劉 偉， 衷 誠(chéng)， 秦 光 輝

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

泥石流是由于降水而形成的的一種挾帶大量泥沙、石塊和巨礫等固體物質(zhì)的特殊洪流，多具有爆發(fā)突然、歷時(shí)短暫、來(lái)勢(shì)兇猛、破壞力強(qiáng)等特征[1]。一旦爆發(fā)，對(duì)工程建設(shè)及人民的生命財(cái)產(chǎn)等將造成巨大損失。易于泥石流形成的地形條件為上游形成區(qū)山高溝深、地形陡峻，中游流通區(qū)溝床縱切，下游堆積區(qū)地勢(shì)開闊。以上地形條件也多為水電項(xiàng)目的施工臨時(shí)設(shè)施場(chǎng)地選址的有利條件。

如錦屏一級(jí)水電站印把子溝溝內(nèi)地勢(shì)較為陡峻，溝谷切割相對(duì)較深，坡體的松散固體物質(zhì)易于向溝道內(nèi)匯聚。谷底普遍較為狹窄，縱比降大，坡面徑流時(shí)間短、匯流快、溝道水流集中迅速。溝內(nèi)松散的地表堆積物及溝谷的堆積體穩(wěn)定性較差，易被暴雨洪水沖刷或掏蝕后攜帶進(jìn)入溝床，為泥石流的爆發(fā)提供物源。印把子溝因其獨(dú)特的山區(qū)性氣候，降水較豐沛且較集中，局地性大暴雨，利于區(qū)內(nèi)泥石流的爆發(fā)。根據(jù)綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，屬于輕度易發(fā)。

2012年8月30日，強(qiáng)降雨使印把子溝爆發(fā)一定規(guī)模泥石流[2]，以坡面泥石流為主。印把子溝泥石流流量大、固體物質(zhì)總量大，排水洞排泄泥石流能力極度不夠，導(dǎo)致壩前壅水壅砂(石)嚴(yán)重，排水洞堵塞，對(duì)下游渣場(chǎng)穩(wěn)定影響非常不利。印把子溝渣場(chǎng)為永久特大型渣場(chǎng)，渣場(chǎng)堆渣約3 000萬(wàn)m3，堆渣高度高達(dá)350 m。渣場(chǎng)一旦失事，大量渣料流入錦屏二級(jí)水庫(kù)內(nèi)，減少其調(diào)節(jié)庫(kù)容并危及其安全運(yùn)行，損失巨大。因此必須對(duì)印把子溝采取泥石流防護(hù)設(shè)計(jì)，確保渣場(chǎng)及其附屬建筑物安全。

1 泥石流防治標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《泥石流防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(T/CAGHP 021-2018)，印把子溝泥石流防治工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具體分析見表1 。

表1 印把子溝泥石流防治工程等級(jí)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分析表

綜合分析以上防護(hù)對(duì)象，印把子溝泥石流防治工程等級(jí)按一級(jí)考慮，對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度為100年一遇，相應(yīng)洪水流量為117 m3/s(雨洪法計(jì)算值)，泥石流峰值流量為273.94 m3/s，一次沖出固體物質(zhì)總量約4.68萬(wàn)m3。相應(yīng)的泥石流災(zāi)害防治主體工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)[2]值見表2。

表2 泥石流攔砂壩設(shè)計(jì)安全系數(shù)

2 防護(hù)思路

泥石流防治措施多為預(yù)防與治理相結(jié)合的綜合措施[3]。預(yù)防措施重在固源，可從源頭減少泥石流的物源形成；治理措施分?jǐn)r、滯、排三級(jí)措施，重在攔固、滯流、排稀[4]。

印把子溝兩岸泥石流物源豐富，若全部防護(hù)，施工難度及工程投資太大。印把子溝渣場(chǎng)最大高度約2 000 m高程，渣場(chǎng)埡口高于溝谷高程近40 m，不具備新設(shè)排導(dǎo)通道條件?？紤]溝谷地勢(shì)較為開闊，存在一定的積淤場(chǎng)地，并有條件新建多級(jí)攔擋壩。因此，印把子溝泥石流防護(hù)主要考慮多級(jí)攔擋、重點(diǎn)固源、排水通暢、及時(shí)清於的的總體設(shè)計(jì)防護(hù)思路。

2.1 預(yù)防措施

印把子溝溝床較狹窄，其中左側(cè)岸坡兩處滑坡體坡腳位于印把子溝溝床內(nèi)。為避免溝水淘刷其坡腳，防止坡面堆積物參與泥石流的形成，針對(duì)兩處滑坡體設(shè)置混凝土護(hù)坡?lián)鯄Α?/p>

2.2 治理措施

2.2.1 攔固措施

為攔截印把子溝上游沖出的大粒徑的石塊及樹枝、樹杈等物質(zhì)，考慮采用三級(jí)多孔壩進(jìn)行攔截。旨在分級(jí)攔截泥石流中的固體物質(zhì)、固定溝床、減緩泥石流流速、減輕泥石流的動(dòng)力作用。

2.2.2 滯流措施

考慮在多孔壩下游修建一道梳齒壩，攔蓄泥沙、石塊及樹枝等固體物質(zhì)，減緩溝谷縱坡坡度，減小泥石流流速。

2.2.3 排導(dǎo)措施

印把子溝渣場(chǎng)右側(cè)渣體埡口為倒坡，高差超過(guò)40 m，不具備自主排導(dǎo)條件。渣場(chǎng)原已采取了溝水處理工程措施。建筑物由漿砌石引渠、排水隧洞及2級(jí)消能豎井和出口隧洞組成。本次治理仍優(yōu)先利用其作為泥石流排導(dǎo)的主要通道，且為唯一通道。

因此，為保證原排水洞過(guò)流通暢，防止泥石流將排水洞進(jìn)口堵塞，造成渣場(chǎng)失事等安全事故，考慮在原排水洞進(jìn)口前引渠處修建一座混凝土進(jìn)水塔。

3 防護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)防措施

由于印把子溝溝床較狹窄，左側(cè)岸坡兩處滑坡體坡腳位于印把子溝溝床內(nèi)，為避免溝水淘刷其坡腳，引起滑坡體不斷滑塌，提供大量泥石流物源，因此設(shè)置針對(duì)兩處滑坡體的混凝土護(hù)坡?lián)鯄??？紤]減少溝道開挖和邊坡擾動(dòng)，滑坡體護(hù)坡?lián)鯄Ω鶕?jù)原溝床轉(zhuǎn)彎和坡度進(jìn)行布置，并且設(shè)置為直接貼于原溝床岸坡的貼坡式，只對(duì)擋墻基礎(chǔ)下挖至溝床面以下1.5 m。滑坡體護(hù)坡?lián)鯄Ω?.5 m，頂寬1.5 m，底寬2.07 m，墻址設(shè)一級(jí)1.5 m×1.5 m臺(tái)階，其基礎(chǔ)面設(shè)置10 cm厚的C10混凝土墊層，擋墻開挖面需回填至清淤后溝床面。

3.2 治理措施

3.2.1 攔截措施

分別在溝道高程1 942 m、1 925 m、1 910 m處增設(shè)三道攔擋壩[5]。壩體均采用多孔壩型式，遵循“水石分離、大庫(kù)攔擋”的原則，利用壩體開孔下泄水流。壩后設(shè)置混凝土擋墻對(duì)水流進(jìn)行歸攏，并引排至下游。三道攔擋壩壩體型式相似，上游面為1:0.5坡面，下游面為1:0.2坡面。壩體埋深均為3 m左右。開孔尺寸按上下游依次遞減。第一道多孔壩壩頂寬度為4 m，最大壩高7 m；開孔尺寸為1.5 m×1.5 m(寬×高)。第二道多孔壩壩頂寬度為4 m，最大壩高12m；開孔尺寸為1.2 m×1.2 m(寬×高)。第三道多孔壩壩頂寬度為4 m，最大壩高10 m；開孔尺寸為1.2 m×1.0 m(寬×高)。壩后采用混凝土護(hù)坦，即防止過(guò)壩固體物質(zhì)掏刷壩體，并增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性。多孔壩典型剖面見圖1、2。

3.2.2 滯流措施

圖1 攔擋壩壩軸線典型剖面示意圖 尺寸標(biāo)注/cm

圖2 攔擋壩典型斷面示意圖 尺寸標(biāo)注/cm

3.2.2.1 滯流方案

在多孔壩下游修建一道梳齒壩，攔蓄泥沙、石塊、樹枝等固體物質(zhì)；減小泥石流規(guī)模，固定溝谷溝床。梳齒壩壩頂寬3 m，壩底寬9 m，最大壩高11 m，壩體基礎(chǔ)置于地面以下4 m；壩體上游為豎直面，下游面坡比為1:2。梳齒壩的支墩寬度為1 m，支墩間距1 m。水流及小塊石可從梳齒間通過(guò)，大塊石及其他固體物質(zhì)被攔擋在庫(kù)內(nèi)。梳齒壩示意如圖3所示。

圖3 梳齒壩平面示意圖 尺寸標(biāo)注/cm

3.2.2.2 穩(wěn)定計(jì)算

選取攔擋壩溢流壩段和非溢流壩段典型斷面進(jìn)行壩體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算采用剛體極限平衡分析方法，基本荷載有：壩體自重Wd、泥石流土體重Ws、溢流體重Wf、沖擊力Fc、揚(yáng)壓力Fy、水平水壓力Fwl和泥石流水平壓力Fdl；特殊荷載有：地震力F0和Fi。分空庫(kù)過(guò)流工況、滿庫(kù)容過(guò)流工況和滿庫(kù)容過(guò)流+地震工況進(jìn)行計(jì)算分析。各級(jí)攔擋壩荷載作用簡(jiǎn)圖見圖4、5，梳齒壩同理。

圖4 攔擋壩段典型剖面荷載作用示意圖

圖5 攔擋壩非溢流壩段典型剖面荷載作用示意圖

穩(wěn)定計(jì)算主要包括抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆驗(yàn)算及地基承載力驗(yàn)算。各級(jí)攔擋壩及梳齒壩計(jì)算參數(shù)選取見表3,穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 攔擋壩穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算主要參數(shù)表

3.2.3 排導(dǎo)措施

(1)增設(shè)引渠蓋板。為防止排水洞進(jìn)口邊坡上部滑坡體塌落、樹枝樹杈及較大石塊堵塞排水洞。于排水洞進(jìn)口至引渠末端轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鋼筋混凝土蓋板，形成明洞。其中進(jìn)口處約4 m為現(xiàn)澆混凝土蓋板，跨度約5 m；其余引渠直段采用預(yù)制混凝土蓋板封蓋，蓋板間距不大于20 cm。蓋板在兩側(cè)邊墻的支承長(zhǎng)度不小于30 cm。

(2)增設(shè)高位進(jìn)水塔。印把子溝排水洞進(jìn)口處上下游邊坡地質(zhì)條件較差，坡表覆蓋層較陡、巖體風(fēng)化卸荷較深，傾倒變形嚴(yán)重，重新布置排水洞極其困難，且難與原有排水洞順接。因此綜合上述情況，考慮在原排水洞進(jìn)口前引渠處修建一座混凝土進(jìn)水塔，塔高約21.5 m，進(jìn)水塔底部迎水面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4.5 m×6 m，背水面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4.5 m×6.5 m，頂部迎水面和背水面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為5 m×4 m，兩側(cè)開口斷面面積為4.5 m×4 m，頂部為中空，各進(jìn)水口均設(shè)置鋼格柵。進(jìn)水塔底部為10.5 m×13 m×2 m的混凝土基礎(chǔ)(長(zhǎng)×寬×高)。進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)見圖6、7。新增進(jìn)水塔穩(wěn)定計(jì)算成果見表5。

圖6 進(jìn)水塔迎水面示意圖 尺寸標(biāo)注/cm

根據(jù)計(jì)算可得，三道攔擋壩及梳齒壩在各工況下抗滑、抗傾安全系數(shù)、地基應(yīng)力均滿足要求。

根據(jù)規(guī)范要求，基礎(chǔ)的最大地基應(yīng)力需小于修正后地基承載力特征值的1.2倍，本工程滿足最大地基應(yīng)力0.43 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 防治效果

通過(guò)上述綜合防治措施，3座攔擋壩的總庫(kù)容約為2.4萬(wàn)m3，可將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下泥石流固體物質(zhì)攔蓄將近一半；梳齒壩庫(kù)容約為0.7萬(wàn)m3；高位進(jìn)水口高程以下可淤積庫(kù)容約2萬(wàn)m3?？倲r擋庫(kù)容約5萬(wàn)m3，高于100年一遇泥石流沖出的固體物質(zhì)4.68萬(wàn)m3，滿足設(shè)計(jì)要求。增設(shè)引渠蓋板及貼坡?lián)鯄Φ阮A(yù)防措施，可有效減少坡面或溝內(nèi)土體參與泥石流的形成，減少泥石流物源。綜上所述，本次防護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到防治目的。

表4 攔擋壩穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算成果表

注：1. 工況一為空庫(kù)過(guò)流工況；工況二為滿庫(kù)過(guò)流工況；工況三為滿庫(kù)過(guò)流+地震工況；

2.抗傾覆安全系數(shù)及抗滑移安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表5 排水洞進(jìn)口新增進(jìn)水塔穩(wěn)定性驗(yàn)算成果

圖7 進(jìn)水塔側(cè)面示意圖 尺寸標(biāo)注/cm

4 結(jié) 語(yǔ)

本次防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)印把子溝采取了預(yù)防與治理相結(jié)合的綜合措施，確定了攔、滯、排的主體防治思路。確定泥石流基本特性及動(dòng)力特性是泥石流防治設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；泥石流防治需因勢(shì)利導(dǎo)，就地論治，因害設(shè)防。因地制宜選取經(jīng)濟(jì)合理的泥石流防治方案，才能達(dá)到較好的防治效果；攔、滯、排的綜合防治思路，仍是現(xiàn)階段泥石流防治設(shè)計(jì)較為推廣的設(shè)計(jì)方案；雨季應(yīng)加強(qiáng)泥石流監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，采取預(yù)案措施確保人員和財(cái)產(chǎn)安全[6]；每年汛后及時(shí)清淤，并檢查防護(hù)工程損壞情況并及時(shí)維護(hù)；下階段需對(duì)泥石流的防治效果進(jìn)行密切追蹤分析，檢驗(yàn)防治措施是否合理，以便于持續(xù)改進(jìn)、不斷完善。