白龍江甘家溝泥石流過壩堆積物力學(xué)性能分析

袁 東，柳金峰，游 勇，劉道川，孫 昊，張 莉

（1.中國科學(xué)院a.山地災(zāi)害與地表過程重點試驗室；b.水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

1 研究背景

白龍江流域是我國泥石流危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，泥石流的頻發(fā)給當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，例如舟曲縣三眼峪和羅家峪泥石流溝，盡管多次治理，2010年8月8日仍暴發(fā)了特大泥石流災(zāi)害，致使三眼峪溝內(nèi)9座攔砂壩被不同程度摧毀，沿河房屋被沖毀，阻斷白龍江形成堰塞湖，三眼峪和羅家峪泥石流災(zāi)害共造成264人失蹤、1 501人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億元以上，是新中國成立以來最嚴(yán)重的一次泥石流災(zāi)害［1－3］。在此次災(zāi)害中，泥石流溝內(nèi)已經(jīng)修建攔砂壩工程，但是防治工程并沒有抵擋住泥石流的破壞，造成了嚴(yán)重的損失與危害。

白龍江流域大部分泥石流溝內(nèi)都修建有攔砂壩工程，但存在治理效果不佳、甚至部分工程失效的狀況，突出表現(xiàn)為攔砂壩設(shè)計庫容不足、壩體受損等問題。而泥石流的顆粒分布情況決定著泥石流的活動情況［4］，泥石流的運動過程在野外很難被直接觀察到，因而研究泥石流堆積物的顆粒級配情況，是研究其活動特征與其他性質(zhì)的基礎(chǔ)［5］。流變性質(zhì)與泥石流的動力特征密切相關(guān)，能反映流體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)性質(zhì)，關(guān)系著其沖擊力、流量、流速等動力參數(shù)的計算；泥石流運動過程中流體特性的變化，表現(xiàn)出不同的沖淤情況［6－7］。泥石流堆積物的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是泥石流防治工程設(shè)計中的重要參數(shù)［8］，其所研究的強(qiáng)度特征可為研究泥石流再啟動機(jī)理及侵蝕作用提供理論基礎(chǔ)。

胡正紅等［7］研究了泥石流漿體流變特性的影響因素；張軍等［8］進(jìn)行了蔣家溝泥石流堆積體的抗剪強(qiáng)度試驗；黃江成等［9］通過對比云南小江流域和甘肅白龍江流域典型土，分析了泥石流漿體流變特性及其影響因素；方華［10］研究了文家溝泥石流源地土抗剪強(qiáng)度特征；謝凱等［11］進(jìn)行了河南欒川縣泥石流源地土大直剪試驗；王碩楠等［12］進(jìn)行了柿樹泥石流物源體直剪強(qiáng)度試驗。這些試驗土樣都是取自泥石流物源地土，目前，研究壩上游（以下簡稱“壩上”）、壩下游（以下簡稱“壩下”）堆積物力學(xué)性質(zhì)的試驗數(shù)據(jù)較少，對于泥石流壩上、壩下堆積物的強(qiáng)度特性的對比分析，未見相關(guān)研究。目前的理論實踐與試驗都表明，攔砂壩的攔蓄作用對于大部分泥石流重度、性質(zhì)具有一定影響［13］。本次試驗通過研究泥石流過壩前后堆積物的顆粒級配變化情況，研究攔砂壩對于泥石流顆粒的調(diào)節(jié)作用，對比分析其漿體流變特性與抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)的差異，并通過其力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，反映攔砂壩調(diào)節(jié)作用對于泥石流性質(zhì)的影響。

2 自然環(huán)境概況

2.1 流域概況

甘家溝位于甘肅省隴南市武都區(qū)漢王鎮(zhèn)甘家溝村，系白龍江左岸的一級支溝。甘家溝流域面積為43.03 km2，主溝長度為11.50 km，溝道縱比降8.6%，溝口高程為980 m，最高海拔為2 310 m，相對高差1 330 m。甘家溝曾暴發(fā)過多次泥石流，以1933年最大，其次為1984年，危害程度不亞于云南蔣家溝，自20世紀(jì)50年代起先后治理過3次，效果不佳；20世紀(jì)80年代以來，災(zāi)害加劇，1984年8月3日，大暴雨產(chǎn)生嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，新造溝床深度達(dá)3～5 m，城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村遭受嚴(yán)重災(zāi)害；后于1992年對甘家溝進(jìn)行了全面的勘查、治理工作［14－15］。

2016年7月25日甘家溝由于突發(fā)降雨，溝內(nèi)發(fā)生大洪水，水位高約2 m，持續(xù)2～3 h，2＃壩與3＃壩之間的鄉(xiāng)村道路被沖毀約500 m。2016年溝內(nèi)未發(fā)生過泥石流災(zāi)害，2015年發(fā)生過一次大洪水，最近一次大規(guī)模泥石流災(zāi)害發(fā)生于1984年。

甘家溝泥石流危害嚴(yán)重，除威脅甘家溝村316戶1 260人的安全外，還直接影響溝口漢王鎮(zhèn)數(shù)千人生命財產(chǎn)安全，其溝口為G75蘭海高速和212國道的交叉口，為重要的交通干線。

2.2 地貌環(huán)境

甘家溝地處隴南山地中部，受南秦嶺高中山侵蝕、風(fēng)化和構(gòu)造活動的強(qiáng)烈作用，第四系沉積物較為豐富。坐標(biāo)為 105°00′59.88″E，33°22′16.30″N，甘家溝流域海拔主要集中分布在1 400～2 000 m范圍內(nèi)，占總面積的67.98%，其中海拔≥1 600 m的面積占總面積的72.25%。山坡坡度為［25°，35°）的陡坡地及≥35°的急陡坡地面積之和為33.13 km2，占流域總面積的77%。甘家溝流域高程分級及山坡坡度分級見表1和表2。

表1 甘家溝流域高程分級Table1 Classification according to elevation in Ganjia gully

2.3 地 質(zhì)

甘家溝所處區(qū)域在大地構(gòu)造上屬于西秦嶺—柴達(dá)木單元次級單元西傾山—迭山逆沖褶斷帶，中小斷裂十分發(fā)育。次級構(gòu)造復(fù)雜多變，由一系列向南突出的弧形斷裂和復(fù)合式背斜組成，特別是新構(gòu)造劇烈運動，形成了目前不良的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀。甘家溝座落在志留系地層之上，發(fā)育有巨厚的炭質(zhì)千枚巖、夾薄層砂巖、灰綠色千枚巖、灰?guī)r、板巖。受區(qū)域構(gòu)造影響，這種相對較軟弱的巖性使得節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化、破碎較嚴(yán)重。第四系沉積豐富多樣，松散易動，是泥石流的主要物源。

表2 甘家溝流域坡度分級Table2 Classification according to slope gradient in Ganjia gully

2.4 氣 候

該流域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受高山深谷地形影響，氣候垂直帶差異明顯，降雨隨海拔增高呈上升趨勢。該區(qū)域具有冬春干燥、夏季缺雨、秋季多雨、易洪易澇等特點。年平均降水量為487.2 mm，降雨集中在5—9月份，占全年降雨量75%～85%。最大降雨量為689.3 mm，出現(xiàn)在1984年；最小降雨量為270.5 mm，出現(xiàn)在1997年。該區(qū)降水偏少，但暴雨較多，大雨發(fā)生在 5—9月份，日降水量25.0～50.0 mm，歷年平均2～3次；暴雨發(fā)生在7—8月份，日降水量＞75.0 mm，每10 a平均2～3次；連續(xù)1日最大降雨量90.5 mm，1 h最大降雨量40.0 mm，10 min最大降雨量16.2 mm［16］。由于該流域溝谷縱橫、降雨集中、暴雨多等特點，為泥石流的形成提供了足夠的水動力條件和充沛的水源。

3 泥石流防治工程現(xiàn)狀及效果分析

3.1 攔砂壩運行現(xiàn)狀

通過野外實地調(diào)查，甘家溝泥石流防治工程主要為攔砂壩＋排導(dǎo)槽（圖1）。攔砂壩修建于1998年前后，主要為漿砌石實體重力壩，沿溝道向上游方向存在大量的坡積物與溝道堆積物（圖2），為泥石流的形成提供了豐富的松散固體物源。

選取主溝典型壩體分析（見表3、表4），共3座攔砂壩。

根據(jù)野外實地測量壩體尺寸參數(shù)，按照三角楔體計算攔砂壩庫容［13］，即

式中：V為攔砂壩庫容；h為攔砂壩凈高；l為回淤長度；b為平均溝寬；i為溝床原始縱坡；ik為回淤縱坡。

圖1 甘家溝泥石流防治工程Fig.1 Photos of engineering mitigation works in Ganjia gully

圖2 甘家溝溝道松散固體物源Fig.2 Photos of loose solid materials in Ganjia gully

表3 甘家溝攔砂壩設(shè)計庫容及淤積情況Table3 Statistics of design capacity and siltation of dam in Ganjia gully

表4 甘家溝防治工程運行現(xiàn)狀Table4 Operation status of engineering mitigation works in Ganjia gully

3.2 攔砂壩運行效果分析

3.2.1 攔砂壩對泥石流粒徑的調(diào)節(jié)作用

為研究現(xiàn)有攔砂壩工程對泥石流顆粒的調(diào)節(jié)作用，本次試驗共取6件土樣，取樣地點為甘家溝主溝道，取自 1＃，2＃，3＃攔砂壩壩上、壩下 10 m范圍內(nèi)泥石流堆積物淤積區(qū)。取樣時將堆積物表面覆蓋層去除，取下部未經(jīng)擾動的泥石流堆積物，并使用60 mm的鋼篩剔除大顆粒礫石，保留粒徑＜60 mm的樣品作為試驗?zāi)嗍魍翗?。顆粒最大粒徑為60 mm，將試驗土樣進(jìn)行顆粒級配分析，得到級配曲線如圖3所示。

圖3 顆粒級配累積曲線Fig.3 Curves of grain size distribution

顆分試驗中，土樣粒徑范圍為0.001～60 mm，對于＞0.075 mm的粗顆粒使用SZS型三維振篩機(jī)進(jìn)行篩分，＜0.075 mm的細(xì)顆粒使用Mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行測量。對1＃，2＃，3＃壩上下游堆積物樣品進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 甘家溝泥石流堆積物不同顆粒質(zhì)量百分比Table5 Mass percentages of particles of different grain sizes of debris flow deposits in Ganjia gully

由表5可知，所取泥石流堆積物主要以礫石含量為主，黏粒含量較少，均＜1%。對比攔砂壩壩上、壩下堆積物不同顆粒百分含量發(fā)現(xiàn)，基本呈現(xiàn)礫石百分含量減小，砂、黏粒百分含量增大的趨勢，說明大顆粒有被攔截效果，而3＃壩出現(xiàn)壩上堆積物黏粒百分含量大于壩下堆積物現(xiàn)象，可能受3＃壩體溢流口被沖毀影響，較大顆粒直接過流，導(dǎo)致相同體積下，壩下黏粒百分含量小于壩上。同時，現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，1＃，2＃，3＃壩均有流水通過，水流沖刷作用，攜帶細(xì)顆粒過壩，也導(dǎo)致壩下細(xì)顆粒含量高于壩上；結(jié)合圖3可知，壩上、壩下顆粒粒徑差異范圍主要為1～60 mm，2＃壩壩上、壩下顆粒級配差異明顯大于1＃，3＃壩，其上、下游級配曲線恰好將 1＃，3＃壩級配曲線夾到中間，表明顆粒同一百分含量下，2＃壩壩下、壩上顆粒粒徑差異最大，調(diào)節(jié)粒徑作用最顯著。結(jié)合現(xiàn)場情況，1＃，3＃壩均為滿庫狀態(tài)，泥石流可能直接過頂溢流，攔砂壩基本不能攔擋大顆粒；2＃壩為半庫狀態(tài)，即泥石流過壩時，部分顆?？赏ㄟ^排水孔通過壩體，雖然壩上、壩下堆積物顆粒級配存在差異，但實體攔砂壩的粒徑調(diào)節(jié)作用有限。

3.2.2 攔砂壩對泥石流漿體流變性質(zhì)的影響

泥石流細(xì)顆粒與其所形成的漿體對于泥石流的運動特性具有重要影響。試驗研究表明，一定濃度的泥石流漿體的流變性質(zhì)符合賓漢體模型，可用賓漢體模型進(jìn)行表征［9，17］，即

式中：τ為剪切應(yīng)力；τB為屈服強(qiáng)度；η為剛度系數(shù)；為剪切速率。

流變試驗，采用奧地利Physica MCR301高速旋轉(zhuǎn)流變儀，同軸圓筒測試系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)子直徑為30 mm，外筒直徑為43 mm，剪切速率的測試范圍為0～300 s－1，數(shù)據(jù)采用 PhysicaPheoPlus軟件處理。土樣分別配制重度為14，16 kN／m3的泥石流漿體，漿體粒徑＜0.25 mm。

根據(jù)12組流變試驗結(jié)果，數(shù)據(jù)經(jīng)PhysicaPheo-Plus軟件處理得到攔砂壩壩上、壩下不同重度漿體剪切速率和剪切應(yīng)力關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，1＃，2＃壩壩上、壩下的堆積物，均隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力呈增長趨勢；且隨著重度的增長，剪切應(yīng)力增大極為顯著。

1＃壩為滿庫工況，同一重度，在相同剪切速率條件下，壩上堆積物漿體剪切應(yīng)力明顯低于壩下堆積物漿體，如在重度為16 kN／m3條件下，當(dāng)剪切速率為50 s－1時，壩上剪切應(yīng)力為3.2 Pa，壩下剪切應(yīng)力為4.4 Pa；當(dāng)剪切速率為100 s－1時，壩上剪切應(yīng)力為3.8 Pa，壩下剪切應(yīng)力為5.2 Pa；對于相同重度的壩上、壩下堆積物漿體，在相同剪切速率的條件下，壩下漿體剪切應(yīng)力大于壩上漿體剪切應(yīng)力，且隨著重度的增長，剪切應(yīng)力增大幅度更顯著。

黏粒含量、粗顆粒含量、黏土性質(zhì)對泥石流流變性質(zhì)均會產(chǎn)生一定影響，胡正紅等［7］的試驗結(jié)果表明黏粒含量與粗顆粒含量的增加，對于剪切應(yīng)力有提升作用，在高濃度粗顆粒含量下，粗顆粒含量對剪切應(yīng)力的影響超過黏粒含量的影響。圖5（a）為1＃壩所選＜0.25 mm泥石流漿體樣品的顆分曲線，其中1＃壩壩上黏粒（＜0.005 mm）所占顆?？偘俜趾康?.94%，壩下黏粒（＜0.005 mm）所占顆粒總百分含量的5.83%。

圖4 不同重度的堆積物剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系Fig.4 Shearing rate vs.shearing stress of debris flow deposits of varying density

黏粒含量比較接近，級配差異主要存在的粒徑范圍為0.05～0.25 mm，說明粗顆粒含量同樣對切應(yīng)力產(chǎn)生影響。由圖5（a）可看出，1＃壩高于50%百分含量的壩下堆積物漿體粒徑均大于壩上堆積物漿體粒徑，表現(xiàn)出壩下堆積物漿體剪切應(yīng)力大于壩上堆積物漿體，說明粗顆粒對切應(yīng)力產(chǎn)生增加效應(yīng)。

2＃壩為半庫工況，同一重度，在相同剪切速率條件下，壩上堆積物漿體剪切應(yīng)力大于壩下堆積物漿體，2＃壩高于50%百分含量的壩上堆積物漿體粒徑均大于壩下堆積物漿體粒徑（圖5（b）），所以同一條件下，表現(xiàn)出壩上堆積物漿體剪切應(yīng)力大于壩下堆積物漿體。通過分析壩上、壩下堆積物漿體的顆粒級配曲線（圖5）發(fā)現(xiàn)：粒徑百分含量差異主要在0.05～0.25 mm區(qū)間范圍，2＃壩為半庫狀態(tài)，其相對于1＃，3＃滿庫狀態(tài)下，粒徑調(diào)節(jié)效果相對顯著，導(dǎo)致同一百分含量下壩下堆積物漿體的粒徑較壩上堆積物漿體粒徑小，壩下相對細(xì)顆粒百分含量較多。

3.2.3 攔砂壩對泥石流抗剪強(qiáng)度的影響

泥石流堆積物的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是泥石流防治工程設(shè)計的重要參數(shù)［8］。研究壩上、壩下堆積物的抗剪強(qiáng)度特性對于泥石流堆積物的再啟動機(jī)理與壩上、壩下溝道侵蝕研究具有一定的參考意義。

圖5 顆粒級配累積曲線Fig.5 Grading curves of grain size

直剪試驗，采用常規(guī)四聯(lián)應(yīng)變控制式直接剪切儀，環(huán)刀內(nèi)徑為6.18 cm，高為2.00 cm，試驗土樣為粒徑≤2 mm的泥石流堆積物土體。采用不固結(jié)快剪，剪切速率為0.80 mm／min，剪切位移5.00 mm。每組土樣分別在 50，100，150，200 kPa的荷重下進(jìn)行水平剪切。土樣干密度均為1.7 g／cm3，配置含水率分別為10%，14%，18%的試樣。

3.2.3.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的關(guān)系

根據(jù)Mohr-Coulomb公式，土體的抗剪強(qiáng)度為

式中：τ為抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；σ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

從圖6（a）可以看出：黏聚力c隨含水率W的增加呈現(xiàn)下降趨勢。在試樣含水率由14%增加到18%時，壩上堆積物的黏聚力隨含水率增加，c值呈現(xiàn)急劇減小趨勢，對于土體抗剪強(qiáng)度影響較大。通過分析對比曲線趨勢發(fā)現(xiàn)：低含水率時（W＝10%），壩上堆積物的c值略大于壩下堆積物c值；高含水率時（W＝18%），壩下堆積物的c值略大于壩上堆積物c值。

由圖6（b）可以看出，內(nèi)摩擦角φ隨含水率W的增加基本呈現(xiàn)上升趨勢。同時，高含水率（W＝18%）、低含水率（W＝10%）情況下，壩上、壩下堆積物內(nèi)摩擦角差異相對較小。

試驗所測得各壩壩上、壩下堆積物不同含水率的強(qiáng)度參數(shù)值，如表6所示。

3.2.3.2 抗剪強(qiáng)度包線與正應(yīng)力的關(guān)系

壩上、壩下堆積物不同含水率條件下的強(qiáng)度包線如圖7所示，可以看出，對于壩上、壩下堆積物土樣在相同含水率下，其抗剪強(qiáng)度均隨著法向應(yīng)力的增加而增大。相同含水率條件下，正應(yīng)力較?。ǎ?00 kPa）時，壩上、壩下堆積物的抗剪強(qiáng)度值比較接近；正應(yīng)力較大（＞150 kPa）時，呈現(xiàn)出壩下堆積物抗剪強(qiáng)度值大于壩上堆積物抗剪強(qiáng)度值。總的趨勢是，粒徑調(diào)節(jié)作用會使壩下堆積物細(xì)顆粒含量增高，密實度越大，其堆積物相對空隙減少，呈現(xiàn)出壩下抗剪強(qiáng)度值略大于壩上堆積物抗剪強(qiáng)度值。

圖6 含水率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between moisture content and shear strength parameters

表6 不同含水率抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table6 Shear strength parameters of deposits with different moisture content

圖7 不同含水率水平下堆積物抗剪強(qiáng)度比較Fig.7 Comparison of shear strength between deposits of different moisture content

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

針對現(xiàn)有的防治工程中壩體易受損等問題，除考慮選擇透過型壩體增強(qiáng)“攔粗排細(xì)”效果、增加有效庫容外，對于現(xiàn)有實體攔砂壩結(jié)構(gòu)體型可以進(jìn)一步優(yōu)化，如1＃，3＃壩滿庫溢流，壩下沖刷嚴(yán)重，可以改現(xiàn)有典型的“寬淺式”溢流口為“窄深式”溢流口，例如Y型溢流口［18］，它能有效減弱泥石流的沖刷能力。對于3＃壩壩體局部被沖毀與副壩壩體出現(xiàn)變形、裂紋等現(xiàn)象，可根據(jù)陳曉清等［3，19］提出一種組裝式泥石流攔砂壩和“鋼筋混凝土框架＋漿砌石壩體”的攔砂壩設(shè)計思路，解決因漿砌石施工質(zhì)量問題或壩基沉降導(dǎo)致的壩體出現(xiàn)變形和裂紋的問題，從而提高壩體抗沖擊破壞能力和壩體使用年限。排導(dǎo)槽方面現(xiàn)有研究也提出許多優(yōu)化設(shè)計，陳曉清等［3］提出復(fù)式斷面泥石流排導(dǎo)槽，用于排泄超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的泥石流體的排導(dǎo)，排導(dǎo)槽緩沖區(qū)邊界設(shè)有重力式擋土墻，從而對排導(dǎo)槽兩側(cè)的永久建筑物或農(nóng)田進(jìn)行有效防護(hù)。針對甘家溝排導(dǎo)槽內(nèi)有橋墩經(jīng)過，出現(xiàn)側(cè)蝕現(xiàn)象可能影響橋墩安全的問題，可局部采用陳曉清等［3］提出的“預(yù)制鋼筋混凝土箱體組裝式”排導(dǎo)槽，相比漿砌石結(jié)構(gòu)具有更高的抗沖擊、抗磨蝕能力。

4.2 結(jié) 論

通過試驗分析表明，實體攔砂壩存在調(diào)節(jié)泥石流粒徑作用，但調(diào)節(jié)效果不夠顯著，滿庫工況調(diào)節(jié)作用不如半庫工況。攔砂壩的調(diào)節(jié)粒徑作用會影響泥石流漿體的流變性質(zhì)和泥石流抗剪強(qiáng)度性能。表現(xiàn)為粒徑調(diào)節(jié)作用顯著的壩體，壩下堆積物漿體的剪切應(yīng)力小于壩上堆積物漿體的剪切應(yīng)力，壩下堆積物抗剪強(qiáng)度值大于壩上堆積物抗剪強(qiáng)度值。

目前，甘家溝大部分壩體已經(jīng)滿庫，存在攔砂壩設(shè)計庫容不足，其上游松散固體物源較多，現(xiàn)有防治工程很難滿足要求?？梢钥紤]修建透過型壩體增強(qiáng)調(diào)節(jié)粒徑作用，提高有效庫容；壩前攔粗排細(xì)，能改變壩上游堆積物的組成，減少細(xì)顆粒，使大石塊間不會形成緊密結(jié)構(gòu)，改善了壩體的受力條件。同時，在溝道上游和形成區(qū)采取有效措施穩(wěn)固物源，采取工程措施和生物措施相結(jié)合的方法能穩(wěn)固坡體，減少泥石流物源。也可在形成區(qū)修建一些固床護(hù)坡工程，如谷坊群等。

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