泥石流拦挡坝优化设计.docx

2 0 0 9 年 6 月j u ne2009j o ur nal of geolo gical hazar ds a nd envi ro nment preservatio n文章编号 :1006 - 4362 (2009) 02 - 0029 - 04泥石流拦挡坝优化设计李冠奇1 ,2 ,魏鸿1 ,谷明成1 ,李朝安1 ,3 ,陈宪麦4(1 . 中铁西南科学研究院有限公司 ,成都 610031 ;2 . 四川大学水利水电学院 ,成都 610065 ;3 . 西南交通大学土木工程学院 ,成都 610031 ;4 . 哈尔滨工业大学土木工程学院 ,哈尔滨 150090)摘要 : 拦挡坝设防高度决定着库容 ,因此确定合理的设防高度在拦挡坝的设计中极为重要 。在坝址确定的情况下提高拦挡坝的设防高度可以加大库容 ,增强防治工程的抗灾能力 ,但其泄洪能力会受到影 响 ,因此拦挡坝的库容与其泄洪能力是矛盾的 。既有设计理论中泥石流峰值流量按照全流域面积汇水 输沙总量计算 , 该理论认为每个拦挡坝的设计洪峰流量是相同的 ,而实质上对于流域面积大的泥石流 沟 ,设置在上游 、中游及下游的拦挡坝由于汇水面积的差异而导致泥石流峰值流量相差较大 ,本文作者 提出了按有效汇流面积计算泥石流峰值流量的优化设计方法 ,用该方法设计的拦挡坝的溢流断面面积 较小 ,从而达到提高设防高度 ,增大库容 ,提高拦挡坝的容灾能力 。关键词 : 泥石流 ;拦挡坝 ;优化设计中图分类号 : p642 . 23文献标识码 : a泥石流是一种山区常见地质灾害 。它是泥沙在水动力作用下失稳后 ,集中输移的自然演变过程之 一 ,在形成 、流通和停积等运动环节上 ,具有严重的 灾害性 1 。我国地域辽阔 ,2/ 3 以上国土为山区或半山区 , 这些地区地质地貌条件复杂 ,其中有些地区地震频 繁 ,新构造运动活跃 ,第四纪沉积物深厚 ,且山高坡 陡 、地表破碎 ,加上暴雨集中 ,植被覆盖率低 ,为泥石 流发育提供了有利的自然条件 4 。随着西部大开发 战略的实施 ,山区公路的修建 、铁路的修筑 、矿山的 开采 、水利工程的兴建 ,常导致地表结构破坏 ,加之 环保理念淡漠 ,在设计 、施工 、管理中 ,对植被保护不 够 ,对弃土 、弃渣处置不尽合理 ,泥石流灾害频发 ,给 人民的生命财产造成了重大损失 。泥石流治理工程主要包括拦挡工程 、排导工程 及生物工程等 。拦挡工程主要为利用拦挡坝或格拦 坝抑制泥沙发生 ,拦截水动力源 ,阻滞泥沙输移 、减 势 、稳定沟床及减轻两岸侵蚀 1 ,4 ; 排导工程主要包 括渡槽 、排导沟 、导流堤等 ,其功能主要为拦截水动 力源 、通畅流路 、定向输移 1 ;生物工程 ,即通过植树 造林 ,提高植被覆盖率 ,减沙 、固沙 ,稳定物源 、控制泥石流形成的水动力条件 ,防止水土流失 。根据沈寿长 5 等人对铁路沿线 1 300 余条泥石 流沟及 600 多处防治工程建筑物的统计 ,拦挡坝是 泥石流治理工程中最常用的治理措施 ,占防治工程 建筑物总数的 52 % 。拦挡坝在泥石流防治中的重 要性可见一斑 。拦挡坝的现行设计方法规范及已有的论著通常按雨洪法设计拦挡坝 。1qc ( 1 + ) q p dc 1 =( 1)式中 , qc 为频率为 p 的泥石流洪峰值流量 ( m3 / s) ;q p 为频率为 p 的暴雨洪水设计流量 ( m3 / s) ; ( 1 十) 为泥石流中由含沙量变化而 引起 的流 量 修正 系 数 ; dc 为 泥石流堵塞系数 。其中 , q p 可用如下公式 表示qp = 0 . 278 r i f 1 ( 2)式中 , r 为按某频率下小时平均雨强 ( mm/ h ) 设计 ,用实测最大小时雨强校核 ; i 为产水系数 ,与雨强的 大小和植被的多少呈正变 ,与松散土层的厚度呈反变 ,一 般 产 水 系 数 i = 0 . 3 0 . 8 ; f 为 流 域 面 积( k m2 ) 。收稿日期 : 2007207223改回日期 : 200821122130地质灾害与环境保护2009 年图 1 某泥石流拦挡坝平面布置图fig. 1 di st ributio n of so me debri s f lo w p reventio n engineer根据泥石流洪峰流量及泥石流流速等参数以及流域地形地貌 ,布置拦挡坝 。在沟谷较短 、流域面积 较小的情况下 ,由于汇水面积变化不大 ,该方法是合 理的 ,但对于沟谷长达数公里甚至 10 余公里的的泥石流沟 ,由于汇流面积差异较大 ,不宜沿用该方法进 行设计 ,以下将对其不合理性进行说明 。图 1 为某泥石流沟拦挡坝的平面布置图 ,按照 传统方法 ,图中 1 号坝及 7 号坝承受相同的泥石流 峰值流量 (按全流域汇水面积计算) ,而实际上拦挡 坝 1 号坝所承受的泥石流峰值流量远小于拦挡坝 7号坝的峰值流量 ,由式 ( 3) 可知 ,峰值流量决定了溢 流断面的大小 ,因此拦挡坝 1 号坝的溢流断面面积 因为过高的峰值流量扩大了 。1 k m 或流域面积大于 3 k m2 的沟谷 ,拦挡坝设计应按有效汇流面积进行泥石流峰值流量计算 。 泥石流拦挡坝有效汇流面积指所汇水量能够直接作用于拦挡工程上的汇水区域的面积 。则按该设计原则对应于拦挡坝 1 号坝的有效汇流面积为 :( 5)f有效 = f1拦挡坝 7 号坝的有效汇流面积为 :f有效 = f1 + f2( 6)图 3 有效汇水面积计算简图fig. 3 the pla n fo r eff ective a rea co mp utatio n根据有效汇流面积的计算结果 ,拦挡坝 1 号坝 所承受的洪峰流量相较于原设计方法的洪峰流量减 小许多 。在泥石流峰值流量降低的条件下 ,拦挡工 程的设计更加灵活 将拦挡工程布置在沟谷狭窄 处 ,则可以减小坝体长度 ,降低工程造价 ; 将拦挡坝 设置在沟谷宽阔 处 , 则 可以 提高 拦 截高 度 , 扩大 库 容 ,增强容灾能力 。新方法在保证安全性的条件下 ,舍弃了不符合 实际的泄洪要求 ,具有更好的技术经济效益 。图 2 某泥石流拦挡坝立面图fig. 2 vertical view of so me debri s f lo w check da m图 2 为典型的泥石流拦挡坝立面图 ,其坝肩高 程受控于沟岸 ,为固定值 。扩大溢流断面 ,将导致两 种结果 : (1) 坝位不变 ,降低拦截高度 ,库容量 ( v br ) 减少 ; (2) 拦截高度不变 ,选择沟谷更加宽阔的地方 作为新坝址 ,坝体长度加长 ,增加投资 。 2 mbh3/ 2q =2 g( 3)式中 , q 为溢流流量 ; m 为流量系数 ; b 为溢流口宽度 ; h 为溢流口高度 。工程实例四川省甘孜州某泥石流沟 ( 图 1) ,沟谷长 7 . 26 k m ,呈南北 走 向 , 为 拓 宽“u ”型 谷 , 沟 床 坡 降 较 平3nb h 2 3 v br =( 4)式中 ,v br 为拦挡坝库容 ; n 为泥石流沟坡率的倒数 ;b 为平均河宽 ; h 为拦截高度 。缓 ,平均坡降 65 ,流域面积 22 . 4 k m 。该沟从县城中部通过 ,严重威胁城区人民生命财产安全 。3 . 1自然地理气象环境该沟流域位于四川省西北部 ,甘孜州中北部 ,平2优化设计方法基于既 有 泥 石 流 防 治 工 程 的 认 识 , 长 度 大 于231第 20 卷 第 2 期李冠奇 、魏鸿 、谷明成 ,等 : 泥石流拦挡坝优化设计均海拔 3 0003 600 m ,相对高差 1 1002 800 m ,呈典型的高原寒温带大陆性季风气候特征 ,垂直分 带明显 。平均气温低 、气候干燥 、日照强烈 ,全年降 水量约 629 . 6 mm ,降雨分布极不均匀 。6 9 月中 旬为雨季 ,日最大降雨量达 60 mm ,10 mi n 最大暴雨强度达 20 mm 。 沟谷水源由 大 气降 水 、泉水 及 冰 雪 融 水 构 成 。其中 ,泉水及冰雪水形成基本径流 ,而大气降水中的 灾害性降雨是泥石流的触发因素 。3 . 2 流域地貌特征沟谷流域为典型的高原冰川侵蚀地貌 ,地势开 阔 ,呈西高东低 ,山体浑圆 ,山脉走向与构造线方向 基本一致 。植被覆盖率较高 ,大于 65 % ,汇流平缓 , 切蚀能力较低 。沟谷两岸呈不对称发育 ,地形地貌 差别较大 。左岸主要为冰渍堆积物 ,石块粒径较大 , 有较好的抗冲性 ,坡度较缓 ,透水性较差 ; 右岸发育 有 11 条支沟 ,沟源坡面深切 ,崩塌严重 ,沟口泥石流 堆积扇十分壮观 ,扇缘明显挤压对岸 。由于左岸冰 渍堆积物有较好的抗冲性 ,因此右岸泥石流堆积扇 的扇缘多被主沟冲刷切割成陡坎 ,自稳性较差 ,是泥 石流主沟的主要物源 。3 . 3 地质构造该区位于鲜水河断裂带 ,受强震活动直接影响 ,区域构造稳定性较差 ,加剧了泥石流发生的可能性 。3 . 4 地层岩性区域内出露的地层主要为三叠系上统侏倭组 ( t3 zh) ,灰色 , 薄2厚层变质石英粉2细砂岩 , 风 化 严 重 ,风化面为黄色 ,岩体破碎 。泥石流物源主要由第四系冰水堆积 ( q3 f gl ) 、坡 残积 ( q4 dl + el ) 、滑 坡 崩 坡 积 ( q4 dl + coll ) 、冲 洪 积 物 ( q4 al + pl ) 组成 、第四系全新统泥石流堆积物 ( q4 sef ) ,广泛分布于沟谷 两岸 及 沟床 上 。第 四系 冰水 堆 积( q3 f gl ) ,以卵砾石为主 , 平均粒径 10 20 cm , 分选 性较好 ,母岩成分为变质砂岩 、板岩和花岗岩 ,磨圆度较好 ;第四系全新统坡残积 ( q4 dl + el ) 以碎砂石为 主 ,平均粒径为 3 5 c m ,母岩成分为砂板岩 ,强风化 ;第四系全新统冲洪积 ( q4 al + pl ) 以漂卵砾石为主 ,最大粒径约 2 m ,平均粒径为 3040 c m ,磨圆度较 好 ,母岩成分为花岗岩 、变质砂岩和板岩 ; 第四系全段采用浆砌石铺砌“v”型排导沟 ,保证泄流通畅 。其中 ,布置在中上游的 4 座拦挡坝的库容与坝 高的关系如图 4 。图 4relatio nship height坝高与库容关系图bet ween sto rage capacit y a nd damfig. 4在坝位不变的条件下 ,其溢流口宽度 ( b) 不变 ,由式 (1) 、(2) 、(3) 可推出 : h f 2) 3( 7)=hf式中 , h为按有效汇流理论计算的溢流口高度 ; h 为按全流域面积汇流理论计算的溢流口高度 ; f 为有 效汇流面积 ; f 为全流域面积 。按有效汇流计算理论 ,在坝位不变的条件下 ,可以减少溢流口高度 ,提高拦挡高度 ,增大库容 ,其计 算结果见表 1 。表 1 坝位不变库容量对比ta ble 1the co nt ra st of reservoi r vol ume whilet he dam be no t adj usted原设计理论优化设计理论坝位拦截高度/ m库容/ m3拦截高度/ m库容/ m3新统泥石流堆积物 ( q4 sef )主要为卵砾石土 ,平均粒1 号坝2 号坝3 号坝 4 号坝2 . 01 . 53 . 52 0005008 0002 . 52 . 04 . 03 0001 00010 000径 510 c m ,平均堆积厚度约为 3 . 5 m ,堆积较为松散 ,母岩成分为变质石英砂岩 、板岩 。3 . 5设计方法比较结合流域地貌特征及沟谷形态 , 设计采用了 7座拦导坝拦沙导流 ,稳定沟床 ,并在泥石流穿越城区1 . 0 400 2 . 0 1 600 在拦挡高度不变的条件下 , 溢 流 口高 度 ( h) 保持不变 ,由式 (1) 、(2) 、(3) 可推出 :32地质灾害与环境保护2009 年 b= f 是很明显 。因此 1 号 、2 号 、3 号坝可根据需要提高库容或减少拦挡坝体积降低工程成本 ,而提高 4 号 坝的库容能力则是最恰当的 。( 8)bf式中 , b为按有效汇流理论计算的溢流口宽度 ; b 为按全流域面积汇流理论计算的溢流口宽度 。 按有效汇流计算理论 ,在拦挡高度不变的条件下 ,可以减少溢流口长度 ,节约筑坝材料 ,减小投资 ,其计算结果见表 2 。表 2 坝位调整坝体积对比 (假设溢流口深度 h 不变) ta ble 2 the co nt ra st da m vol ume bet ween unadj usteda nd adj ust ed结论按雨洪法设计理论 ,拦挡坝的设计峰值流量过 大 ,本文提出基于有效汇流面积的优化设计方法 ,在 理论上降低了拦挡坝的峰值流量 ,从而达到提高了 库容或减少工程投资的目标 ,是对原雨洪法的一次 优化 ,具有更好的技术经济效益 。4原设计理论优化设计理论坝位溢流段长度/ m 坝体积/ m3溢流段长度/ m坝体积/ m3参考文献1 号坝2 号坝3 号坝4 号坝202020221662425612901010151981137461265谭炳炎. 泥石流形成 、危险性评估及防治讲稿 r . 中铁西南科学研究院有限公司 ,2006 . 12 .余常昭. 水力学 ( 第四版) m . 高等教育出版社 ,1996 . 矢野义男. 泥砂 、泥石流 、滑坡 、崩坍防治工程手册 m . 科学技 术文献出版社重庆分社 ,1989 . 2 .费祥俊 ,舒安平. 泥石流运动机理与灾害防治 m . 清华大学出 版社 ,2004 . 6 .沈寿长 ,谭炳炎. 泥石流防治理论与实践 m . 西南交通大学出 版社 ,1991 . 9 . 1 2 3 从计算结果可知 ,按优化理论设计的拦挡工程如保持坝位不变 ,其库容能力得到明显提升 ,提高了 拦挡工 程容 灾 能力 ; 如 进行 坝 位调 整 , 则上 游 的 1 号 、2 号和中上游的 3 号拦挡坝体积减小 ,降低了造 价 ,而中游的 4 号拦挡坝体积减小较少 ,经济效益不 4 5 optim um d esi gn of d ebris flow ratai ni ng d aml i gua nqi1 ,2 , w ei ho ng1 , gu mi ng2c he ng1 ,l i chao2a n1 ,3 ,c h en xia n2mai4(1 . china railway so ut hwest re sea rch instit ut e co . ,l t d. ,chengdu 610031 ,china ;2 . school of water re so urces a nd hydropo wer , sichua n u niv. ,chengdu 610065 ,china ;3 . school of civil engineeri ng , xinan j iao to ng u niver sit y ,china 610031 ,china ;4 . har bin instit ute of technolo gy , ha r bin 150090 ,china)abstract : debri s f lo w activit y i s a hazar ds of water f lo w wit h soil , a nd rock f ragment s , w hich ca use a serio us p ropert y damagea s well a s lo ss of live s. the check da m st r uct ure i s t he mo st eff ective st r uct ure and always i s used in debri s f lo w p reventio n en2 gineer , and t he check da m occupies a bo ut 52 percent s of p reventio n engineer st r uct ure . the vol ume of re servoir of check dam i s deter mined by it s def ence height . u nder t he co nditio n t hat t he check da m locatio n wa s fi xed , t he vol ume of re servoir wil