溝道松散堆積體沖刷啟動(dòng)機(jī)理與泥石流-攔擋壩相互作用研究

張座雄, 劉興榮, 王喜紅, 王 磊,3, 時(shí) 巖,3

(1. 甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所, 甘肅 蘭州 730000;2. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050;3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

中國是泥石流災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一,平均每年因泥石流災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失超過20億元,人員傷亡高達(dá)300～600人[1]。泥石流按其動(dòng)力成因可分為土力類和水力類,土力類泥石流研究成果顯著[2-5],而水力類泥石流由于具有暴發(fā)頻率低、間歇周期長、不易識(shí)別等特點(diǎn),一直是泥石流災(zāi)害防治中的薄弱環(huán)節(jié)[6]。此外,受汶川地震影響,我國西部山區(qū)發(fā)生大量滑坡、崩塌,據(jù)估算僅龍門山地區(qū)新增固體物源量便高達(dá)55.86億t[7],震后泥石流將活躍10～15年[8]。受地形地貌等條件影響,崩滑體在震后十年間大量進(jìn)入溝道,轉(zhuǎn)化為溝道堆積體,甚至完全堵塞主溝,形成堰塞壩[9]。加之近年來受極端氣候影響,局地暴雨事件頻發(fā),流域徑流匯集壩后形成堰塞湖。該類松散堆積壩具有弱黏結(jié)性、強(qiáng)滲透性等特點(diǎn)[10],在滲透水壓作用下,較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生潰壩,形成潰決洪水,劇烈沖刷侵蝕溝內(nèi)下游松散物質(zhì),規(guī)模不斷放大,最終發(fā)育為溝道泥石流。該類泥石流流量大,沖擊力強(qiáng),對(duì)下游攔擋工程的破壞性極強(qiáng)[11-13]。如圖1(a)所示,汶川地震后舟曲三眼峪溝道內(nèi)大量崩滑體堵塞溝道,形成堰塞壩,壩體潰決后形成的潰決洪水劇烈沖蝕松散堆積體,導(dǎo)致溝床下切[圖1(b)],放大泥石流規(guī)模,加劇了下游攔擋壩損毀程度[圖1 (c)]。

溝內(nèi)松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下啟動(dòng)形成的泥石流多為水力類泥石流,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此類泥石流形成機(jī)理的研究已取得大量成果。日本的Takahashi[14-15]基于Bagnold顆粒流理論,推導(dǎo)出了水力類泥石流的啟動(dòng)機(jī)理和臨界啟動(dòng)條件;美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局將水力類泥石流啟動(dòng)機(jī)制稱為“消防管效應(yīng)”,即快速集中的暴雨徑流強(qiáng)烈沖刷松散堆積物,使其在較緩坡度下也能轉(zhuǎn)化為泥石流[16];崔鵬[17]認(rèn)為在一定徑流深度下,當(dāng)固體顆粒所受剪切力大于抵抗力時(shí)便發(fā)生啟動(dòng);莊建琦等[18]總結(jié)了震后松散堆積體在不同坡度下的三種啟動(dòng)模式;屈永平等[19-20]、吳永等[21]分析了水深和孔隙水壓力對(duì)堆積體滲透破壞的影響。在潰決洪水方面,Liu等[22]依據(jù)我國堰塞壩類型,從潰決洪水的特征、分布、成因等方面進(jìn)行了綜述;Zhou等[23]基于水槽試驗(yàn),研究了上游挾砂水流對(duì)堰塞壩潰決及潰決洪水的影響。潰決洪水對(duì)溝道下游松散堆積體同樣具有極強(qiáng)的侵蝕能力,將放大災(zāi)害規(guī)模,但目前對(duì)潰決洪水沖刷松散堆積體啟動(dòng)機(jī)理的研究還相對(duì)較少。

攔擋壩是泥石流防治的主要工程措施之一,能起到水石分離、穩(wěn)定溝坡等多重作用[24]。目前,在攔擋壩對(duì)泥石流災(zāi)害的防治方面已取得諸多研究成果。例如,陳曉清等[25]基于震后三類泥石流起動(dòng)機(jī)理,提出了利用不同開孔率攔擋壩分級(jí)攔淤穩(wěn)定物源的方法;劉興榮等[26]對(duì)隴南地區(qū)65道攔擋壩的破損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),總結(jié)了攔擋壩的易損部位及其設(shè)計(jì)優(yōu)化措施;董耀剛等[27]基于水槽試驗(yàn)對(duì)攔擋壩泄水涵洞調(diào)控性能進(jìn)行了研究,證實(shí)預(yù)留泄水孔可減小壩后孔隙水壓力,降低泥石流破壞;賈世濤等[28]通過改變泥石流容重、壩的開孔率等控制參數(shù),研究泥石流壩在過壩前后的性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)攔擋壩對(duì)稀性泥石流的“攔粗排細(xì)”作用最為突出。綜上所述,當(dāng)前學(xué)界對(duì)攔擋壩防治機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面均有所關(guān)注,但鮮有針對(duì)泥石流與攔擋壩作用過程中壩后淤積體相關(guān)土水參數(shù)響應(yīng)過程的深入研究,而探明松散堆積體沖刷啟動(dòng)形成的泥石流壩后淤積過程及二者相互作用機(jī)理,對(duì)豐富泥石流防治機(jī)理與相關(guān)防治工程優(yōu)化具有重要意義。

因此,本文基于水槽試驗(yàn)?zāi)M潰決洪水→堆積體啟動(dòng)→泥石流→攔擋全過程,通過監(jiān)測(cè)堆積體啟動(dòng)及壩后淤積體土水參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)響應(yīng)變化規(guī)律,分析堆積體沖刷啟動(dòng)機(jī)制及啟動(dòng)形成的泥石流與攔擋壩相互作用機(jī)理,以期為泥石流災(zāi)害防治提供理論與技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝備及儀器布設(shè)

本試驗(yàn)在甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所滑坡泥石流試驗(yàn)室進(jìn)行。如圖2所示,試驗(yàn)裝置主要由供水箱、水槽、堆積區(qū)、采集系統(tǒng)和廢料處理系統(tǒng)組成。供水箱最大蓄水容量為1 m3,供水流量由水泵和高度可調(diào)的水閘組合控制,可調(diào)范圍為30～100 L/min。試驗(yàn)平臺(tái)可調(diào)整坡度范圍為0°～40°,溝道泥石流溝床坡度大多在8°～25°之間[14]。經(jīng)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)確定,當(dāng)試驗(yàn)平臺(tái)坡度設(shè)為9°,潰決水量設(shè)為0.3 m3時(shí),溝道內(nèi)固體物質(zhì)能被水流全部攜卷帶走,可觀察到完整的試驗(yàn)現(xiàn)象,因此設(shè)置潰決水量為0.3 m3。水槽寬50 cm,全長650 cm,底部為不銹鋼板,兩側(cè)有機(jī)玻璃板厚5 mm,其光滑程度可近似忽略邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of the test setup

如圖3所示,為模擬溝道松散堆積體啟動(dòng)與攔擋壩相互作用過程,在距上游出水口270 cm處布設(shè)梯形堆積體,在堆積體下游170 cm處設(shè)置攔擋壩,并在堆積體內(nèi)部及攔擋壩后布設(shè)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、基質(zhì)吸力傳感器、體積含水率傳感器和采集箱組成,其中三種傳感器合為一組,沿中軸線布設(shè)在水槽底部,共布設(shè)四組。各組傳感器布設(shè)位置如圖3(a)所示,堆積體內(nèi)傳感器間隔30 cm,記為1、2;壩后70 cm、10 cm處各有一組傳感器,記為3、4。

圖3 堆積體、攔擋壩模型尺寸及傳感器布設(shè)圖(單位:cm)Fig.3 Model size of the deposit and retaining dam and layout of sensors (Unit:cm)

泥石流沖擊力與壩后泥位是攔擋壩設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。為監(jiān)測(cè)攔擋壩壩后沖擊力與泥位變化,如圖3(a)所示,在攔擋壩底部安裝振動(dòng)加速度傳感器(A),間接表征沖擊力變化;在攔擋壩上部安裝激光測(cè)距儀(D),記錄壩后泥位變化。同時(shí),分別在堆積體與攔擋壩上部及試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)面各布設(shè)一臺(tái)高清攝像機(jī),保證高清記錄試驗(yàn)全過程。堆積體及攔擋壩模型尺寸詳見圖3(b)、(c),傳感器主要參數(shù)及編號(hào)列于表1。

表1 傳感器型號(hào)及布設(shè)位置

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土樣取自甘肅省甘南州舟曲縣三眼峪溝溝口1號(hào)攔擋壩后約500 m處。將取回的土樣分批曬干、去除雜草及20 mm以上的大顆粒,以滿足試驗(yàn)要求,再采用四分法選取適量土樣進(jìn)行多次顆粒篩分試驗(yàn),得到的顆粒級(jí)配曲線如圖4所示。

圖4 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Particle-size distribution curve of soil samples

周必凡[29]提出試驗(yàn)土樣最大粒徑需小于模擬槽寬度的1/5,即:

n≥5dmax

(1)

式中:n為試驗(yàn)槽寬度,取50 cm;dmax為土樣最大粒徑。經(jīng)計(jì)算,土樣滿足試驗(yàn)要求,將土樣按堆積體尺寸自然堆放于溝道內(nèi)。土樣的物理力學(xué)參數(shù)列于表2。

表2 土樣物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)現(xiàn)象可分為前后兩部分,前半部分為松散堆積體的沖刷啟動(dòng)(圖5),后半部分為啟動(dòng)泥石流與攔擋壩相互作用(圖6)。如圖5(a)所示,當(dāng)潰決洪水抵達(dá)堆積體坡腳時(shí),水流速度大于坡體的入滲速率,于坡前蓄積;4 s后便完全漫過坡頂,形成漫頂徑流[圖5(b)];徑流先是帶走表面細(xì)顆粒,隨后不斷下切,發(fā)生溯源侵蝕和側(cè)蝕[圖5(c)];侵蝕物質(zhì)來不及堆積便被水流快速?zèng)_刷攜卷,最終堆積體潰決,形成貫通水流路徑[圖5(d)]。剩余固體物質(zhì)在水流沖刷作用下,前緣崩塌,帶動(dòng)后緣崩解,最終固體物質(zhì)被完全啟動(dòng)。

圖5 堆積體沖刷啟動(dòng)過程Fig.5 Scour initiation process of the deposit

圖6 攔擋壩攔擋過程Fig.6 Blocking process of the retaining dam

如圖6(a)所示,堆積體啟動(dòng)轉(zhuǎn)化為水石流向下游運(yùn)動(dòng),泥石流龍頭受攔擋壩阻擋,大顆粒停滯淤積并堵塞泄水系統(tǒng),造成壩后泥位上升;直至與溢流口平齊,水體裹挾細(xì)顆粒翻越攔擋壩[圖6(b)];64 s后堆積體完全啟動(dòng),壩后淤積體趨于穩(wěn)定[圖6(c)];隨后潰決洪水流量逐漸減小,水流逐漸變清[圖6(d)]。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得壩后淤積體最長距離115 cm,最大高度11 cm,回淤比降為9.6%。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 體積含水率變化特征

洪水沖刷下堆積體各位置處體積含水率變化如圖7(a)所示,可見體積含水率整體呈先增后減的“單峰”變化規(guī)律。其中,堆積體內(nèi)含水率傳感器H4最先響應(yīng),50 s后激增至75%,隨后又迅速降低,穩(wěn)定在46%左右。這主要是因?yàn)闈Q洪水翻越堆積體后匯集于攔擋壩處,導(dǎo)致含水率激增;隨后固體物質(zhì)逐漸淤積并堵塞排水系統(tǒng),挾砂水流沿溢流口下泄,下泄流量與攔擋壩排水流量實(shí)現(xiàn)均衡;穩(wěn)定一段時(shí)間后,洪水流量減小,攔擋壩排水速率大于入滲速率,含水率降低。H3也呈現(xiàn)類似規(guī)律,不過其響應(yīng)時(shí)間滯后H4約100 s,且峰值含水率較小,約為25%。H1、H2峰值含水率均小于30%,這是因?yàn)闆_刷水流剛?cè)霛B至傳感器附近,土體便被迅速攜卷帶走。由于堆積體主要發(fā)生溯源侵蝕,H1響應(yīng)時(shí)間滯后H2約30 s。

圖7 堆積體及壩后相關(guān)參數(shù)變化圖Fig.7 Variation of the deposit and related parameters after the dam

3.2 基質(zhì)吸力變化特征

潰決洪水沖刷下堆積體不同位置處基質(zhì)吸力變化如圖7(b)所示,可見堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力呈下降趨勢(shì),壩后淤積體基質(zhì)吸力變化幅度較小。由于水體快速翻越堆積體,而入滲速率較低,因此壩后基質(zhì)吸力傳感器J3、J4響應(yīng)時(shí)間先于堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力傳感器J1、J2。壩后基質(zhì)吸力均出現(xiàn)小幅波動(dòng),傳感器J4最先變化,50 s內(nèi)從初始值10.6 kPa增至11.0 kPa,隨后基本穩(wěn)定;J3在130 s時(shí)出現(xiàn)小幅波動(dòng),后穩(wěn)定在10.9 kPa。J2在130 s后基質(zhì)吸力急速降低,由開始的12.3 kPa降至10.8 kPa。幾乎在J2數(shù)值穩(wěn)定的同時(shí),J1開始迅速降低,由最初的14.8 kPa波動(dòng)降至11.8 kPa,變化幅度為3 kPa。這與試驗(yàn)現(xiàn)象較為一致,由于堆積體主要發(fā)生溯源侵蝕,因此J1、J2在響應(yīng)時(shí)間上呈現(xiàn)先后響應(yīng)關(guān)系。

3.3 孔隙水壓力變化特征

潰決洪水沖刷下堆積體不同位置處孔隙水壓力(以下簡稱孔壓)變化如圖7(c)所示,可見孔壓變化總體呈先快速增加后緩慢降低的趨勢(shì)。水體漫過堆積體上表面后,KY3最先響應(yīng),呈波動(dòng)上升趨勢(shì),在50 s后達(dá)到峰值0.9 kPa,隨后緩慢下降。KY4滯后于KY3約20 s,曲線整體走向與KY3類似,但其峰值時(shí)間略早于KY3,峰值也略高,為1.2 kPa。這與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合較好,即水石流率先到達(dá)KY3,但由于壩后淤積KY4處水位快速上升,導(dǎo)致孔壓增長較為迅速。在壩后孔壓達(dá)到峰值的同時(shí),堆積體內(nèi)孔壓開始激增,KY2響應(yīng)時(shí)間稍早于KY1,達(dá)到峰值1.1 kPa后趨于穩(wěn)定;KY1與KY2曲線具有高度相似性,表明兩處的固體物質(zhì)啟動(dòng)模式高度相似。

3.4 振動(dòng)加速度與泥位變化特征

攔擋壩振動(dòng)加速度與泥位變化如圖7(d)所示,可見攔擋壩振動(dòng)加速度整體呈波動(dòng)狀態(tài),但存在兩次較大的波峰;壩后泥位呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化特征。開始時(shí)攔擋壩處于空庫狀態(tài),30 s后挾砂水流沖擊壩后,此時(shí)振動(dòng)加速度較小,為0.03 m/s2;隨后水石流于壩后淤積,當(dāng)庫容為半庫時(shí),振動(dòng)加速度達(dá)到第一波峰值1.29 m/s2,15 s后加速度達(dá)到第二波峰值1.22 m/s2,幾乎同時(shí)泥位也達(dá)到峰值95 mm,此時(shí)已達(dá)滿庫狀態(tài);隨后洪水流量降低,堆積體已完全啟動(dòng),振動(dòng)加速度與泥位趨于穩(wěn)定。這說明剛開始堆積體細(xì)顆粒啟動(dòng),其容重小,且攔擋壩能很好地驅(qū)使水石分離,因此其沖擊力較小,隨著堆積體部分啟動(dòng),挾帶大顆粒的泥石流龍頭沖擊攔擋壩,出現(xiàn)第一次沖擊峰值,且為最大值。由于前期泥石流固體物質(zhì)壩后淤積導(dǎo)致攔擋壩泄水孔被堵,造成攔擋壩排水不暢,水石分離效果減弱,因此后續(xù)泥石流固液體同時(shí)沖擊攔擋壩壩體,攔擋壩壩后泥位和沖擊力幾乎同時(shí)升高,出現(xiàn)第二次沖擊峰值,但其沖擊力相對(duì)較小。

4 討論

4.1 溝道松散堆積體沖刷啟動(dòng)機(jī)理分析

為進(jìn)一步討論潰決洪水沖刷條件下堆積體的啟動(dòng)機(jī)制,對(duì)體積含水率、基質(zhì)吸力和孔隙水壓力之間的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析。如圖8所示,堆積體內(nèi)基質(zhì)吸力與體積含水率呈現(xiàn)“此消彼長”的變化規(guī)律:140 s時(shí),H2達(dá)到峰值含水率,同時(shí)J2開始緩慢降低;190 s時(shí)H1達(dá)到峰值含水率,同時(shí)J1也開始緩慢降低。這說明水分入滲,坡底含水率上升,相應(yīng)基質(zhì)吸力也隨之降低。

圖8 體積含水率與基質(zhì)吸力隨時(shí)間響應(yīng)Fig.8 Responses of volumetric water content and matric suction with time

如圖9所示,基質(zhì)吸力與孔壓整體也呈“此消彼長”的變化規(guī)律:80 s時(shí)KY1達(dá)到峰值1.6 kPa,同時(shí)J1也由14.9 kPa開始緩慢降低?；|(zhì)吸力與孔壓此消彼長,土粒間相互作用不斷減弱,在水流沖刷作用下土粒被逐漸剝蝕,因此含水率曲線呈現(xiàn)“陡升陡降”的響應(yīng)規(guī)律。位置2處的含水率、基質(zhì)吸力、孔壓響應(yīng)時(shí)間都明顯先于1處,響應(yīng)曲線形態(tài)高度相似,說明侵蝕過程主要為堆積體后端向前端發(fā)育的溯源過程。

對(duì)松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下的溯源侵蝕力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析。若堆積體飽和深度為h(cm),根據(jù)王彥東等[30]提出的震后崩滑體沖刷啟動(dòng)判別公式[式(2)],將試驗(yàn)參數(shù)代入,所得比值為0.53,不滿足啟動(dòng)條件,說明堆積體不能發(fā)生整體啟動(dòng),此時(shí)堆積體主要發(fā)生表面沖刷啟動(dòng)。

(2)

式中:τs為下滑力(kPa);τf為抗滑力(kPa);ρ0為徑流密度,取1.0 g/cm3;g為重力加速度(m/s2);θ為坡度(°);μ0為摩阻流速(m/s)。

τ=γhwJ

(3)

式中:γ為徑流容重(g/cm3);hw為徑流厚度(cm);J為水力比降。

在τ1剪切作用下,表面細(xì)顆粒砂石啟動(dòng),發(fā)生面蝕,徑流沖刷至坡體后緣線,坡度驟降,徑流流速陡然加大,局部比降增加,切應(yīng)力增加至τ2。如圖10(a)所示,徑流沿坡體后緣薄弱處發(fā)生局部剪切破壞,被剪切的大顆粒砂石來不及沉積便被高速水流攜卷帶走,形成切溝。如圖10(b)所示,切溝形成陡坎跌水,產(chǎn)生徑流橫向剪切力τ3,致使切溝向溝壁、溝底迅速擴(kuò)展。

圖10 堆積體沖刷侵蝕破壞過程Fig.10 Process of the erosion damage induced by scouring of the deposit

4.2 堆積體沖刷啟動(dòng)泥石流與攔擋壩作用機(jī)理分析

進(jìn)一步分析泥石流壩后淤積過程中攔擋壩后土水參數(shù)變化規(guī)律,以體積含水率與孔壓傳感器響應(yīng)變化為例進(jìn)行討論。如圖11所示,前120 s,H4劇烈變化,而其他傳感器幾乎無任何變化,說明前期攔擋壩主要受到來自漫頂水流的沖刷作用,水流主要淤積在壩后,此時(shí)攔擋壩主要受水壓力作用;由于壩兩側(cè)存在水位差,從而產(chǎn)生滲透壓差,導(dǎo)致水體滲出攔擋壩,H4隨之減小;后續(xù)徑流補(bǔ)水與滲透水實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡,H4穩(wěn)定在45%。而120 s后,堆積體已啟動(dòng)轉(zhuǎn)化為泥石流,KY3最先探測(cè)到孔壓值,然后緩慢增加至0.9 kPa;KY4則呈現(xiàn)陡升態(tài)勢(shì),迅速增至1.2 kPa。測(cè)得此時(shí)壩后泥位約為10 cm,其靜水壓理論值為1 kPa,與實(shí)測(cè)值相近,表明在攔擋壩自由滲水條件下壩后淤積體的孔壓主要為靜孔壓。

圖11 壩后體積含水率與孔隙水壓力響應(yīng)Fig.11 Responses of the volumetric water content and pore water pressure behind the dam

溝道內(nèi)松散堆積體在潰決洪水沖刷作用下發(fā)生侵蝕啟動(dòng),轉(zhuǎn)化為水石流并沿溝道運(yùn)動(dòng),在受到攔擋壩阻攔后于壩后淤積。為研究泥石流與攔擋壩相互作用機(jī)理,如圖12所示,取壩后泥石流任意高度Z處單位長度為li的正六面體微元,進(jìn)行x方向的受力分析。圖中W為微元體受到的重力;F動(dòng)為上部泥石流的摩擦動(dòng)力;F阻為下部泥石流的摩擦阻力;F攔為來自攔擋壩的阻力。設(shè)泥石流以流速U沖擊攔擋壩,則攔擋壩等效受到慣性力T,受力方向與運(yùn)動(dòng)方向相同,不考慮后部泥石流對(duì)其作用力,由微元體x方向受力平衡得:

Wx+T+F動(dòng)-F阻-F攔=0

(4)

其中,微元體所受重力W在水平方向上的分力下滑力Wx為:

(5)

式中:ρc為泥石流密度(g/cm3);li為微元體長度(cm)。

假設(shè)微元體以速度u沖擊攔擋壩后u迅速降為0,則可視為發(fā)生完全非彈性碰撞[31]。泥石流內(nèi)存在均勻剪切率du/dz,根據(jù)沖量-動(dòng)量守恒定律:

(6)

式中:Δt為慣性力作用時(shí)間(s);Δm為微元體質(zhì)量(kg);α為泥石流沖擊方向與接觸面的夾角(°)。

又因?yàn)?

(7)

合并式(6)、(7),得:

(8)

上部泥石流對(duì)微元體的摩擦動(dòng)力:

(9)

式中:H為壩前泥深(cm);Z為微元體位置高度(cm)。

大量研究表明[32-34],泥石流依然滿足摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,因此微元體底部的抗剪強(qiáng)度:

τf=(σ-uw)tanφ′+c′

(10)

式中:σ為總應(yīng)力(kPa);uw為孔隙水壓力(kPa)。

聯(lián)系圖11可知,攔擋壩自由滲水條件下,水石流沖擊攔擋壩時(shí)主要為靜孔壓,泥石流體黏聚力一般很小,可忽略不計(jì),因此:

σ=ρsatg(H-Z)cosθ

(11)

uw=ρ0g(H-Z)cosθ

(12)

將式(11)、(12)代入式(10),可得:

τf=(ρsat-ρ0)g(H-Z)cosθ

(13)

因此,下部泥石流的摩擦阻力:

(14)

最后,將式(5)、(8)、(9)、(14)代入平衡方程(4),得:

(15)

(ρsat-ρ0)g(H-Z)cosθtanφ′

(16)

P攔為壩后任意深度處攔擋應(yīng)力,由于泥石流存在底部流速,可設(shè):

(17)

P攔=(H-Z)g[ρcsinθ-(ρsat-ρ0)cosθtanφ′]+

(18)

攔擋壩對(duì)泥石流的攔擋力與泥石流對(duì)攔擋壩的沖擊力是一對(duì)相互作用力,大小相等,方向相反。式(18)右邊第一項(xiàng)為靜力平衡所提供,第二項(xiàng)為動(dòng)力平衡所提供,因此:

P沖=P攔=P靜+P動(dòng)

(19)

對(duì)P沖沿深度積分,即得壩后泥石流整體沖擊力:

由式(20)可知,泥石流整體沖擊力與壩后孔壓呈反比,與流速的平方呈正比。式(20)是基于顆粒流理論與有效應(yīng)力原理推導(dǎo)得出的壩后整體沖擊力計(jì)算公式,彌補(bǔ)了現(xiàn)有計(jì)算公式未考慮壩后孔壓的不足,可應(yīng)用于透水式攔擋壩設(shè)計(jì)中。然而,它也存在部分局限:(1)以上所有推導(dǎo)過程為x方向的一維計(jì)算,其隱含假設(shè)為泥石流在yoz平面內(nèi)均勻分布,而實(shí)際上泥石流堆積體在橫向、縱向上并非均勻分布[35-36],因此H取壩后平均淤積高度;(2)顆粒流理論在固液兩相流中適用性較高,而在黏性流體中存在不足[31]。因此式(20)可作為水石流壩后整體沖擊力的初步估算。

5 結(jié)論

汶川地震后我國西部山區(qū)溝道內(nèi)形成了大量由松散堆積體構(gòu)成的堰塞壩,這些堰塞壩在潰決洪水沖刷作用下極易轉(zhuǎn)化為泥石流,從而放大泥石流規(guī)模,對(duì)下游攔擋工程破壞性極強(qiáng)。本文基于水槽試驗(yàn),分別對(duì)松散堆積體啟動(dòng)和攔擋壩攔擋過程中體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力、振動(dòng)加速度等相關(guān)參數(shù)的響應(yīng)進(jìn)行分析,并對(duì)堆積體沖刷侵蝕啟動(dòng)機(jī)制與攔擋壩所受沖擊力進(jìn)行理論分析,得到以下結(jié)論:

(1) 潰決洪水沖刷作用下,溝道內(nèi)松散堆積體啟動(dòng)以溯源侵蝕、側(cè)蝕為主。侵蝕過程中,體積含水率先增后減,最終降為0;孔隙水壓力緩慢增長至峰值,而基質(zhì)吸力呈波動(dòng)下降。泥石流于壩后淤積過程中,體積含水率先增后減,隨后達(dá)到排淤平衡而穩(wěn)定在某一范圍,孔隙水壓力達(dá)到峰值后緩慢下降,且峰值孔壓約為最大靜水壓力。

(2) 攔擋壩攔淤過程中出現(xiàn)兩次沖擊峰值,第一次主要為大顆粒直接沖擊攔擋壩,沖擊力最大,振動(dòng)加速度為1.29 m/s2;第二次為固液混合流沖擊,沖擊力較大,振動(dòng)加速度為1.22 m/s2,同時(shí)泥位達(dá)到峰值95 mm。

(3) 泥石流對(duì)攔擋壩的沖擊力由靜、動(dòng)沖擊力兩部分組成,靜沖擊力與壩后孔壓呈正比,動(dòng)沖擊力與流速的平方呈正比。