孫 昊,游 勇,李道凌,柳金峰,王東偉,3,劉 帆

(1. 中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)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(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4. 廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510006)

0 引言

泥石流作為山區(qū)常見的一種地表過程或突發(fā)性的災(zāi)害現(xiàn)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(fā)突然,流動(dòng)速度差異懸殊,規(guī)模巨大,歷時(shí)短暫,危害嚴(yán)重等特征[3]。攔砂壩作為調(diào)控泥石流運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵防治工程,在泥石流災(zāi)害治理中被廣泛地應(yīng)用[4-6],其主要用于降低泥石流動(dòng)力,抬高侵蝕面,增加溝床穩(wěn)定性等[2]。通過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展演化,泥石流攔砂壩根據(jù)結(jié)構(gòu)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(shí)體壩[7-8]。透過型攔砂壩是由實(shí)體壩演化而來,其在攔砂壩溢流段采用開放式結(jié)構(gòu),具有與實(shí)體壩相同的功能,如攔蓄回淤、穩(wěn)坡固床等,但又有其獨(dú)特之處,如攔粗排細(xì)、汰沙排水等,表現(xiàn)出良好的調(diào)控特性,在相同壩高的條件下,可以有效地?cái)U(kuò)大調(diào)節(jié)庫(kù)容量[1]。而且,由于溢流段透過式的結(jié)構(gòu)(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(shí)體壩更小[9]。此外,部分透過型攔砂壩可組裝式的結(jié)構(gòu)也較好地提高了其適用性,解決了目前實(shí)體壩難以改善的現(xiàn)狀和缺點(diǎn)。這都是透過型攔砂壩的結(jié)構(gòu)可變空間較大,地形適應(yīng)性較高帶來的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于透過型壩的研究主要是通過模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬手段,分析其攔砂調(diào)控[10-14]、庫(kù)內(nèi)淤積[15-17]、自清淤[18],以及泥石流-壩體相互作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)[19-21]。特別是,SUN等[18]分析了梁式格柵壩閉塞表現(xiàn)對(duì)攔砂調(diào)控性能的影響,提出了壩體開口閉塞的綜合判據(jù),一定程度上可指導(dǎo)工程實(shí)踐中的開口設(shè)計(jì);WENDELER等[10]和ZHOU等[14]分別基于模型試驗(yàn)結(jié)果給出了網(wǎng)格壩和梳齒壩的開口參數(shù)建議值;HU等[21]分析了泥石流通過縫隙壩時(shí),開口大小對(duì)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(jiǎn)化的折線型分布)。

汶川地震后,岷江上游地區(qū)泥石流活躍性顯著增強(qiáng)[22-23],隨后的幾年內(nèi),通過修建大量的工程防治結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),主要是考慮到震后區(qū)內(nèi)物源極大豐富[24],泥石流頻發(fā),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(xué)合理的防治措施,這也為泥石流災(zāi)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(jīng)發(fā)揮了一定的作用,但是與大多數(shù)泥石流防治工程一樣,其設(shè)計(jì)仍然處于實(shí)踐先于理論的過程。目前針對(duì)透過型攔砂壩的設(shè)計(jì)仍處于經(jīng)驗(yàn)化階段,對(duì)其功能性和運(yùn)行機(jī)理還不明晰,對(duì)其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)也無定量化計(jì)算方法可供參考,導(dǎo)致透過型攔砂壩設(shè)計(jì)具有很大的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性。本文通過對(duì)西南地區(qū)(特別是岷江上游流域)透過型攔砂壩的詳細(xì)野外調(diào)查,完善透過型壩的結(jié)構(gòu)分類,分析其減災(zāi)效果,總結(jié)運(yùn)行過程中存在的問題及隱患,旨在為透過型壩的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化等提供科學(xué)參考,降低工程設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)性,以期更好地為泥石流防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

岷江上游屬青藏高原東緣高山峽谷區(qū),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(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,斷裂發(fā)育,地震活動(dòng)頻繁,是四川省,乃至全國(guó),泥石流最發(fā)育的地區(qū)之一。特別是“5·12”汶川地震后,強(qiáng)烈地震造成巖體嚴(yán)重破壞和山坡失穩(wěn),岷江流域出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)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(shì)北高南低,以剝蝕侵蝕、構(gòu)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(nèi)最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。例如,2019年8月20日,岷江流域汶川縣境內(nèi)因強(qiáng)降雨誘發(fā)群發(fā)性泥石流災(zāi)害,圖1(a)為耿達(dá)鄉(xiāng)倉(cāng)旺溝泥石流造成溝口右側(cè)居民房屋大面積沖毀或淤埋,圖1(b)為綿虒鎮(zhèn)簇頭溝泥石流造成溝口國(guó)道G213跨岷江橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞(橋面與橋墩錯(cuò)位)。本文重點(diǎn)對(duì)岷江上游、安寧河流域內(nèi)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(fā)性泥石流災(zāi)害Fig. 1 The “8·20” group-occurred debris flow disasters in Wenchuan

在采取的研究方法和調(diào)查手段上,通過無人機(jī)航測(cè)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(kù)內(nèi)回淤形態(tài),調(diào)查壩體結(jié)構(gòu)的完整性、開口閉塞等情況,同時(shí)在典型透過型壩上、下游進(jìn)行取樣分析,為工程減災(zāi)效果分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖2 耿達(dá)鄉(xiāng)幸福溝2#壩庫(kù)內(nèi)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(duì)于透過型攔砂壩國(guó)內(nèi)外均沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn),WEHRMANN等[7]提出了一種基于結(jié)構(gòu)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(shí)體壩和六類透過型壩。而國(guó)內(nèi)雖然透過型攔砂壩的應(yīng)用越來越廣泛,但其分類則略顯混亂,仍多以溢流段結(jié)構(gòu)形式進(jìn)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(wǎng)格壩[19]等。這些都是根據(jù)攔砂壩溢流段采用的開口結(jié)構(gòu)形式來區(qū)分的,也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形式越來越多樣,分類也越來越混亂模糊。

除泥石流性質(zhì)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(jié)構(gòu),而受筑壩材料和受力特點(diǎn)等影響較小。透過型壩與實(shí)體壩攔截泥石流時(shí)的主要差異在于透過型壩壩體溢流段采用開放式結(jié)構(gòu),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(duì)攔砂調(diào)控性能有顯著影響。野外調(diào)查結(jié)果(圖3)和室內(nèi)試驗(yàn)[30-31]都表明,不同壩型(開口形式)其閉塞表現(xiàn)差異明顯。

圖3 野外實(shí)際工程運(yùn)行中的閉塞現(xiàn)象 圖4 開口閉塞優(yōu)勢(shì)與發(fā)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(gè)開口結(jié)構(gòu)的高度和寬度。從壩體開口閉塞的角度分析,假設(shè)其他條件相同情況下,當(dāng)h0大于w0到一定程度時(shí),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(yōu)先形成閉塞,即對(duì)于不同形式的開口存在優(yōu)勢(shì)閉塞的方向。但這個(gè)優(yōu)勢(shì)方向隨著h0和w0大小接近,這一閉塞方向優(yōu)勢(shì)將逐漸減弱,表現(xiàn)為閉塞雙向發(fā)展的趨勢(shì)如圖4所示。

2017年，諸暨市出臺(tái)《行政機(jī)關(guān)行政調(diào)解權(quán)力義務(wù)清單》，厘清了行政機(jī)關(guān)的行政調(diào)解職責(zé)，落實(shí)行政調(diào)解責(zé)任。清單共梳理出各行政機(jī)關(guān)的行政調(diào)解權(quán)力義務(wù)52條，涉及20個(gè)行政管理部門。與此同時(shí)，該市力推人民調(diào)解與行政調(diào)解的聯(lián)動(dòng)，在公安派出所、交警隊(duì)等機(jī)構(gòu)，都設(shè)置了人民調(diào)解工作室，受委托從事相關(guān)民事糾紛的調(diào)處。

ISHIKAWA等[32]認(rèn)為3個(gè)以內(nèi)大顆粒之間咬合才能形成相對(duì)穩(wěn)定的閉塞體,即針對(duì)同樣的大顆粒,當(dāng)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(duì)前文提出的基于壩體開口形式和可能的閉塞表現(xiàn)的透過型攔砂壩分類方法,分析認(rèn)為,當(dāng)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(dāng)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(dāng)1/2h0

根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),以及對(duì)我國(guó)西南地區(qū)既有透過型攔砂壩工程的野外考察,盡管結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn),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(tǒng)計(jì)了西南山區(qū)100余座具有透過型特征的攔砂壩工程,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)形式上主要采用方形和混合開口結(jié)構(gòu),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(qū)震后泥石流治理工程來看,壩體型式的采用與設(shè)計(jì)單位,即設(shè)計(jì)從業(yè)者密切相關(guān)。目前針對(duì)透過型壩調(diào)控泥石流的減災(zāi)效果還缺乏系統(tǒng)性地研究,在工程實(shí)踐中,設(shè)計(jì)者多借鑒既有的成功經(jīng)驗(yàn),而沒有根據(jù)不同壩型的功效和適用條件進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)計(jì)。

圖6 透過型攔砂壩開口類型分布統(tǒng)計(jì)Fig. 6 Classification statistics of open form of check dams

3 透過型攔砂壩的減災(zāi)效果

3.1 運(yùn)行現(xiàn)狀分析

為研究透過型攔砂壩對(duì)泥石流的減災(zāi)效果,本文以岷江流域和安寧河流域?yàn)檠芯繀^(qū),經(jīng)野外實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),大多數(shù)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(jí)攔蓄的治理思路,但未遵循從上游至下游開口逐級(jí)減小的原則,基本都采取的小開口設(shè)計(jì),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(nèi)32座透過型攔砂壩的運(yùn)行情況。調(diào)查結(jié)果表明,空庫(kù)工況多出現(xiàn)在下游區(qū)段,即只有上游攔砂壩淤滿后,泥石流才能運(yùn)動(dòng)輸移至下游,梯級(jí)攔砂壩群很難達(dá)到多級(jí)調(diào)控的效果。2019年汶川“8·20”群發(fā)性泥石流,幸福溝、徹底關(guān)溝、簇頭溝、板子溝、登溪溝等均暴發(fā)較大規(guī)模泥石流災(zāi)害,溝內(nèi)防治工程整體上表現(xiàn)出了較好的減災(zāi)作用,大部分泥石流固體物質(zhì)被攔蓄于庫(kù)內(nèi),但由于部分泥石流超防治工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),也導(dǎo)致了不同程度的災(zāi)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(xiàn)半庫(kù)運(yùn)行狀態(tài),導(dǎo)致“8·20”泥石流發(fā)生時(shí),由于庫(kù)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(shí)泥石流越過左側(cè)壩肩,并形成強(qiáng)烈沖刷,導(dǎo)致梁式壩壩體左側(cè)嚴(yán)重受損如圖7所示。

表1 部分透過型攔砂壩工程野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(yùn)行情況對(duì)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(fā)育情況、防治工程修建時(shí)間等方面的差異,其運(yùn)行現(xiàn)狀也差異較大,目前攔砂壩以空庫(kù)、半庫(kù)和滿庫(kù)工況運(yùn)行的都有,但主要以滿庫(kù)和半庫(kù)運(yùn)行為主,分別占比約33.65%和40.38%,如圖8所示。且空庫(kù)工況條件下,也多為防治工程修建后溝內(nèi)未發(fā)生泥石流,或發(fā)生小規(guī)模泥石流被上游防治工程攔截而未運(yùn)行至下游。

圖8 透過型壩庫(kù)容運(yùn)行統(tǒng)計(jì)圖Fig. 8 Remaining storage capacity of open-type check dam investigated in field

從調(diào)查統(tǒng)計(jì)來看,相較于安寧河流域,岷江上游流域(映秀-茂縣段)因經(jīng)歷震后泥石流活躍期,攔砂壩基本以滿庫(kù)和半庫(kù)為主。此外,區(qū)內(nèi)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(kù)容一次淤滿后的被動(dòng)清淤,難以一次清淤到底,將攔砂壩庫(kù)容騰空以攔截下一次泥石流。

3.2 減災(zāi)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(shè)計(jì)中最重要的功能之一?，F(xiàn)行的泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)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(kù)內(nèi)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(kù)內(nèi)的回淤縱坡和回淤長(zhǎng)度受泥石流性質(zhì)、溝道條件等因素的影響,此外還與泥石流規(guī)模、攔砂壩溢流口位置和形狀有關(guān)[35]。

研究結(jié)果表明(圖9),透過型壩庫(kù)內(nèi)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(xiàn)出良好的回淤緩坡的效果。調(diào)查發(fā)現(xiàn),透過型壩的回淤與其開口的閉塞密切相關(guān),由于溢流段開口結(jié)構(gòu)的存在,在后期水動(dòng)力條件作用下,庫(kù)內(nèi)淤積物多有表面顆粒粗化的現(xiàn)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(guī)范推薦值(非透過型壩)。顯然地,在透過型壩的設(shè)計(jì)中,Sdep/Sinit可適當(dāng)取小值,以避免出現(xiàn)庫(kù)容誤算等問題。此外,對(duì)不同壩體開口結(jié)構(gòu)開展模擬實(shí)驗(yàn)研究以確定透過型壩的庫(kù)內(nèi)回淤規(guī)律,也是后續(xù)需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

圖9 透過型攔砂壩庫(kù)內(nèi)回淤縱比降與原始溝床比降關(guān)系圖Fig. 9 Relationship between deposition gradient and initial gradient upstream of open check dams

2)攔砂調(diào)控功效

不論是透過型攔砂壩,或是實(shí)體攔砂壩,在攔截泥石流過程中,均能表現(xiàn)出不同的調(diào)控效果。由于野外泥石流體的全級(jí)配曲線較難獲取,一般需采用槽探,本文為分析透過型壩對(duì)泥石流顆粒組成和性質(zhì)的調(diào)控效果,通過實(shí)地調(diào)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(jù)顆分實(shí)驗(yàn)確定了上、下游泥石流顆粒粒徑百分含量的差異。調(diào)查結(jié)果表明(圖10),大部分?jǐn)r砂壩對(duì)泥石流顆粒組成均能表現(xiàn)出一定的調(diào)控作用,但不同壩體之間差異明顯,這與泥石流的性質(zhì)、壩體結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。同時(shí)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(shí)壩體結(jié)構(gòu)完全損毀而失效。上述是基于泥石流小樣的分析結(jié)果,若需揭示其普適的攔砂調(diào)控規(guī)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(jí)配特征,進(jìn)而從工程實(shí)踐的野外原型分析其功效。

此外,根據(jù)工程實(shí)踐調(diào)查分析,“攔粗排細(xì)”應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)的概念,壩體對(duì)泥石流體進(jìn)行分選,并不是所有小于某粒徑的固體顆粒都會(huì)被排泄至下游,或者大于某粒徑的固體顆粒都會(huì)被壩體攔截于庫(kù)內(nèi)。對(duì)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(gè)或多個(gè)大塊石在開口邊界處成拱效應(yīng)的結(jié)果。

3.3 工程運(yùn)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(zāi)害困擾,威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活及公共交通、水電等基礎(chǔ)設(shè)施。汶川地震后,該區(qū)域的泥石流災(zāi)害問題凸顯,進(jìn)入震后泥石流活躍期。隨后該區(qū)域也迅速實(shí)施了大量的防治工程(透過型攔砂壩)措施,極大地減輕了當(dāng)?shù)啬嗍鞯奈：?但經(jīng)過近十年的運(yùn)行,不同程度地存在以下問題與隱患:

1)開口參數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)泥石流中的顆粒從上游至下游進(jìn)行分級(jí)攔截,同時(shí)逐級(jí)削峰減流。但野外調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),大多數(shù)攔砂壩的開口設(shè)置都較小,普遍在0.5～1.0 m之間,很難達(dá)到規(guī)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(jí)減小,有利于充分發(fā)揮逐級(jí)攔擋的功效。但實(shí)際工程設(shè)計(jì)中同一透過型攔砂壩體系其壩體開口設(shè)計(jì)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(diào)查還發(fā)現(xiàn),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(dá)到2.0 m,如表1所示。這些不合理的設(shè)計(jì)也導(dǎo)致大量物質(zhì)在上游攔蓄,而未達(dá)到一個(gè)“物質(zhì)沿程分配,逐級(jí)調(diào)控”的效果。

2)攔砂壩結(jié)構(gòu)整體性差

與實(shí)體攔砂壩相比,透過型攔砂壩其溢流段采用的透過式結(jié)構(gòu),壩體結(jié)構(gòu)整體性相對(duì)較差,在受泥石流沖擊時(shí),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(nèi)松散堆積層較厚,在泥石流強(qiáng)烈的下切侵蝕條件下穩(wěn)定性進(jìn)一步變?nèi)酢?/p>

3)攔砂壩過流結(jié)構(gòu)的磨蝕破壞

磨蝕是泥石流過流結(jié)構(gòu)(攔砂壩溢流口、排導(dǎo)槽等)的一種常見現(xiàn)象。對(duì)于透過型攔砂壩,由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,過流時(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)受強(qiáng)烈磨蝕使樁內(nèi)鋼筋外漏,而桃關(guān)溝窗口壩則因過流時(shí)開口結(jié)構(gòu)底部和側(cè)面發(fā)生磨蝕破壞,出現(xiàn)磨蝕坑(圖12)。

4)攔砂壩下游沖刷侵蝕和基礎(chǔ)淘蝕破壞

攔砂壩下游的沖刷侵蝕以及進(jìn)而可能的基礎(chǔ)淘蝕是其運(yùn)行過程中普遍存在的問題。在工程運(yùn)行過程中,攔砂壩庫(kù)內(nèi)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(wěn)定性受到極大的威脅。野外調(diào)查還發(fā)現(xiàn),對(duì)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(qiáng),在滿庫(kù)運(yùn)行前,壩下游溝道即遭受不同程度的侵蝕。與實(shí)體壩或其他透過型壩體不同,若樁間基礎(chǔ)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(dāng)

人工清淤是攔砂壩運(yùn)行期間較為常見的措施,是其持續(xù)發(fā)揮攔蓄或調(diào)控作用的重要保障,但野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),在透過型攔砂壩的庫(kù)內(nèi)人工清淤過程中,并沒有充分考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),造成了事倍功半的結(jié)果。如牛圈溝2#壩,人工清淤僅清理了庫(kù)內(nèi)的堆積物,而未清理壩體開口的閉塞體,導(dǎo)致汛期時(shí)庫(kù)內(nèi)蓄水,占用了大量的庫(kù)容(圖13)。此外,庫(kù)內(nèi)蓄水不僅占用有效庫(kù)容,而且一定程度上增大壩體揚(yáng)壓力,這都為攔截和調(diào)控流域內(nèi)下一次泥石流埋下隱患。

圖13 攔砂壩庫(kù)內(nèi)人工清淤及存在的隱患Fig. 13 Artificial dredging of open check dam and its potential risk

4 結(jié)論與建議

本文通過多期次、多地區(qū)的透過型泥石流攔砂壩的野外考察工作,得到以下主要結(jié)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(jié)構(gòu)類型。調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示,西南地區(qū)現(xiàn)有透過型壩的溢流段開口結(jié)構(gòu)多采用方形開口和混合開口,分別占比58.25%和22.33%,壩體結(jié)構(gòu)形式整體較為單一,開口設(shè)計(jì)偏保守。

2)調(diào)查了西南山區(qū)既有透過型攔砂壩運(yùn)行現(xiàn)狀,結(jié)果表明,滿庫(kù)工況和半庫(kù)工況占比分別為33.65%和40.38%,從地區(qū)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(kù)或半庫(kù)比例更高。

3)分析了透過型攔砂壩的工程減災(zāi)效果,回淤縱坡經(jīng)驗(yàn)值為Sdep=(0.31～0.83)Sinit,整體都表現(xiàn)出較好的回淤緩坡效果,在調(diào)控方面,透過型壩能表現(xiàn)出一定的攔粗排細(xì)特征,但由于壩體開口較小,其對(duì)粒徑的分選效果并不顯著,且泥石流性質(zhì)調(diào)控是顆粒組成調(diào)控的結(jié)果。此外,部分泥石流溝內(nèi)設(shè)置的梯級(jí)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(fā)揮透過型壩的優(yōu)勢(shì)。

4)總結(jié)了西南山區(qū)已建透過型壩運(yùn)行過程中存在的問題與隱患,包括攔砂壩(群)開口參數(shù)設(shè)計(jì)不合理、攔砂壩結(jié)構(gòu)整體性較差、攔砂壩過流結(jié)構(gòu)的磨蝕破壞、攔砂壩下游沖刷侵蝕和基礎(chǔ)淘蝕破壞以及攔砂壩人工清淤不當(dāng)?shù)任宕箢悺?/p>