宋書志，佘敏龍

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

彎道超高法在猴子巖電站江口泥石流溝治理中的應(yīng)用

宋書志，佘敏龍

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

我國(guó)水電工程大部分集中在西部山區(qū)，泥石流災(zāi)害在這些地區(qū)較為突出。由于泥石流暴發(fā)的突然性和不可復(fù)制性，對(duì)泥石流原型進(jìn)行野外觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量都存在很大的困難。泥石流流速是研究泥石流的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，是確定流量、沖擊力、爬高及沖淤特征的基礎(chǔ)參數(shù)，是泥石流治理工程設(shè)計(jì)必備的核心參數(shù)，因此選取合適的方法確定泥石流流速是治理工程成敗的關(guān)鍵。鑒于泥石流為復(fù)雜的多相非牛頓體，怎樣精確的計(jì)算泥石流的流速始終是一個(gè)科學(xué)難題。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外泥石流流速計(jì)算的基礎(chǔ)上，以猴子巖水電站庫(kù)區(qū)江口溝泥石流治理工程為例，通過(guò)對(duì)江口泥石流溝的形態(tài)勘測(cè)，根據(jù)泥石流彎道超高計(jì)算泥石流流速，為該溝的防治提供參考依據(jù)。

泥石流；彎道超高；流速；江口溝

0 引 言

泥石流的運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究及工程治理中，泥石流流速均為不可或缺的核心參數(shù)。然而由于泥石流溝在野外分布范圍較廣，泥石流暴發(fā)極具偶然性及不可重復(fù)性，野外原型觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量均很困難，測(cè)量手段和泥石流運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究的滯后性制約著泥石流研究的發(fā)展。

目前泥石流流速的獲取主要從兩個(gè)途徑：一是通過(guò)泥石流現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)獲取，二通過(guò)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。由于我國(guó)泥石流溝分布范圍廣且數(shù)量眾多，國(guó)內(nèi)目前原型觀測(cè)的泥石流溝僅為少數(shù)一些科研型泥石流溝，如曾在西藏古鄉(xiāng)溝和加瑪其美溝、甘肅柳彎溝和火燒溝以及云南渾水溝和蔣家溝等開展過(guò)流速觀測(cè)工作，其中蔣家溝的流速觀測(cè)一直持續(xù)到現(xiàn)在［1］。然而近年來(lái)我國(guó)的西部大開發(fā)，眾多工程區(qū)內(nèi)都涉及到泥石流溝，由于泥石流暴發(fā)的突然性和缺乏監(jiān)測(cè)設(shè)備，這些泥石流溝缺乏現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些泥石流溝的治理只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其泥石流流速，選取的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的泥石流流速能否接近該泥石流溝的真實(shí)流速是治理工程成敗的關(guān)鍵。因此，有條件時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泥石流溝的形態(tài)勘測(cè)，依據(jù)泥石流溝道兩岸的泥痕得出泥面的彎道超高值，進(jìn)而根據(jù)彎道超高與流速的關(guān)系式來(lái)推算泥石流流速［2］，此方法能很好的解決選取的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的結(jié)果跟實(shí)際差別較大的情況。

1 彎道超高法估算泥石流流速的研究現(xiàn)狀

在泥石流溝現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過(guò)程中，在溝道轉(zhuǎn)彎處彎道超高是十分普遍的，這是由于泥石流流體在經(jīng)過(guò)彎道處，產(chǎn)生的離心力使得凹岸側(cè)泥位高于凸岸側(cè)泥位，故利用彎道超高反推泥石流流速，能較好的吻合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的泥石流特征。

1.1 基于清水流彎道超高公式的泥石流流速估算

根據(jù)離心力與橫向力平衡，可推導(dǎo)清水流彎道超高計(jì)算公式［3］：式中 v——轉(zhuǎn)彎處清水流平均流速；

Δh——彎道超高值；

B——溝道轉(zhuǎn)彎處溝道寬度；

R——溝道轉(zhuǎn)彎處溝道中心曲率半徑；g——重力加速度。

1.2 國(guó)外基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式

日本學(xué)者水山高久［4］（1981），為解釋燒岳上上沖溝泥石流和妙高高原泥石流的彎道超高值遠(yuǎn)比清水流高的現(xiàn)象，進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，提出了彎道超高的計(jì)算公式，具有一定的實(shí)用價(jià)值：

式中 α＝f（R，B），α最大可達(dá)10。

1.3 國(guó)內(nèi)基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式［5］

假定泥石流在通過(guò)彎道處，凸岸側(cè)角速度與凹岸側(cè)角速度相等，則有：

由于凹岸的泥石流流速較凸岸的大，其動(dòng)能亦較大，這是泥石流彎道超高的原因所在，超高的勢(shì)能與兩岸的動(dòng)能差相等。若超高的高度為Δh，則有：

由于r1＋r2＝2R，r1－r2＝B，v1＋v2＝2v，則聯(lián)立上兩個(gè)式求解泥石流經(jīng)過(guò)彎道處流速為：v＝。求解出來(lái)的結(jié)果與清水流相同，而泥石流作為多相流與清水流有本質(zhì)的差別，依據(jù)角速度相同推導(dǎo)出的泥石流流速計(jì)算公式不能很好的反應(yīng)泥石流真實(shí)的運(yùn)動(dòng)特征，需要進(jìn)一步完善。

1.4 基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式的完善

由于泥石流為多相流，與清水流不同，其流體內(nèi)的高粘性和固相顆粒體間摩擦碰撞離散切力［6］，使其運(yùn)動(dòng)阻力加大，其彎道超高計(jì)算模式理應(yīng)考慮粘性和粒間切力的影響。研究表明：泥石流體的剪切強(qiáng)度仍符合庫(kù)侖定律［1］，因此可借用粘聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)分別表征流體粘性和粒間切力的影響。據(jù)此，按照離心力與橫向力平衡的思路，國(guó)內(nèi)學(xué)者蔣忠信在歸納和探討泥石流彎道超高計(jì)算模式的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和總結(jié)了基于彎道超高計(jì)算泥石流流速的方法，推導(dǎo)出泥石流彎道超高公式［7］。

式中 θ＝arctan（Δh／B）

H——平均泥位深；

c、φ——內(nèi)聚力、摩擦角；

γ——泥石流重度。

2 基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式的討論

2.1 基于清水流推導(dǎo)的泥石流流速計(jì)算公式

由于泥石流為復(fù)雜的多相非牛頓體，與清水流有本質(zhì)的區(qū)別，在室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)及野外天然泥石流溝道勘測(cè)中，均存在泥石流彎道超高大于清水流彎道超高值，這是由于泥石流流體中固相顆粒之間的粘聚力及顆粒間切力的影響，故直接用清水流彎道超高計(jì)算公式去計(jì)算泥石流彎道處泥石流的流速是不合適的。

2.2 基于清水流推導(dǎo)的泥石流流速計(jì)算改進(jìn)公式

在清水流基礎(chǔ)上，日本學(xué)者水山高久引進(jìn)了一個(gè)參數(shù)α，以此來(lái)解決泥石流彎道超高大于清水流彎道超高這種現(xiàn)象，然而α＝f（R，B），是與R及B有關(guān)的，參數(shù)α的取值具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)直接將參數(shù)α取值為2，由于天然泥石流溝道具有唯一性，所有溝道的α取值均為2，此種取值方式不盡合理，需進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，由于參數(shù)α取值需要一定的經(jīng)驗(yàn)性，參數(shù)α取值是否合理直接影響到最終的計(jì)算成果能否接近泥石流的真實(shí)流速。故此計(jì)算方法具有一定的局限性。

2.3 考慮了流體力學(xué)參數(shù)的泥石流流速計(jì)算公式

此方法考慮了泥石流作為多相流，流體中的固相之間的粘聚力及固相之間的剪切作用，引入了泥石流流體內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的力學(xué)參數(shù)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角可以通過(guò)以下方法獲得：一是采用經(jīng)驗(yàn)值；二是配制符合泥石流暴發(fā)時(shí)的流體進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，用流體的剪切實(shí)驗(yàn)確定內(nèi)摩擦角，用靜力測(cè)定的漿體剪切強(qiáng)度確定粘聚力；三是采用基于流體配比的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推算［8］。該理論方法由于引入的力學(xué)參數(shù)尚難精確測(cè)定，帶來(lái)公式實(shí)際應(yīng)用上的偏差。但較清水流推導(dǎo)出的泥石流流速計(jì)算公式能夠更符合泥石流運(yùn)動(dòng)特征，此外該方法引入的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角力學(xué)參數(shù)可以通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，可以有效的避免經(jīng)驗(yàn)取值帶來(lái)的計(jì)算偏差。故在泥石流研究及工程防治中可運(yùn)用公式（5）對(duì)泥石流流速進(jìn)行計(jì)算。

3 猴子巖水電站庫(kù)區(qū)江口泥石流溝流速計(jì)算

江口泥石流溝位于丹巴縣下游約10 km格宗鄉(xiāng)境內(nèi)，溝口坐標(biāo)為N：30°48′32.13″，E：101°56′11.78″，地處大渡河猴子巖水電站壩址上游約37 km，S211省道堆積扇前緣通過(guò)，與泥石流溝呈大角度相交。

3.1 江口溝流域特征

江口溝總匯水面積10.93 km2，主溝長(zhǎng)度6.14 km，溝源海拔3 960 m，溝口處最低海拔1 840 m，相對(duì)高差約2 120 m。四季常年流水。從溝口往內(nèi)約1 km處（海拔高程2 170 m）發(fā)育1條支溝，支溝長(zhǎng)約3.3 km。除堆積區(qū)外，溝內(nèi)均以巖質(zhì)溝床為主。溝口段山坡基巖裸露，植被不發(fā)育，溝口段溝岸兩側(cè)坡腳堆積有大量崩坡堆積物。這些溝道特征決定了在暴雨工況下該溝存在發(fā)生中～小型泥石流的可能。江口溝全流域特征及主溝縱坡降見圖1、2。

圖1 江口溝全流域特征

圖2 江口溝主溝縱坡降示意

3.2 流速計(jì)算

江口溝于2006年7月份發(fā)生過(guò)中等規(guī)模的泥石流，在溝道轉(zhuǎn)彎處留下了較為明顯的泥痕，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)，該次泥石流容重γc＝1.626 g／cm3；溝道中心線轉(zhuǎn)彎半徑R＝64 m；溝道寬B＝4.2 m；彎道超高Δh＝0.4 m，平均泥位深H＝1.9 m；根據(jù)配漿進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得c＝0.076 kN／m2，φ＝3.7°。根據(jù)公式（5）計(jì)算泥石流流速如表1所示：

表1 江口溝泥石流流速計(jì)算

采用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T 0220－2006）附錄I中推薦公式1.15（通用公式）進(jìn)行計(jì)算：

查表得泥石流溝床糙率nc＝0.307；Ic＝800‰；Hc＝1.9，代入上式，得Vc＝4.47。按彎道超高法計(jì)算出的泥石流流速比規(guī)范推薦公式計(jì)算出的值小6.1%。

4 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論

（1）目前常用的經(jīng)驗(yàn)公式是由某一條或綜合了某幾條泥石流溝長(zhǎng)期觀測(cè)資料，總結(jié)歸納得出的，由此得到的經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)用到其他泥石流溝時(shí)需進(jìn)行修正。而彎道超高法計(jì)算泥石流流速是基于每條泥石流溝的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，只要現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)誤差盡可能的小，其計(jì)算出的結(jié)果還是較為可靠的。本文中規(guī)范推薦的公式計(jì)算出的泥石流流速大于彎道超高法計(jì)算出的流速，是因?yàn)橐?guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式中各參數(shù)取值具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，各參數(shù)的取值不一定能很好的符合江口溝的溝道特征，故計(jì)算出的結(jié)果與彎道超高法計(jì)算出的結(jié)果之間有一定的偏差。

（2）彎道超高法存在一定的局限性，對(duì)于溝道特征較為明顯、泥痕清楚的泥石流溝（如江口泥石流溝），彎道超高法具有一定的可行性。

（3）彎道超高法需要解決的問題：泥石流是復(fù)雜的多相非牛頓體，其過(guò)程十分復(fù)雜，在溝道勘測(cè)時(shí)需測(cè)準(zhǔn)同一次泥石流在溝道兩岸的泥痕，而公式中用到的流體的粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度、平均泥深等參數(shù)，這些參數(shù)目前尚難精確獲得，進(jìn)而給公式帶來(lái)計(jì)算偏差。

［1］ 中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.中國(guó)的泥石流［M］.北京：商務(wù)印務(wù)館，2000.

［2］ 何杰，陳寧生.粘性泥石流彎道超高在流速計(jì)算中的應(yīng)用［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，10（4）：425－428.

［3］ 蔣忠信.基于彎道超高計(jì)算泥石流流速的探討［J］.巖土工程技術(shù)，2007，21（6）：288－291.

［4］ 水山高久，上原信司（日）.河彎上泥石流的流態(tài)［M］.泥石流譯文集（三）.鐵道部科學(xué)研究院西南研究所，1985：72－79.

［5］ 沈壽長(zhǎng).泥石流運(yùn)動(dòng)的阻力和流速［G］.泥石流防治理論與實(shí)踐.成都：西南交通大學(xué)出版社，1991：21－32.

［6］ 吳積善，田連權(quán)，康志成，等.泥石流及其綜合治理［M］.北京：科學(xué)出版社，1993.

P642.23

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1003－9805（2015）02－0044－03

2014－08－15

宋書志（1983－），男，安徽廣德人，高級(jí)工程師，從事巖土工程及防災(zāi)減災(zāi)工程的勘察、設(shè)計(jì)及研究工作。