熊道錕，徐世民

（1.四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610081；2.河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081）

我國地域遼闊，山地丘陵分布廣泛，降雨強(qiáng)度很大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，常常造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。經(jīng)過國際減輕自然災(zāi)害十年活動的大力宣傳和以人為本思想的全面貫徹，人們的防災(zāi)減災(zāi)意識得到了普遍的提高。國家對地質(zhì)災(zāi)害的防治也極為重視，在汶川地震后兩年多的時間里，舉全國之力，在地震重災(zāi)區(qū)陸續(xù)開展了大量的地質(zhì)災(zāi)害防治工作。除全面完成了地質(zhì)災(zāi)害的排查和詳細(xì)調(diào)查之外，還分期分批地進(jìn)行了重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的勘查及治理工程的設(shè)計(jì)和施工，地質(zhì)災(zāi)害的防治力度前所未有。

汶川8.0級特大地震的強(qiáng)烈震動對地質(zhì)環(huán)境造成了極其嚴(yán)重的破壞，巖體開裂破碎，土體結(jié)構(gòu)松動，崩塌滑坡廣布，在眾多的溝道中堆積了豐富的松散固體物質(zhì)。因持續(xù)強(qiáng)烈暴雨的誘發(fā)，2010年7月8日、8月13日和14日在甘肅省舟曲縣城、四川省綿竹市清平鄉(xiāng)和汶川縣映秀鎮(zhèn)相繼暴發(fā)了規(guī)模罕見的泥石流，巨大的摧毀能量對人民的生命和財產(chǎn)造成了極其慘重的損失。

工程治理是防治泥石流災(zāi)害的主要措施之一，應(yīng)用極其廣泛，在消除和減輕地質(zhì)災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)的危害中發(fā)揮了重要的作用，但由于相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)在攔擋壩壩址選擇、壩基和壩肩穩(wěn)定性評價等方面的欠缺，工程設(shè)計(jì)的安全性普遍偏低，致使部分?jǐn)r擋壩，尤其是以土體為壩基或壩肩的攔擋壩存在嚴(yán)重的安全隱患。本文對泥石流攔擋壩可能產(chǎn)生的破壞方式和形成原因進(jìn)行分析，以期在泥石流工程治理的勘查、設(shè)計(jì)和施工中對攔擋壩工程給予足夠的重視，防止因攔擋壩潰決造成不必要的生命和財產(chǎn)損失，讓攔擋壩為人民造福而不是為人民招災(zāi)。

1 攔擋壩潰決的危害性

對于抗滑樁、擋土墻、落石槽、攔石墻、導(dǎo)流堤等大多數(shù)的地質(zhì)災(zāi)害治理工程來說，工程在完好狀態(tài)下具有良好的防災(zāi)功能，在部分或者全部遭到破壞之后其防災(zāi)功能減弱或者失效，最不利的情況也不過是治理工程形同虛設(shè)，毫無防災(zāi)效果而已。泥石流治理工程中的攔擋壩（谷坊、攔砂壩）工程則不同，在攔擋壩完好時，運(yùn)行初期的防災(zāi)功能良好，往后，由于泥石流的不斷淤積，庫容隨之減小，防災(zāi)功能逐漸降低，在庫容淤滿之后，雖然攔蓄功能完全喪失，但由于溝道淤積抬高，縱坡減緩，過流寬度增大，使泥石流的流深變淺，流速降低，侵蝕能力和攜帶能力大為減小，仍然能夠起到減輕泥石流災(zāi)害的作用；當(dāng)泥石流造成攔擋壩的一部分或全部潰決時，不僅防災(zāi)功能喪失殆盡，不能有效防止泥石流災(zāi)害，反而還會顯著加重泥石流的危害，因?yàn)樾罘e于庫內(nèi)的堆積物及泥石流流體在攔擋壩潰決時一起向下游傾泄，使泥石流的流速和流量急劇增大，侵蝕攜帶能力和摧毀能力大幅提高，尤其是按梯級建筑的攔擋壩工程，上級攔擋壩潰決產(chǎn)生連鎖反應(yīng)又引起下級攔擋壩潰決，致使泥石流的能量逐級放大，與建筑攔擋壩之前相比泥石流的摧毀能力成倍甚至成十倍地增加，從而造成巨大的危害。

2 攔擋壩的破壞方式及原因

2.1 壩體破壞

攔擋壩的壩體破壞主要包括壩體破裂、壩體滑動和壩體傾倒造成的損毀，除建筑材料和施工質(zhì)量低劣之外，其主要原因是攔擋壩工程設(shè)計(jì)的安全性較差，影響較大的因素有：

（1）采用的重度值偏小。直接測定泥石流流體的重度往往比較困難，在泥石流災(zāi)害的勘查中，通常采用現(xiàn)場調(diào)查試驗(yàn)法和形態(tài)調(diào)查法進(jìn)行測定［1-3］。從原理上分析，測定結(jié)果主要受到下列因素的制約：首先，泥石流普遍具有明顯的陣流性，流體重度隨位置和時間而異，目睹者見到重度較小的一般狀態(tài)下的泥石流體的概率大，見到重度較大的陣流“龍頭”的概率很??；其次，目睹者回憶和描述的可靠性取決于目睹者對泥石流粘稠狀態(tài)記憶的清晰程度，泥石流發(fā)生的年代越久遠(yuǎn)，記憶越模糊，可靠性越低；再次，泥石流在消退時帶走了大量的粘性顆粒，造成堆積物中粘粒的含量減少，用堆積物配制與泥石流體相同稠度的測試漿液所加入的水量必然少于泥石流的實(shí)際含水量。總之，用上述方法測定的流體重度隨機(jī)性較大，準(zhǔn)確性較低，雖然其平均值可以作為泥石流流體重度的代表值，但由于泥石流陣流“龍頭”才是造成攔擋壩毀壞的“罪魁禍?zhǔn)住保O(shè)計(jì)攔擋壩時選擇該重度值計(jì)算穩(wěn)定性總體偏低。

（2）庫內(nèi)流體的“濃縮”。泥石流流體的重度除在流動過程中隨時隨地而變化之外，蓄積在攔擋壩庫區(qū)的流體重度亦隨時間的變化而變化。由于庫區(qū)的過流斷面較大，泥石流進(jìn)入庫區(qū)后流速減緩，在重力作用下產(chǎn)生分異，粒度較大的顆粒不斷下沉，稀性的泥漿從攔擋壩中部的泄水孔和頂部的溢流口排出，固體顆粒聚集而使流體逐漸“濃縮”，比流動的泥石流體的重度明顯增大。

（3）計(jì)算模型不當(dāng)。泥石流流體的狀態(tài)不同，對攔擋壩的作用方式也不同。由于過流斷面增大，坡度減小，泥石流進(jìn)入庫區(qū)以后流速急劇下降。稀性泥石流粘粒含量少，泥漿浮力小，固體顆粒迅速下沉，水沙分離，形成雙層結(jié)構(gòu)，其上部為流體（渾水），下部為固體（堆積層）；粘性泥石流粘粒含量高，流體濃稠，浮力大，固體顆粒大多懸浮于泥漿中，重力分異不明顯，上下層的差異不明顯，固體顆粒之間接觸少，加之泥漿的潤滑作用，總體上仍具有流體的特征。攔擋壩的側(cè)壓力一直采用朗肯主動土壓力理論計(jì)算［1，3-5］，但攔擋壩的迎水面為坡率達(dá)1：0.6～1：0.8的傾斜面，與朗肯土壓力理論擋土結(jié)構(gòu)墻背垂直的假定明顯不符。無論是固體堆積物還是泥石流體，按朗肯土壓力理論計(jì)算的側(cè)壓力均偏小。

攔擋壩上覆土體（流體）的不僅作用于壩體，還作用于相鄰?fù)馏w，對壩的垂向作用力按自重力計(jì)算顯然偏大。

2.2 壩基破壞

當(dāng)攔擋壩的壩基為完整基巖時，其穩(wěn)定性大都較好，但當(dāng)巖體中存在傾向溝谷下游的軟弱結(jié)構(gòu)面并且具有臨空條件時，壩基可能沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移破壞。

當(dāng)攔擋壩的壩基為破碎巖石或土體時，可分為三種情況：一是設(shè)壩地段溝谷的縱坡較大，臨空條件較好，地基土的抗剪強(qiáng)度較低的壩基產(chǎn)生滑動破壞；二是以松散粗顆粒土為主的壩基，泥石流蓄積后壩上下游水頭差增大，水力坡度增加，滲透力增強(qiáng)，地下水流逐漸帶走土體中的細(xì)小顆粒而產(chǎn)生潛蝕，引起地基下沉甚至滑動；三是從壩頂溢流口傾泄而下的泥石流，動能大，對壩基產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷掏蝕，造成壩基破壞。

2.3 壩肩破壞

壩肩破壞是指與攔擋壩壩體兩端鄰接部分巖土體的破壞。巖質(zhì)壩肩的破壞與巖質(zhì)壩基相似，主要是傾向河谷下游的軟弱結(jié)構(gòu)面在臨空條件較好時產(chǎn)生滑動破壞。

土質(zhì)壩肩的破壞也可分為三種情形：一是壩肩土體強(qiáng)度不足或庫內(nèi)蓄積的泥石流對壩肩土體產(chǎn)生浸潤軟化致使其強(qiáng)度降低而產(chǎn)生滑移破壞；二是在地下水滲透壓力作用下土體潛蝕造成的壩肩破壞；三是庫內(nèi)泥位超高，泥石流體從壩肩漫流，逐漸沖刷下蝕造成的壩肩破壞。

3 改進(jìn)措施

為了提高泥石流攔擋壩的安全性，根據(jù)造成攔擋壩損毀的原因，建議采取以下控制措施：

（1）提高重度測定的準(zhǔn)確性。在測定重度時應(yīng)采集具有代表性的樣品，并在對比多組樣品多種方法的測定結(jié)果后選取。為測定泥石流陣流的重度，在采樣時應(yīng)采取表層之下粘粒含量多的堆積物。

此處推薦一種測定泥石流流體重度的方法——粘粒比較法：采取代表性的物源土樣并加清水?dāng)嚢璩赡嗍鳡畹臐{體，當(dāng)排出泥漿后固體中粘粒含量與泥石流堆積物的粘粒含量相同時漿體總重量與總體積的比值為泥石流體的重度。粘粒含量的比例可以采用目測法判定，也可通過顆粒分析確定。當(dāng)采用后者時，可將物源土樣均分為3-5個子樣，在各子樣中分別加入不等量的水制成稠度不同的漿液，并測定各子樣漿液的重度，然后對排出泥漿的固體進(jìn)行顆粒分析，繪制漿體重度與粘粒含量關(guān)系曲線，再根據(jù)堆積物的粘粒含量在曲線圖上查取泥石流流體的重度。

（2）加強(qiáng)壩址選擇和評價。在壩址選擇時應(yīng)以安全為重，不宜片面追求攔蓄庫容。優(yōu)先選擇完整性好或無不利軟弱結(jié)構(gòu)面的基巖作為壩基，慎重選擇土體作為壩基。當(dāng)必須以土體作為壩基時，應(yīng)選擇在溝道縱坡平緩的地段，并在副壩或護(hù)坦的下游留出足夠的保護(hù)段?？辈閳蟾鎽?yīng)當(dāng)分別對飽水軟化、地下滲流和超高漫流條件下壩基及壩肩的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

（3）改進(jìn)側(cè)壓力計(jì)算方法。稀性泥石流的側(cè)壓力采用庫侖理論按一次滿庫，水土分離條件計(jì)算；粘性泥石流體的側(cè)向壓力按流體靜壓力理論計(jì)算。采用其水平分力和垂直分力分別替代用朗肯公式計(jì)算的水平壓力和按自重計(jì)算的土體重力。

此外，由于庫內(nèi)流體的阻止，實(shí)體攔擋壩可以不計(jì)入塊石的沖擊力。

（4）提高安全系數(shù)。攔擋壩的安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)明顯高于攔蓄標(biāo)準(zhǔn)，最低可采用100年一遇。由于測定的泥石流體重度隨機(jī)性較大以及泥石流體在庫內(nèi)的不斷“濃縮”。考慮到流體性質(zhì)對重度變化的影響不同，參照相關(guān)規(guī)范對擋土墻安全系數(shù)的規(guī)定［6，7］，建議攔擋壩的抗滑移安全系數(shù)由1.05～1.15或1.10～1.25［1，3，4］提高到稀性泥石流 1.30 ～ 1.45，粘性泥石流 1.50 ～ 1.65，抗傾覆安全系數(shù)由 1.3 ～ 1.6［1，3，4］提高為稀性泥石流1.60～1.75，粘性泥石流1.80～2.05。

（5）加強(qiáng)穩(wěn)定性驗(yàn)算。設(shè)計(jì)時應(yīng)對土質(zhì)壩基和壩肩在不同條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，必要時設(shè)計(jì)足夠的壩體埋置深度和壩肩嵌入深度。

（6）加強(qiáng)壩基防護(hù)。對于梯級攔擋壩，即使下級壩的回淤高度超過上級壩的壩基，亦應(yīng)設(shè)置護(hù)坦等半永久性的防護(hù)工程，避免上級壩的壩基先于下級庫淤滿而發(fā)揮保護(hù)效能前產(chǎn)生破壞。當(dāng)?shù)叵滤乃ζ露容^大，可能產(chǎn)生滲透破壞時，也應(yīng)進(jìn)行工程防護(hù)。

7）加強(qiáng)壩肩防護(hù)。設(shè)計(jì)攔擋壩的壩頂高程應(yīng)低于土體壩肩，當(dāng)最高泥位可能超過壩肩時，應(yīng)設(shè)置防護(hù)堤防止壩肩遭受漫流的沖刷破壞。施工基槽應(yīng)回填夯實(shí)以保證土質(zhì)壩肩的實(shí)際嵌入深度。

［1］王繼康，黃榮鑒，丁秀燕.泥石流防治工程技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，1996：31-177.

［2］DZ/T 0220-2006，泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［S］.

［3］周必凡，李德基，羅德富，等.泥石流防治指南［M］.北京：科學(xué)出版社，1991：51-144.

［4］DZ/T239-2004，泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］江峰.泥石流防治工程設(shè)計(jì)的若干問題初探［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2009，20（4）：36-40.

［6］GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］DZ/T 0218-2006，滑坡防治工程勘查規(guī)范［S］.