宾格石笼坝治理泥石流的防护效果数值模拟

2024-04-20陈其鹏焦友金魏学利曹彦华午洋泽石兴武

城市地质 2024年1期

陈其鹏焦友金魏学利曹彦华午洋泽石兴武

摘要：针对当前公路泥石流治理过程中存在的痛点和难点，采用宾格石笼坝进行治理，与传统拦挡坝相比，宾格石笼坝具有整体性和柔韧性好、透水性好、施工简便、造价低、施工周期短、损伤后易于修复等优点，能更好地应用于中小型泥石流治理工程。通过数值模拟研究发现，宾格石笼坝的薄弱点为整体滑移、网箱连接处滑移、网箱连接处承载力不足，在实际工程中应加强石笼连接处的合理处理，这是石笼坝在工程应用中成败的关键点。此外在石笼坝墙后采用短加筋形式，在增加少量成本的情况下，加筋对抗滑和截面强度有明显的提升作用，提高工程安全性。

关键词：宾格石笼；泥石流；数值模拟；稳定性计算；工程应用

Numerical simulation of Bingshi gabion dam in debris flow control field

CHEN Qipeng1，2，3， JIAO Youjin1，3， WEI Xueli2， CAO Yanhua1，3， WU Yangze1，3， SHI Xingwu2

（1.China Railway No.3 Engineering Group Co.， Ltd.， Taiyuan 436000， Shanxi， China；

2.Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610103， Sichuan， China；

3.China Railway No.3 Engineering Group fourth Co.， Ltd.， Beijing， 102300， China）

Abstract： This paper addresses the pain points and difficulties of the current road debris flow governance process using Binger stone cage dam governance. Compared with the traditional dam， Binger stone cage valley dam has many advantages such as good integrity and flexibility， good permeability， simple construction， low cost， short construction period， and easy to repair after damage. So it is suitable for small and medium-sized debris flow governance projects. Through numerical simulation study， the analysis found that the weaknesses of bing-lattice stone cage dam are 1） overall slip， 2） cage joint slip， and 3） low cage joint bearing capacity. Proper treatment of the stone cage joint is the key point of success or failure of stone cage dam in engineering application. In addition， short reinforcement should be applied behind the stone cage dam wall. In this way， at a little increase of the cost， sliding prevention and section strengthening are achieved which will ultimately improve the engineering safety.

Keywords： binger stone cage; debris flow; numerical simulation; stability calculation; engineering application

泥石流是在山區或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流，常呈黏性层流或紊流和稀性紊流等运动状态，其中砂砾常呈滚动、跃迁和悬浮的方式运动（陈光曦等，1983），属于山区比较常见的地质灾害类型。泥石流运动过程复杂，介于洪水和滑坡之间，并具有暴发突然、来势汹涌、历时短暂、破坏力大等特点。对公路危害作用主要表现为淤积掩埋、冲击损毁、冲刷淘蚀、顶托冲毁、堵河淹没、漫流改道等多种形式（刘春涌，2000；廖丽萍等，2013；付方华等，2023）。

由于泥石流的产生是土源、水源和地形地貌共同作用的结果，物源地地质条件较差，存在滑坡、崩塌等松散堆积物，沟道中往往有大量滑塌等重力侵蚀和坡面侵蚀堆积物，如采用常规拦砂坝等大型工程治理公路泥石流时，存在施工工程量大、周期长、大型施工机械就位难、成本高等缺点（张座雄等，2023；谢伯明等，2022），受限于公路工程的成本控制，往往采取过水路面形式，发生泥石流后对泥石流堆积物进行清理，传统防治方法难以有效消除泥石流灾害，保障公路交通安全（关全成等，2021；刘科等，2023；甘柯，2019）。

格宾石笼作为一种常见的防治工程技术，目前主要用作河道护岸和挡土护坡（郑丽，2021；赵雯雯等，2019；杨文江，2018）。泥石流运动特性复杂，边界不断变化，冲击力巨大，一部分来自于巨型石块，另一部分来自于泥浆。而格宾坝石头之间的空隙使坝体的透水性良好，泥石流经过时，它使部分泥浆中的水渗出，同时，坝体通过石块的重力和网片及网箱间的拉力来拦挡泥石流中的石块和泥浆，通过一定的变形和耗能，减缓泥石流的流速，达到拦截固体冲击物的效果。

前人研究发现，宾格石笼拦砂坝作为一种柔性结构，能承受较大变形而不发生破坏（周君波，2022），其在“5·12”汶川地震灾后泥石流治理中得到应用，防治效果良好（张亚飞等，2013），可以很好地缓冲泥石流的冲击（王秀丽等，2016）。宾格石笼也应用到公路中小型泥石流治理（魏学利等，2018），但缺少针对其内外受力和稳定性的量化评价，故本文将格宾结构用于泥石流拦挡坝，以减小泥石流对下游公路的冲击破坏作用，同时采用工程常用设计软件GEO5进行数值模拟研究其适用性，并对不同截面形式进行优化，在保障工程的安全耐久要求下，降低工程成本，为工程实践提供指导。

1 宾格石笼坝技术

1.1 宾格石笼坝

宾格石笼网由高抗腐蚀、高强度、具有延展性的低碳钢丝或包裹PVC的钢丝，使用机械编织而成。将石料填入网中进行封装，按照结构尺寸要求层叠堆砌，石笼条块之间用钢丝进行有效的连接，并辅以拉筋加强结构整体性。以此形成安全性、耐久性良好，同时兼顾环境效应、生态效应的柔性结构体。

1.2 特征及优缺点

传统的混凝土拦挡坝需要大型机械，前期准备较多，需要专门修建施工道路，要求场地大，施工周期长，对环境影响大，成本投入高，工程损毁后难以修补，与此相比，宾格石笼具有如下优点：

1）整体性和柔韧性好：宾格石笼坝是以钢丝网箱为主体的柔性结构，石笼条块之间用钢丝进行有效的连接，整体柔韧性好，能够适应较大的地基变形，能够形成有效的护边坡、固沟底的作用。能够承受泥石流一定程度上的冲刷和石块冲击作用。

2）透水性好：宾格石笼结构本身具有高孔隙率、高透水性的特点，拦截泥石流、拦挡泥石流中的石块和泥浆，通过一定的变形和耗能，减缓泥石流的流速，加快泥石流内固体物质沉淀，从而减轻泥石流对公路的危害。

3）施工简便、造价低：工程主要材料为宾格石笼网和其内装填的碎块石，对于稀性泥石流沟谷堆积物石料丰富，能够充分利用沟道内石块，就地取材，施工方便，同时采用人工与小型机械相配合施工，较传统的刚性结构，其施工效率更高、成本更低。

4）施工周期短，速度快，操作简单，对施工人员要求不高，且工期受气候影响小，在泥石流地区施工相对安全。

5）石笼网采用高抗腐蚀、高强度、具有延展性的低碳钢丝或包裹PVC的钢丝编织制作，具有高强耐久性，完工后无需专门的护理，同时由于结构简单，石笼网损伤后易于修复。

2 宾格石笼坝模型及参数

2.1 模型建立

采用GEO5软件对宾格石笼坝进行数值模型，主动土压力计算方法采用Coulomb理论，被动土压力计算方法采用Mazindrani（Rankine）理論，地震荷载分析依据JTG B02－2013《公路工程抗震规范》（第3.3地震作用和3.4节作用效应组合），边坡稳定性验算采用Bishop法。宾格石笼坝本身及岩土体参数取值见表1。

基础采用天然基础材料，坝体后坡面坡比采用1∶5.0（即坡度约为11.31°），坝后地下水水位设置为埋深1.5 m。坝体最小埋深为0.5 m，不考虑结构前土体的抗力。地震烈度按8度区（0.20 g）考虑，泥石流初始冲击力按14 kN·m-1考虑。

2.2 工况分析

为与宾格石笼坝的实际使用情况吻合，本文主要考虑水压力、泥石流冲击力、地震级加筋处理等影响因素，并将实际工况概括为4类，见表2。

2.3 验算分析

验算分析主要考虑坝体倾覆滑移验算、地基承载力验算、截面强度验算和墙体稳定性验算4个部分。其计算方法详见公式（1）至公式（9）（GB/T 38509-2020），判定标准详见表3、表4（GB 50330-2013）：

1）坝体稳定性计算

K_c=（f×∑N）/（∑P）（1）

式中：K_c为抗滑稳定性系数；∑N为垂直方向作用力的总和；∑P为水平方向作用力的总和；f为坝底与基础的摩擦力系数，取0.5。

2）抗倾覆稳定性

K_0=（∑M_N）/（∑M_P ）（2）

式中： K_0为抗倾覆稳定性系数，∑M_N为抗倾覆力矩的总和，∑M_P为倾覆力矩的总和。

3）抗滑动稳定性

σ_max≤[σ] （3）

σ_min≥0 （4）

其中：σ_max=（∑N）/B（1+（6e_0）/B）

σ_min=（∑N）/B（1-（6e_0）/B）

e_0=B/2-c

c=（∑M_N-∑M_P）/（∑N）

式中：σ_max为最大地基应力（kN·〖m^-〗^2），σ_min为最小地基应力（kN·〖m^-〗^2），∑N为垂直力的总和（kN），B为基地宽度（m），e_0为偏心距（m），[σ]为地基容许承载力。

4）坝体强度计算

① 垂直正应力σ计算

σ=（∑W）/b（1±5e/b）（5）

式中：W为各荷载的垂直分量，b为断面宽度，e为合力作用点与断面重心的距离。

② 边缘主应力计算

坝体上游面的一对主应力：

σ_a1=（σ'-γ_c Ycos^2 θ_d1）/（sin^2 θ_d1 ）（6）

σ_a2=γ_c Y

坝体下游面的一对主应力：

σ_b1=σ''/（sin^2 θ_d2 ）（7）

σ_b2=0

式中：σ'，σ''分别为同一水平截面的上、下游边缘正应力；θ_d1，θ_d2分别为上、下游坝面与计算水平截面的夹角；Y为计算断面以上泥石流深度； γ_c为泥石流容重。

③ 边缘剪应力τ计算

坝体上游面的边缘剪应力：

τ_a=（γ_c Y-σ'）/（tanθ_d1 ）（8）

坝体下游面的边缘剪应力：

τ_b=σ''/（tanθ_d2 ）（9）

3 数值模拟结果分析

为了对比分析不同组合形式石笼坝经济技术及运行效果，以坝体高度H=3.0 m为例，坝体截面积保持不变，对比2种不同组合形式，分析坝体稳定性路肩稳定状况，坝体石笼组合形式及具体尺寸详见图1。

3.1 不同组合形式对石笼坝的整体影响

经过数值模拟，首先对计算结果中坝体整体验算（倾覆、滑移、坝体稳定性）进行汇总整理，结果见图2。整体而言，H=3 m时，2种组合形式的石笼坝抗倾覆、抗滑移、坝体稳定性均较好，二者整体相差不大。由图2-a能够发现，二者均满足抗倾覆安全要求（安全系数不小于1.5），除工况三外，组合2优于组合1；由图2-b能够发现，对于抗滑移性能，组合1明显优于组合2，且组合1的安全系数均不小于1.3，满足抗滑移要求，但组合2工况三的抗滑移系数为1.28，不满足规范安全要求，出现这种情况主要是由于组合2墙背平齐，组合1最底层石笼向挡土侧突出，增大了上覆重力荷载，从而有效提高了坝体整体的抗滑移力，故组合1的抗滑移性能优于组合2；由图2-c能够发现，二者坝体稳定性相差不大，且均满足安全要求。

图3为不同组合形式坝体加筋前后整体验算结果，其中图3-a为按倾覆、滑移、整体稳定性分类，由图可知，墙体加筋对挡墙总体的稳定性十分有利，尤其是对坝体的抗滑移性能提升最为明显，加筋对于组合1的抗倾覆性能无明显作用，对组合2的坝体稳定性无明显作用；图3-b为按组合形式分类，也能明显发现加筋对坝体的抗滑移性能有显著的提高，抗滑移系数增加0.56～0.74。

图4为2种组合形式石笼坝体墙底最大最小土压力分布情况，二者的墙底最大土压力均小于200 kPa，满足地基承载力要求，同时可以能够直观看出组合2的墙底应力分布比组合1更均匀，受力情况稍好。

3.2 不同组合形式对石笼坝截面处的影响

对计算结果中截面强度验算内容进行汇总整理，结果见表5。从表中可以很容易发现，不论是组合1还是组合2，在工况三的情况下，网箱连接处抗滑移系数小于1.3，不满足设计要求，组合式石笼坝的薄弱点是网箱连接处，受到泥石流及地震作用下容易发生滑移。对比工况三和工况四，发现墙体后采用1～2.5 m的短加筋后，箱体连接处的抗倾覆和抗滑移性能均有显著提高，说明在坝体后适当的采用短加筋，在增加少量成本的情况下，就能显著提高坝体连接处的截面强度，提高工程安全性。

3.3 不同高度石籠坝稳定性分析

为了对比分析不同高度石笼坝经济技术及运行效果，选取坝体高度H=3.0 m、H=4.0 m两种情况进行计算，坝体截面形式及具体尺寸详见图5。

对计算结果中截面强度验算内容进行汇总整理，结果见表6。从表中H=4.0 m未加筋的工况下发现，坝体存在多项结果不满足规范要求，其中薄弱点为整体滑移、网箱连接处滑移和网箱连接处承载力3处，因此在实际工程中应增加对石笼连接处的合理处理，这是石笼坝在工程应用中成败的关键点；通过对比H=3 m、H=4 m坝体加筋前后的稳定系数，发现在墙后采用加筋处理后，能够有效提高坝体整体稳定性和局部稳定性，此结论与本文3.2节的结论一致。同时对比谷坊坝抗泥石流冲击能力，发现H=3 m时，加筋后抗泥石流冲击力从13 kN·m-1提高到35 kN·m-1，H=4 m时，加筋后抗泥石流冲击力从15 kN·m-1提高到20 kN·m-1，抗泥石流冲击力均存在显著的提升，其坝体高度较小时，提升效果更明显。

4 结论

本文针对当前公路泥石流治理过程中存在的痛点和难点，采用宾格石笼坝进行治理，同时通过数值模拟研究，分析了不同石笼组合形式及墙高对坝体稳定性影响，得出以下结论：

1）与传统拦挡坝相比，宾格石笼坝具有整体性和柔韧性好、透水性好、施工简便、造价低、施工周期短、损伤后易于修复等优点，能更好地在中小型泥石流治理工程中应用。

2）通过计算分析发现，其中薄弱点为整体滑移、网箱连接处滑移和网箱连接处承载力3处，因此在实际工程中应增加对石笼连接处的合理处理，这是石笼坝在工程应用中成败的关键点。

3）在石笼坝墙后采用短加筋形式，加筋长度1～2.5 m，加筋对抗滑和截面强度有明显的提升作用，对整体稳定性的提升与墙高有关，对抗倾覆作用仍需深入研究。

参考文献

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甘柯，2019.门头沟区斋堂镇东河沟泥石流发育特征及防治工程［J］.城市地质，14（2）：48-53.

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廖丽萍，朱颖彦，杨志全，Muhammad Waseem，Steve Zou，陈济丁，王云，叶成银，张学进，2013.中巴公路泥石流灾害破坏及防治优化［J］.地质科技情报，32 （6）：168-174.

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