賓格石籠壩治理泥石流的防護效果數值模擬

陳其鵬 焦友金 魏學利 曹彥華 午洋澤 石興武

摘 要：針對當前公路泥石流治理過程中存在的痛點和難點，采用賓格石籠壩進行治理，與傳統攔擋壩相比，賓格石籠壩具有整體性和柔韌性好、透水性好、施工簡便、造價低、施工周期短、損傷后易于修復等優點，能更好地應用于中小型泥石流治理工程。通過數值模擬研究發現，賓格石籠壩的薄弱點為整體滑移、網箱連接處滑移、網箱連接處承載力不足，在實際工程中應加強石籠連接處的合理處理，這是石籠壩在工程應用中成敗的關鍵點。此外在石籠壩墻后采用短加筋形式，在增加少量成本的情況下，加筋對抗滑和截面強度有明顯的提升作用，提高工程安全性。

關鍵詞：賓格石籠；泥石流；數值模擬；穩定性計算；工程應用

Numerical simulation of Bingshi gabion dam in debris flow control field

CHEN Qipeng1，2，3， JIAO Youjin1，3， WEI Xueli2， CAO Yanhua1，3， WU Yangze1，3， SHI Xingwu2

（1.China Railway No.3 Engineering Group Co.， Ltd.， Taiyuan 436000， Shanxi， China；

2.Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610103， Sichuan， China；

3.China Railway No.3 Engineering Group fourth Co.， Ltd.， Beijing， 102300， China）

Abstract： This paper addresses the pain points and difficulties of the current road debris flow governance process using Binger stone cage dam governance. Compared with the traditional dam， Binger stone cage valley dam has many advantages such as good integrity and flexibility， good permeability， simple construction， low cost， short construction period， and easy to repair after damage. So it is suitable for small and medium-sized debris flow governance projects. Through numerical simulation study， the analysis found that the weaknesses of bing-lattice stone cage dam are 1） overall slip， 2） cage joint slip， and 3） low cage joint bearing capacity. Proper treatment of the stone cage joint is the key point of success or failure of stone cage dam in engineering application. In addition， short reinforcement should be applied behind the stone cage dam wall. In this way， at a little increase of the cost， sliding prevention and section strengthening are achieved which will ultimately improve the engineering safety.

Keywords： binger stone cage; debris flow; numerical simulation; stability calculation; engineering application

泥石流是在山區或者其他溝谷深壑，地形險峻的地區，因為暴雨、暴雪或其他自然災害引發的山體滑坡并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流，常呈黏性層流或紊流和稀性紊流等運動狀態，其中砂礫常呈滾動、躍遷和懸浮的方式運動（陳光曦等，1983），屬于山區比較常見的地質災害類型。泥石流運動過程復雜，介于洪水和滑坡之間，并具有暴發突然、來勢洶涌、歷時短暫、破壞力大等特點。對公路危害作用主要表現為淤積掩埋、沖擊損毀、沖刷淘蝕、頂托沖毀、堵河淹沒、漫流改道等多種形式（劉春涌，2000；廖麗萍等，2013；付方華等，2023）。

由于泥石流的產生是土源、水源和地形地貌共同作用的結果，物源地地質條件較差，存在滑坡、崩塌等松散堆積物，溝道中往往有大量滑塌等重力侵蝕和坡面侵蝕堆積物，如采用常規攔砂壩等大型工程治理公路泥石流時，存在施工工程量大、周期長、大型施工機械就位難、成本高等缺點（張座雄等，2023；謝伯明等，2022），受限于公路工程的成本控制，往往采取過水路面形式，發生泥石流后對泥石流堆積物進行清理，傳統防治方法難以有效消除泥石流災害，保障公路交通安全（關全成等，2021；劉科等，2023；甘柯，2019）。

格賓石籠作為一種常見的防治工程技術，目前主要用作河道護岸和擋土護坡（鄭麗，2021；趙雯雯等，2019；楊文江，2018）。泥石流運動特性復雜，邊界不斷變化，沖擊力巨大，一部分來自于巨型石塊，另一部分來自于泥漿。而格賓壩石頭之間的空隙使壩體的透水性良好，泥石流經過時，它使部分泥漿中的水滲出，同時，壩體通過石塊的重力和網片及網箱間的拉力來攔擋泥石流中的石塊和泥漿，通過一定的變形和耗能，減緩泥石流的流速，達到攔截固體沖擊物的效果。

前人研究發現，賓格石籠攔砂壩作為一種柔性結構，能承受較大變形而不發生破壞（周君波，2022），其在“5·12”汶川地震災后泥石流治理中得到應用，防治效果良好（張亞飛等，2013），可以很好地緩沖泥石流的沖擊（王秀麗等，2016）。賓格石籠也應用到公路中小型泥石流治理（魏學利等，2018），但缺少針對其內外受力和穩定性的量化評價，故本文將格賓結構用于泥石流攔擋壩，以減小泥石流對下游公路的沖擊破壞作用，同時采用工程常用設計軟件GEO5進行數值模擬研究其適用性，并對不同截面形式進行優化，在保障工程的安全耐久要求下，降低工程成本，為工程實踐提供指導。

1 ?賓格石籠壩技術

1.1 ?賓格石籠壩

賓格石籠網由高抗腐蝕、高強度、具有延展性的低碳鋼絲或包裹PVC的鋼絲，使用機械編織而成。將石料填入網中進行封裝，按照結構尺寸要求層疊堆砌，石籠條塊之間用鋼絲進行有效的連接，并輔以拉筋加強結構整體性。以此形成安全性、耐久性良好，同時兼顧環境效應、生態效應的柔性結構體。

1.2 ?特征及優缺點

傳統的混凝土攔擋壩需要大型機械，前期準備較多，需要專門修建施工道路，要求場地大，施工周期長，對環境影響大，成本投入高，工程損毀后難以修補，與此相比，賓格石籠具有如下優點：

1）整體性和柔韌性好：賓格石籠壩是以鋼絲網箱為主體的柔性結構，石籠條塊之間用鋼絲進行有效的連接，整體柔韌性好，能夠適應較大的地基變形，能夠形成有效的護邊坡、固溝底的作用。能夠承受泥石流一定程度上的沖刷和石塊沖擊作用。

2）透水性好：賓格石籠結構本身具有高孔隙率、高透水性的特點，攔截泥石流、攔擋泥石流中的石塊和泥漿，通過一定的變形和耗能，減緩泥石流的流速，加快泥石流內固體物質沉淀，從而減輕泥石流對公路的危害。

3）施工簡便、造價低：工程主要材料為賓格石籠網和其內裝填的碎塊石，對于稀性泥石流溝谷堆積物石料豐富，能夠充分利用溝道內石塊，就地取材，施工方便，同時采用人工與小型機械相配合施工，較傳統的剛性結構，其施工效率更高、成本更低。

4）施工周期短，速度快，操作簡單，對施工人員要求不高，且工期受氣候影響小，在泥石流地區施工相對安全。

5）石籠網采用高抗腐蝕、高強度、具有延展性的低碳鋼絲或包裹PVC的鋼絲編織制作，具有高強耐久性，完工后無需專門的護理，同時由于結構簡單，石籠網損傷后易于修復。

2 ?賓格石籠壩模型及參數

2.1 ?模型建立

采用GEO5軟件對賓格石籠壩進行數值模型，主動土壓力計算方法采用Coulomb理論，被動土壓力計算方法采用Mazindrani（Rankine）理論，地震荷載分析依據JTG B02－2013《公路工程抗震規范》（第3.3地震作用和3.4節作用效應組合），邊坡穩定性驗算采用Bishop法。賓格石籠壩本身及巖土體參數取值見表1。

基礎采用天然基礎材料，壩體后坡面坡比采用1∶5.0（即坡度約為11.31°），壩后地下水水位設置為埋深1.5 m。壩體最小埋深為0.5 m，不考慮結構前土體的抗力。地震烈度按8度區（0.20 g）考慮，泥石流初始沖擊力按14 kN·m-1考慮。

2.2 ?工況分析

為與賓格石籠壩的實際使用情況吻合，本文主要考慮水壓力、泥石流沖擊力、地震級加筋處理等影響因素，并將實際工況概括為4類，見表2。

2.3 ?驗算分析

驗算分析主要考慮壩體傾覆滑移驗算、地基承載力驗算、截面強度驗算和墻體穩定性驗算4個部分。其計算方法詳見公式（1）至公式（9）（GB/T 38509-2020），判定標準詳見表3、表4（GB 50330-2013）：

1）壩體穩定性計算

K_c=（f×∑N）/（∑P） （1）

式中：K_c為抗滑穩定性系數；∑N為垂直方向作用力的總和；∑P為水平方向作用力的總和；f為壩底與基礎的摩擦力系數，取0.5。

2）抗傾覆穩定性

K_0=（∑M_N）/（∑M_P ） （2）

式中： K_0為抗傾覆穩定性系數，∑M_N為抗傾覆力矩的總和，∑M_P為傾覆力矩的總和。

3）抗滑動穩定性

σ_max≤[σ] （3）

σ_min≥0 （4）

其中：σ_max=（∑N）/B（1+（6e_0）/B）

σ_min=（∑N）/B（1-（6e_0）/B）

e_0=B/2-c

c=（∑M_N-∑M_P）/（∑N）

式中：σ_max為最大地基應力（kN·〖m^-〗^2），σ_min為最小地基應力（kN·〖m^-〗^2），∑N為垂直力的總和（kN），B為基地寬度（m），e_0為偏心距（m），[σ]為地基容許承載力。

4）壩體強度計算

① 垂直正應力σ計算

σ=（∑W）/b（1±5e/b） （5）

式中：W為各荷載的垂直分量，b為斷面寬度，e為合力作用點與斷面重心的距離。

② 邊緣主應力計算

壩體上游面的一對主應力：

σ_a1=（σ'-γ_c Ycos^2 θ_d1）/（sin^2 θ_d1 ） （6）

σ_a2=γ_c Y

壩體下游面的一對主應力：

σ_b1=σ''/（sin^2 θ_d2 ） （7）

σ_b2=0

式中：σ'，σ''分別為同一水平截面的上、下游邊緣正應力；θ_d1，θ_d2分別為上、下游壩面與計算水平截面的夾角；Y為計算斷面以上泥石流深度； γ_c為泥石流容重。

③ 邊緣剪應力τ計算

壩體上游面的邊緣剪應力：

τ_a=（γ_c Y-σ'）/（tanθ_d1 ） （8）

壩體下游面的邊緣剪應力：

τ_b=σ''/（tanθ_d2 ） （9）

3 ?數值模擬結果分析

為了對比分析不同組合形式石籠壩經濟技術及運行效果，以壩體高度H=3.0 m為例，壩體截面積保持不變，對比2種不同組合形式，分析壩體穩定性路肩穩定狀況，壩體石籠組合形式及具體尺寸詳見圖1。

3.1 ?不同組合形式對石籠壩的整體影響

經過數值模擬，首先對計算結果中壩體整體驗算（傾覆、滑移、壩體穩定性）進行匯總整理，結果見圖2。整體而言，H=3 m時，2種組合形式的石籠壩抗傾覆、抗滑移、壩體穩定性均較好，二者整體相差不大。由圖2-a能夠發現，二者均滿足抗傾覆安全要求（安全系數不小于1.5），除工況三外，組合2優于組合1；由圖2-b能夠發現，對于抗滑移性能，組合1明顯優于組合2，且組合1的安全系數均不小于1.3，滿足抗滑移要求，但組合2工況三的抗滑移系數為1.28，不滿足規范安全要求，出現這種情況主要是由于組合2墻背平齊，組合1最底層石籠向擋土側突出，增大了上覆重力荷載，從而有效提高了壩體整體的抗滑移力，故組合1的抗滑移性能優于組合2；由圖2-c能夠發現，二者壩體穩定性相差不大，且均滿足安全要求。

圖3為不同組合形式壩體加筋前后整體驗算結果，其中圖3-a為按傾覆、滑移、整體穩定性分類，由圖可知，墻體加筋對擋墻總體的穩定性十分有利，尤其是對壩體的抗滑移性能提升最為明顯，加筋對于組合1的抗傾覆性能無明顯作用，對組合2的壩體穩定性無明顯作用；圖3-b為按組合形式分類，也能明顯發現加筋對壩體的抗滑移性能有顯著的提高，抗滑移系數增加0.56～0.74。

圖4為2種組合形式石籠壩體墻底最大最小土壓力分布情況，二者的墻底最大土壓力均小于200 kPa，滿足地基承載力要求，同時可以能夠直觀看出組合2的墻底應力分布比組合1更均勻，受力情況稍好。

3.2 ?不同組合形式對石籠壩截面處的影響

對計算結果中截面強度驗算內容進行匯總整理，結果見表5。從表中可以很容易發現，不論是組合1還是組合2，在工況三的情況下，網箱連接處抗滑移系數小于1.3，不滿足設計要求，組合式石籠壩的薄弱點是網箱連接處，受到泥石流及地震作用下容易發生滑移。對比工況三和工況四，發現墻體后采用1～2.5 m的短加筋后，箱體連接處的抗傾覆和抗滑移性能均有顯著提高，說明在壩體后適當的采用短加筋，在增加少量成本的情況下，就能顯著提高壩體連接處的截面強度，提高工程安全性。

3.3 ?不同高度石籠壩穩定性分析

為了對比分析不同高度石籠壩經濟技術及運行效果，選取壩體高度H=3.0 m、H=4.0 m兩種情況進行計算，壩體截面形式及具體尺寸詳見圖5。

對計算結果中截面強度驗算內容進行匯總整理，結果見表6。從表中H=4.0 m未加筋的工況下發現，壩體存在多項結果不滿足規范要求，其中薄弱點為整體滑移、網箱連接處滑移和網箱連接處承載力3處，因此在實際工程中應增加對石籠連接處的合理處理，這是石籠壩在工程應用中成敗的關鍵點；通過對比H=3 m、H=4 m壩體加筋前后的穩定系數，發現在墻后采用加筋處理后，能夠有效提高壩體整體穩定性和局部穩定性，此結論與本文3.2節的結論一致。同時對比谷坊壩抗泥石流沖擊能力，發現H=3 m時，加筋后抗泥石流沖擊力從13 kN·m-1提高到35 kN·m-1，H=4 m時，加筋后抗泥石流沖擊力從15 kN·m-1提高到20 kN·m-1，抗泥石流沖擊力均存在顯著的提升，其壩體高度較小時，提升效果更明顯。

4 ?結論

本文針對當前公路泥石流治理過程中存在的痛點和難點，采用賓格石籠壩進行治理，同時通過數值模擬研究，分析了不同石籠組合形式及墻高對壩體穩定性影響，得出以下結論：

1）與傳統攔擋壩相比，賓格石籠壩具有整體性和柔韌性好、透水性好、施工簡便、造價低、施工周期短、損傷后易于修復等優點，能更好地在中小型泥石流治理工程中應用。

2）通過計算分析發現，其中薄弱點為整體滑移、網箱連接處滑移和網箱連接處承載力3處，因此在實際工程中應增加對石籠連接處的合理處理，這是石籠壩在工程應用中成敗的關鍵點。

3）在石籠壩墻后采用短加筋形式，加筋長度1～2.5 m，加筋對抗滑和截面強度有明顯的提升作用，對整體穩定性的提升與墻高有關，對抗傾覆作用仍需深入研究。

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收稿日期：2023-06-02；修回日期：2023-08-15

基金項目：四川中央引導地方基金（22ZYZYTS0063），中鐵三局集團有限公司科研項目（ZTSJ-SHGS-JSFW-2022-005），成都信息工程大學科研項目（KYTZ2022126）聯合資助

第一作者簡介：陳其鵬（1988- ），男，本科，高級工程師，主要從事公路施工項目管理。E-mail：261428597@qq.com

通信作者簡介：魏學利（1981- ），男，博士，研究員，主要從事地質災害防治與巖土力學的研究工作。E-mail：weixl@cuit.edu.cn

引用格式：陳其鵬，焦友金，魏學利，曹彥華，午洋澤，石興武，2024.賓格石籠壩治理泥石流的防護效果數值模擬［J］.城市地質，19（1）：106-113