缝隙坝对携带漂木的泥石流减灾效果实验研究*

2021-01-15谢湘平王小军刘世明

工程地质学报 2020年6期

谢湘平王小军屈新刘世明付裕

(安阳工学院土木与建筑工程学院，安阳 455000，中国)

0 引言

近年来，山洪泥石流灾害愈加频繁，山洪泥石流中携带漂木的现象时有发生，如1999年委内瑞拉泥石流(韦方强等， 2000)，云南德宏2004年7月5日特大滑坡泥石流(高克昌等， 2005)， 2013年7月四川汶川多地发生的泥石流(图1)。在植被良好的风景区，山洪泥石流中都以携带大量漂木为其显著特点(王士革等， 2001；陈晓清等， 2006；崔鹏等， 2007)。在林火燃烧地区，林火燃烧形成的枯木在水土流失、沟岸侵蚀等作用下也成为火后泥石流搬运的重要碎屑物(胡卸文等， 2018；王严等， 2019)；川藏铁路沿线的泥石流灾害中漂木也越来越受到关注(薛翊国等， 2020)。山洪泥石流中携带的大量漂木会产生一系列的灾害效应，包括堵塞桥梁、涵洞等过水断面，造成水位升高、静水压力增大、洪水泛滥(Rimböck et al.，2002; Schmocker et al.，2013; Hartlieb，2017; Schalko et al.，2018，2019; Okamoto et al.，2020)；堆积在沟道中拦截泥沙形成不稳定堆积体，在后续流体作用下溃决后形成更大流量的洪峰，从而放大灾害效应(Comiti et al.，2008; Hasegawa et al.，2010; 黄勋等， 2017； Galia et al.，2018)。大量漂木在沟道弯道、浅滩、障碍物处堆积，堆积体周围水流紊流增加，加重了对沟岸、沟床以及障碍物(特别是桥墩)周围泥沙的侵蚀作用(Melville et al.，1992; Meleason et al.，2005; Pagliara et al.，2011; Schmocker et al.，2011; Schalko et al.，2019)。被高速运动的山洪、泥石流搬运的漂木，也具有较大的运动速度，对建构筑物造成一定的冲击损坏(Haehnel et al.，2004; Ikeno et al.，2015; Kaida et al.，2017)。

图1 2013年7月四川汶川县多地泥石流中存在的大量漂木(作者摄)Fig.1 Driftwood transported by debris flow in Wen Chuan County， July， 2013.(photographed by the author)a.2013年7月汶川县草坡乡泥石流； b.2013年7月汶川县七盘沟泥石流

陈晓清等(2006)首先提出了在风景区泥石流防治工程中需考虑漂木的影响，可采用缝隙坝拦截漂木。实验研究表明，缝隙坝对漂木的确具有较好的拦截效果，漂木拦截率平均可达66%，最大可达98%(韩文兵,2008)。实体重力坝同样可以拦截漂木，漂木在实体重力坝溢流口处可形成不同的堵塞堆积体(谢湘平等，2014)；钢管格子坝相比实体重力坝及缝隙坝，对漂木的拦截效果最好(黄辉凯，2015)，除此之外，最近新提出的鱼脊型水石分离结构对漂木也具有较好的分离效果(谢湘平等，2016， 2017)。上述研究主要针对不同泥石流拦砂坝对漂木的拦截效果进行了实验研究，但没有深入分析漂木的存在对现有泥石流拦砂坝泥沙调控效果的影响。

因此，本文以缝隙坝为研究对象开展模拟实验，较详细地探讨了漂木存在条件下缝隙坝对泥沙及漂木的调控效果，分析不同漂木因素对缝隙坝泥沙调控效果的影响，明确漂木的作用，为泥石流防治工程设计提供依据。

1 实验方案

本实验以 Doi et al.(2000)对日本4个小流域的调查统计数据作为主要参考依据。泥石流流域面积为0.42～3.7 km2，漂木量为60～1099 m3，数量400～2700根，最大漂木长度为7～20 m，平均长3～12 m，流量为 20～45 m3·s-1。依据重力相似准则，选择长度比尺λL为 1︰50，计算得出流量比尺λQ=λL2.5=1︰17i678，体积比尺λV=λL3.0=1︰125i000。通过换算后得到模型实验相关参数范围为：漂木量480～8792 cm3，最大漂木模型长度14～40 cm，平均长6～24 cm，流量0.0113～0.0254 m3·s-1，即1.13～2.54 L·s-1。据此，本实验采用一小型水槽如图2所示。水槽长300 cm、宽20 cm、高30 cm，坡度可调，本实验中设定坡度10.8°，在水槽尾部放置缝隙坝模型。缝隙坝由木材制成，缝隙开口宽度b=5.0，缝隙开口位于坝体中部。本实验以漂木长度级配及漂木量为控制因素，具体原因如下：

图2 实验水槽装置示意图及实物Fig.2 The sketch and the picture of the experimental flume

1.1 漂木长度级配

谢湘平等(2014)研究表明，漂木在拦砂坝溢流口处形成漂木堵塞体分为大量漂木交错咬合型、关键漂木拦挡型两种类型，但其研究中每次试验采用的漂木模型为单一组分组成，而自然界中则是多种漂木组分同时存在。因此，本文试验将采用不同长度的漂木混合体，进一步探讨不同条件下漂木在缝隙坝开口处堵塞堆积状态。其次，漂木在沟道中的运动堆积状态受漂木长度的影响较大，长漂木比短漂木的运动距离短，更容易堆积，尤其是漂木长度与沟道宽度之比大于0.5时，容易形成大量漂木聚集的状态运动(Lienkaemper et al.，1987; Braudrick et al.，2001; Bocchiola et al.，2006)。而当漂木长度与沟道宽度大于1.0时，在沟道断面形成堵塞体的机率显著增大。因此，根据水槽宽度与缝隙坝开口宽度，本实验采用长度分别为8 cm、4.5 cm和3.5 cm的3种漂木模型，漂木长度与沟道宽度的比值分别为0.4、0.225和0.175，以确保所有漂木均能较顺利运动到缝隙坝处而不至于在沟道中堆积；漂木长度与拦砂坝开口宽度的比值L/b分别为1.6、0.9和0.7(下文将L/b=1.6的漂木简称为长漂木)，以便探讨漂木混合体条件下不同漂木长度对漂木堵塞体形成的影响。

1.2 长漂木量

泥石流中携带的漂木量对拦砂坝的调控效果也有一定影响。谢湘平等(2014)研究表明，随着漂木含量越大，重力拦砂坝溢流口处的漂木堵塞率与拦截率总体呈增大趋势。韩文兵(2008)试验研究也表明，随着漂木量的增大，缝隙坝处泥沙流出率减小，但已有研究均采用的单一组分漂木。本文在已有研究的基础上，探讨不同组分组成的漂木混合体含量对漂木堵塞堆积及泥沙调控的影响，特别是长漂木含量的影响。值得说明的是，漂木量既可以采用数量表达，也可采用体积表达，为了更好与泥沙体积进行对比，国内外研究中多采用体积来表达。本实验为了更好探讨长漂木量的影响，以长漂木的体积掺入比λ作为变量，改变各组分的含量，但保持漂木混合体总体积不变，均为246.2 cm3。各组分具体掺量见表1所示。实验工况以各组分漂木数量及掺入比命名，如80-0-0-1.0，即表示长度为8.0 cm、4.5 cm、3.5 cm的漂木数量分别为80、0、0，长漂木掺入比为1.0。

表1 不同漂木组合方案Table1 Combinations of different driftwood used in the tests

实验中采用1～20 mm的泥沙颗粒，质量为13 kg，体积约为4905.7 cm3。据大量数据统计，流域内漂木量与泥沙量的比值约为0.001～0.1(Sediment Control Division， 2000)，本实验中漂木总体积与泥沙体积比值约为0.05，满足上述要求。实验时将泥沙摊铺于水槽中部，并将设计所用的漂木混合体均匀摊铺于泥沙表面，开启闸门放水20 s，清水流量为1.92 L·s-1，清水冲刷泥沙及漂木混合体形成泥石流。测量泥石流体过坝前后的流量、泥沙量、拦截的漂木量及流出的漂木量等参数。每组工况重复3次实验，在工况名后加“/X”(X代表1、2、3)来表明，如80-0-0-1.0/1表示工况为80-0-0-1.0的第1次实验。

2 实验结果及数据分析

2.1 形成漂木堵塞体的界定

首先，对携带漂木的泥石流体的运动及堆积过程分析。在上游来流作用下，漂木先于泥沙启动，运动过程中位于流体表面做滑动和滚动，并先于泥沙到达坝前。由于缝隙坝开口宽度较沟道宽度变窄，导致流体产生雍高现象，流体液面升高，使部分漂木完全漂浮于水中在缝隙坝上部形成不稳定堵塞体或直接从上部流出(图3)。若当漂木到达坝前一开始就形成堵塞体，则拦截的后续泥沙挤压与填充堵塞体，对堵塞体反过来有一定的保护作用，这部分漂木形成的堵塞体将稳定存在，因有漂木的拦挡，后续流体对堆积体的侵蚀作用减弱，没有形成明显的侵蚀槽，反之，则会出现较明显的侵蚀槽如图4所示。除此之外， 33组实验表现出的泥沙流出率如表2所示，从表2数据发现泥沙流出率呈现两个显著不同的水平，一个水平范围值为0.7%～6.6%，均值为2.9%；另一范围为25.2%～38.7%，均值为32.9%。

图3 携带漂木的泥石流运动过程及堆积状态(24-56-56-0.3/2)Fig.3 The transportation and deposition process of debris flow with driftwood(24-56-56-0.3/2)

图4 有无漂木堵塞体时缝隙坝前泥沙堆积体形态Fig.4 Sediment deposition form before slit dam with or without driftwood blocka.无漂木堵塞体(48-32-32-0.6/2)； b.有漂木堵塞体(48-32-32-0.6/3)

根据坝前泥沙堆积形态是否形成侵蚀槽，并结合泥沙流出率的情况，判定每组实验中漂木是否形成稳定堵塞体，最终结果如表2所示。根据判定结果发现，本次实验中11组含漂木混合体工况共计33次实验，形成堵塞体的次数为15次，形成堵塞体的概率约为50%，部分工况的漂木堵塞体形态如图5所示。由图5可以看出，最终形成的稳定堵塞体中多存在长漂木横档在缝隙坝开口处，即堵塞体类型多为关键漂木拦挡型。

图5 缝隙坝开口处漂木堵塞体形态Fig.5 Driftwood clog at the slit dam openings

表2 试验数据及结果分析Table2 Test results and analysis

进一步分析堵塞体的形成条件发现，堵塞体均出现在长漂木掺入率大于0的工况，当携带的漂木完全由L/b<1的漂木组成时，虽然其漂木数量相对最多，但在实验中并未形成堵塞体。然而值得一提的是，即使在长漂木掺入率为0.9的工况， 3次平行试验均未形成漂木堵塞体，这说明L/b>1的长大漂木存在只是形成漂木堵塞体的必要条件；其次，对于24-56-56-0.3/2的实验，虽然仅拦截了3根长漂木，但横挡于开口处的2根长漂木与粗颗粒泥沙相互作用，有效减小了泥沙过流断面面积，对后续泥沙形成了有效的拦截，因此，仍然将其判定为形成了稳定的漂木堵塞体。综上所述，长漂木在形成稳定的漂木堵塞体中起关键作用，但漂木堵塞体的形成条件和形成概率以及其他影响因素还有待进一步系统研究。

2.2 缝隙坝对泥沙及漂木的总体调控情况

根据表2数据，未形成漂木堵塞体时的泥沙流出率为26.8%～41.4%，平均值为32.9%，略低于无漂木的对照组实验的泥沙流出率平均值39.4%，这说明即使没有形成漂木堵塞体，在泥石流到达坝体的最初时间内，因漂木的存在挤占了一定的过流断面，使得泥石流通过坝体的流体过流量减小，在同样的时间内排出的泥沙量就减小；一旦形成稳定的漂木堵塞体，则会严重挤占缝隙坝的过流通道，拦截后续泥沙，导致泥沙流出率显著降低。

根据实验统计的各组分漂木拦截数，分别计算漂木总拦截率及各组分漂木自身的拦截率，如表2和图6所示。结果表明当形成漂木堵塞体时，漂木总拦截率最大可达87.5%，最小为13.2%，均值为43.8%；当未形成漂木堵塞体时，几乎所有的漂木全部被冲出，这是因为漂木在泥石流中多呈长轴平行流向运动于流体表面，在缝隙坝开口处过水断面变窄，流体深度加大、液面上升，漂木进一步漂浮于流体表面，更易受水流牵引力作用而通过缝隙坝开口。而所有工况下所有组次的试验结果表明，L=8.0的长漂木最容易被拦截，最大拦截率达87.5%，拦截率平均达到26.3%；L=4.5 cm的漂木平均拦截率为13.8%，L=3.5 cm的漂木拦截率为10.3%，可以说明漂木越长，越容易被缝隙坝拦截。

图6 不同工况下不同漂木组分的拦截率Fig.6 Retention rate of different driftwood compositions under different experiment condition

进一步分析漂木拦截率与泥沙流出率之间的关系，当形成漂木堵塞体时，泥沙流出率随着漂木拦截率的增大总体呈减小趋势(图7)，这与韩文兵(2008)的实验数据反映的总体趋势一致，即随着漂木拦截率的增大，泥沙流出率逐渐减小(图8)，且根据韩文兵实验的大量数据，可以得到两者呈较好的线性关系。

图7 漂木拦截率与泥沙流出率的关系Fig.7 Relationship between the retention rate of driftwood and the outflow rate of sediment

然而，值得注意的是，本文实验中泥沙流出率水平整体较低，即使是未形成漂木堵塞体的情况，泥沙流出率水平也低于韩文兵实验中缝隙开口完全闭塞时的数据，约40%左右(图8)。其原因可从两个试验的设置条件来分析，本文实验与韩文兵(2008)实验设置相关参数对比如表3所示，可以看出两者在拦砂坝类型、漂木配置、泥沙规模等方面均存在较大差异。首先，多开口的缝隙坝开口密度较大，排泄能力更强；其次，韩文兵模拟的洪水溃决型泥石流规模相对较大，当缝隙坝体开口被漂木堵塞后(绝大多数情况下开口的闭塞度达到100%)(表4)，大量泥沙到达坝前越坝溢流排泄，因而泥沙流出率总体呈较高水平。而本文实验泥石流流量较小，不存在溢流排泄的情况，所以形成的漂木稳定堵塞体对泥沙的拦截效果显著；再次，可能还与实验时漂木的摆放方式不同有关，韩文兵实验是将漂木竖直插在泥沙中，本实验是摊铺于沙石表面，后者更有利于漂木的启动并先于泥沙到达缝隙坝口，所以一旦形成漂木堵塞体后泥沙流出率的水平显著降低。

图8 漂木拦截率与泥沙流出率的关系(据韩文兵(2008)数据绘制)Fig.8 Relationship between the retention rate of driftwood and the outflow rate of sediment(based on the data in Han(2008))

表3 韩文兵(2008)缝隙坝拦截泥石流漂木混合体试验方案相关参数与本实验的对比Table3 Comparison about the experiment parameters between Han(2008) and this paper

表4 韩文兵(2008)实验中不同工况下缝隙坝开口的闭塞度Table4 The block degree of slit dams under different conditions in Han(2008)

2.3 长漂木量对缝隙坝的泥沙与漂木调控效果的影响

将每组实验的3次平行试验结果按堵塞和非堵塞情况进行差别统计，得到漂木总拦截率、泥沙流出率与长漂木掺入比之间的关系分别如图9、图10所示。图9表明在形成漂木堵塞体的情况下，漂木总拦截率随着长漂木掺入比λ的增大而增大，而未形成漂木堵塞体时，漂木总拦截率很小且变化不大，也即表明长漂木含量的多少及其是否形成堵塞体对漂木的拦截率起至关重要作用。值得注意的是， 8-72-72-0.1/2 这一次实验拦截了大量的漂木，各组分拦截率分别为75.0%、50%、51.4%，各组分漂木拦截率和漂木总拦截率均达到较高水平，由于实验误差导致的可能性不大，可能的原因在于漂木堵塞体形成的随机性和概率性，一旦长漂木被拦截在缝隙处形成骨架，能有效减小缝隙开口处的过流断面，促进了对后续短小漂木的拦截。反之，如果没有长大漂木形成有效的阻拦，仅靠短小漂木很难在拦砂坝开口处形成稳定的堵塞体。图10表明，随着长漂木掺入比的变化，在形成堵塞体情况下，泥沙流出率总体呈低位水平，但变化不明显；而在非堵塞情况下，泥沙流出率总体呈高位水平，但变化幅度不大，关系不明显。这也进一步说明了是否形成稳定的漂木堵塞体对泥沙拦截的效果显著，而与长漂木量之间没有直接关系。

图9 不同工况下漂木总拦截率与长漂木掺入率之间的关系Fig.9 Relationship between driftwood retention rate and the ratio of long driftwood under different conditions

图10 不同工况下泥沙流出率与长漂木掺入率之间的关系Fig.10 Relationship between sediment outflow rate and the ratio of long driftwood under different conditions

2.4 漂木长度对缝隙坝的泥沙与漂木调控效果的影响

图11反映了在不同工况下缝隙坝对不同长度的漂木拦截情况，总体而言，随着漂木长度L与拦砂坝开口宽b的比值L/b的增大，拦截率增大，这与韩文兵实验结果总体趋势相同(图12)。值得说明的是，图11反映的同一缝隙坝对漂木混合体中不同的漂木长度的拦截规律，而图12反映的是不同开口的缝隙坝对不同长度的漂木的拦截效果，在截然不同的工况条件下得到了类似的结论，说明该结论具有普适性。这是因为随着漂木长度的增大，其受到边界条件的束缚作用越大，在碰到拦砂坝后更容易发生转动被拦截。

图11 部分工况下各组分漂木拦截率情况Fig.11 Driftwood retention rate of different compositions under different conditions

图12 不同漂木长度情况下缝隙坝对泥沙与漂木的调控作用(据韩文兵(2008)中的数据绘制)Fig.12 The control effect of slit dam to sediment and driftwood under different cases of driftwood with various length(based on the data of the Han(2008))

其次，根据本文实验结果，同样工况下3次平行试验所得的各组分漂木拦截率的变化幅度很大，如L/b=1.6的长漂木，漂木拦截率既可以达到66.8%(56-24-24-0.7/1)，也可能很低(56-24-24-0.7/3)；从图12也可以看出，当L/b值相同或相近时，漂木拦截率相差很大，如L/b=1.14时，漂木拦截率为0，L/b=1.0时，漂木拦截率达到35.9%。这说明了缝隙坝对漂木拦截的概率性特征。

图12还表明，当L/b≤2时，随着L/b的增大，泥沙拦截率显著下降，呈线性变化；当L/b>2时，泥沙流出率变化不大，基本维持在40%左右。本文实验结果则表明，当漂木形成稳定堵塞体时，泥沙流出率不到10%，平均值仅为2.9%，而未形成漂木堵塞体时，泥沙流出率平均值32.9%，原因在2.2节已述及。