泥石流窗口坝调节泥砂粒径试验研究

赵彦波，游 勇，柳金峰，林雪平，刘曙亮

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



泥石流窗口坝调节泥砂粒径试验研究

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

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

摘 要：窗口坝是常用泥石流拦挡坝之一，其泥砂粒径调节能力是窗口坝设计的主要考虑因素，也是目前急需解决的基本问题。通过试验对窗口坝拦截不同性质泥石流的泥砂粒径调节功能进行了探讨，初步研究结果表明：窗口坝具有一定拦粗排细功能，拦粗排细效果对黏性泥石流最差；提出了临界粒径的概念并给出了临界粒径变化范围；临界粒径的大小与变化范围受泥石流性质和窗口坝闭塞类型（全闭塞、部分闭塞、不闭塞）的影响；就同一坝而言，拦截泥砂的临界粒径随泥石流密度增加而增大。

关键词：窗口坝；泥石流；粒径调节；闭塞类型；临界粒径

1 研究背景

泥石流是一种常见的山区自然灾害，常常冲毁建筑物、构筑物、道路、航道、农田等，给人民生命和财产造成损失。随着人类经济活动向山区逐步延伸和自然环境趋于恶化，加之全球气候变化引起的极端天气增多，泥石流发生的范围和频率正在逐年增大，由之带来的危害也更加严重［1－2］。为了减轻泥石流灾害，人类设计出了各种形式的泥石流拦砂坝，主要用于拦粗排细、调节流量、护床固坡、减轻沟道侵蚀等［3－4］。其中窗口坝作为一种透水型拦砂坝，在实际工程中已有广泛应用，如20世纪80年代云南东川大桥河修建的窗口坝［5］。窗口坝是在实体坝上开一些孔口，用于透水输砂，其开口尺寸大于筛子坝、高宽比小于传统缝隙坝，是一种界于筛子坝与缝隙坝之间的坝型。

透水型拦砂坝可利用坝体孔口调节泥砂粒径，拦粗排细［6－8］，高效利用有限库容。贾世涛等［9－10］分析了不同性质泥石流过拦砂坝前后其组成颗粒的变化情况，将坝前后颗粒的D50（D50代表泥石流组成颗粒的中值粒径）比值作为表征拦沙坝分选能力参数，发现空库过流时，拦砂坝具有拦粗排细功能；韩文兵［11］发现缝隙坝及切口坝拦截一般型泥石流时坝体发挥了良好的筛分效果，有效拦截了泥石流中的粗颗粒。然而对窗口坝泥砂粒径调节功能还鲜有研究，透水型坝体“拦粗排细”功能的“粗”和“细”的界限始终没见诸文献，“粗”和“细”只是相对概念性的，难用于工程精确设计。为此，本文通过大量试验，以期获得窗口坝泥石流粒径调节功能及拦粗排细效果的定量描述。

2 试验概况

窗口坝的泥砂粒径调节功能与泥石流固体物质级配、沟床坡度、坝体开口宽度、开口面积等因素有关，影响因素复杂。试验通过采用高家沟沟床坡度、泥石流固体颗粒级配及其曾发生泥石流的密度，分析不同性质泥石流、不同闭塞类型的窗口坝泥砂调节功能。

2．1 试验物料

试验物料为高家沟泥石流堆积原样。高家沟位于都汶公路罗圈湾大桥对岸，主沟流通区纵比降约184‰。自汶川地震后，高家沟及其支沟年年暴发泥石流，泥石流密度介于1．5～2．07 t／m3之间［12］。

为满足试验泥石流与原型流体的物理学特征相同［13］，试验选用泥石流密度也在1．5～2．07t／m3之间，确定为1．5 t／m3，1．8 t／m3，2．0 t／m3，对应稀性、过渡性和黏性泥石流。试验物料最大粒径确定为20 mm，平均粒径d50＝1．82 mm，不均匀系数Cu＝225，曲率系数Cc＝0．44，物料颗粒级配如图1。

图1　试验物料颗粒级配Fig．1 Gradation of sediment size used in the experiment

2．2 试验模型与设备装置

2．2．1 窗口坝模型

窗口坝模型设计结合了实际窗口坝设计和试验槽基本情况，模型设计宽20 cm，高16 cm，有效坝高13 cm，坝顶宽3 cm，溢流口以下坝前坡比1∶0．6，坝后坡比1∶0．05，溢流口为梯形，坝体开口底面坡度为3°，模型用混凝土材料制作，详见图2。试验设计了不同开口宽度、开口高度和开口面积的窗口坝17座，以期对应全闭塞、部分闭塞及不闭塞3种闭塞形态，详细尺寸列于表1。

图2　窗口坝模型Fig．2 Sketch of a typical window－frame dam

表1　窗口坝模型尺寸Table 1 Size of window⁃frame dam models

2．2．2 试验装置

试验设备主要包括支架、料斗、试验槽和尾料收集装置4部分，详见图3。料斗长50 cm，宽20 cm，高70 cm，料斗下方前侧开口，由闸门开关控制泥石流流量；试验槽全长200 cm、宽20 cm（试验槽宽度大于试验物料最大粒径的5倍，满足模型宽度要求［13］）、高30 cm，可调0°～25°倾角。试验槽坡度固定为9°，这大致相当于高家沟流通区沟床纵比降。也即满足模型试验沟道坡度相似条件［13］。

图3　试验水槽示意图Fig．3 Sketch of the test flume

2．3 试验内容

试验共51组，每组重复试验1次，详见表2。每次试验完成后分别取拦截泥砂和坝后泥砂试样，进行颗分试验。颗分结果取2次试验平均值。

表2　窗口坝试验参数Table 2 Related parameters of the experiment

2．4 试验流程

试验流程如下：

（1）调节试验槽坡度至设计坡度9°。

（2）在试验槽末端安装窗口坝模型。

（3）配置60 L试验设计的最大密度泥石流，架设摄像机等试验测量仪器。

（4）将配置好的泥石流注入料斗，搅拌泥石流直至泥石流颗粒分布均匀，打开阀门至预定高度放出泥石流。

（5）关闭摄像机，然后照相记录试验情况，取坝前后泥石流颗粒试样，做好标记并风干，再次重复试验。

（6）更换窗口坝模型，不变泥石流密度，重复步骤4和步骤5。

（7）待本密度、坡度条件下所有窗口坝模型试验完成后，改变泥石流密度。重复步骤2至步骤6，直至试验结束。

（8）及时完成风干试样的颗分试验。

3 试验结果分析

窗口坝拦截泥石流，对泥石流中固体物质颗粒进行分选，最大限度地拦截粗颗粒物质，充分利用有限的库容是最理想的设计原则。为了评价窗口坝拦粗排细的效果，本研究对坝体拦截（坝前）泥砂和过坝（坝后）泥砂的颗粒粒径进行分析比较，并评价窗口坝对泥石流颗粒粒径的调节功能。

3．1 拦粗排细效果概况

试验发现窗口坝调节泥砂粒径效果与泥石流密度和窗口坝开口紧密相关。但无论窗口坝闭塞与否，坝体均可对1．5，1．8，2．0 t／m33种密度泥石流起到一定拦粗排细效果，其效果依坝体和泥石流密度而异，详见图4，这可能是由于窗口坝的阻挡，降低了泥石流的流速，改变了泥石流的流态，致使“粗”的颗粒留在坝内，“细”的颗粒流到坝外。同一坝体，窗口坝拦粗排细效果以黏性泥石流最差，这可能是因为黏性泥石流较为黏稠，整体性较好，内部分层不明显。当开口较大时，部分坝体拦截1．5 t／m3和1．8 t／m3泥石流会出现坝前大颗粒（＞10 mm）百分含量小于坝后的情况。

图4　泥石流坝前坝后颗粒分布情况Fig．4 Sediment size distribution in front of and behind window⁃frame dams

3．2 临界粒径

(3)Al2O3:1～3质量及分子14.71、144,15.82、150,13.82、135；4～6质量及分子18.99、186,14.07、183,15.66、156；7～8质量及分子17.07、168,11.31、111；

为了比较窗口坝拦截泥砂和坝后泥砂的颗粒分布差异，将坝后泥砂小于某一粒径颗粒的累积百分含量值与坝前拦截泥砂同样小于该粒径颗粒累积百分含量值做差，得到坝前后大于该粒径颗粒累积百分含量差。该值为正值，表示窗口坝起到拦粗排细的作用，为负值则表示窗口坝没起到拦粗排细作用。将各级粒径累积百分含量差连成曲线，可清楚了解坝前后大于某一粒径颗粒累计百分含量变化。将该图命名为坝前后泥砂颗粒累积百分含量差曲线图，见图5。中颗粒粒径1 mm对应的值为36．6%，表示坝前＞1 mm颗粒的百分含量比坝后＞1 mm颗粒的百分含量多36．6%，说明窗口坝起到了拦粗排细的作用。

图5　1号坝拦截1．5 t／m3泥石流坝前后泥砂颗粒累积百分含量差Fig．5 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind No．1 dam when the debris flow density is 1．5 t／m3

分析发现坝前后泥砂颗粒累积百分含量差曲线图通常为抛物线形状，抛物线顶点的横坐标值表示窗口坝主要拦截大于该粒径以上的颗粒。将该顶点对应的粒径定义为临界粒径。窗口坝“拦粗排细”功能中所指的“粗”主要是大于临界粒径的颗粒，所指的“细”主要是小于该临界粒径的颗粒。如图5的临界粒径为1．2 mm。分析临界粒径发现存在以下规律：

（1）临界粒径的大小与变化范围受泥石流性质和窗口坝的闭塞类型（全闭塞、部分闭塞、不闭塞）的影响。

（2）同一坝体，临界粒径有随泥石流密度增大而增大的趋势。如图6中的1号窗口坝，当1．5 t／m3泥石流临界粒径为1．2 mm（d45），1．8 t／m3的为2．0 mm（d50），2．0 t／m3的为5 mm（d60）。从“拦粗”量所占泥石流固体颗粒的百分比来说，开口坝体拦粗排细功能要优于实体坝。

（3）不同闭塞类型窗口坝拦截同种泥石流（黏性泥石流除外），坝体拦粗排细对应的临界粒径几乎相同，见图6。闭塞型窗口坝拦截1．5 t／m3泥石流的临界粒径为1．2 mm，相当于物料累积小于某一百分含量颗分曲线的d45；拦截1．8 t／m3泥石流的临界粒径为2．0 mm，相当于物料累积小于某一百分含量颗分曲线的d50；拦截2．0 t／m3泥石流的临界粒径在5～8 mm之间，相当于物料累积小于某一百分含量颗分曲线的d60至d70。

图6　闭塞型坝拦截泥石流坝前后泥砂颗粒累积百分含量差Fig．6 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind total⁃blocked dams

（4）不同的部分闭塞类型窗口坝拦截同种泥石流，坝体拦粗排细对应的临界粒径有所不同，详见图7。坝体拦截密度1．5 t／m3泥石流临界粒径介于1．2～1．5 mm（d45至d48）之间；拦截密度1．8 t／m3泥石流临界粒在5～8 mm（d60至d70）之间；拦截密度2．0 t／m3临界粒径为5 mm（d60）。

图7　部分闭塞型坝拦截泥石流坝前后泥砂颗粒累积百分含量差Fig．7 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind partial⁃blocked dams

图8　不闭塞型坝拦截泥石流坝前后泥砂颗粒累积百分含量差Fig．8 Cumulative percentage difference of sediment size distribution in front of and behind opening type dams

4 试验结论

本文通过水槽试验，探究了窗口坝泥砂粒径调节功能。得到以下结论：

（1）窗口坝均有一定拦粗排细功能，拦粗排细效果对黏性泥石流最差。

（2）临界粒径的大小与变化范围受泥石流性质和窗口坝的闭塞类型的影响。

（3）同一窗口坝拦截泥砂的临界粒径随泥石流密度增加而增大。

（4）各闭塞型窗口坝拦截同种泥石流（黏性泥石流除外）的临界粒径几乎相同，而不闭塞或部分闭塞型窗口坝拦截同种泥石流的临界粒径有所不同。

由于试验次数有限，没有给出开口与临界粒径的定量关系，其有待深入研究进一步展开。

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、陈顺理等老师的大力帮助，在此一并致谢！

参考文献：

［1］ 费祥俊，舒安平．泥石流运动机理与灾害防治［M］．北京：清华大学出版社，2004，293．

［2］ 唐邦兴，李宪文，吴积善，等．山洪泥石流滑坡灾害及防治［M］．北京：科学出版社，1994：460．

［3］ 康志成，李焯芬，马蔼乃．中国泥石流研究［M］．北京：科学出版社，2004．

［4］ 周必凡，李德基，吕孺人，等．泥石流防治指南［M］．北京：科学出版社，1991．

［5］ 康志成，罗德富，张 军，等．中国泥石流灾害与防治［M］．北京：科学出版社，1996．

［6］ 李德基．透水型拦挡坝在泥石流防治中的应用［J］．中国地质灾害与防治学报，1997，8（4）：60－66．

［7］ 游 勇，陈兴长，柳金峰．汶川地震后四川安县甘沟堵溃泥石流及其对策［J］．山地学报，2011，29（3）：320－327．

［8］ 柳金峰，游 勇，陈兴长．震后堵溃泥石流的特征及防治对策研究——以四川省平武县唐房沟为例［J］．四川大学学报（工程科学版），2010，42（5）：68－75．

［9］ 贾世涛．拦沙坝对泥石流调控机制的试验研究［D］．成都：西南交通大学，2011．

［10］贾世涛，崔 鹏，陈晓清，等．拦沙坝调节泥石流拦挡与输移性能的试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2011，30（11）：2338－2345．

［11］韩文兵．泥石流缝隙坝拦砂性能基础研究［D］．成都：中国科学院研究生院，2007．

［12］郭晓军，崔 鹏，向灵芝，等．高家沟泥石流和深溪沟泥石流灾害特征［J］．灾害学，2012，27（3）：81－85．

［13］周必凡，李德基，罗德富，等．泥石流防治指南［M］．北京：科学出版社，1991：96－100．

（编辑：王 慰）

Experimental Study on the Function of Window⁃Frame Dam in Changing Sediment Size Distribution for Debris Flow Prevention

ZHAO Yan⁃bo1，2，3，YOU Yong1，2，LIU Jin⁃feng1，2，LIN Xue⁃ping1，2，3，LIU Shu⁃liang1，2，3
（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．College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：Window⁃frame dam is a common measure in debris flow prevention engineering．The function of changing sediment size distribution is one of the main factors in the design of window⁃frame dam，and is also an urgent issue to be solved．In order to improve the design methods，we conduct a series of experiments to research the function of changing sediment size distribution of window⁃frame dam．Results show that 1）window⁃frame dam has a function of trapping coarse sand and discharging fine sand，and this function has a worst performance for viscous debris flow compared with trapping sub⁃viscous and intermediate debris flow；2）we put forward the concept of critical particle size for the first time and give a variation range of critical particle；3）the critical particle size and its variation range were affected by the density of debris flow and the type of window⁃frame dam（totally blocked，partially blocked，and open dams）；4）the critical particle size increases with the increase of density of debris flow for the same window⁃frame dam．

Key words：window⁃frame dam；debris flows；change of sediment size distribution；blocked type；critical particle size

通讯作者：游 勇（1964－），男，四川乐山人，研究员，主要从事山地灾害试验与防治工程研究，（电话）028－85232541（电子信箱）yyong＠imde．ac．cn。

作者简介：赵彦波（1987－），男，河北平山人，硕士研究生，主要从事山地灾害试验与防治工程研究，（电话）15081698763（电子信箱）ybzcas＠yeah．net。

基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAC06B02）；中国科学院重点部署项目（KZZDEW050104）

收稿日期：2014－10－30；修回日期：2014－12－09

中图分类号：P642．23

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0009－05