黏性泥石流拦砂坝坝后回淤坡度试验

赵静静 崔佳慧 关 辉 陈兴长

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

泥石流是由水和沙石组成的一种特殊流体，具有暴发突然、流速快、能量大、破坏力强的特点[1-2]，往往造成灾害事件。通常情况下，用拦砂坝拦蓄泥石流，可以控制或减轻其危害。

泥石流拦砂坝的库容(V)可由下式计算确定[3-4]：

(1)

式中，h为拦砂坝高；b为沟床宽度；i为沟床坡度；ik为回淤坡度。由式(1)可知，回淤坡度(ik)影响拦砂坝的拦蓄量。研究表明，泥石流的容重、流速、流量、沟床坡度和拦砂坝高等都会影响拦砂坝后泥石流的回淤坡度[5-6]。

现阶段对泥石流回淤机制的研究主要通过野外试验进行。吴积善[7]对野外泥石流的回淤规律做了详细的归纳总结；余斌等[8-9]研究了不同容重下泥石流淤积厚度的经验计算方法。这些都可以为回淤坡度的研究提供借鉴。目前，国内外学者对泥石流拦砂坝后回淤坡度的研究大多是从泥石流的容重、坝高、流量等方面入手，初步研究了容重、坝高、流量与回淤坡度的定性关系，回淤坡度与泥石流容重、坝高和流量关系密切[10-14]，但关于泥石流拦砂坝后回淤坡度的研究并不系统，也没有深入研究他们之间的定量关系。本文以黏性泥石流为例，通过水槽模拟试验，研究拦砂坝后泥石流回淤坡度的变化规律，分析沟床坡度和坝高对泥石流回淤坡度的影响，探讨他们之间的定量关系。

1 试验设计

1.1 水槽试验模型

试验模型包括料斗、水槽、拦砂坝模型3个部分(图1)。

料斗长50 cm，宽40 cm，高80 cm，设有出料阀门。水槽内宽49 cm，内高80 cm，长度为500 cm，可在0°～30°内任意调节；侧壁为透明钢化玻璃,易于观察。

此次试验共制作了3个不同坝高(H)的拦砂坝模型，分别为19,24,29 cm。拦砂坝模型宽度与沟道宽度一样，安装于水槽出口以上35 cm处。3个模型坝除坝高不同外，其余尺寸均相同，详见图2。

图1 泥石流水槽试验模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of the test model of a debris flow trough

图2 拦砂坝模型示意图Fig. 2 Sketch map of thecheck dam model

1.2 试验物料

此次试验的泥石流原样从北川雷家沟的泥石流沟道中采集，试验物料级配较宽，根据试验要求，实验用物料通过颗分试验得到物料最大粒径为20 mm，颗粒级配曲线见图3。

图3 实验物料颗粒级配图Fig.3 Gradation curve of experiment materiel

1.3 试验方案及操作

为研究黏性泥石流拦沙坝坝后回淤坡度的变化规律，沟床坡度分别设计为13°，15°，17°，19°，坝高设计为19,24,29 cm，共开展12组试验。设计的泥石流容重均为2.2 g/cm3(代表黏性泥石流)。

试验时，首先调整好沟床坡度，然后在水槽的下部固定好拦砂坝模型。数码摄像机架设在水槽侧面，用于记录拦砂坝后淤积过程。将配制好的泥石流物料放入料斗中，搅拌物料至均匀后开启料斗闸门放出物料。待物料漫坝并静止后，从坝后每隔10 cm用尺子测量泥深，用于计算回淤坡度。

通过改变坝高和沟床坡度，重复以上试验。每次试验均需测量并计算坝后回淤坡度，最终得到不同沟床坡度和坝高组合条件下的回淤坡度，进而分析沟床坡度和坝高对回淤坡度的影响规律。

2 结果分析

通过水槽试验，获得了3组坝高4组沟床坡度条件下的黏性泥石流拦砂坝坝后回淤坡度数据，共12组。试验结果见表1。

2.1 沟床坡度与回淤坡度的关系

通过对此次试验结果的整理分析，得到了回淤坡度和沟床坡度的关系曲线，如图4所示。

从图4可以看出，随着沟床坡度的增加，回淤坡度也呈现缓慢增大的趋势。并且在每一组坝高条件下，回淤坡度随沟床坡度增加而增大的趋势相同。这是由于黏性泥石流的黏滞性和整体性较好，运动阻力较大。随着沟床坡度的不断增加，泥石流的动能也不断增加，相应地，克服流体运动阻力的能量就更大，运动速度更快，遇阻后便会迅速地淤积、抬高形成较大的回淤坡度。反之，则形成的回淤坡度相对较缓。

表1 黏性泥石流坝后回淤坡度Table 1 The gradients of intercepted sediments of viscous debris flow behind a check dam

图4 回淤坡度与沟床坡度的关系Fig. 4 Relation between gradients of intercepted sediments and slopes of gully bed

将回淤坡度(ik)和沟床坡度(θd)进行拟合后发现，二者呈线性关系：

ik=a×θd+b

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(2)

式中，a,b为系数。拟合结果列于表2。

表2 回淤坡度与沟床坡度的相关关系Table 2 Correlation between gradients of intercepted sediments and slopes of gully bed

2.2 坝高与回淤坡度的关系

拦砂坝的高度不仅影响其拦蓄库容，试验表明，还会影响坝后的泥石流回淤坡度。试验时，不同坝高对回淤坡度的影响，以泥石流完全漫坝后形成的回淤坡度为准。通过对表2试验数据的分析，得到了回淤坡度与坝高的关系曲线，如图5所示。

从图5可以看出，回淤坡度与坝高呈负相关关系。对于同一组沟床坡度，3组坝高对应的回淤坡度都随坝高增加而减小。

这是因为在试验条件相同的情况下，拦砂坝越高，泥石流漫坝量越少，泥石流体积越多更容易在坝前淤平，回淤坡度越小。

图5 回淤坡度和坝高的关系Fig. 5 Relation between gradients of intercepted sediments and dam height

由式(1)可得：

(3)

求导得：

(4)

将回淤坡度(ik)和坝高(H)进行拟合后发现，二者也呈线性关系：

(3)

式中，c,d为系数。拟合结果列于表3。

表3 不同沟床坡度下回淤坡度与坝高的相关关系Table 3 Correlation between gradients of intercepted sediments and dam height

2.3 回淤坡度与沟床坡度和坝高的关系

野外调查发现，沟床坡度和坝高通常是共同影响回淤坡度的，试验结果也证实这一点。由前述研究可以发现，黏性泥石流坝后回淤坡度与沟床坡度和坝高均具有线性相关关系。

通过Origin软件处理，将回淤坡度与沟床坡度和坝高进行多元回归分析，得到三者之间关系的散点图(图6)。

从图6可看出，此次试验中，坝高最大，沟床坡度最小时，测得的回淤坡度最小；反之，回淤坡度则最大。

为了更清晰地得到三者之间的关系，利用Origin软件中的函数拟合模块对三者进行拟合，最终建立了回淤坡度ik和沟床坡度θd与坝高H的线性关系：

ik=e+f×θd-j×H

(4)

针对本次试验,公式(4)的系数分别是：e=4.86,f=0.442,j=0.348，相关系数R2=0.9612，相关性较好，说明可以利用此函数模拟回淤坡度与沟床坡度和坝高的关系。

3 结论

通过室内模拟试验研究了黏性泥石流拦沙坝坝后回淤坡度与沟床坡度和坝高的关系。研究表明，沟床坡度和坝高均是拦砂坝后泥石流回淤坡度的函数。具体结论如下：(1)拦砂坝后泥石流回淤坡度随沟床坡度增加而增大，二者呈线性正相关关系，相关系数在0.95以上。(2)拦砂坝后泥石流回淤坡度随坝高的增加而减小，二者呈线性负相关关系，相

关系数在0.95以上。(3)综合分析表明，回淤坡度与沟床坡度和坝高三者也呈线性相关关系。拟合分析表明：ik=e+f×θd-j×H。(4)本文仅仅通过室内试验探讨了三者间的相关关系，下一步将在此基础上通过大量的现场调查数据，修正模型系数，建立更为精准适用的坝后回淤坡度的计算模型。

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