不同类型拦挡坝拦蓄特征试验研究

张芝艳， 周自强， 刘兴荣， 张国信， 贾雪梅， 王喜红

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所， 兰州 730030)

泥石流拦挡坝的设置拓宽抬高了坝后侵蚀基准面，达到了稳定坡脚、增大坡体抗滑阻力的目的，进一步减弱了泥石流重度和冲击破坏性[1-2]。由于泥石流体呈非牛顿体，其动力特征多变、无规律，导致淤积物复杂、野外观测困难[3]，因此分析坝后淤积物动态变化特征成为中外泥石流研究的重点和薄弱环节[4]。近年来，因水槽试验操作方便、控制简单，成为科研人员反演和重现泥石流灾害动力过程及坝后淤积的重要方法[5]。王兆印等[6]通过不同容重泥石流冲刷卵石坡的试验，得出龙头卵石级配粗于后续流的结论。贾世涛等[7]认为，随着容重由稀性向黏性过渡，其沉积作用逐渐加强。Line[8]、李俊杰等[9]、王东坡等[10]采用物理模型试验得出不同新型拦挡坝对泥石流水动力的影响，依次分析、讨论了新型坝坝后淤积特征，其中，Line[8]根据泥石流质量守恒定律和物理模拟试验，推导出一套新型缝隙坝的设计方法；李俊杰等[9]提出带钢支撑的钢-混凝土组合式泥石流拦挡坝，通过钢-混凝土组合式拦挡坝与常规拦挡坝在固体冲击荷载作用下的对比试验，得出支撑坝体的应变力和加速度峰值均显著减小，其平均减幅可达46%；王东坡等[10]基于动量和能量守恒定律模拟了泥石流冲击弧形拦挡坝的试验，推导出了冲击力和爬升高度计算公式。舒和平等[11]根据模型试验和野外泥石流沟之间的关系，获取了不同条件下泥石流流速、冲击力数据。瞿淑花[12]以北京清水镇扫帚港沟为研究内容，通过室内直剪试验和颗粒流(particle flow code，PFC)数值模拟手段，得出随着含水率增大，土体内聚力和内摩擦角均减小。当含水率达到25%～30%时，松散物源体强度骤减，原有平衡被打破，坡趾碎屑物率先失去支撑牵引，造成土体坍滑，产生由前至后的溯源破坏，并加速形成坡面泥石流。刘兴荣等[13]以重力式拦挡坝为例，利用有限元软件ABAQUS分析了两种不同工况条件下泥石流冲击拦挡坝时拦挡坝水平位移和冲击力之间的关系，得出以经验冲击力为基础时拦挡坝坝高应选取两种工况的平均值。

以上文献主要研究了泥石流淤积状态、满库条件、动力特征、拦蓄性能、坝体材料性能、坝体力学特征等内容，对拦挡坝坝前、坝后、坝底的动力学参数研究较少，现通过室内水槽试验得到无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵洞拦挡坝、不设拦挡坝的试验现象和动力学数据。通过试验简单了解泥石流的运动特征和拦蓄性能，模拟拦挡坝坝后淤积物的体积函数模型，获取试验槽振动加速度、坝后泥位、试验槽出口处冲击力数据，以及210、295、345、430、515、565 cm处含水率数据，以此分析泥石流通过不同拦挡坝时力学特征的变化。

1 研究区概况

实验取样点位于三眼峪沟1号拦挡坝坝后约500 m处。该区气候常年湿润，雨量丰沛，多年平均降雨量436 mm。经调查，研究区为典型的高山峡谷地貌，流域面积24.1 km2，沟壑密度1.9 条/km2，出山口海拔1 550 m，流域最高点海拔3 828 m。整个流域呈“漏斗”形，支沟大眼峪与支沟小眼峪呈“V”形。沟口扇形地东西长约2 050 m，平均比降110‰；主沟长5.1 km，沟床比降214‰；小眼峪主沟长3.6 km，沟床比降306‰，两岸山坡坡度平均为54°；大眼峪主沟长5.3 km，沟床比降272‰，两岸山坡坡度平均为50°[14]。三眼峪沟位于印支期冒地槽褶皱带西段白龙江复背斜北翼，坪定-化马断层从其中部穿过，新构造运动在境内十分活跃，舟曲-武都地震亚带活跃度较高，三眼峪自1823年起泥石流灾害频繁。三眼峪特殊的地貌给泥石流发育提供了充足的条件，导致该地频繁发生地质构造活动，诸如风化、侵蚀、滑坡、崩塌、泥石流灾害等，使第四系(新构造堆积物)在该地大范围分布，从而为泥石流取样提供了很好的先天条件[15]。三眼峪沟的位置如图1所示。

图1 三眼峪位置图

三眼峪出露的岩石分别为第四系、中泥盆统古道岭组上段、上二叠系、下二叠统上段。第四系分别为泥石流堆积物、重力堆积物、残坡积物、黄土，其中泥石流堆积物位于三眼峪沟口、拦挡坝坝后。重力堆积物分布较普遍，主要是一些崩塌、滑坡、坍塌堆积物；残坡积物分布于山坡上；黄土分布于沟口较平缓的中低山顶部。中泥盆统古道岭组上段分布于三眼峪沟口一带，岩性为灰色、深灰色炭质板岩、千枚岩夹薄层灰岩、砂岩等。上二叠系分布于三眼峪中游，主要为灰到深灰色中厚层含硅质燧石结核的灰岩。下二叠统上段分布于三眼峪沟流域上游和下游，主要由灰白到灰色、微红色厚层块状灰岩、薄层硅质条带灰岩、白云质灰岩、大理岩化灰岩和白云鲕状灰岩组成。其中第四系为泥石流主要松散物源体，其给泥石流提供了充足的物质条件；中泥盆统古道岭组上段千枚岩裂隙发育较明显，岩质脆弱，易受风化、侵蚀影响，坡面坍塌严重；二叠系岩体呈裂隙、卸荷裂隙发育，风化强烈，岩体破碎，形成多处危岩体、松动体；中泥盆统古道岭组上段和二叠系脆弱岩给泥石流提供了源源不断的物质补充[16]。

三眼峪沟内泥石流物质可很好地反演该处泥石流灾害的运动特征和流体变化特征，能够得出具有参考意义的泥石流运动状态数据，可很好地给泥石流灾害判别提供一定的现象数据，并能为泥石流防治工程提供理论性、科学性建议。

2 试验方案

2.1 粒径分析

粒径分析是用来确定土壤颗粒分配情况的测定方法。使用的颗粒分析方法为物理分散法，颗分前以小于等于0.02 m直径的土为试验土。为得出试验土的连续性，这里随机选取了2 kg试验土作为颗分土样。粒径分析结果如图2所示。

图2 粒径图

根据传统的泥石流试验要求，试验土最大粒径需满足模拟试验槽宽度的1/5[17]，试验中最大粒径与试验槽宽度之间的关系式为

n≥5dm

(1)

式(1)中：n为试验槽宽度；dm为土样最大粒径，这里n=0.5 m，经计算本实验的超粒径是试验槽宽度的1/25，符合实验要求。

为获取泥石流流动状态中常态化流体特征数据，计算了土颗粒的连续性，选取了如下3种不同直径的土颗粒作为特征颗粒。

d10=0.08 mm：小于0.08 mm直径的土质量占总土质量的10%。

d40=0.93 mm：小于0.93 mm直径的土质量占总土质量的40%。

d70=5.65 mm：小于5.65 mm直径的土质量占总土质量的70%。

曲率系数Cc计算公式为

(2)

式(2)中： 曲率系数Cc可说明土样的连续性，1≤Cc≤3为连续性较好的土。连续程度较好，说明其能够很好地反演泥石流的试验过程，能够更好地体现泥石流运动过程中产生的机理特征。

2.2 试验准备

为获取泥石流的运动机理和淤积静态量，做了不加拦挡坝试验，模拟了泥石流行进过程中产生的现象特征、力学数据；做了无泄水涵洞、有泄水涵洞单拦挡坝试验，获取了加拦挡坝后两种坝体对泥石流的拦挡性能，得到了相应的现象和力学数据。以试验装置与野外地质构造相似性为依据，通过泥石流流动试验来反应在一定坡降和沟宽条件下，泥石流的动力特征和单坝的拦挡性能,具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案

水体积计算公式如下。

(3)

vwater=0.5vsoil

(4)

式中：vsoil、vwater分别为土、水的体积；msoil为土的质量；ρsoil为土的密度。

泥石流容重计算公式为

rc=(rH+f+1)/(f+1)

(5)

式(5)中：rH为固体物质相对密度；f为固体物质和水的体积比；rc为泥石流容重。计算可得土体积为0.132 m3，水体积为0.065 8 m3。

使用的试验室器材分别为振动加速度传感器、泥位测距仪、冲击力传感器、含水率传感器、摄像机等，该测量仪器能很好地获取泥石流的力学数据和现象特征。传感器具体测量信息如表2所示，传感器的布置如图3所示。

表2 传感器信息

图3 测量仪器布置

3 试验结果

3.1 实验现象

在试验槽330 cm和540 cm处安装了摄像机，记录了试验中泥石流的变化现象、规律特征。从图4(a)、图4(b)可看出，在没有拦挡坝时，从T1到T2时，泥石流在淤积过程中发生了缓慢的侵蚀作用，在侵蚀过程中，细粒被带走，留有粗粒沉积在槽中。从图4(c)、图4(d)可看出，在淤积状态中，无泄水涵洞拦挡坝水石分离效果差，有泄水涵洞拦挡坝水石分离效果较好；在泥石未凝固且有流动趋势时，无泄水涵洞坝体承压力大于有泄水涵洞坝。据陇南泥石流拦挡坝运行现状调查报告得出，21%无泄水涵洞坝被冲毁；极少数坝后积水严重。

图4 试验现象

不设拦挡坝时，泥水携带块石能力较强，较大块石几乎与泥水流速一致，即较大块石所受阻力较小；在流速较缓时，泥水携带块石能力减弱，较大块石流速远小于泥水流速；在淤积状态中，较大块石沉淀，泥水继续携带极小粒径块石流动并发生侵蚀作用。

有拦挡坝无泄水涵洞时，在泥石流发生前期，泥石流流速加快，逐渐翻越过坝，翻越过坝的泥石流携带块石较少；在淤积状态中，泥水发生沉淀，最终淤积体含水量极大。

有拦挡坝有泄水涵洞时，泥石流流速较快时，一部分泥石随涵洞流走，流走的泥石由于拦挡坝的迂回碰撞汇流作用，流速低于库尾区泥石流体；在淤积状态中，泄水涵洞未发生堵塞，其坝后涵洞两侧仍有大量物质淤积。

3.2 拦挡坝拦蓄性能参数

试验获取了拦挡坝淤积前试验槽特征数据，通过泥石流试验获得了泥石流流动过程中、淤积状态中流体特征数据，进一步得到了泥石流拦蓄性能参数信息。泥石流参数信息计算过程如下。

3.2.1 MELTON系数计算

(6)

式(6)中：R为MELTON系数，反映流域的陡峭程度[18]；H为流域高差；A为流域面积；n为试验槽宽度；L为试验槽长度。研究得出R>0.6时易发生泥石流灾害；经计算R=1.49，即试验装置易于泥石流流动，满足实验要求。

3.2.2 曲线函数拟合

试验结束后测量了坝后左、中、右淤积体厚度，计算了左、中、右位置处淤积体厚度的平均值；然后使用曲线拟合法计算了试验槽不同位置处泥石流淤积体的曲线函数，最后通过坝后淤积曲线值、试验槽底面积获取了坝后淤积物的体积值。

经计算无泄水涵洞坝后淤积曲线函数为

y1=2.17×10-3x2-5×10-3x+3.53

(7)

有泄水涵洞坝后淤积曲线函数为

y2=1.57×10-6x3-7.8×10-4x2+

6.4×10-2x+0.68

(8)

淤积物体积计算公式为

(9)

式(9)中：s=1时，y1为无泄水涵洞坝后不同淤积处的淤积高度；s=2时，y2为有泄水涵洞坝后不同淤积处的淤积高度值；n为试验槽宽度；L1-L2为试验槽内泥石流淤积长度值，经有坝试验结果得出，无洞拦挡坝试验槽淤积长度为480～540 cm；有泄水涵洞拦挡坝试验槽淤积长度为460～540 cm；ys为试验槽不同淤积处的淤积高度值；V为有坝试验坝后泥石流淤积物体积，经计算无洞拦挡坝淤积物体积V1=1.88×10-2m3，有洞拦挡坝淤积物体积V2=7.12×10-3m3，有洞拦挡坝拦蓄量是无洞拦挡坝拦蓄量的1/3，无洞拦挡坝拦蓄量优于有洞拦挡坝。

3.2.3 拦蓄性能计算

k=(Q0-h)/Q0

(10)

式(10)中：h为拦挡坝高；Q0为原始沟床条件下一次冲出固体物质总量。其中k值越小，拦挡坝拦蓄性能越好，经计算无洞拦挡坝k1=-2.2，有洞拦挡坝k2=-1.57，显然无洞拦挡坝拦蓄性能优于有洞拦挡坝。

3.2.4 拦挡坝水平拦蓄量计算

拦挡坝水平拦蓄量为无回淤状态下的泥石流淤积量，可间接反映有回淤时拦挡坝坝后回淤性能的优越，淤满拦挡坝的水平拦蓄量计算公式为

Vh=0.5hn/tan9°

(11)

式(11)中：n为槽宽；h为坝高；Vh为不考虑回淤比降时，淤满拦挡坝的水平拦蓄量，经计算在0.15 m坝高下淤满拦挡坝的水平拦蓄量为1.24×10-2m3。

3.2.5 拦挡坝回淤性能

y=Vh/V-1

(12)

y值可很好地反映坝后空库、满库、回淤状态(当y=0时，表明坝后满库；y>0时，表明坝后回淤，且其值越大，回淤性能越好；y<0时，表明坝后库容未满)。本实验无泄水涵洞拦挡坝回淤性能y1=0.52，有泄水涵洞拦挡坝回淤性能y2=-0.43。无泄水涵洞拦挡坝回淤性能相对来说较好，有泄水涵洞回淤较差。

最终泥石流拦挡坝特征参数如表3所示。

表3 试验特征参数

3.3 不同单拦挡坝的振动加速度和位移变化

振动加速度可用于分析波形、频谱特征，即振幅越大，对试验槽振动越大；振动时间越长，试验持续时间越久；位移传感器可精确地测量试验中泥位的变化。试验测量了不加拦挡坝，无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵洞拦挡坝320 cm和540 cm处的振动加速度数据和515 cm 处的位移数据[19-20]。试验结束后用尺子记录了坝后左、中、右位置处的泥位厚度变化数据。

由图5(a)～图5(c)可看出，加拦挡坝后，减弱了泥石流对试验槽的振动破坏力。图5(a)显示出，320 cm处振动弱于540 cm处，可得出在没有拦挡坝时，试验槽内的泥石流流速在不断增加。图5(b)显示出，试验初期振动加速度较大，随着试验的进行和拦挡坝的无缝隙拦挡，振动加速度被逐渐减弱。图5(c)显示出，在试验初期，泥石流对试验槽的振动较大，因泄水涵洞的存在，在试验的下半段泥石流对试验槽的振动仍较大。图5(b)、图5(c)显示出，320 cm处的振动强于540 cm处，得出加拦挡坝后，减弱了泥石流对拦挡坝处的振动破坏力，即泥石流在上游给试验槽带来较大的振动，到拦挡坝附近，泥石流对试验槽的振动被减弱。

图5 加速度、位移数据

从图5(e)可看出，不加拦挡坝、无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵拦挡洞坝振动峰值分别为： 10.46、1.8、2.24 kPa。既加拦挡坝减弱了泥石流对试验槽底和槽壁下方的振动，模拟到试验现场，即加拦挡坝减弱了泥石流对沟床和两侧岩壁下方的掏蚀；因涵洞的汇水作用，有泄水涵洞拦挡坝掏蚀作用大于无泄水涵洞拦挡坝，使得即将流入涵洞的泥石流规模巨大，加深对无坝基处沟床的侵蚀作用，考虑到安全性，有泄水涵洞拦挡坝易设置于沟床岩土坚硬区。在泥石量相同的条件下，泥石流结束后，不加拦挡坝、无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵洞拦挡坝540 cm处振动持续时间分别为29、25、39 s；无泄水涵洞拦挡坝在短时间内拦蓄了大量泥石流，但坝体瞬时冲压力较大。

由图5(e)可看出，无泄水涵洞坝坝后发生了大范围淤积，经式(7)、式(9)得出，拦蓄量为1.88×10-2m3。有泄水涵洞坝坝后泥位达到最大值后，发生了大范围地减少，经式(8)、式(9)得出，最终拦蓄量为7.12×10-3m3，相当于无泄水涵洞拦挡坝淤积量的1/3，即一部分含水量高的泥石随涵洞流走，导致其虽有较好的水石分离效果，但拦蓄量减少，最终使其拦蓄性能降低[21]。试验结果也与拦挡坝拦蓄特征一致，即无泄水涵洞拦挡坝能够在短时间内拦蓄大量泥石流物质，有泄水涵洞拦挡坝因分流作用使其拦蓄年限延长。

3.4 不同单拦挡坝的冲击力变化

考虑到泥石流的运动状态和物质成分将影响泥石流的冲击力和撞击时间[22-23]，因此，在槽出口(650 cm)处布置了冲击力传感器，模拟了泥石流发生后，坝前泥石流的流动特征和破坏性质，冲击力数据如图6所示。

图6 冲击力数据

不加拦挡坝，坝前泥石流冲击力迅速增大，达到较大值后，继续缓慢增长；得出其破坏力刚开始大，且持续时间较长，在试验进行一段时间后，其破坏力在很大程度上降低。

无泄水涵洞拦挡坝坝前泥石流冲击力在较短时间内达到较大值，达到较大值后增速变缓；得出其破坏力由大到极小，因拦挡坝的绝对拦挡，其冲击力大、持续时间最短。

有泄水涵洞拦挡坝坝前泥石流冲击力先增大后减小；得出因涵洞的疏通作用，泥石流的破坏力刚开始大，且持续时间较长，在试验进行一段时间后，其破坏力被减弱。

就试验数据得出，为减弱泥石流对有泄水涵洞坝的破坏性，可考虑给坝前设置护坦，其能有效地减弱泥石流的冲击力、侵蚀力。

3.5 不同单拦挡坝含水率变化

试验所获取的含水率为体积含水率(即土体中水体积与土体总体积比值)[24]， 测量位置为试验槽底210、295、340、430、515、565 cm处。

结合图7(a)～图7(c)得出，当不加拦挡坝时，在淤积状态中，含水率整体较小，其最大值为0.12。加拦挡坝后，在淤积状态中，515 cm处含水率高于其他位置。加无泄水涵洞拦挡坝后，在515 cm处，坝后含水率激增，最终含水率值为0.51；加有泄水涵洞拦挡坝后，含水率先激增，后减小，最终含水率值为0.15，即表明有泄水涵洞拦挡坝降低了坝后泥石的高含水性，起到了水石分离的效果。

从图7(d)淤积图中可得出，不加拦挡坝中间部分向上凸起，即不加拦挡坝试验槽含水率中间略高、两端低；加无泄水涵洞拦挡坝后，在试验槽210～565 cm处，含水率呈增大、减小、突增、减小的趋势，即槽两端、拦挡坝库尾后部含水率小；加有泄水涵洞拦挡坝后，泥石流含水率呈增大、减小、增大、减小的趋势，同样槽两端、拦挡坝库尾后部含水率小。主要原因为，在槽后位置处，由于泥水不断向下流动，使得其含水率降低；在槽前位置处，由于其临近扇形堆积区，在泥石流淤积中，该处发生侵蚀作用，水流不断汇入扇形堆积区，使得槽前含水率较低；坝后淤积区、未淤积区形成分界区，未淤积区由于侵蚀作用，水流不断汇入淤积区，导致未淤积区(过度区)含水率较低，最终得出槽两端、拦挡坝库尾后部(淤积区和未淤积区分界处)含水率较低。

图7 含水率数据

4 结果分析与建议

通过试验得出，加拦挡坝后减弱了泥石流对试验槽的振动。有泄水涵洞拦挡坝能够延长泥石流的流通时间，起到水石分离的效果，但其对沟床的振动和冲击力大于无泄水涵洞拦挡坝，即有泄水涵洞拦挡坝因涵洞的汇流作用，对沟床具有一定的冲击作用，其坝体适用于沟床岩土坚硬区。因此，有必要根据现场的岩土鉴别，将坝基在原有的基础上加深适当的距离，使坝体不因陶蚀而被冲毁。可给涵洞后方设置跌水区，跌水降落点为坝基处，能够使后方无坝基处泥石流不受涵洞汇流冲击影响。有泄水涵洞拦挡坝坝前冲击破坏力大于无泄水涵洞拦挡坝，可在有泄水涵洞拦挡坝前设置长护坦，起到保护坝体和降速的作用。

通过无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵洞拦挡坝拦蓄性能的对比试验得出，可考虑给大孔径的泄水涵洞增加一定比例的格栅，起到拦截大量泥沙的效果，但当泄水涵洞堵塞时，坝体承压力将会剧增，所以，在建坝之前应加强下坝坝基的稳固性和翼墙的有效性，并增加坝肩嵌入深度。除加格栅外，坝体的改良措施还包括：增加坝体的厚度；在坝前增设锚杆；将坝体中间部分设置为梳子状，材料可选用抗压强、不易变形的钢筋混凝土。

经现场调查，陇南多数泥石流沟已淤满，淤满后，最大回淤比降为10.8°，导致坝后失去拦蓄性能，使部分沟道清淤无法实现，当泥石流再次爆发时，大量泥石流汇入江河，使得河面水位上涨，淹没沿途耕作区、居民点。再加之陇南部分沟道拦挡坝已从形成区修建到堆积区，使得新坝坝址很难确定。基于上述单拦挡坝的研究结果和陇南多数拦挡坝淤满的现状，有必要在原有的坝体上修建新型拦挡坝，起到拓展原有坝体库容量的作用。新型拦挡坝的简要设计如图8所示。

从图8中可看出，该拦挡坝可建在旧拦挡坝淤积区，与旧拦挡坝形成阶梯状；为稳定旧坝体，在旧拦挡坝坝前修建了三角锚杆；因传统涵洞汇流作用使坝后拦蓄性能降低，因此给泄水涵洞添加了格栅；为更好地实现水石分离和减弱坝体承压力，这里给泄水涵洞上部设置了较为密集的泄水孔。坝体的背面设置了跌水区、缓坡区、大角区，通过缓冲和增大对角的方法，很好地减弱了泥石流的流速和冲击力。

α、β、δ、ε分别为坝体从坝底到坝顶的冲击夹角；ef为淤积体坡面方向；mn为新淤积体2坡面水平

在多坡度拦挡坝拦挡泥石流的过程中，由于旧淤积体中黏粒较多，经水土混合和粗粒填充作用，使淤积体具有一定的坚硬性，再经夯实，有利于布置坝基。因此本文在不考虑侵蚀的作用下，区分了多坡度新型拦挡坝拦挡泥石流的3种运动方式。

泥石流流动方式一：图8中水流方向1，即泥石流沿旧淤积体顺坡留下，经过陡崖区跌落于坝基处，跌水导致水流方向分散，分散的泥石流逐渐汇聚，在分散、汇聚的过程中，较好地降低了泥石流流速，最终以α角度流向坝体；经过较长时间，新淤积体1坡面等同于旧淤积体坡面方向，即图8中ef线。

泥石流流动方式二：图8中水流方向2，即泥石流顺坡流下，直接冲击缓坡坝体，冲击角度为β；淤积物坡面为水平方向，然后泥石流的流动方式为3，且以δ角度冲击大角区坡面，经过较长时间，新淤积体2坡面为水平mn。

泥石流流动方式三：图8中水流方向3，即泥石流顺坡流下，到水平延展区，流速降低，冲击坝体的角度为ε。

《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZT 0239—2004)[25]中考虑了坝体迎水面法线方向和泥石流流速方向的夹角，较为简单地计算了泥石流对坝体的冲压力，以及各石块的冲击力，步骤如下。

步骤1泥石流的流速计算。

Vx=δHhrc/(WT)

(13)

(14)

式中：Vx为泥石流流速，m/s，Vx的取值根据沟道地质条件和泥石流容重而定，涉及的参数主要有泥石流流经落差比Hh、泥石流容重rc、泥石流流经处沟道宽度W、泥石流厚度T等；g为重力加速度，m/s2；θ为坝体受力面与泥石流冲压方向的夹角，坝体冲击夹角从坝底到坝顶分别是α、β、δ、ε；r为坝体形状系数，方形建筑物r=1.47；Fδ为泥石流冲压力。

步骤2石块的冲击力计算

(15)

式(15)中：Fb为泥石流冲压力，t/m2；E为工程构建弹性模量，t/m2；J为工程构建界面中心轴的惯性矩，m4；W为石块质量，t；L为构建长度，m；θ为坝体受力面与大石块运动方向的夹角。

5 结论

模拟了泥石流发生后拦挡坝拦蓄性能特征，得出了以下结论。

(1)通过试验现象分析得出：不加拦挡坝侵蚀作用较明显；加无泄水涵洞拦挡坝，流速最高时，泥石流翻越过坝，过坝流体携带块石较少。

(2)分析振动加速度数据得出，不加拦挡坝槽前振动加速度弱于槽后，加拦挡坝后槽前振动加速度高于槽后拦挡坝处振动加速度。试验显示出不加坝、有坝无泄水涵洞、有坝有泄水涵洞拦挡坝处振动峰值分别为 10.46、1.8、2.24 kPa，持续时间分别为 29、25、39 s，得出加拦挡坝后很大程度上减小了泥石流对槽壁和槽底的掏蚀振动作用，无泄水涵洞拦挡坝对试验槽的振动弱于有泄水涵洞拦挡坝，为减轻陶蚀振动破坏性，有泄水涵洞拦挡坝易设置于沟床岩层坚硬区；持续时间显示出，无泄水涵洞拦挡坝在短时间内拦蓄了大量泥石流，但坝体冲压大，建议坝体选用坚硬型材料，其坝体适用于排导工程不完善或邻近公路旁的沟谷中。通过无泄水涵洞拦挡坝、有泄水涵洞拦挡坝的对比试验得出，随着试验的进行，无泄水涵洞拦挡坝对试验槽的振动破坏逐渐增大而后减小，有泄水涵洞拦挡坝对试验槽的振动破坏略微增大而后减小，接着继续增大，在较大的振动进行一段时间后逐渐减弱。

(3)通过坝后泥位变化数据和淤积物体积得出，有泄水涵洞拦挡坝坝后发生了水石分离和侵蚀作用，通过数据模拟得出有泄水涵洞拦挡坝拦蓄量为无泄水涵洞拦挡坝的1/3 倍，建议给大孔径泄水涵洞增加一定比例的格栅，起到拦截大量泥沙的作用。

(4)分析坝前冲击力数据得出，有泄水涵洞坝坝前冲击破坏力大于不加坝和无泄水涵洞坝。因此，可考虑在泄水涵洞坝前设置长护坦，起到跌水降速的作用。

(5)通过含水率数据得出，无泄水涵洞拦挡坝坝后泥石流含水率极高，加有泄水涵洞拦挡坝后，坝前坝后水石分离效果较好。由于试验槽分界处的影响，槽后、槽前、拦挡坝库尾区后部(淤积区和未淤积分界处)含水率低。考虑到以上单拦挡坝的性质和陇南多数拦挡坝已淤满的现状，构绘了坝背为多坡度的新型拦挡坝。由于新坝建在旧坝基础上，为防止旧拦挡坝变形，在旧拦挡坝坝前修建了三角锚杆；接着将新坝埋设于旧拦挡坝后部，与旧坝形成阶梯状；然后给泄水涵洞增加了格栅，涵洞上部设置了较高密度的泄水孔。坝体的背面设置了不同坡度的冲击面，冲击面分别为跌水区、缓坡区、大角区，其很好地减弱了泥石流流速和冲击力；跌水区淤满面坡度等于旧淤积体坡度，缓坡区淤满后呈水平位置。