黏性泥石流攔砂壩壩后回淤坡度試驗

趙靜靜 崔佳慧 關 輝 陳興長

(西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010)

泥石流是由水和沙石組成的一種特殊流體，具有暴發突然、流速快、能量大、破壞力強的特點[1-2]，往往造成災害事件。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影響攔砂壩后泥石流的回淤坡度[5-6]。

現階段對泥石流回淤機制的研究主要通過野外試驗進行。吳積善[7]對野外泥石流的回淤規律做了詳細的歸納總結；余斌等[8-9]研究了不同容重下泥石流淤積厚度的經驗計算方法。這些都可以為回淤坡度的研究提供借鑒。目前，國內外學者對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系，回淤坡度與泥石流容重、壩高和流量關系密切[10-14]，但關于泥石流攔砂壩后回淤坡度的研究并不系統，也沒有深入研究他們之間的定量關系。本文以黏性泥石流為例，通過水槽模擬試驗，研究攔砂壩后泥石流回淤坡度的變化規律，分析溝床坡度和壩高對泥石流回淤坡度的影響，探討他們之間的定量關系。

1 試驗設計

1.1 水槽試驗模型

試驗模型包括料斗、水槽、攔砂壩模型3個部分(圖1)。

料斗長50 cm，寬40 cm，高80 cm，設有出料閥門。水槽內寬49 cm，內高80 cm，長度為500 cm，可在0°～30°內任意調節；側壁為透明鋼化玻璃,易于觀察。

此次試驗共制作了3個不同壩高(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 泥石流水槽試驗模型示意圖Fig. 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 試驗物料

此次試驗的泥石流原樣從北川雷家溝的泥石流溝道中采集，試驗物料級配較寬，根據試驗要求，實驗用物料通過顆分試驗得到物料最大粒徑為20 mm，顆粒級配曲線見圖3。

圖3 實驗物料顆粒級配圖Fig.3 Gradation curve of experiment materiel

1.3 試驗方案及操作

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

試驗時，首先調整好溝床坡度，然后在水槽的下部固定好攔砂壩模型。數碼攝像機架設在水槽側面，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，用于計算回淤坡度。

通過改變壩高和溝床坡度，重復以上試驗。每次試驗均需測量并計算壩后回淤坡度，最終得到不同溝床坡度和壩高組合條件下的回淤坡度，進而分析溝床坡度和壩高對回淤坡度的影響規律。

2 結果分析

通過水槽試驗，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據，共12組。試驗結果見表1。

2.1 溝床坡度與回淤坡度的關系

通過對此次試驗結果的整理分析，得到了回淤坡度和溝床坡度的關系曲線，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，運動阻力較大。隨著溝床坡度的不斷增加，泥石流的動能也不斷增加，相應地，克服流體運動阻力的能量就更大，運動速度更快，遇阻后便會迅速地淤積、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)進行擬合后發現，二者呈線性關系：

ik=a×θd+b

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(2)

式中，a,b為系數。擬合結果列于表2。

表2 回淤坡度與溝床坡度的相關關系Table 2 Correlation between gradients of intercepted sediments and slopes of gully bed

2.2 壩高與回淤坡度的關系

攔砂壩的高度不僅影響其攔蓄庫容，試驗表明，還會影響壩后的泥石流回淤坡度。試驗時，不同壩高對回淤坡度的影響，以泥石流完全漫壩后形成的回淤坡度為準。通過對表2試驗數據的分析，得到了回淤坡度與壩高的關系曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出，回淤坡度與壩高呈負相關關系。對于同一組溝床坡度，3組壩高對應的回淤坡度都隨壩高增加而減小。

這是因為在試驗條件相同的情況下，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系Fig. 5 Relation between gradients of intercepted sediments and dam height

由式(1)可得：

(3)

求導得：

(4)

將回淤坡度(ik)和壩高(H)進行擬合后發現，二者也呈線性關系：

(3)

式中，c,d為系數。擬合結果列于表3。

表3 不同溝床坡度下回淤坡度與壩高的相關關系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系

野外調查發現，溝床坡度和壩高通常是共同影響回淤坡度的，試驗結果也證實這一點。由前述研究可以發現，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關系。

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

從圖6可看出，此次試驗中，壩高最大，溝床坡度最小時，測得的回淤坡度最小；反之，回淤坡度則最大。

為了更清晰地得到三者之間的關系，利用Origin軟件中的函數擬合模塊對三者進行擬合，最終建立了回淤坡度ik和溝床坡度θd與壩高H的線性關系：

ik=e+f×θd-j×H

(4)

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

3 結論

通過室內模擬試驗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。具體結論如下：(1)攔砂壩后泥石流回淤坡度隨溝床坡度增加而增大，二者呈線性正相關關系，相關系數在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，二者呈線性負相關關系，相

關系數在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關系。擬合分析表明：ik=e+f×θd-j×H。(4)本文僅僅通過室內試驗探討了三者間的相關關系，下一步將在此基礎上通過大量的現場調查數據，修正模型系數，建立更為精準適用的壩后回淤坡度的計算模型。

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