泥石流窗口壩調(diào)節(jié)泥砂粒徑試驗(yàn)研究

趙彥波，游 勇，柳金峰，林雪平，劉曙亮

（1．中國(guó)科學(xué)院a．山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)試驗(yàn)室；b．水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

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泥石流窗口壩調(diào)節(jié)泥砂粒徑試驗(yàn)研究

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

（1．中國(guó)科學(xué)院a．山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)試驗(yàn)室；b．水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

摘 要：窗口壩是常用泥石流攔擋壩之一，其泥砂粒徑調(diào)節(jié)能力是窗口壩設(shè)計(jì)的主要考慮因素，也是目前急需解決的基本問題。通過試驗(yàn)對(duì)窗口壩攔截不同性質(zhì)泥石流的泥砂粒徑調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了探討，初步研究結(jié)果表明：窗口壩具有一定攔粗排細(xì)功能，攔粗排細(xì)效果對(duì)黏性泥石流最差；提出了臨界粒徑的概念并給出了臨界粒徑變化范圍；臨界粒徑的大小與變化范圍受泥石流性質(zhì)和窗口壩閉塞類型（全閉塞、部分閉塞、不閉塞）的影響；就同一壩而言，攔截泥砂的臨界粒徑隨泥石流密度增加而增大。

關(guān)鍵詞：窗口壩；泥石流；粒徑調(diào)節(jié)；閉塞類型；臨界粒徑

1 研究背景

泥石流是一種常見的山區(qū)自然災(zāi)害，常常沖毀建筑物、構(gòu)筑物、道路、航道、農(nóng)田等，給人民生命和財(cái)產(chǎn)造成損失。隨著人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)向山區(qū)逐步延伸和自然環(huán)境趨于惡化，加之全球氣候變化引起的極端天氣增多，泥石流發(fā)生的范圍和頻率正在逐年增大，由之帶來的危害也更加嚴(yán)重［1－2］。為了減輕泥石流災(zāi)害，人類設(shè)計(jì)出了各種形式的泥石流攔砂壩，主要用于攔粗排細(xì)、調(diào)節(jié)流量、護(hù)床固坡、減輕溝道侵蝕等［3－4］。其中窗口壩作為一種透水型攔砂壩，在實(shí)際工程中已有廣泛應(yīng)用，如20世紀(jì)80年代云南東川大橋河修建的窗口壩［5］。窗口壩是在實(shí)體壩上開一些孔口，用于透水輸砂，其開口尺寸大于篩子壩、高寬比小于傳統(tǒng)縫隙壩，是一種界于篩子壩與縫隙壩之間的壩型。

透水型攔砂壩可利用壩體孔口調(diào)節(jié)泥砂粒徑，攔粗排細(xì)［6－8］，高效利用有限庫(kù)容。賈世濤等［9－10］分析了不同性質(zhì)泥石流過攔砂壩前后其組成顆粒的變化情況，將壩前后顆粒的D50（D50代表泥石流組成顆粒的中值粒徑）比值作為表征攔沙壩分選能力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)空庫(kù)過流時(shí)，攔砂壩具有攔粗排細(xì)功能；韓文兵［11］發(fā)現(xiàn)縫隙壩及切口壩攔截一般型泥石流時(shí)壩體發(fā)揮了良好的篩分效果，有效攔截了泥石流中的粗顆粒。然而對(duì)窗口壩泥砂粒徑調(diào)節(jié)功能還鮮有研究，透水型壩體“攔粗排細(xì)”功能的“粗”和“細(xì)”的界限始終沒見諸文獻(xiàn)，“粗”和“細(xì)”只是相對(duì)概念性的，難用于工程精確設(shè)計(jì)。為此，本文通過大量試驗(yàn)，以期獲得窗口壩泥石流粒徑調(diào)節(jié)功能及攔粗排細(xì)效果的定量描述。

2 試驗(yàn)概況

窗口壩的泥砂粒徑調(diào)節(jié)功能與泥石流固體物質(zhì)級(jí)配、溝床坡度、壩體開口寬度、開口面積等因素有關(guān)，影響因素復(fù)雜。試驗(yàn)通過采用高家溝溝床坡度、泥石流固體顆粒級(jí)配及其曾發(fā)生泥石流的密度，分析不同性質(zhì)泥石流、不同閉塞類型的窗口壩泥砂調(diào)節(jié)功能。

2．1 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料為高家溝泥石流堆積原樣。高家溝位于都汶公路羅圈灣大橋?qū)Π?，主溝流通區(qū)縱比降約184‰。自汶川地震后，高家溝及其支溝年年暴發(fā)泥石流，泥石流密度介于1．5～2．07 t／m3之間［12］。

為滿足試驗(yàn)?zāi)嗍髋c原型流體的物理學(xué)特征相同［13］，試驗(yàn)選用泥石流密度也在1．5～2．07t／m3之間，確定為1．5 t／m3，1．8 t／m3，2．0 t／m3，對(duì)應(yīng)稀性、過渡性和黏性泥石流。試驗(yàn)物料最大粒徑確定為20 mm，平均粒徑d50＝1．82 mm，不均勻系數(shù)Cu＝225，曲率系數(shù)Cc＝0．44，物料顆粒級(jí)配如圖1。

圖1　試驗(yàn)物料顆粒級(jí)配Fig．1 Gradation of sediment size used in the experiment

2．2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)備裝置

2．2．1 窗口壩模型

窗口壩模型設(shè)計(jì)結(jié)合了實(shí)際窗口壩設(shè)計(jì)和試驗(yàn)槽基本情況，模型設(shè)計(jì)寬20 cm，高16 cm，有效壩高13 cm，壩頂寬3 cm，溢流口以下壩前坡比1∶0．6，壩后坡比1∶0．05，溢流口為梯形，壩體開口底面坡度為3°，模型用混凝土材料制作，詳見圖2。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同開口寬度、開口高度和開口面積的窗口壩17座，以期對(duì)應(yīng)全閉塞、部分閉塞及不閉塞3種閉塞形態(tài)，詳細(xì)尺寸列于表1。

圖2　窗口壩模型Fig．2 Sketch of a typical window－frame dam

表1　窗口壩模型尺寸Table 1 Size of window?frame dam models

2．2．2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備主要包括支架、料斗、試驗(yàn)槽和尾料收集裝置4部分，詳見圖3。料斗長(zhǎng)50 cm，寬20 cm，高70 cm，料斗下方前側(cè)開口，由閘門開關(guān)控制泥石流流量；試驗(yàn)槽全長(zhǎng)200 cm、寬20 cm（試驗(yàn)槽寬度大于試驗(yàn)物料最大粒徑的5倍，滿足模型寬度要求［13］）、高30 cm，可調(diào)0°～25°傾角。試驗(yàn)槽坡度固定為9°，這大致相當(dāng)于高家溝流通區(qū)溝床縱比降。也即滿足模型試驗(yàn)溝道坡度相似條件［13］。

圖3　試驗(yàn)水槽示意圖Fig．3 Sketch of the test flume

2．3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)共51組，每組重復(fù)試驗(yàn)1次，詳見表2。每次試驗(yàn)完成后分別取攔截泥砂和壩后泥砂試樣，進(jìn)行顆分試驗(yàn)。顆分結(jié)果取2次試驗(yàn)平均值。

表2　窗口壩試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Related parameters of the experiment

2．4 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如下：

（1）調(diào)節(jié)試驗(yàn)槽坡度至設(shè)計(jì)坡度9°。

（2）在試驗(yàn)槽末端安裝窗口壩模型。

（3）配置60 L試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大密度泥石流，架設(shè)攝像機(jī)等試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器。

（4）將配置好的泥石流注入料斗，攪拌泥石流直至泥石流顆粒分布均勻，打開閥門至預(yù)定高度放出泥石流。

（5）關(guān)閉攝像機(jī)，然后照相記錄試驗(yàn)情況，取壩前后泥石流顆粒試樣，做好標(biāo)記并風(fēng)干，再次重復(fù)試驗(yàn)。

（6）更換窗口壩模型，不變泥石流密度，重復(fù)步驟4和步驟5。

（7）待本密度、坡度條件下所有窗口壩模型試驗(yàn)完成后，改變泥石流密度。重復(fù)步驟2至步驟6，直至試驗(yàn)結(jié)束。

（8）及時(shí)完成風(fēng)干試樣的顆分試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

窗口壩攔截泥石流，對(duì)泥石流中固體物質(zhì)顆粒進(jìn)行分選，最大限度地?cái)r截粗顆粒物質(zhì)，充分利用有限的庫(kù)容是最理想的設(shè)計(jì)原則。為了評(píng)價(jià)窗口壩攔粗排細(xì)的效果，本研究對(duì)壩體攔截（壩前）泥砂和過壩（壩后）泥砂的顆粒粒徑進(jìn)行分析比較，并評(píng)價(jià)窗口壩對(duì)泥石流顆粒粒徑的調(diào)節(jié)功能。

3．1 攔粗排細(xì)效果概況

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)窗口壩調(diào)節(jié)泥砂粒徑效果與泥石流密度和窗口壩開口緊密相關(guān)。但無(wú)論窗口壩閉塞與否，壩體均可對(duì)1．5，1．8，2．0 t／m33種密度泥石流起到一定攔粗排細(xì)效果，其效果依壩體和泥石流密度而異，詳見圖4，這可能是由于窗口壩的阻擋，降低了泥石流的流速，改變了泥石流的流態(tài)，致使“粗”的顆粒留在壩內(nèi)，“細(xì)”的顆粒流到壩外。同一壩體，窗口壩攔粗排細(xì)效果以黏性泥石流最差，這可能是因?yàn)轲ば阅嗍鬏^為黏稠，整體性較好，內(nèi)部分層不明顯。當(dāng)開口較大時(shí)，部分壩體攔截1．5 t／m3和1．8 t／m3泥石流會(huì)出現(xiàn)壩前大顆粒（＞10 mm）百分含量小于壩后的情況。

圖4　泥石流壩前壩后顆粒分布情況Fig．4 Sediment size distribution in front of and behind window?frame dams

3．2 臨界粒徑

(3)Al2O3:1～3質(zhì)量及分子14.71、144,15.82、150,13.82、135；4～6質(zhì)量及分子18.99、186,14.07、183,15.66、156；7～8質(zhì)量及分子17.07、168,11.31、111；

為了比較窗口壩攔截泥砂和壩后泥砂的顆粒分布差異，將壩后泥砂小于某一粒徑顆粒的累積百分含量值與壩前攔截泥砂同樣小于該粒徑顆粒累積百分含量值做差，得到壩前后大于該粒徑顆粒累積百分含量差。該值為正值，表示窗口壩起到攔粗排細(xì)的作用，為負(fù)值則表示窗口壩沒起到攔粗排細(xì)作用。將各級(jí)粒徑累積百分含量差連成曲線，可清楚了解壩前后大于某一粒徑顆粒累計(jì)百分含量變化。將該圖命名為壩前后泥砂顆粒累積百分含量差曲線圖，見圖5。中顆粒粒徑1 mm對(duì)應(yīng)的值為36．6%，表示壩前＞1 mm顆粒的百分含量比壩后＞1 mm顆粒的百分含量多36．6%，說明窗口壩起到了攔粗排細(xì)的作用。

圖5　1號(hào)壩攔截1．5 t／m3泥石流壩前后泥砂顆粒累積百分含量差Fig．5 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind No．1 dam when the debris flow density is 1．5 t／m3

分析發(fā)現(xiàn)壩前后泥砂顆粒累積百分含量差曲線圖通常為拋物線形狀，拋物線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)值表示窗口壩主要攔截大于該粒徑以上的顆粒。將該頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粒徑定義為臨界粒徑。窗口壩“攔粗排細(xì)”功能中所指的“粗”主要是大于臨界粒徑的顆粒，所指的“細(xì)”主要是小于該臨界粒徑的顆粒。如圖5的臨界粒徑為1．2 mm。分析臨界粒徑發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律：

（1）臨界粒徑的大小與變化范圍受泥石流性質(zhì)和窗口壩的閉塞類型（全閉塞、部分閉塞、不閉塞）的影響。

（2）同一壩體，臨界粒徑有隨泥石流密度增大而增大的趨勢(shì)。如圖6中的1號(hào)窗口壩，當(dāng)1．5 t／m3泥石流臨界粒徑為1．2 mm（d45），1．8 t／m3的為2．0 mm（d50），2．0 t／m3的為5 mm（d60）。從“攔粗”量所占泥石流固體顆粒的百分比來說，開口壩體攔粗排細(xì)功能要優(yōu)于實(shí)體壩。

（3）不同閉塞類型窗口壩攔截同種泥石流（黏性泥石流除外），壩體攔粗排細(xì)對(duì)應(yīng)的臨界粒徑幾乎相同，見圖6。閉塞型窗口壩攔截1．5 t／m3泥石流的臨界粒徑為1．2 mm，相當(dāng)于物料累積小于某一百分含量顆分曲線的d45；攔截1．8 t／m3泥石流的臨界粒徑為2．0 mm，相當(dāng)于物料累積小于某一百分含量顆分曲線的d50；攔截2．0 t／m3泥石流的臨界粒徑在5～8 mm之間，相當(dāng)于物料累積小于某一百分含量顆分曲線的d60至d70。

圖6　閉塞型壩攔截泥石流壩前后泥砂顆粒累積百分含量差Fig．6 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind total?blocked dams

（4）不同的部分閉塞類型窗口壩攔截同種泥石流，壩體攔粗排細(xì)對(duì)應(yīng)的臨界粒徑有所不同，詳見圖7。壩體攔截密度1．5 t／m3泥石流臨界粒徑介于1．2～1．5 mm（d45至d48）之間；攔截密度1．8 t／m3泥石流臨界粒在5～8 mm（d60至d70）之間；攔截密度2．0 t／m3臨界粒徑為5 mm（d60）。

圖7　部分閉塞型壩攔截泥石流壩前后泥砂顆粒累積百分含量差Fig．7 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind partial?blocked dams

圖8　不閉塞型壩攔截泥石流壩前后泥砂顆粒累積百分含量差Fig．8 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind opening type dams

4 試驗(yàn)結(jié)論

本文通過水槽試驗(yàn)，探究了窗口壩泥砂粒徑調(diào)節(jié)功能。得到以下結(jié)論：

（1）窗口壩均有一定攔粗排細(xì)功能，攔粗排細(xì)效果對(duì)黏性泥石流最差。

（2）臨界粒徑的大小與變化范圍受泥石流性質(zhì)和窗口壩的閉塞類型的影響。

（3）同一窗口壩攔截泥砂的臨界粒徑隨泥石流密度增加而增大。

（4）各閉塞型窗口壩攔截同種泥石流（黏性泥石流除外）的臨界粒徑幾乎相同，而不閉塞或部分閉塞型窗口壩攔截同種泥石流的臨界粒徑有所不同。

由于試驗(yàn)次數(shù)有限，沒有給出開口與臨界粒徑的定量關(guān)系，其有待深入研究進(jìn)一步展開。

致謝：在試驗(yàn)及分析過程中，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、陳順理等老師的大力幫助，在此一并致謝！

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：王 慰）

Experimental Study on the Function of Window?Frame Dam in Changing Sediment Size Distribution for Debris Flow Prevention

ZHAO Yan?bo1，2，3，YOU Yong1，2，LIU Jin?feng1，2，LIN Xue?ping1，2，3，LIU Shu?liang1，2，3
（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．College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：Window?frame dam is a common measure in debris flow prevention engineering．The function of changing sediment size distribution is one of the main factors in the design of window?frame dam，and is also an urgent issue to be solved．In order to improve the design methods，we conduct a series of experiments to research the function of changing sediment size distribution of window?frame dam．Results show that 1）window?frame dam has a function of trapping coarse sand and discharging fine sand，and this function has a worst performance for viscous debris flow compared with trapping sub?viscous and intermediate debris flow；2）we put forward the concept of critical particle size for the first time and give a variation range of critical particle；3）the critical particle size and its variation range were affected by the density of debris flow and the type of window?frame dam（totally blocked，partially blocked，and open dams）；4）the critical particle size increases with the increase of density of debris flow for the same window?frame dam．

Key words：window?frame dam；debris flows；change of sediment size distribution；blocked type；critical particle size

通訊作者：游 勇（1964－），男，四川樂山人，研究員，主要從事山地災(zāi)害試驗(yàn)與防治工程研究，（電話）028－85232541（電子信箱）yyong＠imde．a(chǎn)c．cn。

作者簡(jiǎn)介：趙彥波（1987－），男，河北平山人，碩士研究生，主要從事山地災(zāi)害試驗(yàn)與防治工程研究，（電話）15081698763（電子信箱）ybzcas＠yeah．net。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC06B02）；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KZZDEW050104）

收稿日期：2014－10－30；修回日期：2014－12－09

中圖分類號(hào)：P642．23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0009－05