泥石流梁式格栅坝调控性能试验研究

孙 昊, 游 勇, 柳金峰

(1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2. 中国科学院水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041； 3. 中国科学院大学， 北京 100049)

透过型拦砂坝因其特殊功效而具有较好的应用前景，目前在公路、铁路以及风景区泥石流防治应用中取得了十分可观的治理效果[1-3]，见图1。特别是对于铁路、公路这种线路工程，在山区不可避免地需要穿过山地灾害多发区，如川藏公路沿线有逾千条泥石流沟，且类型复杂，而目前正在筹备修建的川藏铁路预选线路也面临同样严峻的灾害治理问题。

1905年石太线的娘子关车站发生了我国铁路沿线首例泥石流灾害，而后又多次遭受泥石流淤埋，随后在沟内首次采用钢轨桩林拦阻大石块，建成第一座透过型拦砂坝，取得良好的防治效果，为铁路泥石流的防治开创了先例[4]。但其后发展速度不快，直到20世纪50年代我国铁路才再次尝试使用钢轨格栅坝防治泥石流，很好地抑制和缓解了沿线泥石流对铁路交通的危害。例如，成昆铁路北段的盐井沟泥石流，经过20世纪80年代中期的综合治理后，泥石流再未大规模发生，其中沟内修建的钢筋混凝土梁式格栅坝是国内泥石流防治中首次设计并实施，取得了良好的拦排效果，见图2[5]。

与实体坝拦蓄以来流为主不同，透过型拦砂坝的主要功能是调控，指经过拦砂坝前后泥石流性质和规模发生一定变化的现象，主要体现在泥石流容重、峰值流量、流速、一次冲出总量、固体颗粒粒径、冲击特性以及泥石流持续时间等方面。一般认为单一的防治工程措施效果有限，应将泥石流防治当作一项系统工程来对待，大多在一条泥石流沟内采用多层次防护措施进行综合治理，因此只有较为充分地了解单一防治工程对泥石流的调控特性，才能较为准确地预测过坝后泥石流的性质与规模，为下游泥石流防治工程措施的选择和设计提供依据[6-8]。针对透过型拦砂坝在工程设计中的经验性等问题，国内外学者对不同结构形式的透过型拦砂坝的拦砂与调控性能进行了一定的理论和试验研究，但较实体拦砂坝则相对不成熟。游勇[9]研究了梁式格栅坝拦截泥砂的性能，提出各种闭塞类型的临界条件。韩文兵[10]通过室内水槽试验，分析研究了缝隙坝对无黏性泥石流的拦截效率。贾世涛[11]、赵彦波[12]、Lin[13]通过试验研究了拦砂坝对泥石流流量、容重、颗粒组成的调控效果。Lien[14]基于物质守恒定律，结合室内水槽试验结果探究了缝隙坝对不同规模泥石流的拦截效果。Takahiro等[15-16]通过小比例模型试验对比分析了透过型坝和实体坝对山洪泥石流的调控作用。Armanini等[17-18]基于泥石流运动过程中物质和能量守恒，提出了缝隙坝开口宽度设计的理论方法，并通过室内水槽试验验证了泥石流排泄率与开口宽度、泥石流浓度、颗粒中值粒径之间的关系，试验结果与理论分析较为吻合。Guillaume[19-20]研究了漂木对透过型坝体对泥石流拦截作用的影响。

梁式格栅坝是一种结构简单、节省材料、稳定性较高的透过型拦挡结构，如梁式格栅坝的横梁可采用废弃的旧钢轨等，从而极大地降低了工程的建设成本，提高了工程价值。但目前尚无成熟的梁式格栅坝设计方法[21]，国内外关于梁式格栅坝可参考的文献资料也较少。设计者多凭借经验来确定相关设计参数，缺乏相应的科学依据，结果往往偏于保守。本文以梁式格栅坝为研究对象，在量纲分析的基础上，选取泥石流容重、格栅间距和沟道纵坡等为主要影响因素，通过室内水槽模拟试验，探究梁式格栅坝对泥石流的调控特性与规律，旨在降低梁式格栅坝在工程设计中的经验性，为今后梁式格栅坝在泥石流综合治理体系中的推广应用与设计提供科学合理的依据与技术支持，更好地为防灾减灾服务。

1 梁式格栅坝对泥石流调控特性的量纲分析

梁式格栅坝对泥石流的调控是一个受多因素综合影响的复杂动力学过程，这不仅表现在泥石流运动本身的复杂性，而且更在于泥石流与梁式格栅坝之间的相互耦合作用。通过总结透过型拦砂坝的研究成果，分析影响梁式格栅坝对泥石流的调控的主要因素有

(1) 坝体结构特征尺寸：有效坝高h、横梁间距b、格栅数量n、横梁厚度d，工程设计中一般采用等横梁间距的坝型，因此主要关注横梁间距b。(2)沟道条件：沟床纵比降θ，主要表现在对泥石流运动速度v0和拦砂坝库容Vm等方面。(3)过坝前泥石流性质：过坝前泥石流容重γc、泥石流体积或规模Vc及泥石流土体颗粒特征粒径dr等。(4)过坝前泥石流运动状态：过坝前泥石流流速v0和泥深h0。

通过上述分析，可把梁式格栅坝对泥石流调节特性与影响因素之间的关系写成函数形式，即

( 1 )

式中：ζ1和ζ2分别为过坝前后泥石流特性参数，如流量、容重、冲击能量等；f(·)为这些变量之间的存在的某种函数关系。因为式( 1 )右边自变量包括时间(T)、长度(L)和质量(M)3个具有独立量纲的基本量，根据π定理可知，7个自变量可通过量纲分析变成4个无量纲自变量，即

Π=fπ1,π2,π3,π4

( 2 )

引入泥石流运动学中的无量纲数和试验特征参数分析可知，式( 1 )可写成如下形式

( 3 )

通过上述分析，且各影响因素之间是相互耦合作用的关系，因此可将式( 3 )进一步写成如下参数函数形式

( 4 )

式中：α0、α1、α2、α3、α4为待定系数，可根据试验数据，通过非线性回归分析确定各参数最优值，对于不同的调控特性量化指标，系数也有所差异。本文未考虑泥石流相对规模的影响，即在试验条件下参数Vc/Vm为常数，因此式( 4 )可写为

( 5 )

2 试验概况

2.1 试验装置

本次模型试验在中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室泥石流模拟试验大厅完成。如图3所示，试验装置主要包括料斗(最大容积约0.25 m3)、沟道概化水槽(400 cm×30 cm×40 cm，坡度0°～20°可调)、尾料池等。梁式格栅坝模型与水槽等宽，设计坝高为20 cm，两侧支墩宽5 cm(图4)，模型坝布设于距水槽末端1 m处。试验过程中，在水槽侧面和正面分别架设摄像机，以记录梁式格栅坝调控泥石流的全过程。

2.2 试验物料

甘沟为汶川震区湔江上游银厂沟的一级支流，2018年8月18日该沟暴发了一次较大规模的泥石流，本次试验物料即取自该次泥石流后未扰动的堆积原样，并剔除大颗粒砾石。文献[22]认为，泥石流模型试验中，为了减小水槽边界对泥石流运动的影响，试验最大颗粒粒径应不大于水槽宽度的1/5。剔除大颗粒后的物料级配曲线见图5，试验物料最大粒径dmax=40 mm，特征粒径d90=22 mm。

2.3 试验设计

根据前文量纲分析结果，试验选取泥石流容重、格栅间距和沟道纵坡为主要条件参数，根据《泥石流防治指南》一书中关于泥石流模型实验的阐述[22]及弗劳德运动相似准则，模拟不同条件下梁式格栅坝对泥石流的调控过程，分析梁式格栅坝对泥石流容重和峰值流量的调控特征与规律。试验条件列于表1中。

表1 试验条件

3 试验结果分析

3.1 梁式格栅坝对泥石流容重的调节

泥石流容重是泥石流防治工程设计中的重要参数之一，针对透过型拦砂坝工程实践中发现的过坝前后泥石流容重存在差异的现象，为了探究梁式格栅坝对泥石流容重的调节规律，试验选取泥石流容重和横梁间距为主要影响因素，以容重衰减率为主要评价指标，对不同条件下的容重衰减率进行对比分析。评价指标容重衰减率的定义式为

( 6 )

式中：ωγ为容重衰减率；γ1为过坝前泥石流容重；γ2为过坝后泥石流容重。

试验结果表明见图6，格栅坝对过坝泥石流容重的衰减整体呈负相关，即相对开度越大，容重削减率越小，且容重削减率均低于0.35；而相对开度一定时，容重衰减率基本上随着容重的增大而增大，但随着相对开度的增大，这种相对关系逐渐减弱。

( 7 )

通过式( 7 )得到ωγ计算值，并与试验值进行比较，见图7，二者吻合较好，集中差异相对较大的点多出现在大间距格栅坝拦截高容重泥石流的情况。原因在于，当大间距格栅坝拦截高容重泥石流时，泥石流发生明显的堵溃现象(临时闭塞)，即当格栅坝横梁间距大于最大颗粒粒径时，泥石流过坝初始由于高容重泥石流的整体性较好，大块石又聚集于龙头，泥石流中大颗粒通过相互咬合以堵塞格栅，达到闭塞回淤的效果，但由于大颗粒间的这种咬合结构不稳定，咬合结构体承受的作用力逐渐增大，可能出现失稳使堵塞体发生溃决的现象，而这种临时闭塞现象又具有一定的随机性，即发生临时闭塞现象时容重衰减率较小，而不发生时则相对较大。

3.2 梁式格栅坝对泥石流峰值流量的调节

泥石流峰值流量是泥石流防治工程结构设计的重要依据，也是计算一次泥石流总量和固体物质冲出量的基础。探究梁式格栅坝对泥石流峰值流量的调节规律，可为下游防治措施提供可靠的设计参数，为梁式格栅坝在泥石流治理工程体系中合理有效地使用提供科学参考与依据。本文选取泥石流容重和横梁间距为主要影响因素，以峰值流量削减率为主要评价指标，对不同条件下的峰值流量削减率进行分析研究。峰值流量削减率的定义式为

( 8 )

式中：ωq为峰值流量削减率；q1为过坝前泥石流峰值流量；q2为过坝后泥石流峰值流量。

试验分析结果见图8，梁式格栅坝拦截泥石流时，峰值流量削减率随相对开度的增大，呈现先增大后减小的趋势。在拦截容重1.9 t/m3和2.1 t/m3的泥石流时，峰值流量削减率可达0.7以上，其主要原因是高容重泥石流在运动过程表现为层流，整体性较好，格栅坝在拦截过程中基本不产生飞溅现象，且表现为高闭塞率。峰值流量削减率在相对开度小于2.0时，基本在0.5以上。此外，相同容重条件下，相对开度一般在1.0～1.5时其达到最大值(顶点)。试验结果还表明，相对开度一定的情况下，峰值流量削减率随泥石流容重的增大而增大。

( 9 )

通过式( 9 )得到ωq计算值，并与试验值进行比较，见图9，二者吻合度较高。此外，研究发现，梁式格栅坝的调峰作用不仅体现在对峰值流量的削减上，而是一定程度上实现了以库容空间换时间的目的，达到了调峰的效果。如发生临时闭塞时，梁式格栅坝初始有一定过流能力，但逐渐闭塞淤高使允许过流面积减小，上游能坡减小，泥石流流速也降低，随着淤高增大造成下部堵塞体失稳而溃决，使上游库内淤沙又以一定流量排泄至下游，即达到使泥石流暂时停淤于库内的效果。如图10所示(单宽流量断面位于水槽出口处)，在试验条件下，未设置格栅坝时在水槽中流量过程线呈单波峰形态，而设置格栅坝后则表现出双波峰形态，且延长了泥石流的流动时间，其中第一个波峰为允许过流面未闭塞时格栅坝的过流现象，第二个波峰则为坝体闭塞淤高堵溃时库内不稳定淤砂又排泄至下游的现象。因此，关于梁式格栅坝的调峰规律与特性在以后还有待进一步重点研究，例如全闭塞、半闭塞及未闭塞时的泥石流流量过程线的变化等。

4 结论

泥石流容重和峰值流量是泥石流防治工程设计中的两个重要参数，反映泥石流的性质、规模以及运动状态特征等。本文基于量纲分析原理推导了梁式格栅坝调控性能的计算式，并结合室内水槽模拟试验，探究了梁式格栅坝对泥石流的调控规律，得到以下结论：

(1) 分析得到了综合考虑泥石流性质、坝体结构参数以及泥石流运动状态等因素的调节特性指标(容重衰减率和峰值流量削减率)的计算式，并根据试验结果通过最小二乘法确定了其中参数，计算结果与试验结果吻合度较好。

(2) 格栅坝对过坝泥石流容重的衰减整体呈负相关，即相对开度越大，容重削减率越小，且容重削减率均低于0.35；而相对开度一定时，容重衰减率基本上随着容重的增大而增大，但随着相对开度的增大，这种相对关系逐渐减弱。

(3) 梁式格栅坝拦截泥石流时，峰值流量削减率随相对开度的增大，整体呈现先增大后减小的趋势；相同容重条件下，相对开度一般在1.0～1.5时削减率达到最大值(顶点)；相对开度一定时，峰值流量削减率随泥石流容重的增大而增大。

(4) 梁式格栅坝的调峰作用不仅体现在对峰值流量的削减上，而且一定程度上实现了以库容空间换时间的目的，延长泥石流流动时间以达到调峰的效果，在后续的工作中还需进一步深入研究，如全闭塞、半闭塞以及未闭塞时的泥石流流量过程线的变化等。

(5) 本文侧重于梁式格栅坝对宽级配砾石土类型泥石流的调控，而在以泥流为主的西北山区的泥石流防治中的应用还有待进一步试验和野外实际工程运行情况的验证。