泥石流中漂木的运动和拦截特征

王道正，陈晓清，赵万玉，左林勇

在野外对泥石流进行调查时发现，由于火灾、地震、滑坡等因素使得大量树木枝干散落在泥石流形成区或者广大林区，当发生山洪或泥石流时，会伴随泥石流倾斜而出，这些漂木往往冲击破坏力很大，使得含有大量漂木的山洪泥石流造成更严重的灾害和损失。这些漂木可以堵塞拦砂坝溢流口，形成致密的堆积体，导致泥石流过流不畅发生回淤，严重影响拦砂坝的防灾减灾效果，还会在桥墩处发生堵塞淤积，对桥体以及道路造成冲击破坏［1-3］。

在2010年8月14号发生的清平乡泥石流以及2013年汶川灾区的特大泥石流中，就有大量漂木伴随泥石流倾泻而出，给当地的建筑物和居民的财产安全造成严重损失［4-5］;因此，漂木在泥石流中的输移特征和其致灾性越来越被各国所重视。研究者们通过数值模拟和模型试验对漂木在清水中的输移特征进行了相关研究，并提出相关经验性公式以及防治措施［6-7］。一些研究发现，漂木在山区河流和沟道中的输移和沉积特征与河流水力特征有一定关系，并且由于漂木的密度一般都小于水的密度，漂木在清水中主要以漂浮的形式运动且漂木在不同沟道特征中的输移特征有很大差异［8］。漂木长度相对于沟道宽度的大小是衡量漂木运动的一个重要因素，直接影响着漂木和沟道之间的相互作用，以及漂木输移时间和距离。针对漂木在河道中的运动规律以及堆积分布研究表明，漂木在相对较宽沟道中运移的距离比在较小沟道中运移的长，并初步认为漂木长度、河道宽度、河道地形等可作为研究漂木在河道中输移规律的基本影响变量［9-10］。除了上述研究以外，漂木密度、水流深度、沟道比降及粗糙度都对漂木的输移有直接影响，比如以针叶树和阔叶树在水中的输移特征不同，其在纵横方向上输移的扩散系数有很大差异，这一点在模型试验和数值模拟中的结果也非常吻合［11］。Christian 等［12］也通过水槽试验研究漂木在河流中的动力特征，初步分析了漂木和流体相互之间的作用以及在流体中受力状态，总结出漂木沉积堵塞的3种模式:未堵塞、半堵塞和全堵塞，以及输移的3种类型:旋转流动、滑移流动和漂浮流动，并且以水木流量比、漂木长度、漂木直径等变量分析漂木堵塞率的影响因素和沉积模式。Langbein等［13］研究漂木沉积运输机制与沟床形态的关系，初步提出如何运用漂木动态特征和沉积特征来推判其在沟道中的输移过程。Grant［14］提出3种方程式可以用来分析不同密度的漂木在水中的稳定性以及与水之间的力学平衡，但方程仅仅考虑了一部分作用在漂木上的力，使用性有很大的局限性;Bilby等［15］认为如果水流作用在漂木上的力足以克服漂木与沟床的摩擦力，漂木会比水流表面速度更大，然而，漂木长度相对于沟道宽度的大小是衡量漂木运动的一个重要因素，它直接影响着漂木和沟道之间的相互作用，此外，沟道的粗糙程度也可以影响漂木的运动，最后总结出漂木尺寸、漂木进入河流的概率以及沟道的几何特征是影响漂木动力特征的重要因素;Iseya等［16］以泥沙沉积理论为出发点发现泥沙沉积与颗粒之间的相互碰撞有很大的关系，颗粒之间碰撞越厉害，沉积就会越厉害，并提出运动波理论来解释所提出的现象。虽然并没有直接的证据证明运动波理论在漂木输移上的适用性，但可以用此去解释漂木输移机制的变化。漂木作为一种大块石(长径比较大)针对其减灾措施也有一定的研究，针对其拦截和堵塞特征主要考虑漂木尺寸以及拦挡结构类型及开口尺寸等因素，并通过模型试验以及数值模拟进行验证，研究表明缝隙坝、网格坝等都对漂木有一定的拦挡作用，针对漂木致灾特征起到了一定的防灾减灾效果［17］。然而针对漂木的致灾特性，以上研究虽然从不同影响因素探讨了漂木在水流中的输移特征以及堵塞规律;但仅仅考虑漂木在清水中的输移特征以及拦挡结构对其捕获的过程和效果，并没有过多的考虑漂木与水流之间的相互作用。随着泥石流中携带漂木现象越来越严重，对漂木在泥石流中的输移特征研究也至关重要，并且在野外考察中发现漂木在狭窄沟道或者沟道突然变窄地段被拦截和堵塞的现象越来越多。此类情况漂木极易堵塞沟道形成临时的不稳定的堆积坝，导致后续泥石流淤积。当上游淤积到一定程度后，在后续泥石流的冲击作用下，漂木堆积坝突然溃决，流量瞬间增大，形成更大规模的泥石流，使泥石流的冲击破坏能力进一步增强，造成严重的次生灾害，而针对其类型的相关研究成果鲜有报道。本文主要以漂木在泥石流的输移特征为出发点，针对不同参数的漂木在不同性质的泥石流中的输移特征以及在沟道突缩处的堵塞类型及堵塞规律进行相关探讨，为评估漂木泥石流的致灾性以及对其防灾减灾对策提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本次试验在中国科学院东川泥石流野外观测站实施，模型试验水槽装置选为矩形断面，试验装置模型主要有水槽模型、沟道突缩模型、料斗以及尾料池等，试验水槽长11.0 m，宽0.4 m，高0.4 m，料斗体积为0.75 m3;尾料池长1.4 m，高1.0 m，宽1.2 m(图1)。摄像机1记录漂木刚刚进入水槽时的运动特征;摄像机2记录漂木运动一段距离后的输移特征;摄像机3记录浮标运动以便获取流速，泥位计记录泥石流过流断面泥深。

图1 试验装置三维示意图Fig．1 Three-dimensional schematic diagram of the experiment device

发生漂木堵溃的条件是当漂木在沟道突然收缩处被短暂拦截后又被后续泥石流带走，为了达到漂木在输移过程中的短暂堵溃，本试验构建了一个沟道突缩模型，使沟道过流宽度变小，能够提升拦截漂木并发生堵溃的可能，模型宽度为0.40 m，模型两侧分别有宽10 cm的实体充当沟道两侧的障碍物，过流宽度为20 cm，高30 cm，模型安置在距离水槽尾部1.5 m处。

图2 沟道突缩模型Fig．2 Channel shrinkage model

1.2 试验工况设计

本次试验地点为中国科学院东川泥石流观测研究站，试验原料为东川蒋家沟泥石流沟道原始堆积物，其泥石流原样代表性强，采取土样粒径＜3.5 mm，原料颗粒级配曲线如图4所示。本次试验主要模拟漂木在泥石流中输移过程中遇到沟道突缩处堵塞特征，所以对漂木的设计是本次试验的关键。在对漂木进行野外调查时发现，漂木的形状、尺寸相对复杂，有单纯的主枝干、有带根系或者分枝等较为复杂的漂木，但基本形状为长条形圆柱状。在西藏等地的泥石流沟道进行调查时也发现漂木的尺寸大约在1～4 m，有的甚至达到近9 m，直径大多在10～40 cm范围内(图3)。根据西藏易贡乡茶场二队沟、古乡沟、赤担隆巴沟等泥石流沟中的泥石流漂木调查，为了尽可能地使试验具有代表性，本次试验设置漂木直径为8 mm，长度分别为10、15、20、25 cm 以及混长条件，在混长条件下，取其4个长度的算术平均值17.5 cm，漂木密度为0.81 g/cm3(图5)，根据以上3个沟道平均沟床比降，本次试验取水槽纵坡降为15%。本次试验记漂木长度与沟道突缩处过流宽度比为漂木相对长度比H=L/B，主要选用不同泥石流容重γd、漂木尺寸(L)、漂木数量(N)影响因素来设计试验方案，具体试验参数设定值见表1。

图3 西藏沟道中堆积和停积的漂木Fig．3 Accumulation of driftwood in the Tibetan channels

图4 试验物料级配曲线Fig．4 Particle-size distribution of the experiment material

图5 试验漂木模型Fig．5 Experimental driftwood model

表1 试验参数拟定初始值Tab．1 Initial values of experimental parameters

1.3 试验步骤

试验每种工况的试验步骤为:

1)模型准备:将水槽模型、料斗、尾料池等按照要求组装好，调节好试验所需坡度，并筛好物料以及安装好试验设备;

2)物料配置:根据所要求的物料以及所设计的容重，按照一定的土样和水的比例配好所需泥石流样品，并将物料装入料斗中，搅拌均匀;

3)开始试验:打开料斗阀门，为保证每次出料的流量相同，打开阀门的大小该一致，在流体流动过程中按照一定的速度向流体中撒入漂木和乒乓球，同时摄像机记录漂木输移过程，泥位计记录泥深。由于本试验主要探讨漂木在泥石流流通区的输移规律，为保证漂木进入泥石流时的随机性，本次试验在放入漂木时保持用15 s的时间(事先把漂木等量分开，一组试验中每秒撒入的漂木数量一致)均匀的把漂木撒入泥石流中，放入位置在泥石流出口下游20 cm处，进入泥石流初始状态随即，没有固定的方位。

4)改变泥石流容重、漂木数量和漂木尺寸，重复上述过程;

5)试验结束后，记录相关试验数据，以做分析。

2 结果与分析

2.1 漂木输移特征

通过试验现象分析可以发现，漂木在泥石流流体表面向下游运动过程中会发生旋转使其长轴方向趋于平行于上游泥石流流向，而这一现象中当漂木越靠近水槽边缘时现象越为明显(图6)。

图6 漂木在泥石流流体表面中输移特征Fig．6 Movement characteristics of driftwood in the surface of debris flow

发生这一现象的主要原因与表面流体速度分布有很大的关系。在泥石流运动过程中，由于水槽两边壁的摩擦作用，流体在运动过程中某一横断面的表面流速成弧形分布，即中间流体表面流速较大，越靠近水槽边缘流速越小。当漂木进入泥石流中后，由于漂木上游端流场中流速比下游端流场流速小;所以漂木两端所受泥石流的冲击力不同，一端的移动速度比另一端的要快，漂木发生长轴方向趋于平行于泥石流流向的方向旋转。

在本次试验工况下，上述现象会随着泥石流容重的减小而越明显，根据试验过程在3种泥石流中每种提取3组试验，测量漂木在泥石流中沟道突缩处上游1.5 m处的输移方位角(长轴方向与泥石流主流方向夹角)，并根据方位角的所占比例做成玫瑰花图(图7)。

从图中可以看出，这一现象随着泥石流容重的减小而越明显，这是由于不同容重下泥石流表面流速不同导致的。假设漂木转动过程中以重心点的z轴为转动轴，根据定轴转动定律:当漂木绕定轴z转动时，漂木对该轴的转动惯量和角加速度的乘积等于作用在漂木上所有外力对该轴力矩的代数和，即

式中:Mz为合外力矩，N·m;Mz=∑nFnτrn，n 为外力的个数，Fnτ为某一外力，N;rn外力 Fnτ对轴的力臂，m;Jz为漂木对转动轴的转动惯量，kg·m2;α为漂木转动角加速度，式中:ω 为角速度，rad/s;t为时间，s。

当漂木转动时，其上游端和下游端的表面流场不同，在试验中发现，容重不同，在水槽某一横断面上的表面流速分布曲线的斜率(d ui/d y)不同，容重增加，横断面表面流速分布曲线的斜率减小。即

图7 漂木方位角比例玫瑰花图Fig．7 Rose diagram of the driftwood azimuth ratio

所以，流体作用在漂木两端的作用力之差ΔFs＞ΔFd，其两端所受外力力矩之差 ΔMs＞ΔMd，由于对于同一漂木其在转动过程中转动惯量是一定的，根据式(1)可得，漂木转动角加速度αs＞αd，在本次试验条件下，漂木运动的距离近7 m，虽然没有足够的时间达到稳定段，但漂木在运动到沟道突缩处前1.5 m时，容重较低的泥石流中漂木的方位角更趋近平行于主流方向。

2.2 漂木在沟道中拦截特征

通过试验现象发现，不同工况下会有不同数量的漂木被拦截下来，其拦截的可能性与漂木长度和数量以及泥石流容重有一定的关系，由试验现象可知，漂木被拦截主要有以下3种类型。

1)关键漂木横向拦截(搭桥型):这种类型是由于1根或者几根关键漂木(key wood)在沟道突缩处被横向拦截，横跨沟道突缩处，进而拦挡住后续漂木发生堆积形成堵塞。这种类型主要发生在漂木长度大于沟道突缩处过流通道宽度情况下，一旦堆积形成稳定性较高，不容易被后续泥石流冲溃(图8a)。

2)交错咬合型:由于多根漂木同时到达沟道突缩处(漂木成群式输移情况下居多)，漂木之间相互咬合形成堵塞体。这种类型的稳定性不高，在形成临时堵塞后容易被泥石流冲溃，有时也会形成稳定的堵塞体，主要发生在漂木长度大于或等于过流宽度的情况，且漂木数量较多。本次试验主要发生在漂木量在180和240根情况下(图8b)。

3)盲区停积:由于沟道突缩上游有一定的盲区，即死水区，漂木在输移过程中如果被死水区拦挡会发生堆积，但对过流通道并没有太大的影响。这种类型情况下的堆积漂木重心点如果在死水区以外，很容易被泥石流带走，所以漂木重心点必须在死水区以内才有被拦挡的可能。盲区拦挡主要是漂木较短(漂木长度为10 cm)时被障碍物所完全拦挡(图8c)。

为了定量分析漂木在沟道突缩处堆积程度，定义漂木拦截率P表征漂木的拦截情况以及堆积情况:

式中:P为漂木拦截率;n为试验结束后漂木拦截数量;N为漂木总数量。

1)不同泥石流容重下漂木拦截率随漂木数量的变化规律。

图8 漂木拦截示意图Fig．8 Intercept diagram of driftwood

由图9可知，在本次实验条件下，漂木拦截率随漂木数量的增加而增加，在本次试验条件下，当N≤120时，漂木拦截率P＜10%，说明漂木多数能通过沟道突缩处，被拦截数量较少，漂木的长度对其基本没有影响。只有少数的漂木拦截，但不同长度的漂木在输移过程中均较为分散，单根输移较多，在泥石流表面运动过程中，所占有效面积较小，同时到达沟道突缩处的数量较少，拦截率基本与漂木长度无关;N＞120时，随着漂木数量的增大，多根漂木同时到达沟道突缩处的概率增大，漂木拦截率增大。随着漂木数量的增加，有一定量的漂木被障碍物所拦截。漂木此时会形成堵塞堆积，使得此处的过流能力降低，增大了后续漂木被堵塞的概率。漂木开始在此处堆积，堆积体尾部会形成反陡坎，上游泥石流在此处遇阻，形成“水跃”现象，能量衰减，阻碍了泥浆的过流，使得泥石流中的块石等沉积，并开始回淤，上游泥位增高，泥石流中的颗粒沉积并填充堆积体孔隙，降低其孔隙度，形成了较为严密的堆积体，严重阻碍了泥石流的过流能力和输移能力，对漂木的过流有一定的阻碍作用，所以拦截率增加。

图9 漂木量对漂木拦截率的影响规律Fig．9 Influence of driftwood amount on driftwood intercept rate

2)不同泥石流容重下漂木拦截率随漂木长度的变化规律。

对试验结果分析发现，漂木总体上随着漂木长度的增大而增大，其中，在L/B≤0.75时，漂木的拦截率均小于10%，漂木被拦截的类型均为盲区停积型。这是因为此时漂木尺寸较短，大多数漂木能顺利地通过沟道突缩区，少数被盲区拦截后停积，0.75＜L/B≤1时，受过流宽度以及漂木尺寸的影响，漂木会发生堵塞，在一定程度上影响泥石流输流能力，从而导致漂木被拦截概率增大。此时虽有一定的堵溃现象，但相对较弱，拦截的漂木有时只会一部分被堵溃带走，后续漂木又被陆续拦截，拦截率增大。此时拦截类型主要为咬合拦截型，但在L/B=1时，其拦截率有下降的趋势。这是因为在此时漂木发生堵溃现象较为明显，漂木发生堵塞时，由于受尺寸和数量的影响，堆积形态主要通过漂木之间的咬合维持堵塞体的稳定，稳定性不高，回淤到一定程度就会由于静水压力以及后续泥石流的冲击力而失稳溃决，前期被拦截的漂木由于堵溃现象被泥石流带走，被拦截下来的漂木主要为后续泥石流所携带的部分漂木，所以拦截率相对0.75＜L/B≤1时有所减小;L/B＞1时，漂木尺寸较大，拦截时主要为横向拦截，漂木与漂木之间的作用力增加，稳定性增高，漂木堵溃现象减弱，漂木输移能力降低，容易被拦截，拦截率又逐渐增高。

漂木“尺寸效应”:由图10可见，拦截率随着漂木长度的增大而增大(正比时拟合相关系数高)，其中由于尺寸效应，当漂木长度小于某一长度时，并没有随着长度的增大而增大。当大于某一长度时，才会随着漂木的长度逐渐增大。当N≤120时，漂木拦截率＜15%，说明此时漂木大多数能过通过沟道突缩处，被拦截数量较少，漂木长度对其基本没有影响;在L/B≤0.75时，漂木的拦截率均小于10%且并没有随着数量的增多而发生明显变化，说明此时漂木数量对其基本没有影响，所以当漂木数量或者长度小于某个值时，拦截率不与其他某个变量成正相关。

图10 漂木长度对漂木拦截率的影响规律Fig．10 Effect of driftwood length on driftwood intercept rate

3种泥石流下漂木的平均拦截率(算术平均拦截率:所有工况下的拦截率之和/工况数)分别为9.4%、11.5%、12.3%，说明漂木随着泥石流容重的增加拦截率也随着增大。由漂木方位角玫瑰花图可知，随着泥石流容重的增大，漂木在输移过程中达到沟道突缩处上游1.5 m时，其长轴方向与主流方向的夹角较大，所以被拦截概率增加。

根据泥石流容重γd、漂木相对长度比H以及漂木数量N所影响漂木拦截率的大小，绘制出3种因素下对漂木拦截率的影响程度关系。图11中:N为漂木数量，N1、N2、N3、N4分别代表漂木数量 60、120、180、240;H为漂木相对长度，即漂木长度与沟道突缩处过流宽度的比值。H1、H2、H3、H4、H5分别代表10/20、15/20、17.5/20、20/20、25/20。

图11 3种因素影响漂木平均拦截率Fig．11 Three factors affecting the average intercept rate of driftwood

由图11可见，在不同数量和不同长度工况下的漂木平均拦截率，每个工况下平均拦截率相差较大，说明漂木数量和长度对漂木拦截率影响较大，而3种泥石流容重下的平均拦截率相差不多;所以在本次试验条件下，可以看出漂木数量和漂木长度很有可能是影响拦截率的主要因素。这里的结论是在本次试验条件下得出的，通过试验结果得出的拦截率与泥石流容重相关性较小，根据谢湘平等［18］对漂木在水石流中拦截率的研究，漂木长度和漂木量对拦截率影响较大，与本试验结论较为一致。

3 结论与讨论

1)漂木在泥石流流体表面向下游运动过程中由于两端受力不均匀会发生旋转使其长轴方向趋于平行于上游泥石流流向，这一现象当泥石流容重变小时越明显。

2)漂木尺寸对漂木拦截率有一定的影响，在L/B≤0.75时，对漂木拦截率影响较小，漂木被拦截的类型均为盲区拦截型，0.75＜L/B≤1时，漂木拦截率增大;但是在L/B=1时由于发生堵溃现象拦截率下降，随后漂木堵溃现象减弱，拦截率又逐渐增高，此时拦截类型主要为横向拦截型。

3)漂木量对漂木拦截率也有较大影响，在总体上，漂木拦截率随着漂木数量的增加而增加。当N≤120时，被拦截数量较少，漂木的长度对其基本没有影响;N＞120时，随着漂木数量的增大，多根漂木同时到达沟道突缩处的概率增大，漂木拦截率增大。

前者针对漂木在河流中的堵塞进行了一定的相关研究，但针对漂木在泥石流中的研究却很少。笔者通过试验初步讨论了漂木在泥石流中的输移以及在沟道突缩处的堵塞规律，但是并没有考虑漂木在泥石流输移过程中与泥石流颗粒以及漂木之间碰撞问题，在分析过程中较为理想化;所以针对漂木的研究还有很多需要完善和探讨的地方。泥石流中漂木的输移往往是一个很复杂的过程，后续要针对漂木模型进行优化处理，针对模拟实际漂木特征(如带根系和分枝)进一步深入的分析和更多的试验进行综合探讨。

［1］ MELVILLE B W，DONGOL D M．Bridge pier scour with debris accumulation［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1992，118(9):1306．

［2］ NAKAGAWA H，TAKAHASHI T，IKEGUCHI M．Driftwood behavior by overland flood flows［J］．J Hydrosci Hydraul Eng，1994，12(2):31．

［3］ JOHNSON PA，HEY R D，HORST M W，et al．Aggradation at bridges［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2001，127(2):154．

［4］ 游勇，陈兴长，柳金峰．四川绵竹清平乡文家沟“8·13”特大泥石流灾害［J］．灾害学，2011，26(4):68．YOU Yong，CHEN Xingzhang，LIU Jinfeng．“8·13”extra large debris flow disaster in Wenjia Gully of Qingping Township，Mianzhu，Sichuan Province［J］．Journal of Catastrophology，2011，26(4):68．

［5］ 许强．四川省8·13特大泥石流灾害特点、成因与启示［J］．工程地质学报，2010，18(5):596．XU Qiang．The 13 August 2010 catastrophic debris flow in Sichuan province:characteristics，genetic mechanism and suggestions［J］．Journal of Engineering Geology，2010，18(5):596．

［6］ WATABE H，ITOH T，KAITSUKA K，et al．Experimental studies on debris flow with logs focusing on specific weight difference of log species［J］．Journal of Mountain Science，2013，10(2):315．

［7］ DOI Y，MINAMI N，YAMADA T，et al．Experimental analysis of woody debris trapping by impermeable type Sabo Dam，filled with sediment-woody debris carried by debris flow［J］．Sabo Gakkaishi，2000，52:49．

［8］ ISEYA F，IKEDA H．Pulsations in bedload transport rates induced by a longitudinal sediment sorting:a flume study using sand and gravel mixtures［J］．Geografiska Annaler，1987，69(1):15．

［9］ CHRISTIAN A，GORDON E．GRANT．Dynamics of wood transport in streams:a flume experiment［J］．Earth Surface Processes and Landforms，1997，22:669．

［10］ JAMES W．WARD．Changes in characteristics and function of woody debris with increasing size of streams in Western Washington［J］．Transactions of the American Fisheries Society，2011，118(4):368．

［11］ 韩文兵．泥石流缝隙坝拦砂性能基础研究［D］．北京:中国科学院研究生院，2007:79．HAN Wenbing．Fundamental study on intercepting sediment capability of slit dam in preventing debris flow［D］．Beijing:The Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2007:79．

［12］ CHRISTIAN A，GORDON E．GRANT．Dynamics of wood transport in streams:a flume experiment［J］．Earth Surface Processes and Landforms，1997，22:669．

［13］ LANGBEIN W B，LEOPOLD L B．River channel bars and dunes-theory of kinematic waves［J］．Geological Survey Professional Paper，1968:422．

［14］ GRANT G E．Effects of wood loading and mobility on channel stability，Breitenbush River，Oregon，unpublished report to the Detroit Ranger District［J］．Willamette National Forest，1987:40．

［15］ BILBY R E，WARD J W．Changes in characteristics and function of large woody debris with increasing size of streams in Western Washington［J］．Transactions of the American Fish．Society，1989，118:368．

［16］ ISEYA F，IKEDA H．Pulsations in bedload transport rates induced by longitudinal sediment sorting:A flume study using sand and gravel mixture［J］．Geografiska Annaler，1987，69:15．

［17］ SHRESTHA B B，NAKAGAWA H，KAWAIKE K，et al．Driftwood deposition from debris flows at slit-check dams and fans［J］．Natural Hazards，2012，61(2):577．

［18］ 谢湘平，韦方强，谢涛，等．山洪中漂木在拦砂坝前堵塞堆积实验［J］．山地学报，2014，32(2):249．XIE Xiangping，WEI Fangqiang，XIE Tao，et al．Experiment on the clogging and deposition of wood debris flowing with torrents in front of debris dams［J］．Mountain Research，2014，32(2):249．