劉曙亮，游 勇，柳金峰，趙彥波，林雪平

(1.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

窗口壩攔截泥石流性能試驗(yàn)研究

劉曙亮1,2,3，游 勇1,2，柳金峰1,2，趙彥波1,2,3，林雪平1,2,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

泥石流窗口壩是一種常見(jiàn)的泥石流防治工程措施，具有攔砂節(jié)流、護(hù)床固坡等重要調(diào)節(jié)功能。為了探尋泥石流的過(guò)壩特征，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，運(yùn)用控制變量的方法對(duì)不同類型泥石流的過(guò)壩情況進(jìn)行了探討。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥石流過(guò)壩前后顆粒組成的變化與泥石流密度相關(guān)性較大，在泥石流密度為1 650 kg/m3時(shí)，窗口壩對(duì)泥石流的篩選能力最強(qiáng)；泥石流過(guò)壩后密度降低情況較明顯，并且受泥石流窗口壩閉塞類型的影響，不同閉塞類型下泥石流密度降低率具有相似規(guī)律，在泥石流密度為1 800 kg/m3左右時(shí)，泥石流密度降低率最大；通過(guò)回歸分析得到了攔排比L與泥石流密度γc的關(guān)系式。

泥石流；模擬試驗(yàn)；顆粒組成；密度降低率；攔排比

1 研究背景

在青藏高原隆升和季風(fēng)氣候的背景下，我國(guó)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形起伏大，降雨集中，泥石流分布廣泛，暴發(fā)頻繁，危害嚴(yán)重[1-3]。為了減輕泥石流對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)的破壞，人們通常會(huì)在比較重要的地方設(shè)置防護(hù)工程。泥石流攔砂壩是建立在泥石流形成區(qū)或者形成流通區(qū)內(nèi)的一種橫斷溝床的人工建筑物，其主要功能有攔砂節(jié)流、護(hù)床固坡，控制泥石流發(fā)育、減輕溝道侵蝕、利于輸沙等[4-5]。

由于泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性，在特定地區(qū)設(shè)計(jì)泥石流攔砂壩工程時(shí)，一些重要的具體參數(shù)(壩型、壩體尺寸、窗口壩開(kāi)口尺寸和數(shù)量)難以準(zhǔn)確確定。為了探尋泥石流攔砂壩的特性，呂娟等[6]通過(guò)試驗(yàn)，建立了泥石流縫隙壩泥砂體積濃度比的多元回歸關(guān)系式；相群等[7]利用1998年2月印尼內(nèi)拉畢火山泥石流的實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合在泥石流溝布設(shè)的縫隙壩的攔蓄現(xiàn)狀，研究縫隙壩防治泥石流的攔蓄效果；山水高久等[8-9]對(duì)攔砂壩攔砂機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了攔砂壩的攔沙作用和作用特點(diǎn)；江崎一博等[10]研究了壩高和河床坡度之間的相關(guān)性，論述了攔砂壩的設(shè)置對(duì)輸砂量的影響；游勇[11]通過(guò)特殊泥石流試驗(yàn)裝置，對(duì)泥石流梁式格柵壩攔砂性能進(jìn)行研究，初步得到梁式格柵壩有全部閉塞、臨時(shí)閉塞、半閉塞、未閉塞4種閉塞類型。上述針對(duì)泥石流攔砂壩的研究沒(méi)有充分考慮泥石流過(guò)壩前后性質(zhì)的變化，為了探尋泥石流窗口壩的攔截性能，本文通過(guò)模擬泥石流過(guò)壩試驗(yàn)，改變泥石流密度和泥石流窗口壩壩型等參數(shù)，以期得到泥石流過(guò)壩前后泥沙含量、密度、攔截泥沙情況等變化規(guī)律，為以后類似地區(qū)泥石流防治工程提供相關(guān)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本模擬試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)主要裝置包括料斗(長(zhǎng)50 cm、寬30 cm、高70 cm)、概化溝道試驗(yàn)槽(長(zhǎng)300 cm、寬20 cm、高30 cm，傾角可調(diào)范圍0°～25°，側(cè)面為鋼化玻璃，并貼有刻度尺，便于觀測(cè))及尾料收集裝置組成。試驗(yàn)時(shí)在試驗(yàn)槽側(cè)面架設(shè)攝像機(jī)，記錄試驗(yàn)?zāi)嗍黧w流動(dòng)過(guò)程。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of the test apparatus

2.2 試驗(yàn)物料

圖2 試驗(yàn)用泥石流累計(jì)顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle gradation curve of the material used in the test

本試驗(yàn)物料取自于2010年高家溝未經(jīng)擾動(dòng)的泥石流堆積原樣。高家溝是岷江右岸的一條支溝，位于都汶公路中段，地處岷江上游河谷，溝內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，活動(dòng)斷裂構(gòu)造變形復(fù)雜，巖性主要是花崗巖，2011年7月3日，高家溝暴發(fā)泥石流，致使河流沖毀312國(guó)道路基，阻斷通往汶川縣城的交通生命線。試驗(yàn)物料的最大粒徑為20 mm，平均粒徑d50=1.816 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.25，曲率系數(shù)Cc=0.44，其級(jí)配曲線如圖2。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

泥石流攔砂壩攔截泥石流性能主要受泥石流密度、級(jí)配、溝床坡度、泥石流流量、攔砂壩開(kāi)口大小等因素的影響。本試驗(yàn)通過(guò)多次模擬泥石流通過(guò)窗口型攔砂壩模型情形，觀測(cè)并探討泥石流過(guò)壩前后顆粒組成、密度變化等規(guī)律，并分析攔砂壩的攔排比等性能參數(shù)。試驗(yàn)選定泥石流排導(dǎo)槽溝道坡度為10°(與高家溝平均縱坡相同)，每次試驗(yàn)使用泥石流量為60 L，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 攔砂壩攔粗排細(xì)能力分析

為了探討泥石流攔砂壩攔粗排細(xì)能力，分別選取泥石流密度為1 500，1 800，2 100 kg/m3情況下的過(guò)壩試驗(yàn)。試驗(yàn)后對(duì)泥石流體進(jìn)行烘干，然后分別對(duì)攔砂壩前、壩后泥石流分別進(jìn)行顆分，多次顆分結(jié)果平均值如表2。

表2 泥石流攔砂壩壩前、壩后泥石流體顆分篩余量Table 2 Weight of the screen residue of materials before and after passing through the dam

為了便于統(tǒng)計(jì)分析，本文將上述6組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。將每個(gè)數(shù)據(jù)除以該組數(shù)據(jù)的總質(zhì)量，然后乘以100，得出不同粒徑的百分比含量，再進(jìn)行試驗(yàn)分析。為了便于對(duì)壩前、壩后泥石流體顆粒組成進(jìn)行分析對(duì)比，使大顆粒與小顆粒粒徑對(duì)比區(qū)分更明顯，借用統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文給不同顆粒泥石流體賦予不同權(quán)重，權(quán)重越高，說(shuō)明在試驗(yàn)分析中作用越突出。本試驗(yàn)主要驗(yàn)證泥石流攔砂壩對(duì)泥石流大顆粒的攔截作用，因此對(duì)大顆粒賦予較大的權(quán)重，小顆粒相應(yīng)賦予較小的權(quán)重(如表3)，這樣在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)候，就能突出大顆粒的影響因子，然后用上述百分比含量的值乘以各自的權(quán)重，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)思想進(jìn)行相關(guān)性分析。

表3 不同顆粒權(quán)重Table 3 Weights of different grain sizes

對(duì)不同密度下篩余量百分比乘以相應(yīng)的權(quán)重后，運(yùn)用SAS軟件編程分析，得出相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 不同密度下統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 4 Result of statistical correlation analysis in the presence of different density

(1) 當(dāng)密度為2 100 kg/m3時(shí)，對(duì)壩前和壩后顆粒分布運(yùn)用Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)，其結(jié)果分別為0.129 3和0.609 1，均大于0.05，說(shuō)明該定量資料滿足方差齊性要求；然后對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果P值為0.707 2，遠(yuǎn)大于0.05，均值分別為61.5和53.4，說(shuō)明2組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義不明顯，攔砂壩對(duì)泥石流攔粗排細(xì)能力較低。這可能是在密度較大的泥石流體運(yùn)動(dòng)中，某些較細(xì)顆粒在賓漢姆切應(yīng)力支持下，轉(zhuǎn)化為中性懸浮質(zhì)，泥石流體整體性較好，分層現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致流體過(guò)壩后顆粒篩選情況不明顯。

圖3 攔砂壩篩選能力與泥石流密度的關(guān)系

Fig.3 Relationship between debris flow density and dam’s screening capacity

圖4 全閉塞時(shí)泥石流密度降低率與密度的關(guān)系

Fig.4 Relationship between debris flow density and density decrease rate(fully blocking)

圖5 部分閉塞時(shí)泥石流密度降低率與泥石流密度的關(guān)系

Fig.5 Relationship between debris flow density and density decrease rate (partial blocking)

(2) 當(dāng)密度為1 800 kg/m3時(shí)，2組顆粒分布正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果分別為0.105 1和0.572 2，滿足方差齊性要求；進(jìn)行方差分析P值為0.316 8，均值分別為60.6和41.0，說(shuō)明兩者之間的相關(guān)性較密度為2 100 kg/m3時(shí)明顯，即攔砂壩對(duì)密度為1 800 kg/m3的泥石流體的篩選能力比密度為2 100 kg/m3時(shí)高。

(3) 當(dāng)密度為1 500 kg/m3時(shí)，2組顆粒分布正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果分別為0.202 2和0.096，滿足方差齊性要求；進(jìn)行方差分析P值為0.383 7，均值分別為69.0和46.1。說(shuō)明當(dāng)密度為1 500 kg/m3時(shí)，攔砂壩的篩分效果較泥石流密度為1 800 kg/m3時(shí)較低。

為了進(jìn)一步探討泥石流攔砂壩對(duì)泥石流顆粒粒徑的攔粗排細(xì)能力與泥石流密度的關(guān)系，定義泥石流攔沙壩選能力(Q)為上述相關(guān)性分析的壩前均值減去壩后均值，即

Q=壩前均值-壩后均值。

(1)

通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得出泥石流攔砂壩篩選能力Q可以由泥石流密度γc(單位：kN/m3)來(lái)表示，二次擬合曲線如圖3。

R2= 0.877。

(2)

3.2 泥石流攔砂壩對(duì)泥石流密度的影響

借鑒費(fèi)祥俊等[12]對(duì)水庫(kù)攔砂減淤效率(攔淤比)的定義，本文定義攔排比為攔截泥砂與過(guò)壩泥砂質(zhì)量的比值。借鑒梁式格柵壩閉塞類型特點(diǎn)，對(duì)窗口壩的不同閉塞類型條件下泥石流密度降低率及攔排比分別進(jìn)行討論。

3.2.1 泥石流窗口壩全閉塞

試驗(yàn)前分別配置密度為1 500，1 800，2 100 kg/m3的泥石流體進(jìn)行試驗(yàn)，選取泥石流體阻塞窗口壩開(kāi)口時(shí)的情況(全閉塞)，測(cè)量泥石流體通過(guò)攔砂壩后密度變化部分試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 窗口壩全閉塞時(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test result in the presence of fully blocking

由表5可以看出，攔砂壩對(duì)密度為1 800 kg/m3的泥石流體的攔擋作用最為突出。當(dāng)密度較大，達(dá)到2 100 kg/m3時(shí)，泥石流密度的降低率僅為5.71%。說(shuō)明當(dāng)泥石流密度較低時(shí)，密度降低率隨著密度的增加而增加；當(dāng)泥石流密度達(dá)到一定值后，泥石流密度降低率隨著密度的增加而減少。通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得出全閉塞時(shí)泥石流密度降低率w可以由泥石流密度γc來(lái)表示(見(jiàn)圖4)。

R2= 0.973。

(3)

可以得出，當(dāng)泥石流密度為1 760 kg/m3時(shí)，泥石流密度降低率最大。

3.2.2 泥石流窗口壩部分閉塞

當(dāng)泥石流窗口壩窗口部分被阻塞時(shí)，泥石流密度降低率部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 窗口壩部分閉塞時(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test result in the presence of partial blocking

可以看出，當(dāng)窗口壩部分閉塞時(shí)，泥石流密度降低率仍然呈現(xiàn)和泥石流窗口壩全閉塞時(shí)類似的規(guī)律。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥石流部分閉塞時(shí)密度降低率小于全閉塞時(shí)的值。這一點(diǎn)說(shuō)明，僅僅從降低泥石流密度這個(gè)方面來(lái)考慮，修建泥石流攔砂壩時(shí)應(yīng)合理控制泥石流攔砂壩的開(kāi)口大小。在部分閉塞情況下，通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，得出部分閉塞時(shí)泥石流密度降低率w可由泥石流密度γc來(lái)表示(圖5)，即

(4)

由式(4)可以得出，在泥石流窗口壩部分閉塞的情況下，當(dāng)泥石流密度為1 660kg/m3時(shí)，泥石流密度降低率最大。與窗口壩全閉塞時(shí)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)部分閉塞時(shí)泥石流密度降低率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的泥石流密度值較小。

3.2.3 泥石流窗口壩不閉塞

一般情況下，只有稀性或者過(guò)渡性泥石流經(jīng)過(guò)攔砂壩時(shí)不會(huì)堵塞窗口壩排泄孔。所以本節(jié)只討論稀性和過(guò)渡性泥石流的密度降低率情況，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 窗口壩不閉塞時(shí)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test result when the dam isn’t blocked

可以看出，窗口壩不閉塞時(shí)密度調(diào)節(jié)效果低于以上2種情況。且由于窗口壩不閉塞，影響泥石流密度的因素更為復(fù)雜，分析認(rèn)為窗口壩的開(kāi)口孔的大小、形狀，開(kāi)口位置等因素為主導(dǎo)因素。

3.3 泥石流攔砂壩的攔排比

3.3.1 泥石流窗口壩全閉塞

圖6 攔砂壩攔排比與泥石流密度的關(guān)系Fig.6 Relationship between debris flow density and interception ratio

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)，隨著泥石流密度的增大，攔排比有增大的趨勢(shì)。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是隨著泥石流密度的增加，泥石流體內(nèi)部剪切應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致在同種條件下泥石流流動(dòng)速度降低，造成攔砂壩攔截泥沙量增大，而排出相對(duì)減少。通過(guò)對(duì)窗口壩閉塞時(shí)密度和排攔比擬合分析，如圖6所示，可以得到攔排比L與泥石流密度γc關(guān)系為

(5)

3.3.2 泥石流窗口壩部分閉塞、不閉塞

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同密度情況下，泥石流窗口壩攔排比隨窗口壩閉塞類型變化較大，攔排比從全閉塞至不閉塞呈現(xiàn)逐漸減少的規(guī)律。例如在相同密度為1 500 kg/m3時(shí)，全閉塞、部分閉塞、不閉塞情況下窗口壩的攔排比分別為0.91，0.53，0.28。并且攔排比的數(shù)據(jù)比較分散，說(shuō)明在部分閉塞和不閉塞條件下， 影響攔排比的因素較多。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)模擬泥石流攔砂壩攔截泥沙試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1) 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的思想對(duì)泥石流體壩前和壩后顆粒粒徑的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)窗口壩攔篩選能力Q與泥石流密度相關(guān)性較大。當(dāng)泥石流密度較低時(shí)(1 500～1 700 kg/m3)，Q隨泥石流密度增加而增大，當(dāng)密度達(dá)到一定值后(1 700 kg/m3左右)，Q隨著泥石流密度的增加而減少。

(2) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥石流體過(guò)壩后密度降低率比較明顯，并分別討論了全閉塞、部分閉塞、不閉塞3種情況下泥石流密度降低率和泥石流密度的關(guān)系。認(rèn)為泥石流體密度、開(kāi)口型攔砂壩開(kāi)口尺寸等因素對(duì)泥石流密度降低率影響較大。

(3) 泥石流攔排比規(guī)律比較復(fù)雜，當(dāng)攔砂壩閉塞時(shí)，攔排比指標(biāo)值較大。攔砂壩部分閉塞和不閉塞的情況下，攔排比指標(biāo)值顯著減少。另外發(fā)現(xiàn)泥石流密度對(duì)該指標(biāo)影響較泥石流閉塞類型小。由于試驗(yàn)次數(shù)有限，沒(méi)有考慮泥石流攔砂壩壩前泥石流淤積效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，其深入研究有待進(jìn)一步展開(kāi)。

(4) 本試驗(yàn)物料的最大粒徑為20 mm，而野外泥石流粒徑通常較大，通常使用模型相識(shí)的方法來(lái)研究野外泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前泥石流模型試驗(yàn)研究還沒(méi)有成熟的相似律，現(xiàn)在進(jìn)行的大部分定性或定量試驗(yàn)的相似比尺條件多數(shù)是借鑒挾沙水流的相似律，由于考慮泥石流本身特征要素較少，因而具有一定的局限性[13]。本試驗(yàn)取用物料為未經(jīng)擾動(dòng)的泥石流堆積原樣，具有一定的代表性，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)論和野外泥石流運(yùn)用規(guī)律的對(duì)比和對(duì)泥石流研究的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，該試驗(yàn)在一定程度上能夠反映該地區(qū)泥石流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

致謝：在試驗(yàn)及分析過(guò)程中，承蒙中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所呂娟、陳順理等老師和同學(xué)的大力幫助，在此一并致謝！

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(編輯：曾小漢)

Experimental Study on Performance of Window-FrameDam Intercepting Debris Flow

LIU Shu-liang1,2,3, YOU Yong1,2, LIU Jin-feng1,2,ZHAO Yan-bo1,2,3,LIN Xue-ping1,2,3

(1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process, CAS, Chengdu 610041, China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041, China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As a common measure of preventing debris flows, window-frame dam has functions of intercepting sediment and protecting riverbed and slopes. Through indoor simulation, the characteristics of debris flows passing through window dam was researched by controlling different variables. Results reveal that the variation of particle composition of debris flows before and after passing through the dam is largely correlated with the density of debris flow. When the density of debris flow is 1 650 kg/m3, the window dam’s sediment interception capacity is the largest. The density of debris flow decreases remarkably after passing through the window dam, and the decrease is affected by the type of window dam blocking; the regularity of decrease is similar despite different blocking types; when the density is around 1 800 kg/m3, its decrease is the largest. By regression analysis the relation between sediment interception ratioLand debris flow densityγcwas also obtained.

debris flow; simulation test; particle composition; rate of density decrease; sediment interception ratio

2014-01-23；

2014-02-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC06B02)；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-05-01-04)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JY0104)

劉曙亮(1989-)，男，河南開(kāi)封人，碩士研究生，主要從事山地災(zāi)害實(shí)驗(yàn)與防治工程研究，(電話)15682025463(電子信箱)liushuliang12@mails.ucas.ac.cn。

游 勇(1964-)，男，四川樂(lè)山人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事山地災(zāi)害實(shí)驗(yàn)與防治工程研究，(電話)028-85232541(電子信箱)yyong@imde.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.007

P642.23

A

1001-5485(2015)08-0040-05

2015,32(08):40-44