新型屋脊式攔砂壩攔擋輸移性能試驗(yàn)研究

吳佳俊，楊興國，周宏偉，楊豐榮，陳 昊，梁煜峰

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

0 引言

攔砂壩是泥石流防治中的一項(xiàng)重要工程措施，因其具有良好的攔擋效果而被廣泛應(yīng)用于泥石流防治領(lǐng)域中[1-4]。隨著對(duì)攔砂壩型式的不斷探索和研究，泥石流攔砂壩的攔擋結(jié)構(gòu)研究方向已由豎向攔擋向水平篩分發(fā)展，水平篩分式攔擋結(jié)構(gòu)能夠避免攔砂壩受到巨大沖擊力，同時(shí)有效地對(duì)泥石流進(jìn)行篩分使其停止運(yùn)動(dòng)[5]。

研究泥石流攔擋結(jié)構(gòu)，需要對(duì)泥石流的運(yùn)動(dòng)特性有一定的了解。錢寧等[6]提出，泥石流中較細(xì)顆粒和水結(jié)合形成非牛頓體的結(jié)構(gòu)力可以支持小于某一粒徑的細(xì)顆粒以中性懸移形式運(yùn)動(dòng)，而較粗顆粒以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)，推移質(zhì)靠顆粒間的碰撞或直接接觸支持其運(yùn)動(dòng)。VAN DINE D F[7]、MAJOR J J等[8]的研究表明泥石流的運(yùn)動(dòng)與水和細(xì)顆粒密切相關(guān)，水和細(xì)顆粒迅速減少將會(huì)改變泥石流的動(dòng)力學(xué)特征，顆粒間接觸更加緊密，其與溝床的摩擦力也會(huì)隨之增加，將促進(jìn)泥石流中顆粒的沉積?；谀嗍髦兴图?xì)顆粒在其運(yùn)動(dòng)中起到的重要作用，LIEN H P[8]提出治理泥石流的關(guān)鍵在于分離出泥石流中的大塊石，改變泥石流原有的動(dòng)力特性，同時(shí)削減泥石流整體的能量?；凇八蛛x”原理，透過性攔砂壩的研究得到有效發(fā)展，但其形式主要以豎向攔擋為主。OKUBO S等[9]提出豎向攔擋結(jié)構(gòu)在攔截泥石流時(shí)，由于泥石流中夾雜的大塊石隨其一起高速運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)攔擋結(jié)構(gòu)造成巨大的沖擊力，嚴(yán)重情況下會(huì)使攔砂壩破壞失穩(wěn)。為了改進(jìn)豎向攔擋結(jié)構(gòu)受沖擊力較大的缺點(diǎn)，TAKAHISA MIZUYAMA[10]提出水平格柵結(jié)構(gòu)攔擋泥石流以避免泥石流的巨大沖擊力。為了進(jìn)一步研究水平式攔砂壩對(duì)泥石流防治的效果，BRUNKAL等[11]進(jìn)行了水平結(jié)構(gòu)攔擋泥石流的試驗(yàn)研究，選定d85作為格柵間距時(shí)具有較好的攔擋效果。韋方強(qiáng)等[12]建立了一種新型的魚脊型水石分離結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了一系列室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和理論分析[13-15]，對(duì)該結(jié)構(gòu)的水石分離效果和適用范圍進(jìn)行界定，建立了該結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

圖1 攔砂壩模型示意圖和實(shí)物圖Fig.1 Sketch and photo of the dam model

基于上述研究成果和思路，我們提出了能夠有效地對(duì)泥石流進(jìn)行篩分，同時(shí)還可以避免泥石流的巨大沖擊力的新型屋脊式攔砂壩(圖1)。本文通過模型試驗(yàn)，探討在新的攔擋結(jié)構(gòu)型式下，泥石流來量、壩體格柵間距和壩體長度對(duì)泥石流篩分效果的影響，揭示泥石流經(jīng)過攔砂壩前后流速的變化規(guī)律，以及新型屋脊式攔砂壩對(duì)稀性泥石流的攔擋效果。

1 新型屋脊式攔砂壩的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

新型屋脊式攔砂壩主要由導(dǎo)流板、分選格柵和豎墻組成。導(dǎo)流板布置在攔砂壩最上游，對(duì)泥石流起引流的作用。三堵豎墻沿溝道布置，三堵豎墻中間的部分為流通區(qū)，兩岸靠近山體的部分為停積場(chǎng)，豎墻對(duì)格柵起支撐作用，同時(shí)使篩分后落入流通區(qū)的細(xì)顆粒順利排向下游。分選格柵對(duì)泥石流起篩分作用，通過控制格柵的間距可用于不同地區(qū)的泥石流防治工程。泥石流在導(dǎo)流板的引流下向分選格柵運(yùn)動(dòng)，在分選格柵的作用下，泥石流進(jìn)行自主篩分，大于格柵間距的泥石流粗顆粒被分選到兩側(cè)的停積場(chǎng)，小于格柵間距的泥石流細(xì)顆粒通過格柵向下游輸移。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究了不同泥石流來量、壩體格柵間距、壩體長度，對(duì)新型屋脊式攔砂壩攔擋泥石流效果的影響。根據(jù)泥石流來量與庫容Vm之比來劃分?jǐn)r砂壩的工作狀況，選取了1.0Vm、1.5Vm和2.0Vm三種工況，經(jīng)計(jì)算[17]，庫容Vm=22.5L；根據(jù)泥石流的粒徑組成，選取格柵間距分別為10 mm、20 mm、30 mm三種情況進(jìn)行試驗(yàn)；同時(shí)設(shè)置兩種壩體長度分別為549 mm和746 mm。試驗(yàn)時(shí)，在料斗中鋪設(shè)泥石流物料，確保每組的鋪設(shè)形狀基本相同，以滿足初始條件基本一致。在攔砂壩正上方架設(shè)高速攝像機(jī)，記錄泥石流經(jīng)過攔砂壩的整個(gè)過程，對(duì)高速攝像機(jī)拍攝的照片進(jìn)行處理分析，得到泥石流流過壩前后的速度變化。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)攔砂壩上、下游的物料進(jìn)行篩分、稱重，計(jì)算得到攔砂壩對(duì)泥石流的篩分效果。

2.2 試驗(yàn)物料

雍家溝是較為典型的泥石流溝，本次試驗(yàn)物料選取雍家溝的現(xiàn)場(chǎng)原樣，在保持不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)不變的情況下，采用相似級(jí)配法對(duì)原型泥砂進(jìn)行縮放，模型砂的d90=25 mm，d50=6.9 mm，試驗(yàn)物料級(jí)配如圖2所示。

圖2 泥石流級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of debris flow

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由料斗、抽板閘、水槽、沉砂池組成，全長14.5 m、總高度3.2 m。水槽傾角為20°，橫截面高0.5 m，寬0.4 m，兩側(cè)豎直。水槽末端接沉砂池，沉砂池長2.0 m，寬1.4 m，高0.3 m，由鋼板組成，用于收集過壩后的泥石流。攔砂壩結(jié)構(gòu)模型通過螺栓固定于抽板閘下游6 m處，壩體高20cm，寬40cm，格柵設(shè)置10 mm、20 mm、30 mm三種間距，549 mm和746 mm兩種長度。在攔砂壩上方架設(shè)高速攝像機(jī)，記錄泥石流經(jīng)過攔砂壩的整個(gè)過程(圖3)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿癋ig.3 Panorama of experimental model

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)選取三種不同來量的泥石流，分別研究三種不同的工況下該攔砂壩對(duì)泥石流的攔擋情況。

泥石流在水槽中運(yùn)動(dòng)一段距離后形成龍頭，泥石流龍頭先運(yùn)動(dòng)至壩前，龍頭部位的粗顆粒在格柵的引導(dǎo)作用下向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，堆積在停積場(chǎng)，細(xì)顆粒則透過格柵輸移至下游。隨后，一部分粗顆粒運(yùn)動(dòng)一段距離后停積在格柵上，阻擋后續(xù)泥石流中的細(xì)顆粒透過格柵，細(xì)顆粒覆蓋在已有的粗顆粒上，直至泥石流運(yùn)動(dòng)停止。

3.2 攔砂壩對(duì)泥石流流速的調(diào)節(jié)作用

泥石流流速是泥石流的主要特征之一，該新型屋脊式攔砂壩對(duì)泥石流具有較明顯的減速作用。為評(píng)價(jià)泥石流流速的減小程度，以泥石流經(jīng)過壩前和壩后出口的流速之差與壩前流速的比值作為該結(jié)構(gòu)對(duì)泥石流流速削減程度的指標(biāo)。試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對(duì)泥石流進(jìn)行攝像，選取壩前和壩后出口處的泥石流流速作為分析對(duì)象，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算得到泥石流經(jīng)過壩體的流速變化。

根據(jù)定義，流速變化率可以由下式計(jì)算：

×100%(1)

式中：p——泥石流流速變化率，%；

vu——泥石流到達(dá)壩前的流速，m/s；

vb——泥石流到達(dá)壩后出口的流速，m/s。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(1)得到各組試驗(yàn)的流速變化率(圖4)。

圖4 流速變化率與格柵間距的關(guān)系Fig.4 Variation ofvelocity VS grille space

由圖4可知，對(duì)相同規(guī)模的泥石流，格柵間距越大，經(jīng)過壩體的泥石流流速變化率越小。另外，壩體長度和泥石流來量對(duì)泥石流流速變化率影響較大，隨著壩體長度和泥石流來量的增加，泥石流流速變化率顯著增加。由圖4可知，格柵間距為10 mm時(shí)，當(dāng)泥石流來量從1.0Vm增加到2.0Vm時(shí)，流速變化率從36%增加到42%再到48%，對(duì)泥石流的流速削弱作用較明顯。

3.3 攔砂壩的攔擋、篩分效果

3.3.1儲(chǔ)流比

泥石流的來量在一定程度上反映了泥石流的破壞能力，新型攔砂壩具有攔擋和篩分作用，可以減小泥石流的運(yùn)動(dòng)速度和輸移至下游的泥沙量，減小下游各防護(hù)工程的負(fù)擔(dān)，降低對(duì)下游建筑物的危害。泥石流過壩時(shí)，一部分顆粒被攔蓄在庫內(nèi)，一部分篩分排泄到下游。為了評(píng)價(jià)攔砂壩對(duì)泥石流來量的削弱程度，本文用一次泥石流過程后，壩前攔蓄的泥石流質(zhì)量與泥石流總質(zhì)量的比值作為評(píng)判削弱程度的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)攔砂壩壩前攔蓄部分顆粒進(jìn)行稱量，得到攔蓄的泥石流質(zhì)量與泥石流總質(zhì)量之比即為儲(chǔ)流比，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果繪制成圖5。

圖5 儲(chǔ)流比與格柵間距的關(guān)系Fig.5 Variation of rate between arrested debris flow and the grille space

由圖5可知，泥石流來量和壩體格柵間距對(duì)儲(chǔ)流比的影響最大。當(dāng)格柵間距為10 mm，泥石流來量為1.0Vm時(shí)，儲(chǔ)流比最大為87.13%；當(dāng)格柵間距為30 mm，泥石流來量為2.0Vm時(shí)，儲(chǔ)流比僅為16.50%。

攔砂壩長度和泥石流規(guī)模相同時(shí)，攔砂壩格柵間距越大，泥石流儲(chǔ)流比越小。這是由于隨著格柵間距增大，泥石流中能夠穿過壩體的顆粒物質(zhì)增多，使得攔蓄的泥石流減少，這與實(shí)際情況是相符的。攔砂壩長度和格柵間距相同時(shí)，隨著泥石流規(guī)模的增大(泥石流規(guī)模大于1.0Vm)，儲(chǔ)流比反而減少。這是由于攔砂壩庫容有限，一部分泥石流越壩，使得攔蓄的泥石流量與原泥石流總量的比值減小，而在泥石流小來量情況下則不會(huì)發(fā)生越壩現(xiàn)象，此時(shí)的儲(chǔ)流比較大。

3.3.2漿砂分離率

攔砂壩通過對(duì)泥石流的攔粗和排細(xì)作用，一方面可以減少泥石流向下輸移的量，另一方面可以改變泥石流的級(jí)配，達(dá)到減緩泥石流流速和改善下游河道清水沖刷的作用。儲(chǔ)流比只能反映攔砂壩對(duì)泥石流的攔蓄比率，而不能綜合地表示對(duì)泥石流的攔粗排細(xì)比率。為了進(jìn)一步研究攔砂壩對(duì)泥石流的篩分效果，引入漿砂分離率來表示攔砂壩對(duì)泥石流攔粗排細(xì)的能力。我們以攔砂壩攔蓄粗顆粒的比率與排出細(xì)顆粒的比率之平均值作為新型攔砂壩對(duì)泥石流攔粗、排細(xì)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)定義，漿砂分離率可以由下式計(jì)算：

(2)

式中：n——泥石流的漿砂分離率/%；

Mu——攔蓄泥石流中粒徑大于格柵間距的粗顆粒的質(zhì)量/kg；

M——泥石流中所有粗顆粒的質(zhì)量/kg；

mu——堆積在沉砂池中粒徑小于格柵間距的細(xì)顆粒的質(zhì)量/kg；

m——泥石流中所有細(xì)顆粒的質(zhì)量/kg。

圖6(從左到右格柵間距依次為10 mm、20 mm和30 mm)是泥石流來量為1.5Vm試驗(yàn)后攔砂壩和沉砂池的圖片。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)泥石流進(jìn)行篩分、稱重，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2)得到各組試驗(yàn)的漿砂分離率，具體結(jié)果如表1所示。

圖6 泥石流試驗(yàn)成果典型圖Fig.6 Photographs of the flume test results

由表1可知，攔砂壩的攔粗比率基本上都在50%以上，其與泥石流規(guī)模的關(guān)系較明顯，隨著泥石流規(guī)模的增加而減??；泥石流的排細(xì)比率大部分也都在50%以上，受攔砂壩格柵間距的影響較大，隨格柵間距的增大，排細(xì)比率增加，但增加的速率有所減緩。

漿砂分離率為攔砂壩攔粗比率與排細(xì)比率的平均值，均在50%以上，最高可達(dá)82.45%，說明該攔擋結(jié)構(gòu)具有較好的攔粗排細(xì)效果，從表1可以看出，漿砂分離率隨格柵間距增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。采用二次式來擬合549 mm壩長時(shí)的漿砂分離率與格柵間距的關(guān)系(圖7)。通過擬合公式得到漿砂分離率最大時(shí)，格柵間距約22 mm，接近泥石流顆粒粒徑的d85。

表1 試驗(yàn)成果計(jì)算表

注：1、原粗(細(xì))顆粒質(zhì)量為原泥石流中粒徑大于(小于)格柵間距的顆粒的質(zhì)量。

2、攔蓄粗顆粒質(zhì)量為攔砂壩攔截泥石流中粒徑大于格柵間距的顆粒的質(zhì)量；排出細(xì)顆粒質(zhì)量為沉砂池中粒徑小于格柵間距的顆粒的質(zhì)量。

圖7 漿砂分離率與格柵間距的關(guān)系Fig.7 Variation of debris-flow separation rate VS grille space

4 結(jié)語

本文提出了一種新型屋脊式攔砂壩結(jié)構(gòu)，并通過15組不同類型的試驗(yàn)，研究了不同格柵間距的攔砂壩和不同泥石流規(guī)模對(duì)泥石流流速、攔砂壩篩分效果(儲(chǔ)流比、漿砂分離率)的影響。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析得出以下結(jié)論：

(1)新型屋脊式攔砂壩通過利用泥石流自身重力特性，對(duì)泥石流具有明顯的減速、篩分作用，屬于新型水平式透過性攔砂壩，通過篩分作用能夠有效抑制泥石流的破壞，對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著泥石流來量增大，泥石流流速變化率增大；增加壩體長度可以明顯提高流速變化率，最高可達(dá)54.05%，而增大格柵間距反而使流速變化率減小。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著泥石流來量和壩體格柵間距增大，儲(chǔ)流比反而減小，儲(chǔ)流比最大能達(dá)到87.13%，最小僅有16.50%。

(4)新型屋脊式攔砂壩對(duì)泥石流的攔粗排細(xì)效果較好，漿砂分離率分布在50%～85%之間，漿砂分離率隨格柵間距增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，根據(jù)二次式擬合得出間距約為d85時(shí)具有較高的漿砂分離率。