泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積計算模型探討

黃金燕，張金霞，劉興榮，馬興華，吳慶安，時 巖

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院 甘肅 蘭州；2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所 甘肅 蘭州)

泥石流是我國山區最主要的自然災害之一[1- 2]，具有暴發突然、流速快、能量大、沖刷淤積明顯、破壞力極強等特點[3- 4]，而攔擋壩又是當前減輕泥石流災害最主要的手段之一[5]。

攔擋壩的科學布設在治理規劃中直接關聯著泥石流防治的成效，尤其是其壩后淤積直接反應流域防治的效益，長期以來，受到國內外許多科技工作者的高度重視。前人采用現場調查法[6]、室內模擬實驗法[7- 8]、統計分析法[9]、實測法[10]等手段對各種攔擋壩的壩后淤積特征進行了廣泛的研究，并建立了一系列攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的計算模型。然而，由于泥石流物質組成和動態特征極其復雜、影響因素眾多，盡管這些復雜的計算模型有其理論上的合理性，但其局限性也顯而易見。此外，建立模型的基礎數據往往來自于相應區域的泥石流實例，導致其地域性強，造成使用受限。因此，對泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積計算方法進行梳理迫在眉睫。

泥石流攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的設定是表征泥石流壩后淤積特征最為重要的指標，也是泥石流防治工程設計的關鍵參數。本文旨在歸納和總結國內外相關文獻的基礎上，通過梳理泥石流攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的各種計算方法，比較其優缺點，以方便設計研究人員選擇使用。

1 泥石流攔擋壩有效壩高計算

在進行攔擋壩工程設計時，有效壩高的計算是一項很重要的設計參數，直接決定攔擋壩在泥石流溝道中攔截泥沙的數量[11- 12]。在工程運用中可以按實際情況確定有效壩高，如按使用期多年累積淤積庫容確定或按預防一次或多次典型泥石流的泥沙量確定有效壩高。

1.1 泥石流攔擋壩室內模擬研究

攔擋壩的庫容受泥石流溝道縱坡、寬度、溝床粗糙率系數及有效壩高等因素的控制。李峰[13]、吳鑫[14]等通過模型試驗初步揭示泥石流攔擋壩壩后淤積規律，認為有效壩高與回淤坡度呈二次函數關系，當溝床縱比降一定時，壩后回淤坡度隨有效壩高呈先增大后減小趨勢；崔佳慧[15]以粘性泥石流為例選取泥石流在不同溝床坡度條件下，通過室內模擬試驗得到攔擋壩的壩高與回淤坡度呈負相關關系；而假設當溝床坡度為13°時攔擋壩的壩高和溝床坡度二者擬合相關關系為式(1)所示：

ik=9.26-0.29H

(1)

式中，ik—回淤坡度，H—有效壩高，θd—溝床坡度。

此外，王喜安[16]用KDEAY方法與前人野外考察數據結合，推導出攔擋壩有效壩高度對回淤比降折減系數K、下游侵蝕深度系數E、淤滿程度系數D的影響，其表達式為公式(2)：

(2)

式中，Y—回淤壓腳系數，反應泥石流攔擋壩有效壩高、壩間距設計是否合理及上游壩淤埋嚴重程度；Hb—回淤壓腳高度；Hu—上游壩壩趾距溢流口高度。

以上研究主要為實驗室模擬結果，盡管缺乏現場泥石流淤積特征檢驗，但為下一步建立野外攔擋壩壩后有效淤積提供理論支撐和方法依據。

1.2 泥石流攔擋壩有效壩高計算模型梳理

在工程設計中，為了計算方便，一般都采用經驗公式，而將經驗公式無差別地應用容易造成過度治理(造成浪費)或者不滿足治理要求(達不到治理目的)，為了科學設定泥石流攔擋壩有效壩高，使庫容計算更進一步精細化，學者們建立了不同地區、不同適用范圍的泥石流攔擋壩有效壩高計算公式，見表1。

表1 泥石流攔擋壩有效壩高計算公式

表中，公式(3)和公式(4)形式簡單，應用方便。公式(3)適用于攔擋壩群壩有效壩高與壩間距的計算，可用于設定攔擋壩壩群間距及數量；公式(4)適用于穩定溝岸兩側坍塌、滑坡的有效壩高度設定；對于公式(3)和公式(4)的使用要根據修建攔擋壩的目的，并結合地形條件后選擇使用。公式(5)和公式(6)是以野外調查數據為基礎，采用統計學方法對各項工程進行了治理效果評價，提出了攔擋壩布設總有效壩高的觀點，認為攔擋壩修建并非越多越好，將攔擋壩的數量和總壩高控制在合理范圍內，推動了泥石流防治向更科學和更合理的方向發展；公式(7)是假定壩后泥石流淤積厚度等于零時，確定庫內不同位置處攔擋壩的允許最大有效壩高等工程設計參數；公式(8)和公式(9)則主要考慮了擬攔蓄的固體物質數量，又兼顧了攔擋壩穩固溝床的功能，按支溝和主溝分別進行討論，使相關計算更精細化。

綜上所述，攔擋壩有效壩高應根據實際所需，結合壩址及庫區的地形、地質條件等因素后確定。

2 泥石流攔擋壩壩后淤積坡度計算

攔擋壩壩后淤積坡度是穩固上游溝床、岸坡和計算攔擋壩庫容的一個重要參數[22]，不僅影響攔擋壩的攔截庫容和工程效益，而且關系攔擋工程的預期效果和使用價值，對攔擋壩自身的抗沖蝕性及人民群眾生命財產安全保護的有效性有著舉足輕重的作用[23]。

2.1 壩后淤積坡度經驗公式研究

目前對泥石流淤積坡度的計算研究仍處于室內溜槽模擬試驗或野外調查獲得定性的結論或經驗判斷階段。見表2，匯總了國內外常用的泥石流壩后淤積坡度估算經驗公式，并對其適用范圍進行討論。

表2 泥石流壩后淤積坡度計算公式

由表2知，公式(10)計算壩后回淤縱坡線，將回淤縱坡線、溝道線和攔擋壩合圍的三角形橫斷面面積與溝道寬度的乘積可用于攔擋壩攔蓄庫容的計算；公式(11)從泥石流壩后回淤坡度的機理出發，將壩后淤積與水動力條件建立關聯，并采用實地調查案例對本回淤坡度的研究成果進行驗證，其所得結果誤差較小；公式(12)通過試驗，采用河溝道平均比降的計算方法，建立了壩后淤積體的坡度與長度的函數關系；公式(13)利用Origin軟件對回淤坡度ik溝床坡度θd與壩高H進行了線性擬合，建立了三者的線性相關關系；公式(14)知，在壩高一定的情況下，建立了庫容與回淤坡度的動態關系。這類公式雖然能夠確定攔擋壩的壩后回淤坡度，且計算簡單、便于應用。但存在一定的區域局限性，導致計算結果差較大。

2.2 壩后淤積坡度計算模型梳理

泥石流攔擋壩壩后淤積坡度的研究，一般基于野外調查的類比分析或室內水槽的模擬實驗進行。如國外學者Fleishman[27]、YUAN Dong等[6]通過理論分析和模型試驗對壩后泥石流的回淤縱坡和透過型攔擋壩與實體壩回淤機理的差異作了定量的分析與研究，建立了壩后回淤厚度和縱坡的理論計算方法，但由于公式中的弗勞德數不易確定，因此較難在實際中推廣應用；M.J.Bovis[28]通過簡單的野外統計，得到回淤坡度隨壩高增大而減小，隨溝床縱比降增大而增大的結論，但并沒有從機理上解釋回淤坡度的影響因素，該結論為之后的研究提供了一些參考依據。國內學者依據回淤坡度、溝床坡度和有效壩高等相關關系，結合現場調查數據，修正模擬系數，進而較為精準地研究攔擋壩后回淤坡度變化規律，如吳積善[29]、余斌[30]等通過野外實驗對泥石流壩后回淤規律進行歸納總結，并研究了不同容重下泥石流淤積厚度的計算方法；李峰[13]通過模型實驗得到回淤坡度與溝床縱比降呈正相關關系，與壩高呈二次函數關系，即在一定壩高范圍內，回淤坡度在隨壩高的增大先增大后減??；趙靜靜等[15]通過水槽模擬試驗，研究黏性泥石流的壩后回淤坡度，認為壩后回淤坡度與溝床坡度和有效壩高三者之間呈線性相關，且溝床坡度和攔擋壩高等都會影響攔擋壩壩后泥石流的回淤坡度；吳鑫[14]、吳積善[29]通過模擬試驗，認為粘性泥石流的回淤坡度在底坡坡度的0.76～0.85范圍內，相同壩高情況下，粘性泥石流的回淤坡度較稀性泥石流略大，而回淤坡度隨溝床縱坡增大而增大，二者呈線性正相關關系；祁龍等[18]在對云南大橋河、蔣家溝等泥石流溝進行實地觀測的基礎上，研究了回淤坡度與溝床比降的關系，但僅僅給出了大致的比降變化范圍，未進行相關的定量研究；韓文兵[31]以水石流為研究對象，研究了梳子壩與具有相同切口寬度的實體壩的對比試驗，試驗結果表明，切口密度對回淤坡度有一定影響，同時證明原溝床坡度、物質級配、容重及規模對回淤坡度也有一定影響。

總之，學者們進行了許多野外統計和室內實驗，總結出了一些定性的結論，揭示了攔擋壩壩后泥石流淤積規律，提出了許多估算壩后淤積坡度的經驗和半經驗公式，為后續的研究提供了一些參考。

3 結論

通過對泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積關鍵參數計算的匯總和比較，得出以下結論：由于泥石流在行進中伴隨著復雜的水土動力過程，致使攔擋壩有效壩高及壩后淤積計算方法復雜多變；定性或者定量的經驗公式，存在一定的區域局限性；為方便計算而隨意設定攔擋壩有效壩高及壩后淤積計算模型，容易造成浪費甚至不滿足防護要求的極端情況。

今后，隨著科學技術和探測手段的提升，應不斷修正和細化模型參數，同時將有效壩高和壩后淤積作為一個整體來考慮，建立更為精確且通用的計算模型。