粘性泥石流冲淤与沟床坡度以及泥石流容重的相关性实验研究

2013-09-13刘曙亮刘思孟陈增顺张万晓

电子测试 2013年18期

张承，刘曙亮，刘思孟，陈增顺，张万晓

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆,400074；2.重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆,400074；3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都,610041；4.中国科学院大学，北京,100049）

1 研究背景

进入21世纪以来，我国自然灾害事件频发，其中泥石流是我国众多自然灾害中具有突发性灾变过程的一个灾种, 它在山区各种自然灾害中占有突出地位,成为我国减灾防灾的主要对象。泥石流严重危害山区城镇、交通、农田、工矿和水利工程等,造成严重灾害。仅已查明的泥石流就有15797条, 其中铁路沿线泥石流1294 条。有108 个县级城镇、19个地(州、市)首府城镇和4个省会城镇受到泥石流的威胁或危害。并且伴随我国西部大开发战略的实施，西部城镇和基础设施建设以及资源开发等领域将会得到迅猛的发展。这不可避免地会遇到泥石流问题。伴随着西部大开发的各项建设,会对环境进行大规模的扰动，也会导致人为泥石流的发生, 产生新的灾害。2013年8月25日下午，云南彝良县城朱家沙坝处因暴雨引发山洪和泥石流灾害，公路上洪水和淤泥已可淹没轿车车轮，部分车辆通过此路段时陷入淤泥中而无法动弹，给当地居民的生活带来了极大的困难。因此认识泥石流的沟道淤积规律对泥石流防灾减灾具有重要意义。

游勇等通过对蒋家沟野外现场泥石流及沟床冲淤定位观测，得出了泥石流沟床冲刷深度的极限表达式。赵彦波等通过实验得到了泥石流冲刷深度与泥石流容重，沟床坡度以及物料多少的关系。本文通过实验室模拟实验，对沟床泥石流冲淤深度进行统计学相关性分析。

2 实验设计

2.1 实验设备

本实验在中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所的泥石流模拟实验室内进行。实验装置包括料斗（长50cm，宽40cm，高85cm），可装载泥石流约100L，与水槽固定连接，连接处通过闸门控制流量大小；流通区为长300cm，宽20cm，高30cm的钢架水槽，坡度可自由调节，倾动角度0°～ 20°，侧面为钢化玻璃，玻璃上贴有刻度尺。水槽出口放置尾料回收容器。

2.2 实验物料

为了使实验室模拟实验更加贴近自然发生泥石流时的情况，本实验物料取自高家沟沟口处的泥石流原样。高家沟是岷江右岸的一条支沟，位于都汶公路中段，地处岷江上游河谷。泥石流原样级配包含了粘粒、粉粒、砂砾和砾石等组分。本实验选用的室内模拟实验的物料粒径变化范围从0.002mm到20mm。

图1 实验装置图

图2 实验物料颗粒配图

图3 不同水槽坡度情况下淤积厚度对比表

2.3 实验内容

本实验主要探讨泥石流冲刷深度与沟道坡度以及泥石流体容重的关系。实验开始首先对水槽进行粘性泥石流铺床，用来模拟泥石流沟道被雨水浸润形成径流时的自然沟床状态，然后打开料斗阀门让泥石流冲出，用来模拟泥石流爆发时的情境，铺床物料和泥石流物料均采用上述高家沟物料。实验设计分成两组,第一组设计是在保持铺床泥石流容重2.2 kN·m-3和泥石流容重1.8kN·m-3不变的情况下改变沟床坡度，用以研究泥石流冲淤与沟床坡度的关系；第二组设计是保持沟床坡度为15°和铺床泥石流容重2.2 kN·m-3不变的情况下，改变泥石流容重，用以研究泥石流冲淤与泥石流容重的关系。

本实验整个过程采用精细的手动人工操作，依据实验设计要求，实验前将泥石流用水侵泡24h，用以模拟泥石流形成前该地区的降雨情况。实验开始后，配置铺床泥石流，容重为2.2 kN·m-3，然后将配好的铺床物质搅拌称重后倒入料斗中，反复搅拌使其均匀后，按实验要求调节闸门开口大小，通过自然或人工方式使其均匀铺满3m长的水槽，使铺床厚度为5cm。然后将配好的泥石流体搅拌称重后倒入料斗中，反复搅拌均匀后按实验要求调节闸门开口大小，同时在水槽侧面放置摄像仪以记录泥石流运动过程，待泥石流运动完成后对水槽内淤积厚度进行测量获取实验数据。

3 实验结构分析

图4 不同水槽坡度统计分析箱式图

3.1 数据处理

为了排除其他无关实验因数对实验数据的影响，本文选取距离端口60cm～220cm之间的数据进行分析。本次实验铺床厚度为5cm，泥石流冲淤后水槽中泥石流厚度为h，泥石流相对冲刷和淤积厚度为：H=h-5.

3.2 泥石流相对冲淤和水槽坡度的关系

在保持泥石流铺床容重2.2 kN·m-3，铺床厚度1.8kN·m-3不变的情况下，改变水槽坡度，泥石流单次冲淤实验数据如表1。

表1 不同坡度泥石流冲淤实验数据

分别对区组因素（距水槽出口位置）和实验因素（水槽坡度）进行正态性检验，得出两个因素各水平对应的正态性检验结果p值均大于0.05，故可以认为该定量资料满足正态性要求。运用matlab对实验因素（水槽坡度）进行单因子方差分析，得出p=1.2331e-8＜0.02,说明实验因素（水槽坡度）对观测指标的影响具有统计学意义。

由图3和图4和计算可知，不同坡度情况下，泥石流冲淤深度的大小具有显著性差异。随着坡度的增加泥石流逐渐由淤积状态到冲刷状态。通过对不同坡度冲淤平均值的多项式拟合分析，可得到泥石流冲淤深度（H）与坡度大小（θ）的关系为。

H=-0.0003θ5+0.0199θ4-0.0442θ3+4.5646θ2-21.844θ+39.2831

上述针对粘性泥石流沟道淤泥厚度的预测公式使用范围为：淤积长度3m以内，宽度0.2m的顺直沟道内，并且泥石流铺床容重为2.2 kN·m-3，冲刷泥石流容重为1.8kN·m-3。且坡度范围为4°～19°。

3.3 泥石流相对冲淤和泥石流容重的关系

在保持泥石流水槽坡度为15°，泥石流铺床容重为2.2 kN·m-3的情况下，改变泥石流冲料容重，设计如下实验方案表：

分别对区组因素（距水槽出口位置）和实验因素（泥石流容重）进行正态性检验，得出两个因素各水平对应的正态性检验结果p值均大于0.05，故可以认为该定量资料满足正态性要求。运用matlab对实验因素（泥石流容重）进行单因子方差分析，得出p=0.0006＜0.02,说明实验因素（水槽坡度）对观测指标的影响具有统计学意义。

表2 不同冲料容重泥石流实验数据

图5 不同泥石流容重下泥石流冲淤规律

图6 不同容重下泥石流冲淤箱式图

由和计算可知，不同容重情况下，泥石流冲淤深度的大小具有显著性差异。随着泥石流容重的增加泥石流淤积厚度逐渐增加。泥石流的容重值从稀性流，经过过渡性流、粘性阵性留、粘性连续流，到塑性流的过程中石递增的。在这一过程中，泥石流侵蚀强度有两个高峰，即稀性流和粘性连续流。由实验情况观察可知，在同一坡度下，稀性流的流速明显较快。这也是其加速侵蚀的一个重要原因。