黄剑宇 ，卢廷浩

(1.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098)

0 前 言

泥石流是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害，是脆弱山区介于挟沙水流与滑坡之间的土、水、气混合流[1]，在山区沟谷或山地坡面上由暴雨、冰雪融化等水源激发产生。泥石流的形成条件概括起来主要有三个方面:大量的松散固体物质、特定的地形地貌和充足的水源[2]。我国的地形、地貌非常多样化，是泥石流灾害的多发国家。随着经济的发展，基础工程建设增多，泥石流灾害将影响、破坏更多基础设施，威胁民众生命安全，所以有必要对泥石流灾害防治进行研究[3]。

沈寿长[4]等对铁路沿线1 300余条泥石流沟及600多处防治工程建筑物的统计，指出拦挡坝是泥石流治理工程中最常用的治理措施，占防治工程建筑物总数的52%。曾庆利[5]等做了谷坊防治泥石流灾害研究表明:谷坊工程能够有效抬高泥石流侵蚀基准面，降低泥石流沟谷回淤段沟床纵坡，降低泥石流流速。管敏鑫[6]等对格栅坝进行了分析研究，表明:格栅坝能够拦渣滞流，降低圬工量及坝身受力荷载，并提出了浆砌块石格栏拱坝与系杆拱坝、挖孔桩基础与三棱形立体坝、可移动式格栏坝等新型坝。相对于实体拦挡坝，透水拦挡坝能排泄水流，降低坝身水压力，提高库容利用率。目前透水坝主要形式有梁式坝、格栅坝、切口坝、筛子坝和格子坝等。由于拱坝的特殊受力特点使其坝身承受荷载较小，且拱坝圬工量小，工艺成熟，施工方便，本文提出将透水拦挡坝和拱坝的特点相结合用于对泥石流的防治，具有一定的创新性和实际工程价值。

1 透水拱坝防治泥石流的思路

1.1 透水坝的发展

泥石流拦挡工程起初以实体拦挡坝为主体，但实体坝圬工量大，施工不便，坝体承受较大水压力，坝基存在扬压力，库容利用率不高。1934年黑尔特和施特雷尔在实体拦沙坝过水顶部开条形切口，形成切口坝，1950年奥地利修建了钢筋混凝土平面格栏坝[7]。之后世界各地不断出现钢索柔性格栏坝、斜式平面格栏坝、钢架格栏坝、装配式钢筋混凝土立体格栏坝等新坝型。

1.2 研究思路

泥石流的形成区和流通区地形多呈狭长的“V”或“U”型谷，适合建设透水拱形拦挡坝拦挡泥石流流体。可以发挥其结构优势，通过拱形结构将泥石流所受冲击力、水压力、堆积物压力传递到坝肩，坝肩岩土体提供支撑力，降低坝身所受内力，提高了坝体结构的稳定性。且相对于重力拦挡坝，其坝身薄且圬工量小，施工方便，便于管理，但对峡谷两岸坝肩岩土体强度要求较高。对于流域面积较大、主沟长度较长、沟床比降较大的泥石流，则可以在不同区域设置透水拱坝，分级拦挡，同时结合其它消能、排导建筑物进行防治。

2 透水拱坝结构、受力特征

2.1 透水拱坝结构特征

拱坝是一种在平面上向上游弯曲、呈曲线线形，能把一部分水平荷载传给两岸的挡水建筑物，是一个空间壳体结构[8]。拱坝坝体可以看作由一系列水平拱圈和一系列悬臂梁所组成，坝体承受的水平荷载一部分通过拱的作用传给两岸基岩，另一部分通过竖向梁的作用传到坝底基岩。拱坝是一个高次超静定结构，当发生超载或坝体某一部分产生局部裂缝时，坝体将出现重分配，原来低应力部位将承担增大的应力，原来高应力部分的应力不再增长，裂缝可能停止发展甚至闭合。

刘逢成等[9]对拱坝式挡土墙的研究表明:可选择圆弧线作为合理拱轴线，内力小，结构简单有利于施工。因此，建议透水拱坝设计为单曲，单心圆拱坝，其主要结构有别于水利工程中的拱坝，其坝身主要由水平拱圈梁以及竖向支墩构成。支墩沿拱轴线布置，浇筑数层混凝土拱圈梁与支墩相连接构成坝体。

拱坝竖向支墩在不同地区，根据地质条件、施工条件可以有不同的选择。在石料比较丰富的地区，可以选择浆砌石体为支墩，充分利用材料，降低成本，但浆砌石体抗剪、抗弯强度都偏低；在软弱基础地区，可以选择挖孔桩为支墩，抗剪、抗拉强度较高；在施工方便地区可，可以选择钻孔灌注桩作为支墩。支墩在坝基下截面较大，与拱圈梁相连接的截面积相对较小。这样可以既可以避免泥石流对坝基的冲刷，保持坝基稳定，又可以降低成本。

拱圈梁层数可以根据防治的泥石流标准，受力分析后确定。其各层拱圈梁之间间距b可以根据当地泥石流流体中颗粒大小进行调整，为此需要调查流体中最大颗粒直径dmax。游勇通过对梁式格栅坝的研究表明[10]:梁式格栅坝有全部闭塞、临时闭塞、半闭塞、未闭塞4种闭塞类型。当梁间距b与泥石流体中最大颗粒粒径 dmax之比b/dmax≤1.0时，格栅坝基本闭塞；b/dmax≥1.5时，格栅坝未闭塞；1.0＜b/dmax＜1.5时，格栅坝半闭塞或临时闭塞。因此，在透水拱坝设计时，应确保b/dmax＞1。

2.2 透水拱坝受力特征

透水拱坝主要荷载包括:坝体自重、堆积物土压力、泥石流冲击力、坝基扬压力、地震力。其中主要考虑的是前三种荷载作用，其计算方法如下:

(1)坝体自重由拱圈梁和支墩组成，分别根据式(1)和式(2)计算。

式中:wg、wz分别为拱圈和支墩自重；n为拱圈梁层数；α为拱圈圆心角；S为拱圈梁截面积；R2、R1分别为拱圈的外半径、内半径；γg、γz分别为拱圈梁和支墩重度；V为支墩体积。

螺虫乙酯分别按照有效成分2000倍和3000倍剂量喷施2～3次，距末次施药后7 d、14 d和28 d采样测定，样品中没有螺虫乙酯、B-mono、B-glu检出，B-enol的含量为0～0.04 mg/kg，B-keto的含量为0～0.04 mg/kg。

(2)土压力由堆积物土压力、坝前主动土压力以及坝后被动土压力组成，计算选用朗肯土压力理论公式[11](3)和式(4)进行计算。

主动土压力公式:

被动土压力公式:

(3)泥石流流体冲击力，这里的冲击力为整体冲击力，包括动水压力和块体冲击力，按式(5)进行计算[12]。

式中:F为泥石流整体冲击力；g为重力加速度；β为受力面与泥石流冲压方向所夹角；λ为受力体形状系数；γc、Vc分别为泥石流体重度和速度。

透水拱坝受力分析可以根据分载法进行分析，所受水平荷载由拱圈梁和支墩共同分配承受，坝体自重等竖向荷载由支墩承受。水平压力均匀分布于拱圈梁表面，受力分析图如图1所示，是一个超静定无铰拱结构，为受压构件。其内力小，截面基本处于无弯矩状态，这样能充分发挥混凝土材料抗压强度高、抗拉强度低的特性。支墩承受坝体自重，以及部分水平荷载，其截面既受剪应力也受拉压应力，存在较大弯矩。

图1 拱圈梁受力图

3 实例分析

四川乐山市大场沟是暴雨、泥石流灾害重灾区。泥石流危及沟口城市街道、机关、居民、商铺和县内重要交通干线西万公路安全。

3.1 现场地质资料

大场沟地处县城，属北亚热带盆地湿润气候，其特点是雨多、雾多、湿度大、日照短、年降雨量600 mm～1 230 mm，年平均暴雨1.6次，最多达4次，最大暴雨量为73 mm/h。大场沟面积0.72 km2，沟内松散堆积物18×104m3。中低山地貌，呈西北高东南低、上陡下缓、外窄内宽、口小肚大之势，最高处海拔1 249 m，最低处772 m，相对高差359 m。大场沟内有七沟八坡，有不稳定的中小型滑坡体4处，中型崩塌15处，存在发生新的滑坡、崩塌危险，是补充大量泥石流的物源。“V”谷坡降大，植被不发育，暴雨易形成洪流。地层由杂填土、淤积泥沙层、碎石土层 、花岗岩层组成 ，其埋深H(m)、内摩擦角 φ(°)、粘聚力c(kPa)、重度 γ(kN/m3)如表1所示。大场沟区内断裂发育，对岩体尤其是接触变质岩体切割破坏严重。这一特点是区内崩塌发育的主要原因。

表1 地层组成

3.2 透水拱坝设计

大场沟泥石流流通区末端沟口狭窄，直线跨度58 m，背后可以形成较大的淤积容积，而且坝基、坝肩皆为坚硬较完整的块体结构的花岗岩石，适宜于选用透水拱坝进行拦挡。

设计选取暴雨强度取73 mm/h，设计标准P=10%，即设计降雨强度为10 a一遇暴雨。泥石流流速取值为6.70 m/s，设计洪峰流量为16.00 m3/s，泥石流平均泥深0.8 m。泥石流流量计算目前有两种方法[8]:一种是利用流域可能产生的最大清水量为依据，结合泥石流的特征加上一些修正系数及雨洪修正法；二利用泥石流流速乘以过流断面面积的泥痕调查法，本文采用第二种方法算得泥石流量约为0.97×104m3。坝肩和坝基弱风化花岗岩强度 fck=40MPa。

透水拱形拦挡坝设计力求坝体轮廓简单，基岩面、坝面变化平顺，避免有任何突变。坝体每一层拱形圈梁对应坝肩相应高程基岩能够提供满足坝体稳定性的支撑力，对此可以对坝肩岩体进行一些灌浆加固处理，若施工方便也可以在坝肩加一些斜桩来满足坝肩稳定。

最终设计透水拱坝为单曲，单心圆拱坝，高16 m，拱圈圆心角为100°，坝顶长53.1 m，坝顶中心圆半径 R为34.68 m，弧长S为60.5 m，四层拱圈，拱形圈梁间距为1.5 m，宽度为2.5 m。拱圈布置参数如表2，坝体示意图如图2。

表2 拱圈布置参数

图2 坝体示意图

3.3 荷载计算

水平荷载大小直接影响桩的抗滑和抗倾覆能力，在坝前坝体主要受主动土压力和泥石流冲击力，其中主动土压力包括淤积物及坝基岩土的土压力，在坝后主要受到地层的被动土压力。土压力以及泥石流冲击力计算结果如表3所示。

表3 坝体水平荷载 单位:kN/m

由表3得坝体净水平荷载为:主动土压力+冲击力-被动土压力=534 kN/m。

坝身重力按具体拱圈梁、支墩梁材料，按公式(1)和(2)计算即可，除此之外坝体还受到坝基扬压力以及地震力。由于坝基为桩结构且坝身透水，因而扬压力可以忽略不计，本地区较稳定地震力亦忽略不计。最终，需要验证桩的抗倾覆、抗滑能力以及坝肩的稳定性，由于本地区沟床、沟谷存在较好的花岗岩，所以能够提供足够的支撑力、抗滑力。

为了进一步降低穿过坝体下泄物的流速，在坝后建立一个扇形消能池以及导流槽，平面布置示意图如图3所示。

图3 透水拱坝平面布置示意图

4 结 论

本文将透水拦挡坝及拱坝的特点相结合应用于泥石流灾害防治工程中，具有创新性和工程实践性，主要结论有:①透水拱坝适合建在坝肩岩体强度高的“V”或“U”型峡谷地区；②相对于平面格栅坝透水拱坝坝体内力小，有利于发挥材料的抗压强度高、抗拉强度低的特性。③透水拱坝设计时确保b/dmax＞1，避免坝身闭塞。④透水拱坝结构及作用有别于水利工程，其结构简单，施工方便，工艺成熟，便于管理。

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