泥石流V型排導槽防淤設計方法及其應用研究*

韓征，徐林榮，蘇志滿，陳舒陽

(1．中南大學土木工程學院，湖南長沙410004;2．中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所，四川成都610041)

0 引言

排導槽是泥石流治理中的一項重要工程措施，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，進而保護堆積區(qū)的建筑設施、居民及農田等不遭受泥石流威脅和危害［1］。以往所設計施工的泥石流排導工程基本是按照挾沙水流排洪道的設計，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，泥石流排導中的高濃度輸移和累積性淤特點，使得排導槽的設計與一般洪水或一般挾沙水流排洪道的設計有所不同［2］，需要考慮排導槽的防淤積問題。

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槽，簡稱東川槽，但由于淤積問題嚴重［5］，嚴重影響了排導槽的防治效果。鑒于此，西昌鐵路分局于1977年采用了圓形底排導槽，王繼康等人也在1996年提出了V型排導槽［6］80－85，該類排導槽特點［6］93－102是窄、深、尖，兩個槽底斜面形成一個不透水的下墊面，使進入排導槽的泥石流密度保持不變，利用水動力增大水深，重組動力束流，減小阻力，加大流速，在防淤方面取得了一定的成效。

針對排導槽的淤積問題，國內外有學者開展了相關研究，如王繼康［6］105－106認為V型排導槽槽寬不得小于2.5倍最大石塊直徑，以避免堵塞漫流危害。日本學者池谷浩找出了相應的計算公式B=aQb，認為沖刷槽寬與流量成正比關系，并以此確定了排導槽的最小槽寬。游勇［2］則通過試驗研究確定了泥石流排導槽不淤坡度。但近年來，泥石流淤埋排導槽的現(xiàn)象仍時有發(fā)生。

本文通過基于以往研究成果，提出了一套泥石流排導槽淤積驗算的方法，并以四川省雅瀘高速公路沿線某溝V型排導槽為背景，進行實例分析，擬在為排導槽工程設計提供可靠依據(jù)。

1 排導槽淤堵原因分析

排導槽為泥石流運動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阻力相等，則泥石流在槽內能順暢流動，否則泥石流在排導槽內大量落淤，嚴重影響排導槽的正常運行。

排導槽發(fā)生淤埋主要有以下兩方面原因:①由于排導槽槽寬尺寸與設計泥深的不足，導致泥石流流體中的大粒徑顆粒無法順利通過排導槽，進而堵塞了過流斷面，發(fā)生連鎖停淤，淤堵排導槽;②由于排導槽內設計流速偏小，使進入排導槽的泥石流在槽內發(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，圍繞排導槽槽體凈寬、槽內設計泥深與設計流速三個主要指標，對排導槽發(fā)生淤積情況進行驗算。

圖1 排導槽淤埋原因

2 排導槽防淤設計方法

2.1 排導槽槽體凈寬驗算公式

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河槽。河床的自然流寬與流量成正相關關系［1］，據(jù)此可提出槽體凈寬驗算公式。

(1)排導槽底寬

王繼康槽底寬公式［6］105－106:

池谷浩、張開平槽底寬公式［1］:

聯(lián)立可得:

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

(2)排導槽頂寬

池谷浩、張開平槽體頂寬公式［1］:

式中:Bf為排導槽橫斷面頂部寬度(m);Qp為泥石流設計流量(m3/s)。

2.2 排導槽深度驗算公式

已知設計流量Qp，因為泥石流在排導槽內處在沖淤平衡的狀態(tài)，根據(jù)形態(tài)斷面法:

式中:Qc為排導槽設計流量(m3/s);Vc為泥石流排導槽內流速(m/s);Ac為排導槽內泥石流過流面積(m2);γH為固體物質重度(g/cm3);Hc為計算斷面的平均泥深(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)反求出排導槽槽內的設計泥深Hc:

泥深需滿足［8］:

2.3 排導槽內流速驗算公式

排導槽修建后，改變了溝道條件，增大了糙率系數(shù)，能夠提高槽內泥石流漿體的運行速度，達到加速排導的目的。但V型槽的寬度設計若過寬，則會導致泥深淺，可能造成泥石流在槽內淤積。因此，必須對排導槽內的泥石流流速進行驗算，使泥石流槽內流速大于溝道內的流速，避免淤積現(xiàn)象的發(fā)生。

式中:Vc為泥石流排導槽內流速(m/s);V1為泥石流溝道中平均流速(m/s)。二者均采用式(7)進行計算。

2.4 排導槽防淤設計方法

基于上述對排導槽槽寬、槽內泥深及流速情況的驗算公式，可以確定一系列排導槽防淤積的條件公式，進而可以建立一套排導槽防淤積的設計驗算方法，該方法流程圖如圖2所示。

圖2 泥石流排導槽防淤設計驗算方法流程

3 工程實例

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1.6 km，流域相對高差400 m，主溝道平均縱比降較大，達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(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、溝道兩側的松散坡積物以及溝床物質，經(jīng)過實地勘察，在流域中游有一堆積物臺地，臺地左側已經(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入主溝道，隨流水一起形成泥石流。

該溝具體參數(shù)調查情況如表1所示。

(2)原排導槽設計

該溝V型排導槽采用的是側墻加防沖肋板即分離式結構，槽內深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。流域內最大石塊粒徑為1.5 m×1.4 m×1.0 m，排導槽對應的糙率系數(shù)11，設計流量為58.13 m3/s。

圖5 原方案排導槽橫斷面設計圖

表1 某溝泥石流相關參數(shù)調查表

3.2 排導槽淤積驗算

(1)槽寬驗算

由式(1)～式(3)可得:

表明原排導槽斷面設計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槽影響排淤效果。

(2)排導槽深度驗算

通過原排導槽的斷面形態(tài)及尺寸，可得出槽內泥石流泥深Hc=1.282 m＜1.2Dmax=1.8 m，說明泥石流不能有效地攜帶大石塊，從而造成泥石流在排導槽內發(fā)生堵塞，進而降低流速，而使泥石流在排導槽內進一步淤積。

(3)排導槽內流速驗算

泥石流排導槽內泥石流流速及溝道中泥石流的平均流速的相關計算參數(shù)如表2所示?？梢钥闯觯捎谂艑Р蹆饶嗍髂嗌钶^淺，導致泥石流排導槽內流速相比溝道中的平均流速反而小，即Vc＜Vl，所以泥石流在排導槽內會產生淤積。

表2 泥石流流速計算參數(shù)

(4)淤積判別

綜上所述，原排導槽設計寬度偏大，雖然能夠滿足最大徑粒石塊的通行，但由于排導槽內泥深較淺，槽體泥石流流速偏慢，運行的泥石流漿體不能有效地攜帶大石塊，從而造成泥石流在排導槽內發(fā)生堵塞，進一步發(fā)展并將導致排導槽淤積。

事實證明，2008年9月17日，該溝在連續(xù)暴雨5～6 h后，泥石流暴發(fā)，導致在建的排導槽遭到淤埋，泥石流堆積體基本淤滿排導槽，并沖過排導槽出口，排導槽個別區(qū)段的堆積體高過墻頂標高，甚至漫過排導槽側墻。除此之外，排導槽外側及出口下方區(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槽

3.3 設計修改

針對原設計方案中排導槽的設計寬度較大，橫坡較小，導致槽內流速減慢的問題，采用本文所提出的排導槽淤積驗算流程圖，確定了排導槽的不淤槽寬，并在設計變更中將下口寬改為6.5 m，橫坡改為30%(圖7)。該強化排導方案以原修建好泥石流排導槽為基礎，將變更后新增的橫斷面設在原有排導槽的底部，形成復式V型排導槽(圖8)。

經(jīng)式3～式11計算，設計變更后的排導槽槽內設計泥深為2.04 m(大于1.2Dmax=1.8 m)，不影響大石塊的排導;泥石流流速為5.50 m/s(大于流通平均流速4.12 m/s)，不會在槽內發(fā)生大量淤積;磨蝕速度增大為6.5×10－7m/s，鋪設的卵石混凝土厚50 cm，可被百年一遇的泥石流積累沖刷214 h;側墻的力學性質經(jīng)驗算也是合格的。

圖7 變更后的排導槽斷面設計圖

圖8 2010年重新施工后的排導槽

3.4 工程實施效果

2011年6月16 日20:00開始，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時段的降雨量達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)。從災后現(xiàn)場調查結果來看，該溝泥石流變更設計后的排導槽內并未發(fā)生2008年9月災害發(fā)生時的淤積現(xiàn)象，溝中產生的泥石流全部被排入安寧河內，排導槽排導能力經(jīng)受住了工程實際的檢驗，說明了該方法實施效果良好(圖9)。

圖9 2011年6月16日災后排導槽內無淤積

4 結論

①提出了排導槽防淤設計驗算方法，基于排導槽槽寬驗算、槽內泥深驗算及槽內流速驗算三方面計算對泥石流淤埋排導槽的可能性做出了定量分析，進而提出排導槽的不淤槽寬尺寸。

②以在建的雅(安)瀘(沽)高速公路沿線某溝為研究對象，采用本文提出的排導槽淤積驗算方法，對原設計的槽寬、槽內泥深及流速等進行了計算，在此基礎上預測泥石流會在原設計排導槽內淤積。該溝2008年9月17日暴發(fā)泥石流，淤滿了剛修建好的排導槽，驗證本方法預測的準確性。

③基于提出的排導槽防淤設計驗算方法，對該溝排導槽原設計進行了修正，將排導槽下口寬改為6.5 m，橫坡改為30%，設計變更后排導槽排導能力得到了提高，并經(jīng)受了2011年6月16日特大暴雨產生的泥石流的考驗，方法可供相關研究和設計參考。

［1］張開平．泥石流排導槽及其優(yōu)化設計研究［J］．中國地質災害與防治學報，1997，8(4):73－77．

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

［3］張紅兵，周道銀．泥石流V型排導槽防治理論及應用研究［J］．中國地質災害與防治學報，2006，17(3):1－4．

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

［5］唐邦興.中國泥石流［M］．北京:商務印書館出版社，2000:227．

［6］王繼康.泥石流防治工程技術［M］．北京:中國鐵道出版社，1996.