張座雄, 劉興榮, 王喜紅, 王 磊,3, 時 巖,3

(1. 甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050;3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

中國是泥石流災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一,平均每年因泥石流災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失超過20億元,人員傷亡高達(dá)300～600人[1]。泥石流按其動力成因可分為土力類和水力類,土力類泥石流研究成果顯著[2-5],而水力類泥石流由于具有暴發(fā)頻率低、間歇周期長、不易識別等特點,一直是泥石流災(zāi)害防治中的薄弱環(huán)節(jié)[6]。此外,受汶川地震影響,我國西部山區(qū)發(fā)生大量滑坡、崩塌,據(jù)估算僅龍門山地區(qū)新增固體物源量便高達(dá)55.86億t[7],震后泥石流將活躍10～15年[8]。受地形地貌等條件影響,崩滑體在震后十年間大量進(jìn)入溝道,轉(zhuǎn)化為溝道堆積體,甚至完全堵塞主溝,形成堰塞壩[9]。加之近年來受極端氣候影響,局地暴雨事件頻發(fā),流域徑流匯集壩后形成堰塞湖。該類松散堆積壩具有弱黏結(jié)性、強滲透性等特點[10],在滲透水壓作用下,較短時間內(nèi)發(fā)生潰壩,形成潰決洪水,劇烈沖刷侵蝕溝內(nèi)下游松散物質(zhì),規(guī)模不斷放大,最終發(fā)育為溝道泥石流。該類泥石流流量大,沖擊力強,對下游攔擋工程的破壞性極強[11-13]。如圖1(a)所示,汶川地震后舟曲三眼峪溝道內(nèi)大量崩滑體堵塞溝道,形成堰塞壩,壩體潰決后形成的潰決洪水劇烈沖蝕松散堆積體,導(dǎo)致溝床下切[圖1(b)],放大泥石流規(guī)模,加劇了下游攔擋壩損毀程度[圖1 (c)]。

溝內(nèi)松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下啟動形成的泥石流多為水力類泥石流,國內(nèi)外學(xué)者針對此類泥石流形成機理的研究已取得大量成果。日本的Takahashi[14-15]基于Bagnold顆粒流理論,推導(dǎo)出了水力類泥石流的啟動機理和臨界啟動條件;美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局將水力類泥石流啟動機制稱為“消防管效應(yīng)”,即快速集中的暴雨徑流強烈沖刷松散堆積物,使其在較緩坡度下也能轉(zhuǎn)化為泥石流[16];崔鵬[17]認(rèn)為在一定徑流深度下,當(dāng)固體顆粒所受剪切力大于抵抗力時便發(fā)生啟動;莊建琦等[18]總結(jié)了震后松散堆積體在不同坡度下的三種啟動模式;屈永平等[19-20]、吳永等[21]分析了水深和孔隙水壓力對堆積體滲透破壞的影響。在潰決洪水方面,Liu等[22]依據(jù)我國堰塞壩類型,從潰決洪水的特征、分布、成因等方面進(jìn)行了綜述;Zhou等[23]基于水槽試驗,研究了上游挾砂水流對堰塞壩潰決及潰決洪水的影響。潰決洪水對溝道下游松散堆積體同樣具有極強的侵蝕能力,將放大災(zāi)害規(guī)模,但目前對潰決洪水沖刷松散堆積體啟動機理的研究還相對較少。

攔擋壩是泥石流防治的主要工程措施之一,能起到水石分離、穩(wěn)定溝坡等多重作用[24]。目前,在攔擋壩對泥石流災(zāi)害的防治方面已取得諸多研究成果。例如,陳曉清等[25]基于震后三類泥石流起動機理,提出了利用不同開孔率攔擋壩分級攔淤穩(wěn)定物源的方法;劉興榮等[26]對隴南地區(qū)65道攔擋壩的破損情況進(jìn)行統(tǒng)計,總結(jié)了攔擋壩的易損部位及其設(shè)計優(yōu)化措施;董耀剛等[27]基于水槽試驗對攔擋壩泄水涵洞調(diào)控性能進(jìn)行了研究,證實預(yù)留泄水孔可減小壩后孔隙水壓力,降低泥石流破壞;賈世濤等[28]通過改變泥石流容重、壩的開孔率等控制參數(shù),研究泥石流壩在過壩前后的性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)攔擋壩對稀性泥石流的“攔粗排細(xì)”作用最為突出。綜上所述,當(dāng)前學(xué)界對攔擋壩防治機理與優(yōu)化設(shè)計等方面均有所關(guān)注,但鮮有針對泥石流與攔擋壩作用過程中壩后淤積體相關(guān)土水參數(shù)響應(yīng)過程的深入研究,而探明松散堆積體沖刷啟動形成的泥石流壩后淤積過程及二者相互作用機理,對豐富泥石流防治機理與相關(guān)防治工程優(yōu)化具有重要意義。

因此,本文基于水槽試驗?zāi)M潰決洪水→堆積體啟動→泥石流→攔擋全過程,通過監(jiān)測堆積體啟動及壩后淤積體土水參數(shù)、動力參數(shù)響應(yīng)變化規(guī)律,分析堆積體沖刷啟動機制及啟動形成的泥石流與攔擋壩相互作用機理,以期為泥石流災(zāi)害防治提供理論與技術(shù)支持。

1 試驗方案

1.1 試驗裝備及儀器布設(shè)

本試驗在甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所滑坡泥石流試驗室進(jìn)行。如圖2所示,試驗裝置主要由供水箱、水槽、堆積區(qū)、采集系統(tǒng)和廢料處理系統(tǒng)組成。供水箱最大蓄水容量為1 m3,供水流量由水泵和高度可調(diào)的水閘組合控制,可調(diào)范圍為30～100 L/min。試驗平臺可調(diào)整坡度范圍為0°～40°,溝道泥石流溝床坡度大多在8°～25°之間[14]。經(jīng)前期預(yù)實驗確定,當(dāng)試驗平臺坡度設(shè)為9°,潰決水量設(shè)為0.3 m3時,溝道內(nèi)固體物質(zhì)能被水流全部攜卷帶走,可觀察到完整的試驗現(xiàn)象,因此設(shè)置潰決水量為0.3 m3。水槽寬50 cm,全長650 cm,底部為不銹鋼板,兩側(cè)有機玻璃板厚5 mm,其光滑程度可近似忽略邊界效應(yīng)對試驗的影響。

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Diagram of the test setup

如圖3所示,為模擬溝道松散堆積體啟動與攔擋壩相互作用過程,在距上游出水口270 cm處布設(shè)梯形堆積體,在堆積體下游170 cm處設(shè)置攔擋壩,并在堆積體內(nèi)部及攔擋壩后布設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由孔隙水壓力傳感器、基質(zhì)吸力傳感器、體積含水率傳感器和采集箱組成,其中三種傳感器合為一組,沿中軸線布設(shè)在水槽底部,共布設(shè)四組。各組傳感器布設(shè)位置如圖3(a)所示,堆積體內(nèi)傳感器間隔30 cm,記為1、2;壩后70 cm、10 cm處各有一組傳感器,記為3、4。

圖3 堆積體、攔擋壩模型尺寸及傳感器布設(shè)圖(單位:cm)Fig.3 Model size of the deposit and retaining dam and layout of sensors (Unit:cm)

泥石流沖擊力與壩后泥位是攔擋壩設(shè)計中的重要參數(shù)。為監(jiān)測攔擋壩壩后沖擊力與泥位變化,如圖3(a)所示,在攔擋壩底部安裝振動加速度傳感器(A),間接表征沖擊力變化;在攔擋壩上部安裝激光測距儀(D),記錄壩后泥位變化。同時,分別在堆積體與攔擋壩上部及試驗平臺對面各布設(shè)一臺高清攝像機,保證高清記錄試驗全過程。堆積體及攔擋壩模型尺寸詳見圖3(b)、(c),傳感器主要參數(shù)及編號列于表1。

表1 傳感器型號及布設(shè)位置

1.2 試驗設(shè)計

試驗土樣取自甘肅省甘南州舟曲縣三眼峪溝溝口1號攔擋壩后約500 m處。將取回的土樣分批曬干、去除雜草及20 mm以上的大顆粒,以滿足試驗要求,再采用四分法選取適量土樣進(jìn)行多次顆粒篩分試驗,得到的顆粒級配曲線如圖4所示。

圖4 土樣顆粒級配曲線Fig.4 Particle-size distribution curve of soil samples

周必凡[29]提出試驗土樣最大粒徑需小于模擬槽寬度的1/5,即:

n≥5dmax

(1)

式中:n為試驗槽寬度,取50 cm;dmax為土樣最大粒徑。經(jīng)計算,土樣滿足試驗要求,將土樣按堆積體尺寸自然堆放于溝道內(nèi)。土樣的物理力學(xué)參數(shù)列于表2。

表2 土樣物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗現(xiàn)象

試驗現(xiàn)象可分為前后兩部分,前半部分為松散堆積體的沖刷啟動(圖5),后半部分為啟動泥石流與攔擋壩相互作用(圖6)。如圖5(a)所示,當(dāng)潰決洪水抵達(dá)堆積體坡腳時,水流速度大于坡體的入滲速率,于坡前蓄積;4 s后便完全漫過坡頂,形成漫頂徑流[圖5(b)];徑流先是帶走表面細(xì)顆粒,隨后不斷下切,發(fā)生溯源侵蝕和側(cè)蝕[圖5(c)];侵蝕物質(zhì)來不及堆積便被水流快速沖刷攜卷,最終堆積體潰決,形成貫通水流路徑[圖5(d)]。剩余固體物質(zhì)在水流沖刷作用下,前緣崩塌,帶動后緣崩解,最終固體物質(zhì)被完全啟動。

圖5 堆積體沖刷啟動過程Fig.5 Scour initiation process of the deposit

圖6 攔擋壩攔擋過程Fig.6 Blocking process of the retaining dam

如圖6(a)所示,堆積體啟動轉(zhuǎn)化為水石流向下游運動,泥石流龍頭受攔擋壩阻擋,大顆粒停滯淤積并堵塞泄水系統(tǒng),造成壩后泥位上升;直至與溢流口平齊,水體裹挾細(xì)顆粒翻越攔擋壩[圖6(b)];64 s后堆積體完全啟動,壩后淤積體趨于穩(wěn)定[圖6(c)];隨后潰決洪水流量逐漸減小,水流逐漸變清[圖6(d)]。試驗結(jié)束后測得壩后淤積體最長距離115 cm,最大高度11 cm,回淤比降為9.6%。

3 試驗結(jié)果

3.1 體積含水率變化特征

洪水沖刷下堆積體各位置處體積含水率變化如圖7(a)所示,可見體積含水率整體呈先增后減的“單峰”變化規(guī)律。其中,堆積體內(nèi)含水率傳感器H4最先響應(yīng),50 s后激增至75%,隨后又迅速降低,穩(wěn)定在46%左右。這主要是因為潰決洪水翻越堆積體后匯集于攔擋壩處,導(dǎo)致含水率激增;隨后固體物質(zhì)逐漸淤積并堵塞排水系統(tǒng),挾砂水流沿溢流口下泄,下泄流量與攔擋壩排水流量實現(xiàn)均衡;穩(wěn)定一段時間后,洪水流量減小,攔擋壩排水速率大于入滲速率,含水率降低。H3也呈現(xiàn)類似規(guī)律,不過其響應(yīng)時間滯后H4約100 s,且峰值含水率較小,約為25%。H1、H2峰值含水率均小于30%,這是因為沖刷水流剛?cè)霛B至傳感器附近,土體便被迅速攜卷帶走。由于堆積體主要發(fā)生溯源侵蝕,H1響應(yīng)時間滯后H2約30 s。

圖7 堆積體及壩后相關(guān)參數(shù)變化圖Fig.7 Variation of the deposit and related parameters after the dam

3.2 基質(zhì)吸力變化特征

潰決洪水沖刷下堆積體不同位置處基質(zhì)吸力變化如圖7(b)所示,可見堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力呈下降趨勢,壩后淤積體基質(zhì)吸力變化幅度較小。由于水體快速翻越堆積體,而入滲速率較低,因此壩后基質(zhì)吸力傳感器J3、J4響應(yīng)時間先于堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力傳感器J1、J2。壩后基質(zhì)吸力均出現(xiàn)小幅波動,傳感器J4最先變化,50 s內(nèi)從初始值10.6 kPa增至11.0 kPa,隨后基本穩(wěn)定;J3在130 s時出現(xiàn)小幅波動,后穩(wěn)定在10.9 kPa。J2在130 s后基質(zhì)吸力急速降低,由開始的12.3 kPa降至10.8 kPa。幾乎在J2數(shù)值穩(wěn)定的同時,J1開始迅速降低,由最初的14.8 kPa波動降至11.8 kPa,變化幅度為3 kPa。這與試驗現(xiàn)象較為一致,由于堆積體主要發(fā)生溯源侵蝕,因此J1、J2在響應(yīng)時間上呈現(xiàn)先后響應(yīng)關(guān)系。

3.3 孔隙水壓力變化特征

潰決洪水沖刷下堆積體不同位置處孔隙水壓力(以下簡稱孔壓)變化如圖7(c)所示,可見孔壓變化總體呈先快速增加后緩慢降低的趨勢。水體漫過堆積體上表面后,KY3最先響應(yīng),呈波動上升趨勢,在50 s后達(dá)到峰值0.9 kPa,隨后緩慢下降。KY4滯后于KY3約20 s,曲線整體走向與KY3類似,但其峰值時間略早于KY3,峰值也略高,為1.2 kPa。這與試驗現(xiàn)象吻合較好,即水石流率先到達(dá)KY3,但由于壩后淤積KY4處水位快速上升,導(dǎo)致孔壓增長較為迅速。在壩后孔壓達(dá)到峰值的同時,堆積體內(nèi)孔壓開始激增,KY2響應(yīng)時間稍早于KY1,達(dá)到峰值1.1 kPa后趨于穩(wěn)定;KY1與KY2曲線具有高度相似性,表明兩處的固體物質(zhì)啟動模式高度相似。

3.4 振動加速度與泥位變化特征

攔擋壩振動加速度與泥位變化如圖7(d)所示,可見攔擋壩振動加速度整體呈波動狀態(tài),但存在兩次較大的波峰;壩后泥位呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化特征。開始時攔擋壩處于空庫狀態(tài),30 s后挾砂水流沖擊壩后,此時振動加速度較小,為0.03 m/s2;隨后水石流于壩后淤積,當(dāng)庫容為半庫時,振動加速度達(dá)到第一波峰值1.29 m/s2,15 s后加速度達(dá)到第二波峰值1.22 m/s2,幾乎同時泥位也達(dá)到峰值95 mm,此時已達(dá)滿庫狀態(tài);隨后洪水流量降低,堆積體已完全啟動,振動加速度與泥位趨于穩(wěn)定。這說明剛開始堆積體細(xì)顆粒啟動,其容重小,且攔擋壩能很好地驅(qū)使水石分離,因此其沖擊力較小,隨著堆積體部分啟動,挾帶大顆粒的泥石流龍頭沖擊攔擋壩,出現(xiàn)第一次沖擊峰值,且為最大值。由于前期泥石流固體物質(zhì)壩后淤積導(dǎo)致攔擋壩泄水孔被堵,造成攔擋壩排水不暢,水石分離效果減弱,因此后續(xù)泥石流固液體同時沖擊攔擋壩壩體,攔擋壩壩后泥位和沖擊力幾乎同時升高,出現(xiàn)第二次沖擊峰值,但其沖擊力相對較小。

4 討論

4.1 溝道松散堆積體沖刷啟動機理分析

為進(jìn)一步討論潰決洪水沖刷條件下堆積體的啟動機制,對體積含水率、基質(zhì)吸力和孔隙水壓力之間的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析。如圖8所示,堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力與體積含水率呈現(xiàn)“此消彼長”的變化規(guī)律:140 s時,H2達(dá)到峰值含水率,同時J2開始緩慢降低;190 s時H1達(dá)到峰值含水率,同時J1也開始緩慢降低。這說明水分入滲,坡底含水率上升,相應(yīng)基質(zhì)吸力也隨之降低。

圖8 體積含水率與基質(zhì)吸力隨時間響應(yīng)Fig.8 Responses of volumetric water content and matric suction with time

如圖9所示,基質(zhì)吸力與孔壓整體也呈“此消彼長”的變化規(guī)律:80 s時KY1達(dá)到峰值1.6 kPa,同時J1也由14.9 kPa開始緩慢降低?；|(zhì)吸力與孔壓此消彼長,土粒間相互作用不斷減弱,在水流沖刷作用下土粒被逐漸剝蝕,因此含水率曲線呈現(xiàn)“陡升陡降”的響應(yīng)規(guī)律。位置2處的含水率、基質(zhì)吸力、孔壓響應(yīng)時間都明顯先于1處,響應(yīng)曲線形態(tài)高度相似,說明侵蝕過程主要為堆積體后端向前端發(fā)育的溯源過程。

對松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下的溯源侵蝕力學(xué)機制進(jìn)行分析。若堆積體飽和深度為h(cm),根據(jù)王彥東等[30]提出的震后崩滑體沖刷啟動判別公式[式(2)],將試驗參數(shù)代入,所得比值為0.53,不滿足啟動條件,說明堆積體不能發(fā)生整體啟動,此時堆積體主要發(fā)生表面沖刷啟動。

(2)

式中:τs為下滑力(kPa);τf為抗滑力(kPa);ρ0為徑流密度,取1.0 g/cm3;g為重力加速度(m/s2);θ為坡度(°);μ0為摩阻流速(m/s)。

τ=γhwJ

(3)

式中:γ為徑流容重(g/cm3);hw為徑流厚度(cm);J為水力比降。

在τ1剪切作用下,表面細(xì)顆粒砂石啟動,發(fā)生面蝕,徑流沖刷至坡體后緣線,坡度驟降,徑流流速陡然加大,局部比降增加,切應(yīng)力增加至τ2。如圖10(a)所示,徑流沿坡體后緣薄弱處發(fā)生局部剪切破壞,被剪切的大顆粒砂石來不及沉積便被高速水流攜卷帶走,形成切溝。如圖10(b)所示,切溝形成陡坎跌水,產(chǎn)生徑流橫向剪切力τ3,致使切溝向溝壁、溝底迅速擴展。

圖10 堆積體沖刷侵蝕破壞過程Fig.10 Process of the erosion damage induced by scouring of the deposit

4.2 堆積體沖刷啟動泥石流與攔擋壩作用機理分析

進(jìn)一步分析泥石流壩后淤積過程中攔擋壩后土水參數(shù)變化規(guī)律,以體積含水率與孔壓傳感器響應(yīng)變化為例進(jìn)行討論。如圖11所示,前120 s,H4劇烈變化,而其他傳感器幾乎無任何變化,說明前期攔擋壩主要受到來自漫頂水流的沖刷作用,水流主要淤積在壩后,此時攔擋壩主要受水壓力作用;由于壩兩側(cè)存在水位差,從而產(chǎn)生滲透壓差,導(dǎo)致水體滲出攔擋壩,H4隨之減小;后續(xù)徑流補水與滲透水實現(xiàn)動態(tài)平衡,H4穩(wěn)定在45%。而120 s后,堆積體已啟動轉(zhuǎn)化為泥石流,KY3最先探測到孔壓值,然后緩慢增加至0.9 kPa;KY4則呈現(xiàn)陡升態(tài)勢,迅速增至1.2 kPa。測得此時壩后泥位約為10 cm,其靜水壓理論值為1 kPa,與實測值相近,表明在攔擋壩自由滲水條件下壩后淤積體的孔壓主要為靜孔壓。

圖11 壩后體積含水率與孔隙水壓力響應(yīng)Fig.11 Responses of the volumetric water content and pore water pressure behind the dam

溝道內(nèi)松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下發(fā)生侵蝕啟動,轉(zhuǎn)化為水石流并沿溝道運動,在受到攔擋壩阻攔后于壩后淤積。為研究泥石流與攔擋壩相互作用機理,如圖12所示,取壩后泥石流任意高度Z處單位長度為li的正六面體微元,進(jìn)行x方向的受力分析。圖中W為微元體受到的重力;F動為上部泥石流的摩擦動力;F阻為下部泥石流的摩擦阻力;F攔為來自攔擋壩的阻力。設(shè)泥石流以流速U沖擊攔擋壩,則攔擋壩等效受到慣性力T,受力方向與運動方向相同,不考慮后部泥石流對其作用力,由微元體x方向受力平衡得:

Wx+T+F動-F阻-F攔=0

(4)

其中,微元體所受重力W在水平方向上的分力下滑力Wx為:

(5)

式中:ρc為泥石流密度(g/cm3);li為微元體長度(cm)。

假設(shè)微元體以速度u沖擊攔擋壩后u迅速降為0,則可視為發(fā)生完全非彈性碰撞[31]。泥石流內(nèi)存在均勻剪切率du/dz,根據(jù)沖量-動量守恒定律:

(6)

式中:Δt為慣性力作用時間(s);Δm為微元體質(zhì)量(kg);α為泥石流沖擊方向與接觸面的夾角(°)。

又因為:

(7)

合并式(6)、(7),得:

(8)

上部泥石流對微元體的摩擦動力:

(9)

式中:H為壩前泥深(cm);Z為微元體位置高度(cm)。

大量研究表明[32-34],泥石流依然滿足摩爾-庫侖強度準(zhǔn)則,因此微元體底部的抗剪強度:

τf=(σ-uw)tanφ′+c′

(10)

式中:σ為總應(yīng)力(kPa);uw為孔隙水壓力(kPa)。

聯(lián)系圖11可知,攔擋壩自由滲水條件下,水石流沖擊攔擋壩時主要為靜孔壓,泥石流體黏聚力一般很小,可忽略不計,因此:

σ=ρsatg(H-Z)cosθ

(11)

uw=ρ0g(H-Z)cosθ

(12)

將式(11)、(12)代入式(10),可得:

τf=(ρsat-ρ0)g(H-Z)cosθ

(13)

因此,下部泥石流的摩擦阻力:

(14)

最后,將式(5)、(8)、(9)、(14)代入平衡方程(4),得:

(15)

(ρsat-ρ0)g(H-Z)cosθtanφ′

(16)

P攔為壩后任意深度處攔擋應(yīng)力,由于泥石流存在底部流速,可設(shè):

(17)

P攔=(H-Z)g[ρcsinθ-(ρsat-ρ0)cosθtanφ′]+

(18)

攔擋壩對泥石流的攔擋力與泥石流對攔擋壩的沖擊力是一對相互作用力,大小相等,方向相反。式(18)右邊第一項為靜力平衡所提供,第二項為動力平衡所提供,因此:

P沖=P攔=P靜+P動

(19)

對P沖沿深度積分,即得壩后泥石流整體沖擊力:

由式(20)可知,泥石流整體沖擊力與壩后孔壓呈反比,與流速的平方呈正比。式(20)是基于顆粒流理論與有效應(yīng)力原理推導(dǎo)得出的壩后整體沖擊力計算公式,彌補了現(xiàn)有計算公式未考慮壩后孔壓的不足,可應(yīng)用于透水式攔擋壩設(shè)計中。然而,它也存在部分局限:(1)以上所有推導(dǎo)過程為x方向的一維計算,其隱含假設(shè)為泥石流在yoz平面內(nèi)均勻分布,而實際上泥石流堆積體在橫向、縱向上并非均勻分布[35-36],因此H取壩后平均淤積高度;(2)顆粒流理論在固液兩相流中適用性較高,而在黏性流體中存在不足[31]。因此式(20)可作為水石流壩后整體沖擊力的初步估算。

5 結(jié)論

汶川地震后我國西部山區(qū)溝道內(nèi)形成了大量由松散堆積體構(gòu)成的堰塞壩,這些堰塞壩在潰決洪水沖刷作用下極易轉(zhuǎn)化為泥石流,從而放大泥石流規(guī)模,對下游攔擋工程破壞性極強。本文基于水槽試驗,分別對松散堆積體啟動和攔擋壩攔擋過程中體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力、振動加速度等相關(guān)參數(shù)的響應(yīng)進(jìn)行分析,并對堆積體沖刷侵蝕啟動機制與攔擋壩所受沖擊力進(jìn)行理論分析,得到以下結(jié)論:

(1) 潰決洪水沖刷作用下,溝道內(nèi)松散堆積體啟動以溯源侵蝕、側(cè)蝕為主。侵蝕過程中,體積含水率先增后減,最終降為0;孔隙水壓力緩慢增長至峰值,而基質(zhì)吸力呈波動下降。泥石流于壩后淤積過程中,體積含水率先增后減,隨后達(dá)到排淤平衡而穩(wěn)定在某一范圍,孔隙水壓力達(dá)到峰值后緩慢下降,且峰值孔壓約為最大靜水壓力。

(2) 攔擋壩攔淤過程中出現(xiàn)兩次沖擊峰值,第一次主要為大顆粒直接沖擊攔擋壩,沖擊力最大,振動加速度為1.29 m/s2;第二次為固液混合流沖擊,沖擊力較大,振動加速度為1.22 m/s2,同時泥位達(dá)到峰值95 mm。

(3) 泥石流對攔擋壩的沖擊力由靜、動沖擊力兩部分組成,靜沖擊力與壩后孔壓呈正比,動沖擊力與流速的平方呈正比。