韓征，徐林榮，蘇志滿，陳舒陽(yáng)

(1．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004;2．中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041)

0 引言

排導(dǎo)槽是泥石流治理中的一項(xiàng)重要工程措施，一般是興建于泥石流溝堆積區(qū)的人工泄洪或泥石流河道，主要起到束流、固定河道、安全順暢排泄洪水或泥石流的作用，進(jìn)而保護(hù)堆積區(qū)的建筑設(shè)施、居民及農(nóng)田等不遭受泥石流威脅和危害［1］。以往所設(shè)計(jì)施工的泥石流排導(dǎo)工程基本是按照挾沙水流排洪道的設(shè)計(jì)，但有研究指出，由于泥石流具有容重大、流體中巨石粒徑大且多的特殊性，泥石流排導(dǎo)中的高濃度輸移和累積性淤特點(diǎn)，使得排導(dǎo)槽的設(shè)計(jì)與一般洪水或一般挾沙水流排洪道的設(shè)計(jì)有所不同［2］，需要考慮排導(dǎo)槽的防淤積問(wèn)題。

李德基等［3－4］于1960年代初曾提出了帶潛檻的軟基消能型泥石流排導(dǎo)槽，簡(jiǎn)稱東川槽，但由于淤積問(wèn)題嚴(yán)重［5］，嚴(yán)重影響了排導(dǎo)槽的防治效果。鑒于此，西昌鐵路分局于1977年采用了圓形底排導(dǎo)槽，王繼康等人也在1996年提出了V型排導(dǎo)槽［6］80－85，該類排導(dǎo)槽特點(diǎn)［6］93－102是窄、深、尖，兩個(gè)槽底斜面形成一個(gè)不透水的下墊面，使進(jìn)入排導(dǎo)槽的泥石流密度保持不變，利用水動(dòng)力增大水深，重組動(dòng)力束流，減小阻力，加大流速，在防淤方面取得了一定的成效。

針對(duì)排導(dǎo)槽的淤積問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，如王繼康［6］105－106認(rèn)為V型排導(dǎo)槽槽寬不得小于2.5倍最大石塊直徑，以避免堵塞漫流危害。日本學(xué)者池谷浩找出了相應(yīng)的計(jì)算公式B=aQb，認(rèn)為沖刷槽寬與流量成正比關(guān)系，并以此確定了排導(dǎo)槽的最小槽寬。游勇［2］則通過(guò)試驗(yàn)研究確定了泥石流排導(dǎo)槽不淤坡度。但近年來(lái)，泥石流淤埋排導(dǎo)槽的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生。

本文通過(guò)基于以往研究成果，提出了一套泥石流排導(dǎo)槽淤積驗(yàn)算的方法，并以四川省雅瀘高速公路沿線某溝V型排導(dǎo)槽為背景，進(jìn)行實(shí)例分析，擬在為排導(dǎo)槽工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 排導(dǎo)槽淤堵原因分析

排導(dǎo)槽為泥石流運(yùn)動(dòng)排泄提供底床和能量條件。有研究表明［2］，若縱坡提供的輸移力與流動(dòng)阻力相等，則泥石流在槽內(nèi)能順暢流動(dòng)，否則泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)大量落淤，嚴(yán)重影響排導(dǎo)槽的正常運(yùn)行。

排導(dǎo)槽發(fā)生淤埋主要有以下兩方面原因:①由于排導(dǎo)槽槽寬尺寸與設(shè)計(jì)泥深的不足，導(dǎo)致泥石流流體中的大粒徑顆粒無(wú)法順利通過(guò)排導(dǎo)槽，進(jìn)而堵塞了過(guò)流斷面，發(fā)生連鎖停淤，淤堵排導(dǎo)槽;②由于排導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)計(jì)流速偏小，使進(jìn)入排導(dǎo)槽的泥石流在槽內(nèi)發(fā)生消能卸荷，逐步停淤(圖1)。因此，有必要根據(jù)這兩種情況，圍繞排導(dǎo)槽槽體凈寬、槽內(nèi)設(shè)計(jì)泥深與設(shè)計(jì)流速三個(gè)主要指標(biāo)，對(duì)排導(dǎo)槽發(fā)生淤積情況進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1 排導(dǎo)槽淤埋原因

2 排導(dǎo)槽防淤設(shè)計(jì)方法

2.1 排導(dǎo)槽槽體凈寬驗(yàn)算公式

一定面積的泥石流流域，隨著泥石流暴發(fā)的規(guī)模、頻率不同而形成不同寬度的相應(yīng)河槽。河床的自然流寬與流量成正相關(guān)關(guān)系［1］，據(jù)此可提出槽體凈寬驗(yàn)算公式。

(1)排導(dǎo)槽底寬

王繼康槽底寬公式［6］105－106:

池谷浩、張開(kāi)平槽底寬公式［1］:

聯(lián)立可得:

式中:Bs為排導(dǎo)槽橫斷面底部寬度(m);Dmax為溝道內(nèi)的最大塊石粒徑(m);Qp為泥石流設(shè)計(jì)流量(m3/s)。

(2)排導(dǎo)槽頂寬

池谷浩、張開(kāi)平槽體頂寬公式［1］:

式中:Bf為排導(dǎo)槽橫斷面頂部寬度(m);Qp為泥石流設(shè)計(jì)流量(m3/s)。

2.2 排導(dǎo)槽深度驗(yàn)算公式

已知設(shè)計(jì)流量Qp，因?yàn)槟嗍髟谂艑?dǎo)槽內(nèi)處在沖淤平衡的狀態(tài)，根據(jù)形態(tài)斷面法:

式中:Qc為排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)流量(m3/s);Vc為泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)流速(m/s);Ac為排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流過(guò)流面積(m2);γH為固體物質(zhì)重度(g/cm3);Hc為計(jì)算斷面的平均泥深(m);J為泥石流水力坡度(%);nc為泥石流溝床的糙率系數(shù);φ為泥石流泥砂修正系數(shù)。

把式(6)、式(7)代入式(5)，得:

令g(Hc)=f(Hc)反求出排導(dǎo)槽槽內(nèi)的設(shè)計(jì)泥深Hc:

泥深需滿足［8］:

2.3 排導(dǎo)槽內(nèi)流速驗(yàn)算公式

排導(dǎo)槽修建后，改變了溝道條件，增大了糙率系數(shù)，能夠提高槽內(nèi)泥石流漿體的運(yùn)行速度，達(dá)到加速排導(dǎo)的目的。但V型槽的寬度設(shè)計(jì)若過(guò)寬，則會(huì)導(dǎo)致泥深淺，可能造成泥石流在槽內(nèi)淤積。因此，必須對(duì)排導(dǎo)槽內(nèi)的泥石流流速進(jìn)行驗(yàn)算，使泥石流槽內(nèi)流速大于溝道內(nèi)的流速，避免淤積現(xiàn)象的發(fā)生。

式中:Vc為泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)流速(m/s);V1為泥石流溝道中平均流速(m/s)。二者均采用式(7)進(jìn)行計(jì)算。

2.4 排導(dǎo)槽防淤設(shè)計(jì)方法

基于上述對(duì)排導(dǎo)槽槽寬、槽內(nèi)泥深及流速情況的驗(yàn)算公式，可以確定一系列排導(dǎo)槽防淤積的條件公式，進(jìn)而可以建立一套排導(dǎo)槽防淤積的設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，該方法流程圖如圖2所示。

圖2 泥石流排導(dǎo)槽防淤設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法流程

3 工程實(shí)例

3.1 防治工程概況

(1)溝道概況

雅(安)瀘(沽)高速公路沿線某泥石流溝位于安寧河支流右岸，地處扯羊，地理位置102°15'32″E，28°31'76″N。匯流面積0.77 km2，主溝道長(zhǎng)1.6 km，流域相對(duì)高差400 m，主溝道平均縱比降較大，達(dá)256‰。流域溝道呈V型，在海拔2 100 m處匯入安寧河支流;流域整體呈淺溝峽谷，徑流的侵蝕作用較強(qiáng)(圖3)。

圖3 某溝流域全貌圖

該溝泥石流物源主要為坡面殘坡積物形成的崩滑體、溝道兩側(cè)的松散坡積物以及溝床物質(zhì)，經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察，在流域中游有一堆積物臺(tái)地，臺(tái)地左側(cè)已經(jīng)被徑流下切，形成深幾米的溝道，在暴雨和地震等因素的作用下該滑坡堆積物還可能進(jìn)入主溝道，隨流水一起形成泥石流。

該溝具體參數(shù)調(diào)查情況如表1所示。

(2)原排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)

該溝V型排導(dǎo)槽采用的是側(cè)墻加防沖肋板即分離式結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)深3.65 m，下口寬26 m，橫向坡度為10%，縱向坡度23.58%(圖4、圖5)。在流通區(qū)有一斷面的泥深為4.0 m，寬3 m，斷面處比降為26.45%，該處糙率系數(shù)為4.5。流域內(nèi)最大石塊粒徑為1.5 m×1.4 m×1.0 m，排導(dǎo)槽對(duì)應(yīng)的糙率系數(shù)11，設(shè)計(jì)流量為58.13 m3/s。

圖5 原方案排導(dǎo)槽橫斷面設(shè)計(jì)圖

表1 某溝泥石流相關(guān)參數(shù)調(diào)查表

3.2 排導(dǎo)槽淤積驗(yàn)算

(1)槽寬驗(yàn)算

由式(1)～式(3)可得:

表明原排導(dǎo)槽斷面設(shè)計(jì)寬度能滿足最大徑粒石塊的通行，避免大石塊并排堵塞排導(dǎo)槽影響排淤效果。

(2)排導(dǎo)槽深度驗(yàn)算

通過(guò)原排導(dǎo)槽的斷面形態(tài)及尺寸，可得出槽內(nèi)泥石流泥深Hc=1.282 m＜1.2Dmax=1.8 m，說(shuō)明泥石流不能有效地?cái)y帶大石塊，從而造成泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)發(fā)生堵塞，進(jìn)而降低流速，而使泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)進(jìn)一步淤積。

(3)排導(dǎo)槽內(nèi)流速驗(yàn)算

泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流流速及溝道中泥石流的平均流速的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。可以看出，由于排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流泥深較淺，導(dǎo)致泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)流速相比溝道中的平均流速反而小，即Vc＜Vl，所以泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生淤積。

表2 泥石流流速計(jì)算參數(shù)

(4)淤積判別

綜上所述，原排導(dǎo)槽設(shè)計(jì)寬度偏大，雖然能夠滿足最大徑粒石塊的通行，但由于排導(dǎo)槽內(nèi)泥深較淺，槽體泥石流流速偏慢，運(yùn)行的泥石流漿體不能有效地?cái)y帶大石塊，從而造成泥石流在排導(dǎo)槽內(nèi)發(fā)生堵塞，進(jìn)一步發(fā)展并將導(dǎo)致排導(dǎo)槽淤積。

事實(shí)證明，2008年9月17日，該溝在連續(xù)暴雨5～6 h后，泥石流暴發(fā)，導(dǎo)致在建的排導(dǎo)槽遭到淤埋，泥石流堆積體基本淤滿排導(dǎo)槽，并沖過(guò)排導(dǎo)槽出口，排導(dǎo)槽個(gè)別區(qū)段的堆積體高過(guò)墻頂標(biāo)高，甚至漫過(guò)排導(dǎo)槽側(cè)墻。除此之外，排導(dǎo)槽外側(cè)及出口下方區(qū)域也出現(xiàn)淤積現(xiàn)象(圖6)。

圖6 2008年被全部淤埋的排導(dǎo)槽

3.3 設(shè)計(jì)修改

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案中排導(dǎo)槽的設(shè)計(jì)寬度較大，橫坡較小，導(dǎo)致槽內(nèi)流速減慢的問(wèn)題，采用本文所提出的排導(dǎo)槽淤積驗(yàn)算流程圖，確定了排導(dǎo)槽的不淤槽寬，并在設(shè)計(jì)變更中將下口寬改為6.5 m，橫坡改為30%(圖7)。該強(qiáng)化排導(dǎo)方案以原修建好泥石流排導(dǎo)槽為基礎(chǔ)，將變更后新增的橫斷面設(shè)在原有排導(dǎo)槽的底部，形成復(fù)式V型排導(dǎo)槽(圖8)。

經(jīng)式3～式11計(jì)算，設(shè)計(jì)變更后的排導(dǎo)槽槽內(nèi)設(shè)計(jì)泥深為2.04 m(大于1.2Dmax=1.8 m)，不影響大石塊的排導(dǎo);泥石流流速為5.50 m/s(大于流通平均流速4.12 m/s)，不會(huì)在槽內(nèi)發(fā)生大量淤積;磨蝕速度增大為6.5×10－7m/s，鋪設(shè)的卵石混凝土厚50 cm，可被百年一遇的泥石流積累沖刷214 h;側(cè)墻的力學(xué)性質(zhì)經(jīng)驗(yàn)算也是合格的。

圖7 變更后的排導(dǎo)槽斷面設(shè)計(jì)圖

圖8 2010年重新施工后的排導(dǎo)槽

3.4 工程實(shí)施效果

2011年6月16 日20:00開(kāi)始，四川省涼山州局部地方遭受特大暴雨襲擊，據(jù)冕寧縣氣象局提供的暴雨資料，僅在22:00－23:00時(shí)段的降雨量達(dá)101 mm(超百年一遇)，并且雨情一直持續(xù)到17日08:00左右，造成了雅瀘高速公路該區(qū)段多處泥石流暴發(fā)。從災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，該溝泥石流變更設(shè)計(jì)后的排導(dǎo)槽內(nèi)并未發(fā)生2008年9月災(zāi)害發(fā)生時(shí)的淤積現(xiàn)象，溝中產(chǎn)生的泥石流全部被排入安寧河內(nèi)，排導(dǎo)槽排導(dǎo)能力經(jīng)受住了工程實(shí)際的檢驗(yàn)，說(shuō)明了該方法實(shí)施效果良好(圖9)。

圖9 2011年6月16日災(zāi)后排導(dǎo)槽內(nèi)無(wú)淤積

4 結(jié)論

①提出了排導(dǎo)槽防淤設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，基于排導(dǎo)槽槽寬驗(yàn)算、槽內(nèi)泥深驗(yàn)算及槽內(nèi)流速驗(yàn)算三方面計(jì)算對(duì)泥石流淤埋排導(dǎo)槽的可能性做出了定量分析，進(jìn)而提出排導(dǎo)槽的不淤槽寬尺寸。

②以在建的雅(安)瀘(沽)高速公路沿線某溝為研究對(duì)象，采用本文提出的排導(dǎo)槽淤積驗(yàn)算方法，對(duì)原設(shè)計(jì)的槽寬、槽內(nèi)泥深及流速等進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)泥石流會(huì)在原設(shè)計(jì)排導(dǎo)槽內(nèi)淤積。該溝2008年9月17日暴發(fā)泥石流，淤滿了剛修建好的排導(dǎo)槽，驗(yàn)證本方法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

③基于提出的排導(dǎo)槽防淤設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，對(duì)該溝排導(dǎo)槽原設(shè)計(jì)進(jìn)行了修正，將排導(dǎo)槽下口寬改為6.5 m，橫坡改為30%，設(shè)計(jì)變更后排導(dǎo)槽排導(dǎo)能力得到了提高，并經(jīng)受了2011年6月16日特大暴雨產(chǎn)生的泥石流的考驗(yàn)，方法可供相關(guān)研究和設(shè)計(jì)參考。

［1］張開(kāi)平．泥石流排導(dǎo)槽及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1997，8(4):73－77．

［2］游勇．泥石流排導(dǎo)槽最小不淤縱坡初步試驗(yàn)研究［J］．水土保持通報(bào)，2000，20(6):36－38．

［3］張紅兵，周道銀．泥石流V型排導(dǎo)槽防治理論及應(yīng)用研究［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17(3):1－4．

［4］李德基，房國(guó)慶，陳月升．云南省東川市泥石流排導(dǎo)槽［C］//泥石流(4).北京:科學(xué)出版社，1995:62－65．

［5］唐邦興.中國(guó)泥石流［M］．北京:商務(wù)印書(shū)館出版社，2000:227．

［6］王繼康.泥石流防治工程技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1996.