窗口坝拦截泥石流性能试验研究

刘曙亮，游 勇，柳金峰，赵彦波，林雪平

(1.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室， 成都 610041；2.中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049)

窗口坝拦截泥石流性能试验研究

刘曙亮1,2,3，游 勇1,2，柳金峰1,2，赵彦波1,2,3，林雪平1,2,3

(1.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室， 成都 610041；2.中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041；3.中国科学院大学，北京 100049)

泥石流窗口坝是一种常见的泥石流防治工程措施，具有拦砂节流、护床固坡等重要调节功能。为了探寻泥石流的过坝特征，通过室内模拟试验，运用控制变量的方法对不同类型泥石流的过坝情况进行了探讨。试验发现，泥石流过坝前后颗粒组成的变化与泥石流密度相关性较大，在泥石流密度为1 650 kg/m3时，窗口坝对泥石流的筛选能力最强；泥石流过坝后密度降低情况较明显，并且受泥石流窗口坝闭塞类型的影响，不同闭塞类型下泥石流密度降低率具有相似规律，在泥石流密度为1 800 kg/m3左右时，泥石流密度降低率最大；通过回归分析得到了拦排比L与泥石流密度γc的关系式。

泥石流；模拟试验；颗粒组成；密度降低率；拦排比

1 研究背景

在青藏高原隆升和季风气候的背景下，我国地质构造复杂，地形起伏大，降雨集中，泥石流分布广泛，暴发频繁，危害严重[1-3]。为了减轻泥石流对人类生命财产的破坏，人们通常会在比较重要的地方设置防护工程。泥石流拦砂坝是建立在泥石流形成区或者形成流通区内的一种横断沟床的人工建筑物，其主要功能有拦砂节流、护床固坡，控制泥石流发育、减轻沟道侵蚀、利于输沙等[4-5]。

由于泥石流运动规律的复杂性，在特定地区设计泥石流拦砂坝工程时，一些重要的具体参数(坝型、坝体尺寸、窗口坝开口尺寸和数量)难以准确确定。为了探寻泥石流拦砂坝的特性，吕娟等[6]通过试验，建立了泥石流缝隙坝泥砂体积浓度比的多元回归关系式；相群等[7]利用1998年2月印尼内拉毕火山泥石流的实测资料，并结合在泥石流沟布设的缝隙坝的拦蓄现状，研究缝隙坝防治泥石流的拦蓄效果；山水高久等[8-9]对拦砂坝拦砂机理进行了研究，分析了拦砂坝的拦沙作用和作用特点；江崎一博等[10]研究了坝高和河床坡度之间的相关性，论述了拦砂坝的设置对输砂量的影响；游勇[11]通过特殊泥石流试验装置，对泥石流梁式格栅坝拦砂性能进行研究，初步得到梁式格栅坝有全部闭塞、临时闭塞、半闭塞、未闭塞4种闭塞类型。上述针对泥石流拦砂坝的研究没有充分考虑泥石流过坝前后性质的变化，为了探寻泥石流窗口坝的拦截性能，本文通过模拟泥石流过坝试验，改变泥石流密度和泥石流窗口坝坝型等参数，以期得到泥石流过坝前后泥沙含量、密度、拦截泥沙情况等变化规律，为以后类似地区泥石流防治工程提供相关依据。

2 试验概况

2.1 试验设备

本模拟试验在中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室进行，试验主要装置包括料斗(长50 cm、宽30 cm、高70 cm)、概化沟道试验槽(长300 cm、宽20 cm、高30 cm，倾角可调范围0°～25°，侧面为钢化玻璃，并贴有刻度尺，便于观测)及尾料收集装置组成。试验时在试验槽侧面架设摄像机，记录试验泥石流体流动过程。试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch of the test apparatus

2.2 试验物料

图2 试验用泥石流累计颗粒级配曲线Fig.2 Particle gradation curve of the material used in the test

本试验物料取自于2010年高家沟未经扰动的泥石流堆积原样。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，沟内新构造运动活跃，活动断裂构造变形复杂，岩性主要是花岗岩，2011年7月3日，高家沟暴发泥石流，致使河流冲毁312国道路基，阻断通往汶川县城的交通生命线。试验物料的最大粒径为20 mm，平均粒径d50=1.816 mm，不均匀系数Cu=2.25，曲率系数Cc=0.44，其级配曲线如图2。

2.3 试验设计

泥石流拦砂坝拦截泥石流性能主要受泥石流密度、级配、沟床坡度、泥石流流量、拦砂坝开口大小等因素的影响。本试验通过多次模拟泥石流通过窗口型拦砂坝模型情形，观测并探讨泥石流过坝前后颗粒组成、密度变化等规律，并分析拦砂坝的拦排比等性能参数。试验选定泥石流排导槽沟道坡度为10°(与高家沟平均纵坡相同)，每次试验使用泥石流量为60 L，试验条件见表1。

表1 试验条件Table 1 Test conditions

3 试验结果分析

3.1 拦砂坝拦粗排细能力分析

为了探讨泥石流拦砂坝拦粗排细能力，分别选取泥石流密度为1 500，1 800，2 100 kg/m3情况下的过坝试验。试验后对泥石流体进行烘干，然后分别对拦砂坝前、坝后泥石流分别进行颗分，多次颗分结果平均值如表2。

表2 泥石流拦砂坝坝前、坝后泥石流体颗分筛余量Table 2 Weight of the screen residue of materials before and after passing through the dam

为了便于统计分析，本文将上述6组数据进行统一处理。将每个数据除以该组数据的总质量，然后乘以100，得出不同粒径的百分比含量，再进行试验分析。为了便于对坝前、坝后泥石流体颗粒组成进行分析对比，使大颗粒与小颗粒粒径对比区分更明显，借用统计学的相关经验，本文给不同颗粒泥石流体赋予不同权重，权重越高，说明在试验分析中作用越突出。本试验主要验证泥石流拦砂坝对泥石流大颗粒的拦截作用，因此对大颗粒赋予较大的权重，小颗粒相应赋予较小的权重(如表3)，这样在进行统计分析的时候，就能突出大颗粒的影响因子，然后用上述百分比含量的值乘以各自的权重，并运用统计学思想进行相关性分析。

表3 不同颗粒权重Table 3 Weights of different grain sizes

对不同密度下筛余量百分比乘以相应的权重后，运用SAS软件编程分析，得出相关关系见表4。

表4 不同密度下统计分析结果Table 4 Result of statistical correlation analysis in the presence of different density

(1) 当密度为2 100 kg/m3时，对坝前和坝后颗粒分布运用Shapiro-Wilk正态性检验，其结果分别为0.129 3和0.609 1，均大于0.05，说明该定量资料满足方差齐性要求；然后对2组数据进行方差分析，结果P值为0.707 2，远大于0.05，均值分别为61.5和53.4，说明2组数据统计学意义不明显，拦砂坝对泥石流拦粗排细能力较低。这可能是在密度较大的泥石流体运动中，某些较细颗粒在宾汉姆切应力支持下，转化为中性悬浮质，泥石流体整体性较好，分层现象不明显，导致流体过坝后颗粒筛选情况不明显。

图3 拦砂坝筛选能力与泥石流密度的关系

Fig.3 Relationship between debris flow density and dam’s screening capacity

图4 全闭塞时泥石流密度降低率与密度的关系

Fig.4 Relationship between debris flow density and density decrease rate(fully blocking)

图5 部分闭塞时泥石流密度降低率与泥石流密度的关系

Fig.5 Relationship between debris flow density and density decrease rate (partial blocking)

(2) 当密度为1 800 kg/m3时，2组颗粒分布正态性检验结果分别为0.105 1和0.572 2，满足方差齐性要求；进行方差分析P值为0.316 8，均值分别为60.6和41.0，说明两者之间的相关性较密度为2 100 kg/m3时明显，即拦砂坝对密度为1 800 kg/m3的泥石流体的筛选能力比密度为2 100 kg/m3时高。

(3) 当密度为1 500 kg/m3时，2组颗粒分布正态性检验结果分别为0.202 2和0.096，满足方差齐性要求；进行方差分析P值为0.383 7，均值分别为69.0和46.1。说明当密度为1 500 kg/m3时，拦砂坝的筛分效果较泥石流密度为1 800 kg/m3时较低。

为了进一步探讨泥石流拦砂坝对泥石流颗粒粒径的拦粗排细能力与泥石流密度的关系，定义泥石流拦沙坝选能力(Q)为上述相关性分析的坝前均值减去坝后均值，即

Q=坝前均值-坝后均值。

(1)

通过对多组试验数据的拟合，得出泥石流拦砂坝筛选能力Q可以由泥石流密度γc(单位：kN/m3)来表示，二次拟合曲线如图3。

R2= 0.877。

(2)

3.2 泥石流拦砂坝对泥石流密度的影响

借鉴费祥俊等[12]对水库拦砂减淤效率(拦淤比)的定义，本文定义拦排比为拦截泥砂与过坝泥砂质量的比值。借鉴梁式格栅坝闭塞类型特点，对窗口坝的不同闭塞类型条件下泥石流密度降低率及拦排比分别进行讨论。

3.2.1 泥石流窗口坝全闭塞

试验前分别配置密度为1 500，1 800，2 100 kg/m3的泥石流体进行试验，选取泥石流体阻塞窗口坝开口时的情况(全闭塞)，测量泥石流体通过拦砂坝后密度变化部分试验结果如表5。

表5 窗口坝全闭塞时试验结果Table 5 Test result in the presence of fully blocking

由表5可以看出，拦砂坝对密度为1 800 kg/m3的泥石流体的拦挡作用最为突出。当密度较大，达到2 100 kg/m3时，泥石流密度的降低率仅为5.71%。说明当泥石流密度较低时，密度降低率随着密度的增加而增加；当泥石流密度达到一定值后，泥石流密度降低率随着密度的增加而减少。通过对多组试验数据的拟合，得出全闭塞时泥石流密度降低率w可以由泥石流密度γc来表示(见图4)。

R2= 0.973。

(3)

可以得出，当泥石流密度为1 760 kg/m3时，泥石流密度降低率最大。

3.2.2 泥石流窗口坝部分闭塞

当泥石流窗口坝窗口部分被阻塞时，泥石流密度降低率部分试验结果见表6。

表6 窗口坝部分闭塞时试验结果Table 6 Test result in the presence of partial blocking

可以看出，当窗口坝部分闭塞时，泥石流密度降低率仍然呈现和泥石流窗口坝全闭塞时类似的规律。同时发现，泥石流部分闭塞时密度降低率小于全闭塞时的值。这一点说明，仅仅从降低泥石流密度这个方面来考虑，修建泥石流拦砂坝时应合理控制泥石流拦砂坝的开口大小。在部分闭塞情况下，通过对多组试验数据的拟合，得出部分闭塞时泥石流密度降低率w可由泥石流密度γc来表示(图5)，即

(4)

由式(4)可以得出，在泥石流窗口坝部分闭塞的情况下，当泥石流密度为1 660kg/m3时，泥石流密度降低率最大。与窗口坝全闭塞时对比，发现部分闭塞时泥石流密度降低率最大时对应的泥石流密度值较小。

3.2.3 泥石流窗口坝不闭塞

一般情况下，只有稀性或者过渡性泥石流经过拦砂坝时不会堵塞窗口坝排泄孔。所以本节只讨论稀性和过渡性泥石流的密度降低率情况，试验结果如表7所示。

表7 窗口坝不闭塞时试验结果Table 7 Test result when the dam isn’t blocked

可以看出，窗口坝不闭塞时密度调节效果低于以上2种情况。且由于窗口坝不闭塞，影响泥石流密度的因素更为复杂，分析认为窗口坝的开口孔的大小、形状，开口位置等因素为主导因素。

3.3 泥石流拦砂坝的拦排比

3.3.1 泥石流窗口坝全闭塞

图6 拦砂坝拦排比与泥石流密度的关系Fig.6 Relationship between debris flow density and interception ratio

通过对数据分析，可以发现，随着泥石流密度的增大，拦排比有增大的趋势。分析这种现象产生的原因是随着泥石流密度的增加，泥石流体内部剪切应力逐渐增大，导致在同种条件下泥石流流动速度降低，造成拦砂坝拦截泥沙量增大，而排出相对减少。通过对窗口坝闭塞时密度和排拦比拟合分析，如图6所示，可以得到拦排比L与泥石流密度γc关系为

(5)

3.3.2 泥石流窗口坝部分闭塞、不闭塞

试验发现，在相同密度情况下，泥石流窗口坝拦排比随窗口坝闭塞类型变化较大，拦排比从全闭塞至不闭塞呈现逐渐减少的规律。例如在相同密度为1 500 kg/m3时，全闭塞、部分闭塞、不闭塞情况下窗口坝的拦排比分别为0.91，0.53，0.28。并且拦排比的数据比较分散，说明在部分闭塞和不闭塞条件下， 影响拦排比的因素较多。

4 结论与讨论

本文通过模拟泥石流拦砂坝拦截泥沙试验，得出如下结论：

(1) 运用统计学的思想对泥石流体坝前和坝后颗粒粒径的相关性分析，发现窗口坝拦筛选能力Q与泥石流密度相关性较大。当泥石流密度较低时(1 500～1 700 kg/m3)，Q随泥石流密度增加而增大，当密度达到一定值后(1 700 kg/m3左右)，Q随着泥石流密度的增加而减少。

(2) 试验发现泥石流体过坝后密度降低率比较明显，并分别讨论了全闭塞、部分闭塞、不闭塞3种情况下泥石流密度降低率和泥石流密度的关系。认为泥石流体密度、开口型拦砂坝开口尺寸等因素对泥石流密度降低率影响较大。

(3) 泥石流拦排比规律比较复杂，当拦砂坝闭塞时，拦排比指标值较大。拦砂坝部分闭塞和不闭塞的情况下，拦排比指标值显著减少。另外发现泥石流密度对该指标影响较泥石流闭塞类型小。由于试验次数有限，没有考虑泥石流拦砂坝坝前泥石流淤积效应对试验结果的影响，其深入研究有待进一步展开。

(4) 本试验物料的最大粒径为20 mm，而野外泥石流粒径通常较大，通常使用模型相识的方法来研究野外泥石流运动规律。目前泥石流模型试验研究还没有成熟的相似律，现在进行的大部分定性或定量试验的相似比尺条件多数是借鉴挟沙水流的相似律，由于考虑泥石流本身特征要素较少，因而具有一定的局限性[13]。本试验取用物料为未经扰动的泥石流堆积原样，具有一定的代表性，通过对试验结论和野外泥石流运用规律的对比和对泥石流研究的相关经验，该试验在一定程度上能够反映该地区泥石流的运动规律。

致谢：在试验及分析过程中，承蒙中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所吕娟、陈顺理等老师和同学的大力帮助，在此一并致谢！

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(编辑：曾小汉)

Experimental Study on Performance of Window-FrameDam Intercepting Debris Flow

LIU Shu-liang1,2,3, YOU Yong1,2, LIU Jin-feng1,2,ZHAO Yan-bo1,2,3,LIN Xue-ping1,2,3

(1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process, CAS, Chengdu 610041, China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041, China;3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As a common measure of preventing debris flows, window-frame dam has functions of intercepting sediment and protecting riverbed and slopes. Through indoor simulation, the characteristics of debris flows passing through window dam was researched by controlling different variables. Results reveal that the variation of particle composition of debris flows before and after passing through the dam is largely correlated with the density of debris flow. When the density of debris flow is 1 650 kg/m3, the window dam’s sediment interception capacity is the largest. The density of debris flow decreases remarkably after passing through the window dam, and the decrease is affected by the type of window dam blocking; the regularity of decrease is similar despite different blocking types; when the density is around 1 800 kg/m3, its decrease is the largest. By regression analysis the relation between sediment interception ratioLand debris flow densityγcwas also obtained.

debris flow; simulation test; particle composition; rate of density decrease; sediment interception ratio

2014-01-23；

2014-02-23

国家科技支撑计划课题(2012BAC06B02)；中国科学院重点部署项目(KZZD-EW-05-01-04)；四川省应用基础研究计划项目(2012JY0104)

刘曙亮(1989-)，男，河南开封人，硕士研究生，主要从事山地灾害实验与防治工程研究，(电话)15682025463(电子信箱)liushuliang12@mails.ucas.ac.cn。

游 勇(1964-)，男，四川乐山人，研究员，博士生导师，主要从事山地灾害实验与防治工程研究，(电话)028-85232541(电子信箱)yyong@imde.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.08.007

P642.23

A

1001-5485(2015)08-0040-05

2015,32(08):40-44