基于水槽試驗的泥石流攔擋壩泄水涵洞調(diào)控性能

董耀剛， 劉興榮， 馮樂濤， 王喜紅， 張麗娟

(甘肅省科學院地質(zhì)自然災害防治研究所， 蘭州 730000)

泥石流災害復雜、多變，導致其防治工程門類多樣[1-2]，如攔擋工程[3-4]包括攔砂壩、梳齒壩、谷坊壩、樁板墻和格賓石籠壩等。攔擋壩在泥石流防治中發(fā)揮著不可替代的優(yōu)勢，其作用突出、效果明顯，如攔擋泥沙、減緩泥石流沖擊力、拓寬溝床和抬高壩后基準面等[5-6]。長期以來，攔擋壩是泥石流防治中最常見、最重要、也是最容易遭破壞的工程措施之一[7]。為了保障攔擋壩工程的安全運行，延長其使用年限，設計人員不斷地優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，加強壩體透水性就是一項有效的攔粗排細的優(yōu)化措施。謝湘平等[8]、焦亮等[9]、謝濤等[10]、趙彥波等[11]研究表明，透水性攔擋壩形式多樣，常用的有縫隙壩、窗口壩、梳子壩等，并通過大量試驗，獲得以上類型透水性攔擋壩對泥石流粒徑調(diào)節(jié)功能及攔粗排細效果的定量描述。陳紫云等[12]提出通過泄水設施的布設推動泥石流的水石分離，達到水石分治的目的，更新了泥石流防治新思路。攔擋壩加設泄水涵洞也是透水性攔擋壩的一種，目前相關研究較少，主要從其攔蓄能力方面入手，例如，Zhou等[13]、賈世濤等[14]認為泄水涵洞、泥石流容重及流速是影響壩后淤積的主要因素，隨著泥石流容重增大、開孔率減小，回淤坡度就越大，即攔擋壩的攔蓄量就越大；McArdell等[15]通過試驗分析，推導出一套評估不同泄水涵洞、不同坡度和不同粒徑條件下攔擋壩攔蓄能力的計算方法。上述研究對泄水涵洞是否有利于調(diào)控泥石流力學特征、減輕泥石流對上下游攔擋壩自身破壞等性能研究還涉及較少。

由于泥石流在行進中伴隨著復雜的水動力過程，相應的監(jiān)測手段有限，現(xiàn)場獲取泥石流相關作用參數(shù)十分困難，因此，選用具有良好控制條件和對照關系的物理模擬試驗成為揭示泥石流攔擋壩動力學機理的重要手段[13，16-18]?，F(xiàn)以泥石流通過3種類型攔擋壩的泥位、振動加速度、體積含水率和孔隙水壓力等特征變化為研究對象，獲取前后攔擋壩相互保護和影響的各動力學參數(shù)，以此指導泥石流攔擋壩泄水涵洞的科學布設，為泥石流防治工程設計提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗土樣取自舟曲縣城關鎮(zhèn)三眼村三眼峪溝1號攔擋壩壩后約200 m處，地理坐標104°22′41″E，33°48′5″N(圖1)。舟曲縣地處青藏高原東段，西秦嶺西翼和岷山山脈交匯地帶，地貌特征以高陡山體和深切溝谷為主，是中國地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)之一。舟曲縣地處迭部-白龍江斷裂帶，該斷裂帶延伸長、規(guī)模大、裂隙發(fā)育，河谷下切侵蝕和風化剝蝕劇烈[19-20]。新構(gòu)造運動十分活躍，表現(xiàn)為山地大幅隆升，流水急劇下切，形成典型的中高山溝谷地形[20]。地震活動對舟曲縣泥石流的影響較大，如“5·12”地震給舟曲地表造成極大的損害，使得泥石流臨界降雨量明顯降低[21-22]。岀露地層由老至新依次為泥盆系、二迭系和第四系。泥盆系地層巖性由炭質(zhì)板巖、千枚巖和頁巖夾灰?guī)r等組成；二迭系地層巖性以砂質(zhì)灰?guī)r為主，該地層與下伏地層呈斷層接觸，表層節(jié)理裂隙發(fā)育較為嚴重；第四系地層巖性主要由上更新統(tǒng)沖洪積卵石土和馬蘭黃土、全新統(tǒng)重力堆積物、殘坡積物、泥石流堆積物、河流沉積物及溝道洪積物組成；以上泥盆系、二迭系地層結(jié)構(gòu)破碎，加上第四系地層較為松散，易受自然條件影響，給泥石流提供了充足的物質(zhì)條件。高陡的地貌類型、脆弱的地質(zhì)條件和豐富的物質(zhì)儲量，使得該區(qū)域成為泥石流的高發(fā)區(qū)之一。

圖1 取樣點位置Fig.1 Sampling point location map

2 試驗方案

2.1 試驗裝備

試驗在甘肅省科學院地質(zhì)自然災害防治研究所滑坡泥石流試驗室完成。試驗平臺主要由攪拌系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、流通區(qū)、堆積區(qū)、沉砂池和采集系統(tǒng)等組成。該試驗平臺自動化程度高，可獲取泥石流作用的多項力學數(shù)據(jù)。試驗裝置見圖2。

試驗共布設2道攔擋壩(1號、2號)，自上游泥石流出口至320 cm處布設1號壩，在1號壩下游220 cm處布設2號壩，圍繞1號、2號攔擋壩布設數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由孔隙水壓力傳感器、體積含水率傳感器、激光測距儀、振動加速度傳感器、攝像機和采集箱組成。傳感器布設位置見圖3，主要參數(shù)和型號見表1。

振動加速度傳感器共布設2組，緊鄰1號、2號攔擋壩布設，監(jiān)測攔擋壩在泥石流爆發(fā)前后所受的沖擊破壞變化；體積含水率和孔隙水壓力傳感器均布設2組，分別布設在295 cm和515 cm處，監(jiān)測泥石流遭受攔擋過程中的體積含水率和水壓力的變化特征；激光測距儀布設在1號、2號攔擋壩上部，監(jiān)測泥位的變化情況；高清攝像機布設3臺，分別位于1號和2號攔擋壩上部及試驗平臺對面，保證試驗全過程的高清拍攝。

圖2 儀器裝備Fig.2 Instruments and equipment

圖3 傳感器布置Fig.3 Sensor placement

表1 傳感器型號及布設位置Table 1 Sensor type and location

2.2 試驗設計

2.2.1 粒徑分析

按照試驗儀器粒徑上限要求，將粒徑大于20 mm的土樣剔除。隨機選取2 kg試驗土做粒徑級配分析，篩分結(jié)果見圖4，最大粒徑dmax= 20 mm，中值粒徑d50= 2.3 mm，土樣粒徑主要集中在2～20 mm，約占62.1%。

周必凡[23]提出試驗土樣最大粒徑需滿足模擬槽寬度的1/5，即

n≥5dmax

(1)

式(1)中：n為試驗槽寬度，n=0.5 m；dmax為土樣最大粒徑。

經(jīng)計算，試驗土樣粒徑滿足試驗要求。

圖4 粒徑圖Fig.4 Particle size of figure

2.2.2 泥石流水土配比及容重計算

泥石流的啟動和運動實際就是水土耦合的過程，不同的水力條件和物源賦存狀態(tài)均影響泥石流的物質(zhì)補給量，從而影響容重大小[24-25]。確定泥石流容重的方法較多，試驗采用體積比法[26-27]進行計算。試驗槽寬50 cm，坡度9°，土樣質(zhì)量1 000 kg，采用環(huán)刀測得固體物質(zhì)密度為1 900 kg/m3，土樣和水的體積比2∶1。

土樣和水體積計算公式為

(2)

(3)

式中：Vs為土樣體積，m3；ms為土樣質(zhì)量，試驗取1 000 kg；ρs為土樣密度，試驗取1 900，kg/m3；Vw為水體積，m3。

經(jīng)計算，土樣和水體積分別為0.526 m3和0.263 m3。

泥石流容重計算公式為

(4)

式(4)中：ρH為固體物質(zhì)密度；f為固體物質(zhì)和水的體積比，此處為2∶1；γc為泥石流容重。計算得泥石流容重為16.9 kN/m3。

2.2.3 攔擋壩設置

攔擋壩作為泥石流防治的最有效措施之一，對其攔擋性能的研究顯得尤為重要。鑒于此，試驗設計了3種類型攔擋壩模擬泥石流前后壩體之間的相互保護和影響，并獲取相關力學數(shù)據(jù)，指導攔擋壩的優(yōu)化和改進。

試驗槽寬50 cm，壩高15 cm，壩體型號分為3種，Ⅰ型攔擋壩不設泄水涵洞，Ⅱ型攔擋壩僅設1處泄水涵洞，Ⅲ型攔擋壩設4處泄水涵洞，試驗還增加不設壩試驗作為參照，見圖5。

圖5 壩體型號及截面設計Fig.5 Type of dam and design of cross section

3 試驗現(xiàn)象

從圖6可知，不設壩條件下水槽內(nèi)僅在槽底殘存少量細顆粒物質(zhì)，布設攔擋壩后，在溝槽內(nèi)均不同程度的攔擋了泥石流物質(zhì)，說明3種類型攔擋壩均能較好的攔蓄泥石流固體物質(zhì)；從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，Ⅰ型攔擋壩不設泄水涵洞，雖然其攔蓄效果最好，但達不到水石分離的效果，壩庫內(nèi)積水量大，容易造成壩前積水對基礎和壩肩的侵蝕破壞。從圖6(c)、圖6(d)可知，Ⅱ型和Ⅲ型攔擋壩加泄水涵洞后，很好地實現(xiàn)了水石分離和攔蓄泥沙的作用，即經(jīng)攔擋壩的調(diào)節(jié)作用，固體物質(zhì)留于壩庫內(nèi)，含砂水體向下游排放，有效地改變了泥石流性質(zhì)。從水石分離效果看，設攔擋壩優(yōu)于不設壩，Ⅲ型優(yōu)于Ⅱ型，Ⅱ型優(yōu)于Ⅰ型，即在保證攔擋壩安全和滿足攔蓄要求的情況下，其開孔率越高，越有利于泥石流的水石分離，降低泥石流破壞力的效果越明顯。

圖6 試驗現(xiàn)象Fig.6 Experimental phenomenon

4 試驗結(jié)果分析

4.1 泥位變化對比分析

在泥石流防治中，減小峰值泥位的破壞是泥石流防治的關鍵。試驗在水槽295 cm和515 cm上方安置了激光測距儀，觀測表層泥石流相對位移變化，準確的反應泥位變化信息。由圖7(a)可知，不設壩的情況下，1號、2號攔擋壩位置處泥位平緩過渡；由圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)可知，布設Ⅰ型攔擋壩的泥位快速上升，然后保持高位流動，1號壩峰值泥位為85 mm，2號壩峰值泥位為131 mm，均較Ⅱ型和Ⅲ型高；布設Ⅱ型或Ⅲ型攔擋壩后，1號壩的泥位均平穩(wěn)過渡，趨勢與不設壩的情況基本一致，2號壩的泥位先快速增大再降低，Ⅱ型和Ⅲ型攔擋壩峰值泥位依次為117 mm和78 mm，Ⅲ型攔擋壩峰值泥位最低。試驗表明在攔擋壩設計中設泄水涵洞會促使泥石流完成水石分離，讓泥石流峰值泥位快速降低，泄水涵洞能滿足泥石流行洪需要時泥位變化基本與不設壩保持一致。

試驗結(jié)束后，對水槽側(cè)壁留下的泥痕進行了方格統(tǒng)計。由圖8可知，攔擋壩對泥位變化影響較大。不設壩情況下，泥位除受傳感器影響有2處微變外，一直保持平穩(wěn)過渡；在設壩情況下，布設攔擋壩位置處都會出現(xiàn)泥位峰值，且1號壩較2號壩持續(xù)時間長。Ⅰ型攔擋壩壩后淤積距離遠、泥痕高，且在1、2號壩之間保持較高泥位；Ⅱ型攔擋壩壩后淤積水位居中，1、2號壩之間水位變化劇烈，連續(xù)出現(xiàn)2次高峰值，緊接著出現(xiàn)最低峰值；Ⅲ型攔擋壩壩后淤積水位低，經(jīng)過1號壩高峰值后，立即出現(xiàn)1次低峰值和1次高峰值，然后平穩(wěn)過渡。從泥位變化看，Ⅲ型攔擋壩對泥位調(diào)節(jié)作用最明顯，可以保證泥位快速回落，減輕因泥位的劇烈變化而對壩體和溝岸產(chǎn)生的沖刷破壞。試驗證明多布設泄水涵洞調(diào)控泥石流效果明顯更優(yōu)。

4.2 振動效能對比分析

為了獲取1、2號攔擋壩壩址處泥石流行進中的振動和沖擊作用，試驗前緊臨攔擋壩迎水側(cè)安裝了振動加速度傳感器，評定泥石流對攔擋壩的機械振動，以此反映泥石流沖擊力的大小[28-29]，見圖9。

圖7 攔擋壩處泥位對比圖Fig.7 Mud level comparison figure of the retaining dam

由圖9可知，振動加速度峰值在不設攔擋壩條件下明顯大于設攔擋壩狀態(tài)，說明設攔擋壩后，泥石流的振動明顯減小，即減弱了泥石流的沖擊力。1號壩位置處在不設壩、設Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩4種條件下其振動加速度峰值依次為10.51、1.00、1.63、2.11 m/s2，而2號壩位置處在不設壩、設Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩4種條件下其振動加速度峰值依次為10.46、0.75、1.55、0.83 m/s2。在不設壩條件下1號和2號攔擋壩之間的振動加速度峰值幾乎不變，而設攔擋壩后，2號壩的振動加速度均小于相應型號1號壩。表明攔擋壩很好地削弱了泥石流的沖擊力，即攔擋壩有效地減弱了泥石流的沖擊破壞，經(jīng)過攔擋壩后泥石流的振動會明顯減弱；同時，通過數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)采集的Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩的壩后振動加速度數(shù)據(jù)比較接近，說明是否設有泄水涵洞對改變壩體遭受的沖擊力大小影響很小，也就是說攔擋壩布設泄水涵洞并不會明顯減弱壩體安全性。

圖8 泥位變化過程圖Fig.8 Mud level change flow diagram

圖9 攔擋壩振動加速度對比圖Fig.9 Comparison chart of vibration acceleration of dam

4.3 體積含水率對比分析

體積含水率為土體中水體積與土體總體積的比值[30]。試驗獲取了泥石流流經(jīng)壩體前后體積含水率的變化規(guī)律。從圖10可看出，在不設攔擋壩的試驗中，2號壩的體積含水率稍高于1號壩，這主要是受傳感器的干擾；在Ⅰ型攔擋壩試驗中，2號壩的體積含水率遠高于1號壩，且含水率上升得非?？?，而1號壩一直比較平穩(wěn)，說明1號壩在泥石流運行初期就迅速達到了穩(wěn)定含水率；在Ⅱ型攔擋壩試驗中，1號和2號壩含水率同時遞增且增幅均較大，但含水率到最大值后又快速回落，2號壩回落至初始狀態(tài)，1號壩回落至峰值一半時平穩(wěn)；在Ⅲ型攔擋壩試驗中，1號和2號壩含水率均呈折線遞增，而后均維持在較低值，且含水率基本一致，2號壩較1號壩先完成含水率變化過程，說明Ⅲ型攔擋壩能較好地滿足過水能力，減小泥石流的峰值流量。

不設壩的情況下體積含水率值最低，Ⅱ型攔擋壩的含水率峰值最大，為0.6 m3/m3，但迅速回落為0.3 m3/m3，Ⅰ型攔擋壩的含水率值次之，為0.5 m3/m3，且一直持續(xù)，Ⅲ型攔擋壩的1號壩和2號壩體積含水率最大值錯峰出現(xiàn)(2號壩最大值出現(xiàn)后1號壩才出現(xiàn))且最大峰值小，依次為0.2 m3/m3和0.4 m3/m3。因此，在不影響壩體穩(wěn)定和攔蓄要求的情況下，盡可能在壩體上多設置泄水涵洞或泄水孔，可以起到水石分離的作用，減小泥石流的峰值流量，也可以讓攔擋壩的含水率最大值錯峰出現(xiàn)，以避免造成攔擋壩一次承受的沖擊力過大。

4.4 孔隙水壓力對比分析

在壩后布設孔隙水壓力傳感器，以獲取壩后孔隙水壓力變化數(shù)據(jù)。從圖11可看出，在不設攔擋壩的試驗中，孔隙水壓力保持低位平穩(wěn)狀態(tài)；在布設Ⅰ型攔擋壩試驗中，1號壩孔隙水壓力較2號壩上升的慢，達到淤積平衡后，其孔隙水壓力分別為0.68 kPa和2.09 kPa，2號壩壩后孔隙水壓力遠高于1號壩；在布設Ⅱ型攔擋壩試驗中，1號壩較2號壩上升的早且平緩，2號壩上升的快且最大值較1號壩高，平衡后1、2號壩基本一致，其孔隙水壓力分別為1.15 kPa和1.27 kPa；在布設Ⅲ型攔擋壩試驗中，1號、2號攔擋壩孔隙水壓力錯峰出現(xiàn)，1號壩出現(xiàn)的早且比2號壩高，平衡后1號壩比較平穩(wěn)，其平衡后的孔隙水壓力為1.40 kPa，2號壩孔隙水壓力則一直下降。說明在壩體上設置泄水涵洞，下游壩體孔隙水壓力快速減小，更有利于調(diào)節(jié)下游壩體的孔隙水壓力，即可以減輕孔隙水壓力對下游壩體的破壞。

圖10 體積含水率對比圖Fig.10 Comparison chart of volume moisture content

圖11 孔隙水壓力率對比圖Fig.11 Comparison chart of pore water pressure rate

5 結(jié)論

攔擋壩工程是否應該預留泄水涵洞，是泥石流防治工程中爭議較多的問題之一。基于水槽試驗，探究了3種形式攔擋壩對泥石流動力學參數(shù)的調(diào)控作用，并以一組不設壩的試驗為參照，得出以下結(jié)論。

(1)在攔擋壩結(jié)構(gòu)設計中加泄水涵洞會促使泥石流完成水石分離，快速降低泥位；從泥位變化看，Ⅲ型攔擋壩對泥位調(diào)節(jié)作用最明顯，可以保證泥位快速回落，而且Ⅲ型攔擋壩壩后泥位峰值變化較平穩(wěn)，可以減小因泥位的頻繁變化對壩體和溝岸產(chǎn)生沖刷破壞，試驗證明在保證壩體安全和滿足攔蓄要求的情況下，多設泄水涵洞效果明顯更優(yōu)。

(2)設壩后，壩體振動大幅減弱，即攔擋壩有效地減弱了泥石流的沖擊破壞，且Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩的壩后振動加速度數(shù)據(jù)比較接近，說明攔擋壩是否布設泄水涵洞對其遭受泥石流沖擊力的大小幾乎無影響，即攔擋壩布設泄水涵洞并不會明顯減弱壩體安全性。

(3)攔擋壩壩后的體積含水率和孔隙水壓力之間有著密切的聯(lián)系。不設壩條件下，水槽不同位置體積含水率和孔隙水壓力變化差異不大，受壩體攔截后，壩體上游泥石流淤積體和瞬間雍水造成體積含水率和孔隙水壓力迅速增大。對比3種類型攔擋壩發(fā)現(xiàn)：Ⅰ型攔擋壩水石分離不明顯，對體積含水率和孔隙水壓力影響大，2項指標都處于高值；Ⅱ型、Ⅲ型攔擋壩水石分離效果明顯，使得壩后含水率和孔隙水壓力較Ⅰ型攔擋壩小。說明在不影響壩體穩(wěn)定的同時，應多設泄水涵洞，一方面有利于1號、2號攔擋壩體積含水率錯峰出現(xiàn)，便于降低泥位，減小泥石流對攔擋壩的沖擊破壞，另一方面有利于下游壩體孔隙水壓力快速減小，調(diào)節(jié)孔隙水壓力對下游壩體的破壞。