拦砂坝作用下泥石流堆积模型实验研究

2022-12-26李军LIJun

价值工程 2022年35期

李军LI Jun

（中铁十五局集团有限公司，上海 200070）

0 引言

泥石流拦砂坝是建在泥石流形成区或形成区-流通区沟谷段内的一种横断沟床的人工建筑物。修建拦砂坝即可拦蓄砂石，减少固体物质供应量，又可分离水土，抬高沟床侵蚀基准，稳固沟岸，控制岸坡启动物质，达到抑制泥石流形成或减小泥石流发生频率和规模等目的。关于泥石流堆积的问题，已有众多学者对其进行了研究。王裕宜等通过泥石流堆积实验研究，得出了泥石流堆积范围与形态比的堆积模式；唐川采用数学分析的方法对泥石流堆积过程进行了动态模拟；刘希林等采用泥石流现场模型实验，探讨了泥石流堆积形态的特征；李泳等通过野外观测和实验模拟，对泥石流堆积厚度的分布进行了估计；贾世涛等结合室内水槽模型实验，分析了在不同条件下拦沙坝对泥石流性能的调节。

当前西部山区修建大量泥石流拦砂坝，其防治效益被大家所认知，但对其拦截过程中的泥石流相关参数定量变化研究较少，因此有必要对拦沙坝作用下泥石流堆积问题开展专门研究。本文通过现场模型实验，模拟不同设计工况下拦砂坝对泥石流堆积的影响，并分析泥石流堆积性质和规模的变化，以期优化拦沙坝的设计的基本设计原则和方法，为今后泥石流防治工程设计提供科学依据。

1 实验设计

1.1 实验土体的基本性质

为了模拟泥石流启动、形成过程，研究泥石流的堆积性能，实验样品取自中巴公路沿线k1562处托卡依沟泥石流堆积区（图1），该沟为降雨型泥石流沟且发生频率高且危害大。首先对试样进行颗粒分析，然后将样品风干待用，实验土则去除粒径大于60mm的颗粒，其余各粒径组的重量百分比与原状土体相应粒径组的重量百分含量相等，随机采取了3组土样，通过颗粒分析获得其级配特征。

图1 托卡依沟处取样位置与土体特性

1.2 实验模型与设备布设

1.2.1 拦砂坝

本次实验拦砂坝坝型采用混凝土重力坝，相似比采用1:80，拦砂坝的坝顶宽10cm，坝顶长40cm，坝高30cm，迎水面坡度为1∶0.2，背水面坡垂直（图2（a））。拟定可拦截的最大实验土体的粒径为4-6cm，根据规范要求，拦砂坝排泄孔位置尽可能分布在坝体溢流段范围，孔数不低于2孔，多采取“品字形”交错布设。由于模型尺寸较小，为维持坝体的结构稳定性，故排泄孔孔口取下限值，两孔间距取大值，故孔口大小为4cm×8cm，两孔的间距为15cm。稳定性分析的计算结果和实践均表明采用该结构的拦砂坝处于稳定状态。

1.2.2 沟道及物源布设

根据实地调查，公路沿线泥石流沟道沟床比降在176‰-364‰之间。本实验模拟特定的天然泥石流沟谷形态，沟床坡度分两段，拦砂坝后0-1.25m范围内，沟床坡度定为15°，泥石流沟沟道两侧坡度约为80°，1.25-2.25m范围内沟床坡度定为18°，沟道两侧坡度约为40°，以模拟天然泥石流沟床形态（图2（b））。

图2 泥石流拦砂坝模型与沟床形态实验模型

实验用沟道为在野外制作的由水泥砂浆衬砌的沟道，长2.25m，底宽0.4m，深0.15-0.45m。在沟道入口下游2.25m处安装拦砂坝。本实验取25°坡度作为形成区坡度，将松散土体作为泥石流实验物源。设定标准流量为Q=100L/min，使水流经水管抵达堆积的松散物源处。

1.3 实验方法

考虑空库、半库和满库三种工况下，分别对应不同流量0.5Q、0.75Q和1.0Q，共计9组实验，并与无拦沙坝工况进行对比分析（表1）。

表1 实验过程中不同工况的基本参数

2 实验过程及现象

2.1 拦砂坝空库状态下的实验过程及现象

当拦砂坝处于空库状态，从泥石流进入拦砂坝库区开始，直至拦砂坝下游处出现泥石流，该过程可概化为四个过程，如图3所示。①泥石流铺床过程：泥石流在起动后，经过流通区，到达拦砂坝处；②减速并开始淤积：泥石流体在抵达拦砂坝后，流体的速度逐渐降低至0，泥石流体开始淤积。在重力作用下，泥石流体开始出现分层，固体物质开始沉淀，堆积于底部，使原沟床比降降低；③快速淤积过程：随着时间的增加，进入拦砂坝库区的流体总量增加，使得淤积的固体物质增多，导致泥石流体的泥位升高，直到泥石流体抵达拦砂坝排水孔；④过坝过程：在泥石流体抵达拦砂坝排水孔后，随着上游泥石流体的注入，泥石流将穿过排水孔向下游运动。

2.2 拦砂坝半库状态下的实验过程及现象

当拦砂坝处于半库状态，该过程可概化为两个过程，包括泥石流铺床过程①和过坝过程②，如图3所示。当泥石流规模增大时，如果坝体排水孔通过泥石流能力不足，还会出现快速淤积过程③和翻坝过程④。由于本次实验的土体粒径较大且流量较小，因此坝体排水孔的排泄能力足够，因此B1、B2工况未出现③、④实验现象，仅B3工况出现了③、④实验现象。

2.3 拦砂坝满库状态下的实验过程及现象

当拦砂坝处于满库状态时，该过程可概化为两个过程，如图3所示。①泥石流铺床过程：泥石流在起动后，经过流通区，到达拦砂坝处，此过程与空库状态下的过程相似；②翻坝过程：泥石流体抵达拦砂坝溢流口后，直接从溢流口处流向下游。

图3 拦砂坝不同库容下泥石流实验过程

3 实验成果分析

3.1 拦砂坝后的泥沙淤积形态分析

在流量为0.5Q情况下，三种工况的泥沙淤积形态仅在坝后80cm范围内存在较大差异，当距离大于80cm后，堆积坡度和厚度差异不大。且在空库和半库工况下，在坝体处淤积高度小于等于坝体排水口高度，不能进一步使泥石流填满库体，没有充分发挥坝体作用；在流量为0.75Q情况下，泥沙淤积形态分两部分，具有上陡下缓的特点，在坝体后60cm以内坡度较缓，60-120cm范围内堆积坡度稍大，坝体排水口处会出现部分堵塞现象；在流量为1.0Q情况下，从图4可知，在坝后靠近排水口或溢流口处即20cm范围内，由于排水而导致水流冲力较大，泥沙不易淤积，因此坡度较大；坝后20-80cm范围内，泥沙容易淤积，坡度较缓；坝后80-120cm范围内，泥沙淤积坡度稍陡。

图4 不同工况下拦砂坝后的泥沙淤积形态

3.2 拦砂坝前后堆积体颗粒粒径组成分析

以0.5Q流量情况下所有工况的颗粒级配曲线为例，与无拦砂坝情况下进行对比，发现坝前土体粒径均小于无拦砂坝情况，坝后土体粒径整体均大于无拦砂坝情况，拦砂坝存在较为明显的过滤及筛选作用（图5）。同时土体的颗粒级配与拦砂坝所处的工况有一定的关系，当拦砂坝处于空库状态下，拦砂坝的拦截效果最好，拦砂坝前后的粗细颗粒分选较为明显，随着拦砂坝坝后堆积物的增加，拦砂坝由空库变为满库，拦砂坝的拦截效果逐渐减弱，坝体前后的颗粒粒径差异逐渐减小，但仍会保持一定的作用。在流量为0.75Q、1.0Q时，存在同样的规律。

图5 同一流量下不同工况的土体颗粒级配曲线

3.3 拦砂坝作用下泥石流延时效应

拦砂坝存在与否以及其库容状态对泥石流的过坝时间及到路时间有着明显的影响。当无拦砂坝时，泥石流流动速度较快，很快就会到达预设坝体位置并冲击道路；当存在拦砂坝时，泥石流流动到坝体处后，会受到坝体的阻碍，泥石流流速降低，固体颗粒沉积，泥石流过坝的时间会大幅的延后，有利于降低泥石流的危害，如图6所示。

图6 不同工况的泥石流过坝时间及到路时间

3.4 拦砂坝作用下的泥石流容重衰减特征

从拦砂坝作用下的泥石流容重衰减实验结果，可以看出拦砂坝可使泥石流容重降低，并延后泥石流抵达下游的时间。从图7可知，拦砂坝所处的工况对泥石流容重衰减效果有较大的影响。拦砂坝空库的效果最佳，其次是半库状态，最后是满库状态。

实验结果表明三种工况状态下，坝下游的泥石流容重随坝上游容重的降低而呈递减趋势，进而拟合出不同库容状态下的拦砂坝上下游泥石流容重之间的函数关系式，如图8。

通过对三种工况下的数据进行趋势的回归分析，发现幂指数曲线可以很好地描述其趋势，将三种模型的计算值与其对应的实测值比较后，发现计算值与实测值的相对误差几乎都在±5%左右，可见泥石流容重衰减模型具有较好的实用性。

4 结论

本文通过拦沙坝作用下泥石流堆积模型的实验研究，主要得出以下结论：①拦沙坝作用下泥石流的的淤积形态与拦砂坝所处的工作状态和泥石流的动力学参数有关。当拦砂坝处于空库状态时，堆积坡度稍小于原始沟道坡度；当拦砂坝处于半库和满库状态时，淤积形态前缓后陡，大致平行于沟道。②拦砂坝对泥石流固体颗粒具有拦截及筛选效果，其所处的工况对泥石流堆积体颗粒粒组成有较大的影响。拦砂坝空库的效果最佳，其次是半库状态，最后是满库状态。③拦砂坝所处的工况对延后泥石流到达下游时间有较大的影响，空库的效果最佳，其次是满库状态，最后是半库状态。④拦砂坝所处的工况对泥石流容重衰减效果有较大的影响，泥石流容重衰减幅度的工况优先级为：空库＞半库＞满库，并提出响应的泥石流容重衰减模型。