泥石流攔擋壩工程服役性能特征分析
——以甘肅省隴南市武都區為例

周 亮，何曉英,2，晉云超，張 展，向靈芝,2，沈 娜,2

（1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；2.山區公路水運交通地質減災重慶市高校重點實驗室，重慶 400074）

0 引言

中國是泥石流多發的國家，發生次數占多年地質災害記錄總數的4.35%，造成的直接經濟損失約占各類地質災害總和的30%[1]。對泥石流進行易發性[2]、危險性[3]評價和模擬從理論層面為泥石流災害防治提供依據，而實施各種具體工程是防治泥石流的有效手段[4-5]。

20 世紀80年代，我國開始泥石流防治工作[6]。攔擋壩是防治工程最重要的手段之一，其主要功能為：①攔蓄：削減泥石流有效方量，降低泥石流峰值流量，減少泥石流下泄規模[7]；②穩：降低上游溝床縱坡率和橫向坡度，增加了邊坡穩定性，抑制泥石流發育規模[8-9]；③排：排泄流水、細顆粒、抑制壩基滲透和掏蝕作用。攔擋壩服役性能是指攔擋壩在設計使用期間能穩定發揮其功能，有效降低泥石流災害風險，保證人民生命財產安全。其服役性能主要體現在“安全性”和“有效性”兩方面，對攔擋壩的長期效益產生重要影響。

相關學者通過野外調查和室內模擬試驗，對攔擋壩的破壞原因、破壞模式等做了大量研究。如劉興榮等[3]針對隴南市武都區攔擋壩破損分析及優化對策中發現，攔擋壩破損形式依次為副壩破損、壩肩破損、溢流口破損、基礎破損、沖毀、勾縫破損，對溝道機理認識不足、壩體存在缺陷和保護措施不當是攔擋壩破損的主要原因。齊得旭等[10]通過對四川63 座攔擋壩現場調查發現：根據攔擋壩破壞部位分為壩基破壞、壩肩破壞和壩體破壞；按破壞原因統計結果顯示，沖擊破壞占36.59%，沖刷掏蝕破壞占31.71%，滑動傾覆破壞占15.85%，滲透破壞占 15.85%，其中沖擊破壞模式占比大。SHOKI 等[11]利用實驗和數值模擬發現多個滑坡壩的級聯潰壩所引發的洪峰流量要大于單個潰壩所引發的洪峰流量，結果表明：下游壩高開始迅速侵蝕時，流入下游大壩的流量是導致級聯故障的主因。LYU 等[12]發現壩間沖淤特性是影響攔擋壩設計的重要因素，通過水槽試驗對溝床沖刷開展了研究，結果表明：水槽坡度對沖刷深度、長度、淤積長度和淤積量影響最大，研究結果可為泥石流防災減災中的窗口壩設計提供技術依據。劉興榮等[3]還運用增量加減法模擬三眼峪溝泥石流攔擋坎的抗沖擊能力。

我國攔擋壩材料主要為漿砌塊石，抗沖擊能力弱[13]；攔擋壩庫容量隨著泥石流的多次沖淤逐漸減??；泥石流沖刷導致溝道邊坡穩定差；壩體結構設計缺陷、壩址選擇和壩高設置常不合理、壩肩和基礎保護措施不足[14]、掏蝕、滲流破壞[15]等諸多原因導致其服役性下降。

攔擋壩的服役性能是泥石流防治工程關注的重點，然而鮮見對服役性評價的研究，因此，深刻認識攔擋壩服役性能降低機理，有效評價攔擋壩服役性能現狀，是保證泥石流防治效果，是預測服役壽命、提高長期效益的關鍵任務。本文選取了武都區15 條泥石流溝中的55座攔擋壩為研究對象，通過調查攔擋壩運行現狀和損毀部位情況，運用層次分析法和模糊綜合評價法，從安全性、有效性出發，建立服役性評價體系，為攔擋壩服役效果及其定量化評價提供可借鑒依據。

1 研究區概況

1.1 研究區地質條件

研究區位于甘肅省隴南市武都區，屬于長江流域嘉陵江水系，總面積為4 683 km2（圖1）。武都區位于秦嶺山地，區內山峰眾多且高差較大，河谷切割較為嚴重，峽谷多呈“V”字型，屬于典型的侵蝕中高山地貌。地勢陸峭，坡度多為 30 °以上，地形起伏明顯，河道多沿大斷裂分布[16]。區域位于南北地震構造帶內，屬于青藏高原向中部高原過渡帶，新構造活動劇烈,造成巖層褶皺較多，小斷層發育強烈，表層風化嚴重，是導致該地區泥石流災害頻發的主要因素。區內出露的地層主要為中、新生界泥質紅層軟巖、志留系和泥盆系的頁巖、千枚巖、炭質千枚巖、板巖[17]。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 區內攔擋壩分布及現狀

甘肅省隴南市武都區是我國主要的泥石流高發區之一。據統計，區內泥石流溝349 條，其中危害大、威脅性高和頻發的災害性泥石流溝264 條，占泥石流溝總數的75.6%。主要密集分布于武都區白龍江干流兩岸，北峪河馬街以下地段以及勾壩河、福津河等地段[15]，均為暴雨型泥石流。區內大部分泥石流溝處于發展期和旺盛期，暴發頻率高，如馬槽溝、泥灣溝為武都地區的典型“溝谷型”泥石流，其歷史活動非常頻繁，1956—2005年期間曾8 次暴發大規模泥石流，造成直接經濟損失近億元，數萬居民無家可歸[17]。

選取研究區內人口密度高、泥石流致災危害大的馬街鎮、漢王鎮、城關鎮等區域內的15 條泥石流溝進行實地考察，對55 座壩的運行情況和損毀特征進行統計分析，攔擋壩分布如圖2 所示。由于圖2 篇幅有限，部分攔擋壩未標注出來。

圖2 研究區攔擋壩分布Fig.2 Distribution of check dams in the study area

研究區內攔擋壩損毀類型多樣化，主要表現為有效性與安全性性能降低。①有效性降低-庫容淤積，如燕兒溝2 號壩，見圖3（a）；②有效性降低-壩肩邊坡失穩，如馬槽溝12 號壩，見圖3（b）上；③有效性降低-排水孔堵塞，如馬槽溝12 號壩，見圖3（b）下；④安全性降低-壩基損毀，如馬槽溝8 號壩，見圖3（c）；⑤安全性降低-壩體損毀，如寨子溝1 號壩，見圖3（d）；⑥安全性降低-壩肩損毀，如寨子溝1 號壩，見圖3（d）。攔擋壩典型損毀特征如表1 所示。

圖3 攔擋壩典型損毀類型Fig.3 Typical damage types in check dams

通過實地考察發現，隨著泥石流淤積，導致攔擋壩庫容量急劇減少和排水孔堵塞，泥石流沖刷造成壩肩邊坡失穩。在所選取的55 座壩中，滿庫占比62%、半庫占比11%、空庫占比27%。在泥石流的沖擊和掏蝕作用下，導致壩基懸空-壩體傾倒、壩肩受沖擊-壩肩損毀。壩肩和壩基損毀率較高，分別為20%和18%，壩體損毀率為11%。

因此，需開展攔擋壩服役性能現狀評價，為保證泥石流防治效果，開展后續攔擋壩服役壽命預測，提升服役性能工程措施提供依據。

2 泥石流攔擋壩服役性模糊綜合評價模型

模糊數學的隸屬度理論[18-19]可把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價，它具有結果清晰，系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題。目前，該方法已經在泥石流風險評估中得到大量應用[20-21]。攔擋壩作為泥石流防治的重要手段，導致其服役性能下降因子眾多，難以定量綜合評價，因此模糊綜合評價法非常適用于攔擋壩服役性能的評價。

模糊綜合評價模型主要流程為：建立評價因子級U→建立評價集V→構建判斷矩陣及權重計算→確定隸屬函數→代入函數計算→得出評價結果。

2.1 泥石流單壩服役性能評價

（1）建立評價因子級U

武都區地質結構復雜，又屬于泥石流高發區，導致攔擋壩服役能力下降因子較多，可運用層次分析法（AHP）建立層次結構。層次分析法是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案層次，進行定性和定量分析的決策方法[22]，具有層次分明，邏輯清晰等特點。

基于攔擋壩的設計規范、防災減災原理和對研究區實地考察，以“攔擋壩服役性”為目標層，“有效性”為準則層，其中包括“安全性、淤積庫容比、壩肩邊坡失穩程度、排水孔堵塞程度”，“安全性”為方案層，其中包括“壩體、壩基、壩肩損毀度”，以此建立三層攔擋壩服役性評價體系（圖4）。

圖4 攔擋壩服役性評價體系Fig.4 Service evaluation system for check dams

攔擋壩安全性是指壩體結構在設計使用期內能夠承受泥石流沖刷和塊石的撞擊，能夠保持必要的整體穩定性。壩體結構主要由“壩體、壩基、壩肩”組成，分別以“損毀程度”進行評價，評價因子分別以u1、u2、u3表示，損毀程度越小，壩體越穩定。

攔擋壩有效性是指其設計使用期內能發揮攔蓄、穩定溝床岸坡、排泄泥沙、水流的功能性。由“安全性、攔蓄、穩、排”四部分組成。其中“安全性”評價因子，即u4，安全性起至關重要的作用；“攔蓄”以“淤積庫容比”為評價因子，即u5，淤積庫容比為泥石流淤積量與設計庫容之比，淤積庫容比越小則攔蓄能力越大；“穩”以“壩肩邊坡失穩程度”為評價因子，即u6，失穩程度越小越穩定；“排”以“排水孔堵塞程度”為評價因子，即u7，堵塞程度越小越通暢。

（2）建立評價集V

參照地質災害分級分類標準[23]，劃分攔擋壩服役性能評價集：V={優（V1），良（V2），中等（V3），差（V4）}，綜合諸多學者的研究成果，并結合實際調查情況進行分析，將7 個評價因子進行分級及定量化取值[22]（表2—3）。

表2 攔擋壩服役性能評價因子等級及賦值Table 2 Check dam service performance evaluation factor rating and assignment

表3 評價值的取值依據及定量化取值Table 3 The basis and quantitative values for evaluation values

（3）構建判斷矩陣及權重計算

按照評價目標將相關評價指標構建起判斷矩陣，并建立起上層對下層的支配關系，將方案層評價因子依次進行兩兩間的相互比較，引用1～9 的整數及其倒數的標度方法[24-25]，判斷矩陣的標度及其含義如表4所示。

表4 判斷矩陣標度及其含義Table 4 The scale of judgment matrix and its significance

可得方案層、準則層各影響因素的權重值（表5—6）。

表5 方案層的權重Table 5 Weights at the scheme level

表6 準則層的權重Table 6 Weight at the criterion level

（4）確定隸屬函數

基于評價因子數據的分布特征，參考相關學者的使用經驗，建立“梯形分布”函數，進行隸屬度函數的設計[21]，如下：

式中：xi——各因子實際取值；

ei——評價集的上下限。

（5）應用案例

攔擋壩服役性模糊綜合評判計算公式[26]：

式中：O——模糊綜合評判集；

W——權重向量；

R——模糊關系矩陣。

將“安全性”和“有效性”記為“A”和“B”，根據定量化取值代入隸屬函數計算得到模糊關系矩陣R[25]。計算流程為：先計算方案層“安全性”模糊綜合評判集O值，將計算結果帶入準則層計算“有效性”，準則層模糊綜合評判集即為目標層最終評判值，根據最大隸屬度原則，綜合評判集中最大值所對應的評價等級為評價結果。

以馬槽溝12 號攔擋壩為例，該壩現狀分析：壩體表面局部脫落；壩基裸露；右側壩肩表面脫落，出現輕度裂縫；右側壩肩邊坡出現大面積滑坡，邊坡穩定性差；排水孔嚴重堵塞；庫容已淤滿。

方案層“安全性”評價因子u1、u2、u3的取值分別為25、15、18。模糊關系矩陣如下：

可得方案層“安全性”模糊綜合評判：

準則層“有效性”評價因子u4、u5、u6、u7的取值分別為OA、90、30、90，則準則層的模糊關系矩陣如下：

準則層“有效性”模糊綜合評判:

即目標層模糊綜合評判矩陣為：

根據最大隸屬度原則，綜合評判結果集OB中最大值所對應的評價等級為評價結果。即12 號壩中OB值最高為0.440，則其服役性能等級為“差”，評判結果與現場調查相符，該壩現狀如圖5 所示。

圖5 馬槽溝12 號壩現狀Fig.5 Current state of dam No.12 in Macao gully

由上述計算過程，推廣至馬槽溝內其余攔擋壩。其余攔擋壩服役性的評價因子實際取值及評判結果如表7 -8 所示。

表7 馬槽溝攔擋壩的評價因子實際取值Table 7 Actual values of evaluation factors for check dams in Macao gully

表8 馬槽溝攔擋壩服役性評價結果Table 8 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

馬槽溝共調查12 座壩，評價結果表明：單壩服役性等級“優”占8.3%，“良”占8.3%，“中等”占25%，“差”占58.3%，多數攔擋壩服役性能已不能達到要求。

2.2 泥石流攔擋壩單溝綜合服役性能評價

對于一條泥石流溝而言，其溝內常設置多座攔擋壩。攔擋壩的數量由泥石流沖出總量、泥石流攔排比、攔擋壩設計壩高、回淤縱坡等多參數決定。因此，單溝內攔擋壩的服役性能，應為多座壩體綜合服役的結果。因此，為評價多個攔擋壩共同作用下的泥石流溝內整體服役性能，本文對各座單壩增加 “重要性”評價因子，主要從以下3 方面綜合考慮：①攔擋壩地理位置重要性：位于泥石流堆積區、流通區、溝口處；②攔擋壩設計庫容重要性：根據設計庫容大??；③防治重要性：攔擋壩周圍居民、建筑物、道路密度等級。重要系數取值依據及定量化取值如表9 所示。單溝綜合服役性“評判等級”與單壩服役性一致[27]。

表9 重要系數取值依據及定量化取值Table 9 Basis and quantitative values of important coefficients

攔擋壩單溝綜合服役性評判流程：單壩重要系數定量化取值→計算重要系數均值→累加重要系數均值與單壩模糊綜合評判矩陣的乘積→單溝服役性模糊綜合評判集→得出評判結果。

攔擋壩單溝服役性模糊綜合評判[12]公式：

式中：D——攔擋壩單溝模糊綜合評判集；

n——重要性評價因子個數；

表10 馬槽溝重要系數取值及均值Table 10 The value and mean of the important coefficient of Macao gully

O——單壩模糊綜合評判集。

以馬槽溝為例，計算攔擋壩單溝綜合服役性能評價。

馬槽溝攔擋壩單溝服役性模糊綜合評判矩陣為：

根據隸屬度最大原則，最大值所對應的評價等級為評價結果，馬槽溝攔擋壩服役性模糊綜合評判最大值為3.709，即服役性等級為“差”，評判結果如圖6所示。

圖6 馬槽溝攔擋壩服役性評價結果Fig.6 Results of the serviceability evaluation for check dams in Macao gully

依據上述方法，分別對研究區余下佛堂溝、桔柑溝等進行綜合服役性評價，評判結果如表11 和圖7 所示。

表11 武都區攔擋壩單溝綜合服役性評價結果Table 11 Comprehensive service evaluation results of single gully check dam in Wudu District

圖7 武都區單溝綜合服役性評價結果Fig.7 Comprehensive service evaluation results of single gully in Wudu District

研究區所調查的15 條泥石流溝，評價等級占比結果如表12 所示。

表12 泥石流溝道綜合服役性評價結果Table 12 Comprehensive service evaluation results of debris flow gully

3 結論

（1）根據武都區15 條泥石流溝中的55 座攔擋壩現場調研和服役性評價，泥石流單壩服役性等級“優”占32.7%，“良”占25.2%，“中等”占7.3%，“差”占34.5%。泥石流攔擋壩單溝綜合服役性等級“優”占40%，“良”占20%，“中等”占6.7%，“差”占33.3%。其評判結果與研究區實際調查相符。

（2）泥石流多次沖淤、掏蝕、滲透和壩體自身存在缺陷、保護措施不足、物源量大、泥石流頻發等，是導致區內攔擋壩服役性能降低的主要原因。

（3）文章可為攔擋壩服役性能現狀分析和服役效果及定量化評價提供可借鑒的依據，為未來進行攔擋壩壽命預測奠定了基礎。