攔砂壩作用下泥石流堆積模型實(shí)驗(yàn)研究

李軍LI Jun

（中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

泥石流攔砂壩是建在泥石流形成區(qū)或形成區(qū)-流通區(qū)溝谷段內(nèi)的一種橫斷溝床的人工建筑物。修建攔砂壩即可攔蓄砂石，減少固體物質(zhì)供應(yīng)量，又可分離水土，抬高溝床侵蝕基準(zhǔn)，穩(wěn)固溝岸，控制岸坡啟動物質(zhì)，達(dá)到抑制泥石流形成或減小泥石流發(fā)生頻率和規(guī)模等目的。關(guān)于泥石流堆積的問題，已有眾多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。王裕宜等通過泥石流堆積實(shí)驗(yàn)研究，得出了泥石流堆積范圍與形態(tài)比的堆積模式；唐川采用數(shù)學(xué)分析的方法對泥石流堆積過程進(jìn)行了動態(tài)模擬；劉希林等采用泥石流現(xiàn)場模型實(shí)驗(yàn)，探討了泥石流堆積形態(tài)的特征；李泳等通過野外觀測和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對泥石流堆積厚度的分布進(jìn)行了估計；賈世濤等結(jié)合室內(nèi)水槽模型實(shí)驗(yàn)，分析了在不同條件下攔沙壩對泥石流性能的調(diào)節(jié)。

當(dāng)前西部山區(qū)修建大量泥石流攔砂壩，其防治效益被大家所認(rèn)知，但對其攔截過程中的泥石流相關(guān)參數(shù)定量變化研究較少，因此有必要對攔沙壩作用下泥石流堆積問題開展專門研究。本文通過現(xiàn)場模型實(shí)驗(yàn)，模擬不同設(shè)計工況下攔砂壩對泥石流堆積的影響，并分析泥石流堆積性質(zhì)和規(guī)模的變化，以期優(yōu)化攔沙壩的設(shè)計的基本設(shè)計原則和方法，為今后泥石流防治工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)土體的基本性質(zhì)

為了模擬泥石流啟動、形成過程，研究泥石流的堆積性能，實(shí)驗(yàn)樣品取自中巴公路沿線k1562處托卡依溝泥石流堆積區(qū)（圖1），該溝為降雨型泥石流溝且發(fā)生頻率高且危害大。首先對試樣進(jìn)行顆粒分析，然后將樣品風(fēng)干待用，實(shí)驗(yàn)土則去除粒徑大于60mm的顆粒，其余各粒徑組的重量百分比與原狀土體相應(yīng)粒徑組的重量百分含量相等，隨機(jī)采取了3組土樣，通過顆粒分析獲得其級配特征。

圖1 托卡依溝處取樣位置與土體特性

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c設(shè)備布設(shè)

1.2.1 攔砂壩

本次實(shí)驗(yàn)攔砂壩壩型采用混凝土重力壩，相似比采用1:80，攔砂壩的壩頂寬10cm，壩頂長40cm，壩高30cm，迎水面坡度為1∶0.2，背水面坡垂直（圖2（a））。擬定可攔截的最大實(shí)驗(yàn)土體的粒徑為4-6cm，根據(jù)規(guī)范要求，攔砂壩排泄孔位置盡可能分布在壩體溢流段范圍，孔數(shù)不低于2孔，多采取“品字形”交錯布設(shè)。由于模型尺寸較小，為維持壩體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故排泄孔孔口取下限值，兩孔間距取大值，故孔口大小為4cm×8cm，兩孔的間距為15cm。穩(wěn)定性分析的計算結(jié)果和實(shí)踐均表明采用該結(jié)構(gòu)的攔砂壩處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2.2 溝道及物源布設(shè)

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，公路沿線泥石流溝道溝床比降在176‰-364‰之間。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M特定的天然泥石流溝谷形態(tài)，溝床坡度分兩段，攔砂壩后0-1.25m范圍內(nèi)，溝床坡度定為15°，泥石流溝溝道兩側(cè)坡度約為80°，1.25-2.25m范圍內(nèi)溝床坡度定為18°，溝道兩側(cè)坡度約為40°，以模擬天然泥石流溝床形態(tài)（圖2（b））。

圖2 泥石流攔砂壩模型與溝床形態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)用溝道為在野外制作的由水泥砂漿襯砌的溝道，長2.25m，底寬0.4m，深0.15-0.45m。在溝道入口下游2.25m處安裝攔砂壩。本實(shí)驗(yàn)取25°坡度作為形成區(qū)坡度，將松散土體作為泥石流實(shí)驗(yàn)物源。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)流量為Q=100L/min，使水流經(jīng)水管抵達(dá)堆積的松散物源處。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

考慮空庫、半庫和滿庫三種工況下，分別對應(yīng)不同流量0.5Q、0.75Q和1.0Q，共計9組實(shí)驗(yàn)，并與無攔沙壩工況進(jìn)行對比分析（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)過程中不同工況的基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

2.1 攔砂壩空庫狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

當(dāng)攔砂壩處于空庫狀態(tài)，從泥石流進(jìn)入攔砂壩庫區(qū)開始，直至攔砂壩下游處出現(xiàn)泥石流，該過程可概化為四個過程，如圖3所示。①泥石流鋪床過程：泥石流在起動后，經(jīng)過流通區(qū)，到達(dá)攔砂壩處；②減速并開始淤積：泥石流體在抵達(dá)攔砂壩后，流體的速度逐漸降低至0，泥石流體開始淤積。在重力作用下，泥石流體開始出現(xiàn)分層，固體物質(zhì)開始沉淀，堆積于底部，使原溝床比降降低；③快速淤積過程：隨著時間的增加，進(jìn)入攔砂壩庫區(qū)的流體總量增加，使得淤積的固體物質(zhì)增多，導(dǎo)致泥石流體的泥位升高，直到泥石流體抵達(dá)攔砂壩排水孔；④過壩過程：在泥石流體抵達(dá)攔砂壩排水孔后，隨著上游泥石流體的注入，泥石流將穿過排水孔向下游運(yùn)動。

2.2 攔砂壩半庫狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

當(dāng)攔砂壩處于半庫狀態(tài)，該過程可概化為兩個過程，包括泥石流鋪床過程①和過壩過程②，如圖3所示。當(dāng)泥石流規(guī)模增大時，如果壩體排水孔通過泥石流能力不足，還會出現(xiàn)快速淤積過程③和翻壩過程④。由于本次實(shí)驗(yàn)的土體粒徑較大且流量較小，因此壩體排水孔的排泄能力足夠，因此B1、B2工況未出現(xiàn)③、④實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，僅B3工況出現(xiàn)了③、④實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.3 攔砂壩滿庫狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

當(dāng)攔砂壩處于滿庫狀態(tài)時，該過程可概化為兩個過程，如圖3所示。①泥石流鋪床過程：泥石流在起動后，經(jīng)過流通區(qū)，到達(dá)攔砂壩處，此過程與空庫狀態(tài)下的過程相似；②翻壩過程：泥石流體抵達(dá)攔砂壩溢流口后，直接從溢流口處流向下游。

圖3 攔砂壩不同庫容下泥石流實(shí)驗(yàn)過程

3 實(shí)驗(yàn)成果分析

3.1 攔砂壩后的泥沙淤積形態(tài)分析

在流量為0.5Q情況下，三種工況的泥沙淤積形態(tài)僅在壩后80cm范圍內(nèi)存在較大差異，當(dāng)距離大于80cm后，堆積坡度和厚度差異不大。且在空庫和半庫工況下，在壩體處淤積高度小于等于壩體排水口高度，不能進(jìn)一步使泥石流填滿庫體，沒有充分發(fā)揮壩體作用；在流量為0.75Q情況下，泥沙淤積形態(tài)分兩部分，具有上陡下緩的特點(diǎn)，在壩體后60cm以內(nèi)坡度較緩，60-120cm范圍內(nèi)堆積坡度稍大，壩體排水口處會出現(xiàn)部分堵塞現(xiàn)象；在流量為1.0Q情況下，從圖4可知，在壩后靠近排水口或溢流口處即20cm范圍內(nèi)，由于排水而導(dǎo)致水流沖力較大，泥沙不易淤積，因此坡度較大；壩后20-80cm范圍內(nèi)，泥沙容易淤積，坡度較緩；壩后80-120cm范圍內(nèi)，泥沙淤積坡度稍陡。

圖4 不同工況下攔砂壩后的泥沙淤積形態(tài)

3.2 攔砂壩前后堆積體顆粒粒徑組成分析

以0.5Q流量情況下所有工況的顆粒級配曲線為例，與無攔砂壩情況下進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)壩前土體粒徑均小于無攔砂壩情況，壩后土體粒徑整體均大于無攔砂壩情況，攔砂壩存在較為明顯的過濾及篩選作用（圖5）。同時土體的顆粒級配與攔砂壩所處的工況有一定的關(guān)系，當(dāng)攔砂壩處于空庫狀態(tài)下，攔砂壩的攔截效果最好，攔砂壩前后的粗細(xì)顆粒分選較為明顯，隨著攔砂壩壩后堆積物的增加，攔砂壩由空庫變?yōu)闈M庫，攔砂壩的攔截效果逐漸減弱，壩體前后的顆粒粒徑差異逐漸減小，但仍會保持一定的作用。在流量為0.75Q、1.0Q時，存在同樣的規(guī)律。

圖5 同一流量下不同工況的土體顆粒級配曲線

3.3 攔砂壩作用下泥石流延時效應(yīng)

攔砂壩存在與否以及其庫容狀態(tài)對泥石流的過壩時間及到路時間有著明顯的影響。當(dāng)無攔砂壩時，泥石流流動速度較快，很快就會到達(dá)預(yù)設(shè)壩體位置并沖擊道路；當(dāng)存在攔砂壩時，泥石流流動到壩體處后，會受到壩體的阻礙，泥石流流速降低，固體顆粒沉積，泥石流過壩的時間會大幅的延后，有利于降低泥石流的危害，如圖6所示。

圖6 不同工況的泥石流過壩時間及到路時間

3.4 攔砂壩作用下的泥石流容重衰減特征

從攔砂壩作用下的泥石流容重衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出攔砂壩可使泥石流容重降低，并延后泥石流抵達(dá)下游的時間。從圖7可知，攔砂壩所處的工況對泥石流容重衰減效果有較大的影響。攔砂壩空庫的效果最佳，其次是半庫狀態(tài)，最后是滿庫狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種工況狀態(tài)下，壩下游的泥石流容重隨壩上游容重的降低而呈遞減趨勢，進(jìn)而擬合出不同庫容狀態(tài)下的攔砂壩上下游泥石流容重之間的函數(shù)關(guān)系式，如圖8。

通過對三種工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢的回歸分析，發(fā)現(xiàn)冪指數(shù)曲線可以很好地描述其趨勢，將三種模型的計算值與其對應(yīng)的實(shí)測值比較后，發(fā)現(xiàn)計算值與實(shí)測值的相對誤差幾乎都在±5%左右，可見泥石流容重衰減模型具有較好的實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文通過攔沙壩作用下泥石流堆積模型的實(shí)驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論：①攔沙壩作用下泥石流的的淤積形態(tài)與攔砂壩所處的工作狀態(tài)和泥石流的動力學(xué)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)攔砂壩處于空庫狀態(tài)時，堆積坡度稍小于原始溝道坡度；當(dāng)攔砂壩處于半庫和滿庫狀態(tài)時，淤積形態(tài)前緩后陡，大致平行于溝道。②攔砂壩對泥石流固體顆粒具有攔截及篩選效果，其所處的工況對泥石流堆積體顆粒粒組成有較大的影響。攔砂壩空庫的效果最佳，其次是半庫狀態(tài)，最后是滿庫狀態(tài)。③攔砂壩所處的工況對延后泥石流到達(dá)下游時間有較大的影響，空庫的效果最佳，其次是滿庫狀態(tài)，最后是半庫狀態(tài)。④攔砂壩所處的工況對泥石流容重衰減效果有較大的影響，泥石流容重衰減幅度的工況優(yōu)先級為：空庫＞半庫＞滿庫，并提出響應(yīng)的泥石流容重衰減模型。

圖7不同工況下泥石流過壩前后的容重變化

圖8不同工況攔砂壩上下游泥石流容重關(guān)系圖