黏性泥石流攔砂壩壩后回淤坡度試驗(yàn)

趙靜靜 崔佳慧 關(guān) 輝 陳興長

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

泥石流是由水和沙石組成的一種特殊流體，具有暴發(fā)突然、流速快、能量大、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]，往往造成災(zāi)害事件。通常情況下，用攔砂壩攔蓄泥石流，可以控制或減輕其危害。

泥石流攔砂壩的庫容(V)可由下式計(jì)算確定[3-4]：

(1)

式中，h為攔砂壩高；b為溝床寬度；i為溝床坡度；ik為回淤坡度。由式(1)可知，回淤坡度(ik)影響攔砂壩的攔蓄量。研究表明，泥石流的容重、流速、流量、溝床坡度和攔砂壩高等都會(huì)影響攔砂壩后泥石流的回淤坡度[5-6]。

現(xiàn)階段對(duì)泥石流回淤機(jī)制的研究主要通過野外試驗(yàn)進(jìn)行。吳積善[7]對(duì)野外泥石流的回淤規(guī)律做了詳細(xì)的歸納總結(jié)；余斌等[8-9]研究了不同容重下泥石流淤積厚度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。這些都可以為回淤坡度的研究提供借鑒。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流攔砂壩后回淤坡度的研究大多是從泥石流的容重、壩高、流量等方面入手，初步研究了容重、壩高、流量與回淤坡度的定性關(guān)系，回淤坡度與泥石流容重、壩高和流量關(guān)系密切[10-14]，但關(guān)于泥石流攔砂壩后回淤坡度的研究并不系統(tǒng)，也沒有深入研究他們之間的定量關(guān)系。本文以黏性泥石流為例，通過水槽模擬試驗(yàn)，研究攔砂壩后泥石流回淤坡度的變化規(guī)律，分析溝床坡度和壩高對(duì)泥石流回淤坡度的影響，探討他們之間的定量關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶隙?、水槽、攔砂壩模型3個(gè)部分(圖1)。

料斗長50 cm，寬40 cm，高80 cm，設(shè)有出料閥門。水槽內(nèi)寬49 cm，內(nèi)高80 cm，長度為500 cm，可在0°～30°內(nèi)任意調(diào)節(jié)；側(cè)壁為透明鋼化玻璃,易于觀察。

此次試驗(yàn)共制作了3個(gè)不同壩高(H)的攔砂壩模型，分別為19,24,29 cm。攔砂壩模型寬度與溝道寬度一樣，安裝于水槽出口以上35 cm處。3個(gè)模型壩除壩高不同外，其余尺寸均相同，詳見圖2。

圖1 泥石流水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig. 1 Schematic diagram of the test model of a debris flow trough

圖2 攔砂壩模型示意圖Fig. 2 Sketch map of thecheck dam model

1.2 試驗(yàn)物料

此次試驗(yàn)的泥石流原樣從北川雷家溝的泥石流溝道中采集，試驗(yàn)物料級(jí)配較寬，根據(jù)試驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)用物料通過顆分試驗(yàn)得到物料最大粒徑為20 mm，顆粒級(jí)配曲線見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)物料顆粒級(jí)配圖Fig.3 Gradation curve of experiment materiel

1.3 試驗(yàn)方案及操作

為研究黏性泥石流攔沙壩壩后回淤坡度的變化規(guī)律，溝床坡度分別設(shè)計(jì)為13°，15°，17°，19°，壩高設(shè)計(jì)為19,24,29 cm，共開展12組試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的泥石流容重均為2.2 g/cm3(代表黏性泥石流)。

試驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)整好溝床坡度，然后在水槽的下部固定好攔砂壩模型。數(shù)碼攝像機(jī)架設(shè)在水槽側(cè)面，用于記錄攔砂壩后淤積過程。將配制好的泥石流物料放入料斗中，攪拌物料至均勻后開啟料斗閘門放出物料。待物料漫壩并靜止后，從壩后每隔10 cm用尺子測量泥深，用于計(jì)算回淤坡度。

通過改變壩高和溝床坡度，重復(fù)以上試驗(yàn)。每次試驗(yàn)均需測量并計(jì)算壩后回淤坡度，最終得到不同溝床坡度和壩高組合條件下的回淤坡度，進(jìn)而分析溝床坡度和壩高對(duì)回淤坡度的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析

通過水槽試驗(yàn)，獲得了3組壩高4組溝床坡度條件下的黏性泥石流攔砂壩壩后回淤坡度數(shù)據(jù)，共12組。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.1 溝床坡度與回淤坡度的關(guān)系

通過對(duì)此次試驗(yàn)結(jié)果的整理分析，得到了回淤坡度和溝床坡度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著溝床坡度的增加，回淤坡度也呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。并且在每一組壩高條件下，回淤坡度隨溝床坡度增加而增大的趨勢相同。這是由于黏性泥石流的黏滯性和整體性較好，運(yùn)動(dòng)阻力較大。隨著溝床坡度的不斷增加，泥石流的動(dòng)能也不斷增加，相應(yīng)地，克服流體運(yùn)動(dòng)阻力的能量就更大，運(yùn)動(dòng)速度更快，遇阻后便會(huì)迅速地淤積、抬高形成較大的回淤坡度。反之，則形成的回淤坡度相對(duì)較緩。

表1 黏性泥石流壩后回淤坡度Table 1 The gradients of intercepted sediments of viscous debris flow behind a check dam

圖4 回淤坡度與溝床坡度的關(guān)系Fig. 4 Relation between gradients of intercepted sediments and slopes of gully bed

將回淤坡度(ik)和溝床坡度(θd)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，二者呈線性關(guān)系：

ik=a×θd+b

數(shù)學(xué)知識(shí)有著很強(qiáng)的系統(tǒng)性、邏輯性，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的連貫性要求很高。這給學(xué)生帶來了極大的心理壓力，也給教師的教學(xué)帶來了困難。運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，可以有效幫助學(xué)生整理和歸納知識(shí)，認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)知識(shí)之間的聯(lián)系和區(qū)別，同時(shí)幫助學(xué)生把看似支離的知識(shí)有機(jī)的聯(lián)系在一起，形成一個(gè)無形的“網(wǎng)”，不斷內(nèi)化知識(shí)，提升學(xué)生的綜合認(rèn)知能力。

(2)

式中，a,b為系數(shù)。擬合結(jié)果列于表2。

表2 回淤坡度與溝床坡度的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between gradients of intercepted sediments and slopes of gully bed

2.2 壩高與回淤坡度的關(guān)系

攔砂壩的高度不僅影響其攔蓄庫容，試驗(yàn)表明，還會(huì)影響壩后的泥石流回淤坡度。試驗(yàn)時(shí)，不同壩高對(duì)回淤坡度的影響，以泥石流完全漫壩后形成的回淤坡度為準(zhǔn)。通過對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到了回淤坡度與壩高的關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，回淤坡度與壩高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于同一組溝床坡度，3組壩高對(duì)應(yīng)的回淤坡度都隨壩高增加而減小。

這是因?yàn)樵谠囼?yàn)條件相同的情況下，攔砂壩越高，泥石流漫壩量越少，泥石流體積越多更容易在壩前淤平，回淤坡度越小。

圖5 回淤坡度和壩高的關(guān)系Fig. 5 Relation between gradients of intercepted sediments and dam height

由式(1)可得：

(3)

求導(dǎo)得：

(4)

將回淤坡度(ik)和壩高(H)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，二者也呈線性關(guān)系：

(3)

式中，c,d為系數(shù)。擬合結(jié)果列于表3。

表3 不同溝床坡度下回淤坡度與壩高的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation between gradients of intercepted sediments and dam height

2.3 回淤坡度與溝床坡度和壩高的關(guān)系

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溝床坡度和壩高通常是共同影響回淤坡度的，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)這一點(diǎn)。由前述研究可以發(fā)現(xiàn)，黏性泥石流壩后回淤坡度與溝床坡度和壩高均具有線性相關(guān)關(guān)系。

通過Origin軟件處理，將回淤坡度與溝床坡度和壩高進(jìn)行多元回歸分析，得到三者之間關(guān)系的散點(diǎn)圖(圖6)。

從圖6可看出，此次試驗(yàn)中，壩高最大，溝床坡度最小時(shí)，測得的回淤坡度最??；反之，回淤坡度則最大。

為了更清晰地得到三者之間的關(guān)系，利用Origin軟件中的函數(shù)擬合模塊對(duì)三者進(jìn)行擬合，最終建立了回淤坡度ik和溝床坡度θd與壩高H的線性關(guān)系：

ik=e+f×θd-j×H

(4)

針對(duì)本次試驗(yàn),公式(4)的系數(shù)分別是：e=4.86,f=0.442,j=0.348，相關(guān)系數(shù)R2=0.9612，相關(guān)性較好，說明可以利用此函數(shù)模擬回淤坡度與溝床坡度和壩高的關(guān)系。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了黏性泥石流攔沙壩壩后回淤坡度與溝床坡度和壩高的關(guān)系。研究表明，溝床坡度和壩高均是攔砂壩后泥石流回淤坡度的函數(shù)。具體結(jié)論如下：(1)攔砂壩后泥石流回淤坡度隨溝床坡度增加而增大，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.95以上。(2)攔砂壩后泥石流回淤坡度隨壩高的增加而減小，二者呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相

關(guān)系數(shù)在0.95以上。(3)綜合分析表明，回淤坡度與溝床坡度和壩高三者也呈線性相關(guān)關(guān)系。擬合分析表明：ik=e+f×θd-j×H。(4)本文僅僅通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了三者間的相關(guān)關(guān)系，下一步將在此基礎(chǔ)上通過大量的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，修正模型系數(shù)，建立更為精準(zhǔn)適用的壩后回淤坡度的計(jì)算模型。

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