攔砂壩作用下泥石流堆積模型實驗研究

李軍LI Jun

（中鐵十五局集團有限公司，上海 200070）

0 引言

泥石流攔砂壩是建在泥石流形成區或形成區-流通區溝谷段內的一種橫斷溝床的人工建筑物。修建攔砂壩即可攔蓄砂石，減少固體物質供應量，又可分離水土，抬高溝床侵蝕基準，穩固溝岸，控制岸坡啟動物質，達到抑制泥石流形成或減小泥石流發生頻率和規模等目的。關于泥石流堆積的問題，已有眾多學者對其進行了研究。王裕宜等通過泥石流堆積實驗研究，得出了泥石流堆積范圍與形態比的堆積模式；唐川采用數學分析的方法對泥石流堆積過程進行了動態模擬；劉希林等采用泥石流現場模型實驗，探討了泥石流堆積形態的特征；李泳等通過野外觀測和實驗模擬，對泥石流堆積厚度的分布進行了估計；賈世濤等結合室內水槽模型實驗，分析了在不同條件下攔沙壩對泥石流性能的調節。

當前西部山區修建大量泥石流攔砂壩，其防治效益被大家所認知，但對其攔截過程中的泥石流相關參數定量變化研究較少，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。本文通過現場模型實驗，模擬不同設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和規模的變化，以期優化攔沙壩的設計的基本設計原則和方法，為今后泥石流防治工程設計提供科學依據。

1 實驗設計

1.1 實驗土體的基本性質

為了模擬泥石流啟動、形成過程，研究泥石流的堆積性能，實驗樣品取自中巴公路沿線k1562處托卡依溝泥石流堆積區（圖1），該溝為降雨型泥石流溝且發生頻率高且危害大。首先對試樣進行顆粒分析，然后將樣品風干待用，實驗土則去除粒徑大于60mm的顆粒，其余各粒徑組的重量百分比與原狀土體相應粒徑組的重量百分含量相等，隨機采取了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 實驗模型與設備布設

1.2.1 攔砂壩

本次實驗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驗土體的粒徑為4-6cm，根據規范要求，攔砂壩排泄孔位置盡可能分布在壩體溢流段范圍，孔數不低于2孔，多采取“品字形”交錯布設。由于模型尺寸較小，為維持壩體的結構穩定性，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。穩定性分析的計算結果和實踐均表明采用該結構的攔砂壩處于穩定狀態。

1.2.2 溝道及物源布設

根據實地調查，公路沿線泥石流溝道溝床比降在176‰-364‰之間。本實驗模擬特定的天然泥石流溝谷形態，溝床坡度分兩段，攔砂壩后0-1.25m范圍內，溝床坡度定為15°，泥石流溝溝道兩側坡度約為80°，1.25-2.25m范圍內溝床坡度定為18°，溝道兩側坡度約為40°，以模擬天然泥石流溝床形態（圖2（b））。

圖2 泥石流攔砂壩模型與溝床形態實驗模型

實驗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。本實驗取25°坡度作為形成區坡度，將松散土體作為泥石流實驗物源。設定標準流量為Q=100L/min，使水流經水管抵達堆積的松散物源處。

1.3 實驗方法

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

表1 實驗過程中不同工況的基本參數

2 實驗過程及現象

2.1 攔砂壩空庫狀態下的實驗過程及現象

當攔砂壩處于空庫狀態，從泥石流進入攔砂壩庫區開始，直至攔砂壩下游處出現泥石流，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，經過流通區，到達攔砂壩處；②減速并開始淤積：泥石流體在抵達攔砂壩后，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，泥石流體開始出現分層，固體物質開始沉淀，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，進入攔砂壩庫區的流體總量增加，使得淤積的固體物質增多，導致泥石流體的泥位升高，直到泥石流體抵達攔砂壩排水孔；④過壩過程：在泥石流體抵達攔砂壩排水孔后，隨著上游泥石流體的注入，泥石流將穿過排水孔向下游運動。

2.2 攔砂壩半庫狀態下的實驗過程及現象

當攔砂壩處于半庫狀態，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。當泥石流規模增大時，如果壩體排水孔通過泥石流能力不足，還會出現快速淤積過程③和翻壩過程④。由于本次實驗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③、④實驗現象，僅B3工況出現了③、④實驗現象。

2.3 攔砂壩滿庫狀態下的實驗過程及現象

當攔砂壩處于滿庫狀態時，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，經過流通區，到達攔砂壩處，此過程與空庫狀態下的過程相似；②翻壩過程：泥石流體抵達攔砂壩溢流口后，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驗過程

3 實驗成果分析

3.1 攔砂壩后的泥沙淤積形態分析

在流量為0.5Q情況下，三種工況的泥沙淤積形態僅在壩后80cm范圍內存在較大差異，當距離大于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，不能進一步使泥石流填滿庫體，沒有充分發揮壩體作用；在流量為0.75Q情況下，泥沙淤積形態分兩部分，具有上陡下緩的特點，在壩體后60cm以內坡度較緩，60-120cm范圍內堆積坡度稍大，壩體排水口處會出現部分堵塞現象；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，由于排水而導致水流沖力較大，泥沙不易淤積，因此坡度較大；壩后20-80cm范圍內，泥沙容易淤積，坡度較緩；壩后80-120cm范圍內，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

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行對比，發現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系，當攔砂壩處于空庫狀態下，攔砂壩的攔截效果最好，攔砂壩前后的粗細顆粒分選較為明顯，隨著攔砂壩壩后堆積物的增加，攔砂壩由空庫變為滿庫，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

攔砂壩存在與否以及其庫容狀態對泥石流的過壩時間及到路時間有著明顯的影響。當無攔砂壩時，泥石流流動速度較快，很快就會到達預設壩體位置并沖擊道路；當存在攔砂壩時，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驗結果，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，最后是滿庫狀態。

實驗結果表明三種工況狀態下，壩下游的泥石流容重隨壩上游容重的降低而呈遞減趨勢，進而擬合出不同庫容狀態下的攔砂壩上下游泥石流容重之間的函數關系式，如圖8。

通過對三種工況下的數據進行趨勢的回歸分析，發現冪指數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的實測值比較后，發現計算值與實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用性。

4 結論

本文通過攔沙壩作用下泥石流堆積模型的實驗研究，主要得出以下結論：①攔沙壩作用下泥石流的的淤積形態與攔砂壩所處的工作狀態和泥石流的動力學參數有關。當攔砂壩處于空庫狀態時，堆積坡度稍小于原始溝道坡度；當攔砂壩處于半庫和滿庫狀態時，淤積形態前緩后陡，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，最后是滿庫狀態。③攔砂壩所處的工況對延后泥石流到達下游時間有較大的影響，空庫的效果最佳，其次是滿庫狀態，最后是半庫狀態。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先級為：空庫＞半庫＞滿庫，并提出響應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系圖