白龙江甘家沟泥石流过坝堆积物力学性能分析

袁 东，柳金峰，游 勇，刘道川，孙 昊，张 莉

（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.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049）

1 研究背景

白龙江流域是我国泥石流危害最严重的地区之一，泥石流的频发给当地人民生命财产安全造成严重的威胁，例如舟曲县三眼峪和罗家峪泥石流沟，尽管多次治理，2010年8月8日仍暴发了特大泥石流灾害，致使三眼峪沟内9座拦砂坝被不同程度摧毁，沿河房屋被冲毁，阻断白龙江形成堰塞湖，三眼峪和罗家峪泥石流灾害共造成264人失踪、1 501人死亡，直接经济损失达10亿元以上，是新中国成立以来最严重的一次泥石流灾害［1－3］。在此次灾害中，泥石流沟内已经修建拦砂坝工程，但是防治工程并没有抵挡住泥石流的破坏，造成了严重的损失与危害。

白龙江流域大部分泥石流沟内都修建有拦砂坝工程，但存在治理效果不佳、甚至部分工程失效的状况，突出表现为拦砂坝设计库容不足、坝体受损等问题。而泥石流的颗粒分布情况决定着泥石流的活动情况［4］，泥石流的运动过程在野外很难被直接观察到，因而研究泥石流堆积物的颗粒级配情况，是研究其活动特征与其他性质的基础［5］。流变性质与泥石流的动力特征密切相关，能反映流体的结构强度与结构性质，关系着其冲击力、流量、流速等动力参数的计算；泥石流运动过程中流体特性的变化，表现出不同的冲淤情况［6－7］。泥石流堆积物的抗剪强度指标是泥石流防治工程设计中的重要参数［8］，其所研究的强度特征可为研究泥石流再启动机理及侵蚀作用提供理论基础。

胡正红等［7］研究了泥石流浆体流变特性的影响因素；张军等［8］进行了蒋家沟泥石流堆积体的抗剪强度试验；黄江成等［9］通过对比云南小江流域和甘肃白龙江流域典型土，分析了泥石流浆体流变特性及其影响因素；方华［10］研究了文家沟泥石流源地土抗剪强度特征；谢凯等［11］进行了河南栾川县泥石流源地土大直剪试验；王硕楠等［12］进行了柿树泥石流物源体直剪强度试验。这些试验土样都是取自泥石流物源地土，目前，研究坝上游（以下简称“坝上”）、坝下游（以下简称“坝下”）堆积物力学性质的试验数据较少，对于泥石流坝上、坝下堆积物的强度特性的对比分析，未见相关研究。目前的理论实践与试验都表明，拦砂坝的拦蓄作用对于大部分泥石流重度、性质具有一定影响［13］。本次试验通过研究泥石流过坝前后堆积物的颗粒级配变化情况，研究拦砂坝对于泥石流颗粒的调节作用，对比分析其浆体流变特性与抗剪强度等力学性质的差异，并通过其力学强度指标，反映拦砂坝调节作用对于泥石流性质的影响。

2 自然环境概况

2.1 流域概况

甘家沟位于甘肃省陇南市武都区汉王镇甘家沟村，系白龙江左岸的一级支沟。甘家沟流域面积为43.03 km2，主沟长度为11.50 km，沟道纵比降8.6%，沟口高程为980 m，最高海拔为2 310 m，相对高差1 330 m。甘家沟曾暴发过多次泥石流，以1933年最大，其次为1984年，危害程度不亚于云南蒋家沟，自20世纪50年代起先后治理过3次，效果不佳；20世纪80年代以来，灾害加剧，1984年8月3日，大暴雨产生严重的泥石流灾害，新造沟床深度达3～5 m，城镇和乡村遭受严重灾害；后于1992年对甘家沟进行了全面的勘查、治理工作［14－15］。

2016年7月25日甘家沟由于突发降雨，沟内发生大洪水，水位高约2 m，持续2～3 h，2＃坝与3＃坝之间的乡村道路被冲毁约500 m。2016年沟内未发生过泥石流灾害，2015年发生过一次大洪水，最近一次大规模泥石流灾害发生于1984年。

甘家沟泥石流危害严重，除威胁甘家沟村316户1 260人的安全外，还直接影响沟口汉王镇数千人生命财产安全，其沟口为G75兰海高速和212国道的交叉口，为重要的交通干线。

2.2 地貌环境

甘家沟地处陇南山地中部，受南秦岭高中山侵蚀、风化和构造活动的强烈作用，第四系沉积物较为丰富。坐标为 105°00′59.88″E，33°22′16.30″N，甘家沟流域海拔主要集中分布在1 400～2 000 m范围内，占总面积的67.98%，其中海拔≥1 600 m的面积占总面积的72.25%。山坡坡度为［25°，35°）的陡坡地及≥35°的急陡坡地面积之和为33.13 km2，占流域总面积的77%。甘家沟流域高程分级及山坡坡度分级见表1和表2。

表1 甘家沟流域高程分级Table1 Classification according to elevation in Ganjia gully

2.3 地 质

甘家沟所处区域在大地构造上属于西秦岭—柴达木单元次级单元西倾山—迭山逆冲褶断带，中小断裂十分发育。次级构造复杂多变，由一系列向南突出的弧形断裂和复合式背斜组成，特别是新构造剧烈运动，形成了目前不良的地质环境现状。甘家沟座落在志留系地层之上，发育有巨厚的炭质千枚岩、夹薄层砂岩、灰绿色千枚岩、灰岩、板岩。受区域构造影响，这种相对较软弱的岩性使得节理裂隙发育，风化、破碎较严重。第四系沉积丰富多样，松散易动，是泥石流的主要物源。

表2 甘家沟流域坡度分级Table2 Classification according to slope gradient in Ganjia gully

2.4 气 候

该流域属北亚热带季风气候，受高山深谷地形影响，气候垂直带差异明显，降雨随海拔增高呈上升趋势。该区域具有冬春干燥、夏季缺雨、秋季多雨、易洪易涝等特点。年平均降水量为487.2 mm，降雨集中在5—9月份，占全年降雨量75%～85%。最大降雨量为689.3 mm，出现在1984年；最小降雨量为270.5 mm，出现在1997年。该区降水偏少，但暴雨较多，大雨发生在 5—9月份，日降水量25.0～50.0 mm，历年平均2～3次；暴雨发生在7—8月份，日降水量＞75.0 mm，每10 a平均2～3次；连续1日最大降雨量90.5 mm，1 h最大降雨量40.0 mm，10 min最大降雨量16.2 mm［16］。由于该流域沟谷纵横、降雨集中、暴雨多等特点，为泥石流的形成提供了足够的水动力条件和充沛的水源。

3 泥石流防治工程现状及效果分析

3.1 拦砂坝运行现状

通过野外实地调查，甘家沟泥石流防治工程主要为拦砂坝＋排导槽（图1）。拦砂坝修建于1998年前后，主要为浆砌石实体重力坝，沿沟道向上游方向存在大量的坡积物与沟道堆积物（图2），为泥石流的形成提供了丰富的松散固体物源。

选取主沟典型坝体分析（见表3、表4），共3座拦砂坝。

根据野外实地测量坝体尺寸参数，按照三角楔体计算拦砂坝库容［13］，即

式中：V为拦砂坝库容；h为拦砂坝净高；l为回淤长度；b为平均沟宽；i为沟床原始纵坡；ik为回淤纵坡。

图1 甘家沟泥石流防治工程Fig.1 Photos of engineering mitigation works in Ganjia gully

图2 甘家沟沟道松散固体物源Fig.2 Photos of loose solid materials in Ganjia gully

表3 甘家沟拦砂坝设计库容及淤积情况Table3 Statistics of design capacity and siltation of dam in Ganjia gully

表4 甘家沟防治工程运行现状Table4 Operation status of engineering mitigation works in Ganjia gully

3.2 拦砂坝运行效果分析

3.2.1 拦砂坝对泥石流粒径的调节作用

为研究现有拦砂坝工程对泥石流颗粒的调节作用，本次试验共取6件土样，取样地点为甘家沟主沟道，取自 1＃，2＃，3＃拦砂坝坝上、坝下 10 m范围内泥石流堆积物淤积区。取样时将堆积物表面覆盖层去除，取下部未经扰动的泥石流堆积物，并使用60 mm的钢筛剔除大颗粒砾石，保留粒径＜60 mm的样品作为试验泥石流土样。颗粒最大粒径为60 mm，将试验土样进行颗粒级配分析，得到级配曲线如图3所示。

图3 颗粒级配累积曲线Fig.3 Curves of grain size distribution

颗分试验中，土样粒径范围为0.001～60 mm，对于＞0.075 mm的粗颗粒使用SZS型三维振筛机进行筛分，＜0.075 mm的细颗粒使用Mastersizer2000激光粒度仪进行测量。对1＃，2＃，3＃坝上下游堆积物样品进行分析，结果见表5。

表5 甘家沟泥石流堆积物不同颗粒质量百分比Table5 Mass percentages of particles of different grain sizes of debris flow deposits in Ganjia gully

由表5可知，所取泥石流堆积物主要以砾石含量为主，黏粒含量较少，均＜1%。对比拦砂坝坝上、坝下堆积物不同颗粒百分含量发现，基本呈现砾石百分含量减小，砂、黏粒百分含量增大的趋势，说明大颗粒有被拦截效果，而3＃坝出现坝上堆积物黏粒百分含量大于坝下堆积物现象，可能受3＃坝体溢流口被冲毁影响，较大颗粒直接过流，导致相同体积下，坝下黏粒百分含量小于坝上。同时，现场考察发现，1＃，2＃，3＃坝均有流水通过，水流冲刷作用，携带细颗粒过坝，也导致坝下细颗粒含量高于坝上；结合图3可知，坝上、坝下颗粒粒径差异范围主要为1～60 mm，2＃坝坝上、坝下颗粒级配差异明显大于1＃，3＃坝，其上、下游级配曲线恰好将 1＃，3＃坝级配曲线夹到中间，表明颗粒同一百分含量下，2＃坝坝下、坝上颗粒粒径差异最大，调节粒径作用最显著。结合现场情况，1＃，3＃坝均为满库状态，泥石流可能直接过顶溢流，拦砂坝基本不能拦挡大颗粒；2＃坝为半库状态，即泥石流过坝时，部分颗粒可通过排水孔通过坝体，虽然坝上、坝下堆积物颗粒级配存在差异，但实体拦砂坝的粒径调节作用有限。

3.2.2 拦砂坝对泥石流浆体流变性质的影响

泥石流细颗粒与其所形成的浆体对于泥石流的运动特性具有重要影响。试验研究表明，一定浓度的泥石流浆体的流变性质符合宾汉体模型，可用宾汉体模型进行表征［9，17］，即

式中：τ为剪切应力；τB为屈服强度；η为刚度系数；为剪切速率。

流变试验，采用奥地利Physica MCR301高速旋转流变仪，同轴圆筒测试系统，其中转子直径为30 mm，外筒直径为43 mm，剪切速率的测试范围为0～300 s－1，数据采用 PhysicaPheoPlus软件处理。土样分别配制重度为14，16 kN／m3的泥石流浆体，浆体粒径＜0.25 mm。

根据12组流变试验结果，数据经PhysicaPheo-Plus软件处理得到拦砂坝坝上、坝下不同重度浆体剪切速率和剪切应力关系如图4所示。

由图4可以发现，1＃，2＃坝坝上、坝下的堆积物，均随着剪切速率的增加，剪切应力呈增长趋势；且随着重度的增长，剪切应力增大极为显著。

1＃坝为满库工况，同一重度，在相同剪切速率条件下，坝上堆积物浆体剪切应力明显低于坝下堆积物浆体，如在重度为16 kN／m3条件下，当剪切速率为50 s－1时，坝上剪切应力为3.2 Pa，坝下剪切应力为4.4 Pa；当剪切速率为100 s－1时，坝上剪切应力为3.8 Pa，坝下剪切应力为5.2 Pa；对于相同重度的坝上、坝下堆积物浆体，在相同剪切速率的条件下，坝下浆体剪切应力大于坝上浆体剪切应力，且随着重度的增长，剪切应力增大幅度更显著。

黏粒含量、粗颗粒含量、黏土性质对泥石流流变性质均会产生一定影响，胡正红等［7］的试验结果表明黏粒含量与粗颗粒含量的增加，对于剪切应力有提升作用，在高浓度粗颗粒含量下，粗颗粒含量对剪切应力的影响超过黏粒含量的影响。图5（a）为1＃坝所选＜0.25 mm泥石流浆体样品的颗分曲线，其中1＃坝坝上黏粒（＜0.005 mm）所占颗粒总百分含量的5.94%，坝下黏粒（＜0.005 mm）所占颗粒总百分含量的5.83%。

图4 不同重度的堆积物剪切速率与剪切应力的关系Fig.4 Shearing rate vs.shearing stress of debris flow deposits of varying density

黏粒含量比较接近，级配差异主要存在的粒径范围为0.05～0.25 mm，说明粗颗粒含量同样对切应力产生影响。由图5（a）可看出，1＃坝高于50%百分含量的坝下堆积物浆体粒径均大于坝上堆积物浆体粒径，表现出坝下堆积物浆体剪切应力大于坝上堆积物浆体，说明粗颗粒对切应力产生增加效应。

2＃坝为半库工况，同一重度，在相同剪切速率条件下，坝上堆积物浆体剪切应力大于坝下堆积物浆体，2＃坝高于50%百分含量的坝上堆积物浆体粒径均大于坝下堆积物浆体粒径（图5（b）），所以同一条件下，表现出坝上堆积物浆体剪切应力大于坝下堆积物浆体。通过分析坝上、坝下堆积物浆体的颗粒级配曲线（图5）发现：粒径百分含量差异主要在0.05～0.25 mm区间范围，2＃坝为半库状态，其相对于1＃，3＃满库状态下，粒径调节效果相对显著，导致同一百分含量下坝下堆积物浆体的粒径较坝上堆积物浆体粒径小，坝下相对细颗粒百分含量较多。

3.2.3 拦砂坝对泥石流抗剪强度的影响

泥石流堆积物的抗剪强度指标是泥石流防治工程设计的重要参数［8］。研究坝上、坝下堆积物的抗剪强度特性对于泥石流堆积物的再启动机理与坝上、坝下沟道侵蚀研究具有一定的参考意义。

图5 颗粒级配累积曲线Fig.5 Grading curves of grain size

直剪试验，采用常规四联应变控制式直接剪切仪，环刀内径为6.18 cm，高为2.00 cm，试验土样为粒径≤2 mm的泥石流堆积物土体。采用不固结快剪，剪切速率为0.80 mm／min，剪切位移5.00 mm。每组土样分别在 50，100，150，200 kPa的荷重下进行水平剪切。土样干密度均为1.7 g／cm3，配置含水率分别为10%，14%，18%的试样。

3.2.3.1 抗剪强度指标与含水率的关系

根据Mohr-Coulomb公式，土体的抗剪强度为

式中：τ为抗剪强度；c为黏聚力；σ为正应力；φ为内摩擦角。

从图6（a）可以看出：黏聚力c随含水率W的增加呈现下降趋势。在试样含水率由14%增加到18%时，坝上堆积物的黏聚力随含水率增加，c值呈现急剧减小趋势，对于土体抗剪强度影响较大。通过分析对比曲线趋势发现：低含水率时（W＝10%），坝上堆积物的c值略大于坝下堆积物c值；高含水率时（W＝18%），坝下堆积物的c值略大于坝上堆积物c值。

由图6（b）可以看出，内摩擦角φ随含水率W的增加基本呈现上升趋势。同时，高含水率（W＝18%）、低含水率（W＝10%）情况下，坝上、坝下堆积物内摩擦角差异相对较小。

试验所测得各坝坝上、坝下堆积物不同含水率的强度参数值，如表6所示。

3.2.3.2 抗剪强度包线与正应力的关系

坝上、坝下堆积物不同含水率条件下的强度包线如图7所示，可以看出，对于坝上、坝下堆积物土样在相同含水率下，其抗剪强度均随着法向应力的增加而增大。相同含水率条件下，正应力较小（＜100 kPa）时，坝上、坝下堆积物的抗剪强度值比较接近；正应力较大（＞150 kPa）时，呈现出坝下堆积物抗剪强度值大于坝上堆积物抗剪强度值。总的趋势是，粒径调节作用会使坝下堆积物细颗粒含量增高，密实度越大，其堆积物相对空隙减少，呈现出坝下抗剪强度值略大于坝上堆积物抗剪强度值。

图6 含水率与抗剪强度参数的关系Fig.6 Relationship between moisture content and shear strength parameters

表6 不同含水率抗剪强度指标Table6 Shear strength parameters of deposits with different moisture content

图7 不同含水率水平下堆积物抗剪强度比较Fig.7 Comparison of shear strength between deposits of different moisture content

4 讨论与结论

4.1 讨 论

针对现有的防治工程中坝体易受损等问题，除考虑选择透过型坝体增强“拦粗排细”效果、增加有效库容外，对于现有实体拦砂坝结构体型可以进一步优化，如1＃，3＃坝满库溢流，坝下冲刷严重，可以改现有典型的“宽浅式”溢流口为“窄深式”溢流口，例如Y型溢流口［18］，它能有效减弱泥石流的冲刷能力。对于3＃坝坝体局部被冲毁与副坝坝体出现变形、裂纹等现象，可根据陈晓清等［3，19］提出一种组装式泥石流拦砂坝和“钢筋混凝土框架＋浆砌石坝体”的拦砂坝设计思路，解决因浆砌石施工质量问题或坝基沉降导致的坝体出现变形和裂纹的问题，从而提高坝体抗冲击破坏能力和坝体使用年限。排导槽方面现有研究也提出许多优化设计，陈晓清等［3］提出复式断面泥石流排导槽，用于排泄超设计标准的泥石流体的排导，排导槽缓冲区边界设有重力式挡土墙，从而对排导槽两侧的永久建筑物或农田进行有效防护。针对甘家沟排导槽内有桥墩经过，出现侧蚀现象可能影响桥墩安全的问题，可局部采用陈晓清等［3］提出的“预制钢筋混凝土箱体组装式”排导槽，相比浆砌石结构具有更高的抗冲击、抗磨蚀能力。

4.2 结 论

通过试验分析表明，实体拦砂坝存在调节泥石流粒径作用，但调节效果不够显著，满库工况调节作用不如半库工况。拦砂坝的调节粒径作用会影响泥石流浆体的流变性质和泥石流抗剪强度性能。表现为粒径调节作用显著的坝体，坝下堆积物浆体的剪切应力小于坝上堆积物浆体的剪切应力，坝下堆积物抗剪强度值大于坝上堆积物抗剪强度值。

目前，甘家沟大部分坝体已经满库，存在拦砂坝设计库容不足，其上游松散固体物源较多，现有防治工程很难满足要求。可以考虑修建透过型坝体增强调节粒径作用，提高有效库容；坝前拦粗排细，能改变坝上游堆积物的组成，减少细颗粒，使大石块间不会形成紧密结构，改善了坝体的受力条件。同时，在沟道上游和形成区采取有效措施稳固物源，采取工程措施和生物措施相结合的方法能稳固坡体，减少泥石流物源。也可在形成区修建一些固床护坡工程，如谷坊群等。

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