

2.3.4 坝体荷载计算

①坝体自重的计算。

各坝坝体自重计算参数及结果详见表5。

表5 拦砂坝坝体自重计算表

②泥石流竖向压力。

泥石流压力有土体重Ws和溢流重Wf两部分。Wf=hd×γd×b

计算结果详见表6。

表6 泥石流竖向压力计算表

③作用于坝体的水平压力。

水平水压力按下式计算：

求得泥石流水平压力详见表7。

表7 泥石流水平压力计算表

④泥石流动水压力。

求得泥石流动水压力详见表8。

表8 泥石流动水压力计算表

⑤作用于迎水面坝踵处的扬力。

求得泥石流迎水面坝踵处的扬力详见表9。

表9 拦砂坝迎水面坝踵扬压力计算表

⑥泥石流整体冲击力。

计算过程主要选择拟布设拦砂坝位置各断面进行计算，建筑物形状系数按矩形建筑取λ=1.33，各坝位泥石流整体冲压力计算参数及计算结果详见表10。

表10 拦砂坝泥石流整体冲压力计算表

⑦泥石流中石块的冲击力。

石块对坝的冲击力按简支梁的计算公式计算：

其中石块运动速度按下式计算：

各坝泥石流石块冲压力计算参数及结果详见表11。

表11 泥石流石块冲压力计算表

⑧地震力。

求得地震力详见表12。

表12 拦砂坝地震力计算表

2.3.5 坝体稳定性验算

①抗滑移和抗倾覆稳定性验算。

坝体抗滑稳定系数按下式计算：

坝体倾覆稳定系数按下式计算：

根据前述不同工况下的荷载组合求得不同工况下各坝的抗倾覆、抗滑移稳定性结果见表13、表14。由表可见，拦砂坝稳定系数均符合要求。

表13 抗滑移稳定性计算结果

表14 抗倾覆稳定性计算结果

②地基稳定性验算。

计算公式：

其中：

据此，对六种工况地基承载力进行了验算，其结果统计详见表15。

表15 地基承载力验算结果统计表

通过上述计算可知承载力满足要求。

2.3.6 坝顶溢流口设计及过坝流量复核

经综合考虑，溢流口安全超高按0.5m 设计。各拦砂坝溢流口设计尺寸及流量复核计算结果如表16，溢流口允许过流能力计算公式为：

表16 溢流口过坝流量复核计算表

由计算表可见，溢流口设计可满足过坝泥石流流量要求。

3 结束语

目前该泥石流治理工程设计方案已经完成，采用重力式拦砂坝具有因地制宜效果佳且治理成本低的特点，得到了各界的一直认可，目前已进入施工阶段，对其他中小型泥石流治理工程具有一定的借鉴意义。