透過型泥石流攔砂壩工程減災效果分析

孫 昊,游 勇,李道凌,柳金峰,王東偉,3,劉 帆

(1. 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室/中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041;2. 四川省阿壩藏族羌族自治州自然資源局,四川 馬爾康 624000; 3. 中國科學院大學,北京 100049;4. 廣東省重工建筑設計院有限公司,廣東 廣州 510006)

0 引言

泥石流作為山區常見的一種地表過程或突發性的災害現象,是介于挾沙水流和滑坡之間的土、水、氣三相重力混合流[1-2],具有暴發突然,流動速度差異懸殊,規模巨大,歷時短暫,危害嚴重等特征[3]。攔砂壩作為調控泥石流運動的關鍵防治工程,在泥石流災害治理中被廣泛地應用[4-6],其主要用于降低泥石流動力,抬高侵蝕面,增加溝床穩定性等[2]。通過半個多世紀的發展演化,泥石流攔砂壩根據結構形式一般可分為透過型(open-type)和非透過型(closed-type)兩大類,其中非透過型攔砂壩也稱實體壩[7-8]。透過型攔砂壩是由實體壩演化而來,其在攔砂壩溢流段采用開放式結構,具有與實體壩相同的功能,如攔蓄回淤、穩坡固床等,但又有其獨特之處,如攔粗排細、汰沙排水等,表現出良好的調控特性,在相同壩高的條件下,可以有效地擴大調節庫容量[1]。而且,由于溢流段透過式的結構(受力接觸面小),使其在攔截泥石流過程中,受到的龍頭沖擊力也較實體壩更小[9]。此外,部分透過型攔砂壩可組裝式的結構也較好地提高了其適用性,解決了目前實體壩難以改善的現狀和缺點。這都是透過型攔砂壩的結構可變空間較大,地形適應性較高帶來的優勢。

國內外學者關于透過型壩的研究主要是通過模型試驗或數值模擬手段,分析其攔砂調控[10-14]、庫內淤積[15-17]、自清淤[18],以及泥石流-壩體相互作用時的動力響應[19-21]。特別是,SUN等[18]分析了梁式格柵壩閉塞表現對攔砂調控性能的影響,提出了壩體開口閉塞的綜合判據,一定程度上可指導工程實踐中的開口設計;WENDELER等[10]和ZHOU等[14]分別基于模型試驗結果給出了網格壩和梳齒壩的開口參數建議值;HU等[21]分析了泥石流通過縫隙壩時,開口大小對泥石流沖擊過程和最大沖擊力的影響,闡釋了泥石流沖擊力的縱向分布特征(簡化的折線型分布)。

汶川地震后,岷江上游地區泥石流活躍性顯著增強[22-23],隨后的幾年內,通過修建大量的工程防治結構,有效地緩解了泥石流的危害,其中攔砂壩工程則大多采用了透過式的結構,主要是考慮到震后區內物源極大豐富[24],泥石流頻發,一次最大沖出總量增加[25],而岷江主河具有良好的輸沙能力[26],因此采用透過型攔砂壩是較為科學合理的防治措施,這也為泥石流災害的綜合防治體系開辟了新思路。

盡管透過型攔砂壩在泥石流防治中已經發揮了一定的作用,但是與大多數泥石流防治工程一樣,其設計仍然處于實踐先于理論的過程。目前針對透過型攔砂壩的設計仍處于經驗化階段,對其功能性和運行機理還不明晰,對其關鍵設計參數也無定量化計算方法可供參考,導致透過型攔砂壩設計具有很大的主觀性和經驗性。本文通過對西南地區(特別是岷江上游流域)透過型攔砂壩的詳細野外調查,完善透過型壩的結構分類,分析其減災效果,總結運行過程中存在的問題及隱患,旨在為透過型壩的結構性能優化等提供科學參考,降低工程設計中的經驗性,以期更好地為泥石流防災減災服務。

1 研究區域與研究方法

岷江上游屬青藏高原東緣高山峽谷區,位于青藏高原向四川盆地及邊緣山地過渡帶,以中、高山地貌為主,區域地質環境復雜,斷裂發育,地震活動頻繁,是四川省,乃至全國,泥石流最發育的地區之一。特別是“5·12”汶川地震后,強烈地震造成巖體嚴重破壞和山坡失穩,岷江流域出現一個較長的泥石流活躍期。安寧河流域地處橫斷山脈東緣,系雅礱江最大的支流,受安寧河斷裂帶控制,地勢北高南低,以剝蝕侵蝕、構造高山和中山、堆積河谷平原、山間斷陷盆地地貌為主。泥石流是安寧河流域內最主要的地質災害之一。例如,2019年8月20日,岷江流域汶川縣境內因強降雨誘發群發性泥石流災害,圖1(a)為耿達鄉倉旺溝泥石流造成溝口右側居民房屋大面積沖毀或淤埋,圖1(b)為綿虒鎮簇頭溝泥石流造成溝口國道G213跨岷江橋梁發生結構破壞(橋面與橋墩錯位)。本文重點對岷江上游、安寧河流域內的典型泥石流溝的透過型攔砂壩工程開展了野外考察工作。

圖1 汶川“8·20”群發性泥石流災害Fig. 1 The “8·20” group-occurred debris flow disasters in Wenchuan

在采取的研究方法和調查手段上,通過無人機航測如圖2所示,獲取透過型攔砂壩上下游溝道的沖淤情況,如庫內回淤形態,調查壩體結構的完整性、開口閉塞等情況,同時在典型透過型壩上、下游進行取樣分析,為工程減災效果分析提供基礎數據支撐。

圖2 耿達鄉幸福溝2#壩庫內淤積Fig. 2 Sediment siltation upstream of 2# check dam in Xingfu Gully

2 透過型攔砂壩的開口形式與分類

目前對于透過型攔砂壩國內外均沒有統一的分類標準,WEHRMANN等[7]提出了一種基于結構形式和開口尺寸的分類方法,將泥石流攔砂壩工程劃分為七大類,包括實體壩和六類透過型壩。而國內雖然透過型攔砂壩的應用越來越廣泛,但其分類則略顯混亂,仍多以溢流段結構形式進行分門別類,如梳齒壩[27]、縫隙壩[28]、梁式格柵壩[29-30]、窗口壩[31]、格子壩[13]、柔性網格壩[19]等。這些都是根據攔砂壩溢流段采用的開口結構形式來區分的,也導致結構形式越來越多樣,分類也越來越混亂模糊。

除泥石流性質和壩址處的地形條件外,攔砂壩防治泥石流的效果很大程度上取決于溢流段的功能性結構,而受筑壩材料和受力特點等影響較小。透過型壩與實體壩攔截泥石流時的主要差異在于透過型壩壩體溢流段采用開放式結構,其開口在被泥石流固體顆粒完全閉塞之前具有一定的過流能力。因此,透過型攔砂壩的開口閉塞對攔砂調控性能有顯著影響。野外調查結果(圖3)和室內試驗[30-31]都表明,不同壩型(開口形式)其閉塞表現差異明顯。

圖3 野外實際工程運行中的閉塞現象 圖4 開口閉塞優勢與發展方向分析示意圖Fig. 3 Open structure clogging phenomenon in field Fig. 4 Analysis diagram of the predominant direction during the open structure clogging

前人研究表明,透過型攔砂壩的閉塞主要取決于開口尺寸的較小值,即min(h0,w0),h0和w0分別為單個開口結構的高度和寬度。從壩體開口閉塞的角度分析,假設其他條件相同情況下,當h0大于w0到一定程度時,在攔截泥石流過程中,相同顆粒將在橫向上先形成閉塞,反之,則在豎向上優先形成閉塞,即對于不同形式的開口存在優勢閉塞的方向。但這個優勢方向隨著h0和w0大小接近,這一閉塞方向優勢將逐漸減弱,表現為閉塞雙向發展的趨勢如圖4所示。

2017年，諸暨市出臺《行政機關行政調解權力義務清單》，厘清了行政機關的行政調解職責，落實行政調解責任。清單共梳理出各行政機關的行政調解權力義務52條，涉及20個行政管理部門。與此同時，該市力推人民調解與行政調解的聯動，在公安派出所、交警隊等機構，都設置了人民調解工作室，受委托從事相關民事糾紛的調處。

ISHIKAWA等[32]認為3個以內大顆粒之間咬合才能形成相對穩定的閉塞體,即針對同樣的大顆粒,當開口尺寸大于其某一特征粒徑的2倍,則無法形成閉塞。因此,針對前文提出的基于壩體開口形式和可能的閉塞表現的透過型攔砂壩分類方法,分析認為,當h0>2w0,則在攔截泥石流過程中橫向約束明顯大于豎向約束,常見的梳齒壩、縫隙壩、樁林壩即屬于此類;當w0>2h0,則在攔截泥石流過程中豎向約束明顯大于橫向約束,常見的有梁式壩等;當1/2h0

根據國內外文獻,以及對我國西南地區既有透過型攔砂壩工程的野外考察,盡管結構形式呈現多樣化的特點,但開口形式總體上可分為橫向開口、豎向開口、方形開口以及混合開口4種類型,如圖5所示。

圖5 透過型攔砂壩開口形式分類Fig. 5 Classification of open forms of open-type check dams

本文統計了西南山區100余座具有透過型特征的攔砂壩工程,結果表明,結構形式上主要采用方形和混合開口結構,分別占比58.25%和22.33%(圖6),且混合開口均為方形+豎向開口的組合形式,從汶川震區震后泥石流治理工程來看,壩體型式的采用與設計單位,即設計從業者密切相關。目前針對透過型壩調控泥石流的減災效果還缺乏系統性地研究,在工程實踐中,設計者多借鑒既有的成功經驗,而沒有根據不同壩型的功效和適用條件進行針對性地設計。

圖6 透過型攔砂壩開口類型分布統計Fig. 6 Classification statistics of open form of check dams

3 透過型攔砂壩的減災效果

3.1 運行現狀分析

為研究透過型攔砂壩對泥石流的減災效果,本文以岷江流域和安寧河流域為研究區,經野外實地考察發現,大多數泥石流溝流域均是采用了透過型攔砂壩群從上游至下游分級攔蓄的治理思路,但未遵循從上游至下游開口逐級減小的原則,基本都采取的小開口設計,多小于1.0 m。

表1列出了岷江流域、安寧河流域13條泥石流溝內32座透過型攔砂壩的運行情況。調查結果表明,空庫工況多出現在下游區段,即只有上游攔砂壩淤滿后,泥石流才能運動輸移至下游,梯級攔砂壩群很難達到多級調控的效果。2019年汶川“8·20”群發性泥石流,幸福溝、徹底關溝、簇頭溝、板子溝、登溪溝等均暴發較大規模泥石流災害,溝內防治工程整體上表現出了較好的減災作用,大部分泥石流固體物質被攔蓄于庫內,但由于部分泥石流超防治工程設計標準,也導致了不同程度的災害損失情況。如板子溝流域溝口修建有一座梁式壩,在“8·20”泥石流之前,該壩已呈現半庫運行狀態,導致“8·20”泥石流發生時,由于庫容不足,大量泥石流直接沖至下游,損毀房屋89棟,沖毀都汶高速公路橋梁400m,淤埋村道50m,同時泥石流越過左側壩肩,并形成強烈沖刷,導致梁式壩壩體左側嚴重受損如圖7所示。

表1 部分透過型攔砂壩工程野外調查統計一覽表Table 1 Some of the open-type check dams investigated in field and their service situation

圖7 “8·20”泥石流前后板子溝梁式壩運行情況對比圖Fig. 7 Service situation of the beam dam in Banzi Gully before and after the “8·20” debris flow disaster

從整體上來看,由于各小流域泥石流發育情況、防治工程修建時間等方面的差異,其運行現狀也差異較大,目前攔砂壩以空庫、半庫和滿庫工況運行的都有,但主要以滿庫和半庫運行為主,分別占比約33.65%和40.38%,如圖8所示。且空庫工況條件下,也多為防治工程修建后溝內未發生泥石流,或發生小規模泥石流被上游防治工程攔截而未運行至下游。

圖8 透過型壩庫容運行統計圖Fig. 8 Remaining storage capacity of open-type check dam investigated in field

從調查統計來看,相較于安寧河流域,岷江上游流域(映秀-茂縣段)因經歷震后泥石流活躍期,攔砂壩基本以滿庫和半庫為主。此外,區內防治工程中多開展了人工清淤措施,但由于清淤工程量較大,多是庫容一次淤滿后的被動清淤,難以一次清淤到底,將攔砂壩庫容騰空以攔截下一次泥石流。

3.2 減災效果分析

不論是透過型攔砂壩,或是非透過型壩,回淤緩坡是工程設計中最重要的功能之一?，F行的泥石流災害防治工程設計規范中建議選取淤積縱坡Sdep為0.5～0.8倍的原始溝床縱坡Sinit。類似地,OSTI等[33]和D’AGOSTINO等[34]也分別提出了攔砂壩庫內回淤縱坡的估算方法:Sdep≈(1/2或2/3)Sinit。一般地,泥石流在攔砂壩庫內的回淤縱坡和回淤長度受泥石流性質、溝道條件等因素的影響,此外還與泥石流規模、攔砂壩溢流口位置和形狀有關[35]。

研究結果表明(圖9),透過型壩庫內回淤縱坡在20‰～88‰之間,回淤縱坡與原始溝床縱坡的比值(Sdep/Sinit)為0.31～0.83,整體來看,透過型壩表現出良好的回淤緩坡的效果。調查發現,透過型壩的回淤與其開口的閉塞密切相關,由于溢流段開口結構的存在,在后期水動力條件作用下,庫內淤積物多有表面顆粒粗化的現象,或形成明顯的侵蝕溝槽,這也間接解釋了透過型壩的Sdep/Sinit小于規范推薦值(非透過型壩)。顯然地,在透過型壩的設計中,Sdep/Sinit可適當取小值,以避免出現庫容誤算等問題。此外,對不同壩體開口結構開展模擬實驗研究以確定透過型壩的庫內回淤規律,也是后續需要重點研究的內容之一。

圖9 透過型攔砂壩庫內回淤縱比降與原始溝床比降關系圖Fig. 9 Relationship between deposition gradient and initial gradient upstream of open check dams

2)攔砂調控功效

不論是透過型攔砂壩,或是實體攔砂壩,在攔截泥石流過程中,均能表現出不同的調控效果。由于野外泥石流體的全級配曲線較難獲取,一般需采用槽探,本文為分析透過型壩對泥石流顆粒組成和性質的調控效果,通過實地調查獲取了典型透過型壩上、下游泥石流樣品(注:本文所取樣品均為60 mm以下的小樣),并根據顆分實驗確定了上、下游泥石流顆粒粒徑百分含量的差異。調查結果表明(圖10),大部分攔砂壩對泥石流顆粒組成均能表現出一定的調控作用,但不同壩體之間差異明顯,這與泥石流的性質、壩體結構形式等因素有關。同時注意到,登溪溝1#壩上、下游泥石流堆積物中礫石的含量分別為68.26%和71.11%,差異較小,甚至有所增大,這主要是登溪溝1#壩在攔截“8·20”泥石流時壩體結構完全損毀而失效。上述是基于泥石流小樣的分析結果,若需揭示其普適的攔砂調控規律,下一步還需通過獲取壩體上下游的泥石流堆積物的全級配特征,進而從工程實踐的野外原型分析其功效。

此外,根據工程實踐調查分析,“攔粗排細”應該是一個相對的概念,壩體對泥石流體進行分選,并不是所有小于某粒徑的固體顆粒都會被排泄至下游,或者大于某粒徑的固體顆粒都會被壩體攔截于庫內。對于透過型攔砂壩而言,壩體開口的閉塞是其攔截泥石流體的前提,是泥石流體中一個或多個大塊石在開口邊界處成拱效應的結果。

3.3 工程運行中存在的問題與隱患

岷江流域,特別是映秀至汶川段,一直以來都受泥石流災害困擾,威脅當地居民的生產生活及公共交通、水電等基礎設施。汶川地震后,該區域的泥石流災害問題凸顯,進入震后泥石流活躍期。隨后該區域也迅速實施了大量的防治工程(透過型攔砂壩)措施,極大地減輕了當地泥石流的危害,但經過近十年的運行,不同程度地存在以下問題與隱患:

1)開口參數設計不合理

透過型攔砂壩(群)一般是小流域泥石流防治的骨干工程體系,通過不同開口的透過型攔砂壩對泥石流中的顆粒從上游至下游進行分級攔截,同時逐級削峰減流。但野外調查結果發現,大多數攔砂壩的開口設置都較小,普遍在0.5～1.0 m之間,很難達到規范中建議的1.5～2.0倍的dm。此外,研究表明從上游至下游開口逐級減小,有利于充分發揮逐級攔擋的功效。但實際工程設計中同一透過型攔砂壩體系其壩體開口設計差異不大,比如,棉簇溝1～3#攔砂壩開口均為0.4 m×0.6 m,4#壩開口為0.6 m×0.8 m,如表1所示。調查還發現,甚至有上游開口明顯小于下游的情況,比如幸福溝1～5#壩開口尺寸均小于1.0 m,但6～7#壩開口大小卻達到2.0 m,如表1所示。這些不合理的設計也導致大量物質在上游攔蓄,而未達到一個“物質沿程分配,逐級調控”的效果。

2)攔砂壩結構整體性差

與實體攔砂壩相比,透過型攔砂壩其溢流段采用的透過式結構,壩體結構整體性相對較差,在受泥石流沖擊時,雖因接觸面小而受到的整體沖壓力更小,但溢流段極易造成局部,甚至整體的破壞(圖11)。例如,北川楊家溝樁林壩群,樁與樁之間雖有銜接梁相連,但仍被沖擊破壞,樁林散落,加之溝道內松散堆積層較厚,在泥石流強烈的下切侵蝕條件下穩定性進一步變弱。

3)攔砂壩過流結構的磨蝕破壞

磨蝕是泥石流過流結構(攔砂壩溢流口、排導槽等)的一種常見現象。對于透過型攔砂壩,由于其結構的特殊性,過流時與泥石流接觸作用面更大,除上部溢流口外,其溢流段的開口結構也存在較為顯著的磨蝕問題。如青林溝樁林壩樁體迎水面因過流時受強烈磨蝕使樁內鋼筋外漏,而桃關溝窗口壩則因過流時開口結構底部和側面發生磨蝕破壞,出現磨蝕坑(圖12)。

4)攔砂壩下游沖刷侵蝕和基礎淘蝕破壞

攔砂壩下游的沖刷侵蝕以及進而可能的基礎淘蝕是其運行過程中普遍存在的問題。在工程運行過程中,攔砂壩庫內將被泥石流淤滿,并從溢流口處過流,而泥石流的越壩沖刷,不斷地淘蝕攔砂壩下游溝床,形成沖刷坑,使攔砂壩穩定性受到極大的威脅。野外調查還發現,對于一些大開口的透過型攔砂壩,如樁林壩,由于其溢流段過流能力較強,在滿庫運行前,壩下游溝道即遭受不同程度的侵蝕。與實體壩或其他透過型壩體不同,若樁間基礎不是整體連接,在壩體閉塞回淤前,極易受淘蝕破壞。

5)攔砂壩人工清淤不當

人工清淤是攔砂壩運行期間較為常見的措施,是其持續發揮攔蓄或調控作用的重要保障,但野外調查發現,在透過型攔砂壩的庫內人工清淤過程中,并沒有充分考慮其結構特點,造成了事倍功半的結果。如牛圈溝2#壩,人工清淤僅清理了庫內的堆積物,而未清理壩體開口的閉塞體,導致汛期時庫內蓄水,占用了大量的庫容(圖13)。此外,庫內蓄水不僅占用有效庫容,而且一定程度上增大壩體揚壓力,這都為攔截和調控流域內下一次泥石流埋下隱患。

圖13 攔砂壩庫內人工清淤及存在的隱患Fig. 13 Artificial dredging of open check dam and its potential risk

4 結論與建議

本文通過多期次、多地區的透過型泥石流攔砂壩的野外考察工作,得到以下主要結論:

1)提出一種基于開口閉塞作用的透過型攔砂壩分類方法,包括橫向開口、豎向開口、方形開口以及混合開口4種開口結構類型。調查統計顯示,西南地區現有透過型壩的溢流段開口結構多采用方形開口和混合開口,分別占比58.25%和22.33%,壩體結構形式整體較為單一,開口設計偏保守。

2)調查了西南山區既有透過型攔砂壩運行現狀,結果表明,滿庫工況和半庫工況占比分別為33.65%和40.38%,從地區差異上來看,相較于安寧河流域,岷江上游流域(映秀-茂縣段)因仍處于震后泥石流活躍期,攔砂壩滿庫或半庫比例更高。

3)分析了透過型攔砂壩的工程減災效果,回淤縱坡經驗值為Sdep=(0.31～0.83)Sinit,整體都表現出較好的回淤緩坡效果,在調控方面,透過型壩能表現出一定的攔粗排細特征,但由于壩體開口較小,其對粒徑的分選效果并不顯著,且泥石流性質調控是顆粒組成調控的結果。此外,部分泥石流溝內設置的梯級壩沒有遵循從上游至下游開口逐漸減小的原則,因此無法較好地發揮透過型壩的優勢。

4)總結了西南山區已建透過型壩運行過程中存在的問題與隱患,包括攔砂壩(群)開口參數設計不合理、攔砂壩結構整體性較差、攔砂壩過流結構的磨蝕破壞、攔砂壩下游沖刷侵蝕和基礎淘蝕破壞以及攔砂壩人工清淤不當等五大類。