泥石流攔砂壩回淤坡度影響因素的研究

李子文 李俊豪 陳思仲 蔣亮

摘要：回淤坡度對攔砂壩的庫容和工程效益有顯著的影響。筆者考慮泥石流攔砂壩的底坡坡度、泥石流容重和粘粒含量三個因素對回淤坡度的影響。結(jié)果分析表明：（1）溝槽坡度在試驗中起著主導作用，顯著地影響著試驗結(jié)果，屬于主要因素。容重和粘粒含量均為顯著因素，都對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。（2）回淤坡度與容重、粘粒含量和溝槽坡度均呈正相關(guān)，回淤坡度隨泥石流容重、粘粒含量以及溝槽坡度的增加而增大。

關(guān)鍵詞：泥石流攔砂壩;回淤坡度;粘粒含量;溝槽坡度;泥石流容重

第1章 引言

泥石流是我國常發(fā)的一種危害巨大的自然災害，衡量攔砂壩能力的重要參數(shù)之一是攔砂壩庫容，而庫容又與回淤坡度密切相關(guān)。國內(nèi)學者在泥石流攔砂壩回淤坡度方面的研究，主要是集中在分析攔砂壩壩高、溝槽坡度、泥石流沖出量等對回淤坡度影響[1]～[5]。但是，目前在粘性土含量對回淤坡度影響方面的研究還很欠缺，同時粘性土含量對泥石流的性質(zhì)又有很大的影響。基于此，筆者設(shè)計了16組正交試驗研究泥石流容重，粘粒含量和溝槽坡度與回淤坡度的關(guān)系，研究這三者與回淤坡度的關(guān)系，進而可以為泥石流攔砂壩庫容的估算及設(shè)計提供參考。

第2章 試驗設(shè)計

2.1 理論依據(jù)

2.11 此次實驗采取正交試驗[6]，采用連續(xù)堆積的方式，即后一次堆積在前一次堆積的基礎(chǔ)上堆積，相當于壩后發(fā)生多次泥石流堆積，直至壩后回淤坡度趨于穩(wěn)定。每次堆積間隔時間為5分鐘，直至攔砂壩堆積完成為止。

2.12 泥石流攔砂壩的庫容可由下式計算確定[7]

式中， h為攔砂壩凈高;b為溝床寬度;i為溝床坡度;為回淤坡度

2.14 回淤坡度的計算公式

在此，我們引用河道平均縱坡的計算方法[8]，將試驗測量值代入式（2-2）得到各組試驗回淤坡度值。式中：L為堆積體回淤長度;J為槽內(nèi)泥石流的回淤坡度;為各測量點的相對高程;為各測量點間距。

2.2試驗材料與設(shè)備

2.21 試驗設(shè)備包括水槽、攔砂壩模型;試驗工具包括攪拌桶、篩子、電子秤、鋼尺，鐵鍬、廢料收集盆等;試驗材料包括天然礫石（粒徑不大于30mm）、天然河沙、粘性土，水等。

2.22 水槽如圖1所示，長3000mm，寬300mm，高500mm，可在0°30°之間任意調(diào)整角度;攔砂壩模型采用亞克力板，長300mm，高100mm，厚8mm，攔砂壩模型固定在水槽出口以上20cm處，且在泥石流的沖擊下不會發(fā)生沿水槽方向的位移。廢料收集盆為長方形塑料盆，長80 cm，寬45 cm，高30 cm。

2.23 試驗所用材料均為天然狀態(tài)下干燥材料，試驗物料級配較寬，泥石流的顆粒級配曲線如圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)記錄

試驗考慮3個影響因素，每個因素取四個水平。容重從，泥石流類型包含了稀性、過度和粘性泥石流，所選容重具有代表性;粘粒含量考慮實際情況選取5%35%的泥石流漿體體積作為粘性土含量;溝槽坡度考慮試驗設(shè)備及實際情況選取范圍為100‰400‰。

2.4實驗操作

試驗時，首先調(diào)整好溝床坡度，然后在水槽的下部固定好攔砂壩模型。攝像機架設(shè)在水槽正面，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，測量數(shù)據(jù)，用于計算回淤坡度。每次試驗均需測量并計算回淤坡度，最終得到不同溝床坡度、粘粒含量和溝床坡度組合條件下的回淤坡度，進而分析這三者對回淤坡度的影響規(guī)律。

第3章 結(jié)果分析

3.3.1 極差分析

對于精度要求不高的試驗，根據(jù)水平極差R的大小就能決定主要和次要因素，某因素的極差為

極差越大，說明該因素在試驗水平變化對指標值影響越大。依據(jù)上式，計算得出該試驗中主要因素極差值為

C = 74.19

B = 66.52

A = 50.31

根據(jù)3-2可知，溝槽坡度極差值最大，為74.19，表明了溝槽坡度對回淤坡度的影響最大，為主要因素，粘粒含量及容重依次減少，為次要因素。但是由于極差法處理的試驗數(shù)據(jù)精度較低，風險較大，但同時較為簡便。

3.3.2 方差分析

試驗數(shù)據(jù)總變差的自由度為全體數(shù)據(jù)個數(shù)n - 1，即

同樣，各因素變差的自由度為其水平數(shù)減1，則有

空列即試驗誤差的自由度為總變差自由度與全體因素自由度代數(shù)和之差，由于只有一個空列，即

由方差定義可知，各因素及試驗誤差的方差分別為

方差大小反映了因子對試驗指標均值的偏離程度。數(shù)值越大，表明該因素水平的微小變動會導致指標值的較大波動，即靈敏度很高。因此，方差最大的為主要因素，反之，方差值很小，甚至比試驗誤差Se還小，說明該因素水平值較大變動所導致試驗指標值的波動微弱，反映遲鈍，可以將這類因素的方差合并到試驗誤差當中，記為當量誤差，稱這一類因素為摒棄因素，在試驗過程中應當考慮放棄。在主要因素和摒棄因素之間的屬于次要因素。

從計算結(jié)果得知，因此本試驗方案中無摒棄因素，于是試驗誤差的方差為

然后進行統(tǒng)計量F的計算，可以得出哪一個因素在試驗過程當中起著主導作用，是否顯著地影響著試驗結(jié)果，以及影響程度如何。計算結(jié)果如下：

根據(jù)顯著性，和，表示因素的自由度f1和試驗誤差f2，查F檢驗的臨界值表，得分別為

由此可見，容重、粘粒含量和溝槽坡度在泥石流回淤坡度的研究中均屬于特別顯著因素，在下表中用***表示。

3.3.3 貢獻率

從方差中扣除試驗誤差的干擾部分，剩余值為因素的純變差。純變差占總變差的百分比稱為該因素對試驗指標的貢獻率。根據(jù)貢獻率的大小，可進一步對主要因素作出判斷。

因素A、B和C的純變差分別為

剩余試驗誤差為

因素A、B、C及試驗誤差對指標的實際貢獻率為

由此可見，因素A、因素B和因素C的貢獻率要大于試驗誤差，其次，盡管因素A、因素B和因素C都屬于特別顯著因素，但是因素C的實際貢獻率明顯要比因素A和因素B大的多，進一步佐證了因素C即溝槽坡度是試驗的主要因素;而因素A、因素B均為次要因素。

結(jié)論

在泥石流攔沙壩后回淤坡度的試驗研究過程中，發(fā)現(xiàn)試驗工作量巨大，需要耗費大量的時間和人力，對于容重、粘粒含量和溝槽坡度對回淤坡度的影響程度并不了解。因此本章設(shè)計了16組正交試驗，利用正交試驗綜合可比的特點，構(gòu)建正交表，具體內(nèi)容如下：（1）正交試驗的原理和特點，正交試驗是采取部分試驗來代替全面試驗的方法，了解全面試驗的情況，具有均衡搭配和綜合可比兩個特點。（2）正交表的構(gòu)造方法，并根據(jù)容重、粘性含量以及溝槽坡度3個試驗變量組成了的不等水平正交表。（3）通過對試驗結(jié)果進行分析，計算其方差、極差以及貢獻率，得出溝槽坡度的方差和貢獻率最大，分別為、，即溝槽坡度在試驗當中起著主導作用，顯著的影響著試驗結(jié)果，屬于主要因素。容重和粘粒含量的方差和貢獻率都大于誤差方差，都對試驗結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響，無摒棄因素。

討論

本文主要通過室內(nèi)水槽試驗研究了泥石流回淤坡度與溝槽坡度、泥石流容重和粘粒含量的關(guān)系，但由于試驗條件和本人能力有限，尚存在以下問題需要做后續(xù)試驗進一步討論：

（1）由于試驗放置物料所用的漏斗并不能完全將泥石流液體攔住，因此存在部分損失，雖然這部分損失在泥石流配比中已經(jīng)有所考慮，但未具體測量損失的量，對試驗結(jié)果存在一定影響。

（2）為保證泥石流各物料能充分混合均勻，在試驗開始前需不斷攪拌，由于試驗條件有限，這部分攪拌未能很充分的完成。

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基金：西南科技大學大學生創(chuàng)新基金項目精準資助專項資助（JZ21-080）