彎道超高法在猴子巖電站江口泥石流溝治理中的應(yīng)用

宋書志，佘敏龍

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

彎道超高法在猴子巖電站江口泥石流溝治理中的應(yīng)用

宋書志，佘敏龍

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

我國水電工程大部分集中在西部山區(qū)，泥石流災(zāi)害在這些地區(qū)較為突出。由于泥石流暴發(fā)的突然性和不可復(fù)制性，對泥石流原型進(jìn)行野外觀測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測量都存在很大的困難。泥石流流速是研究泥石流的主要運(yùn)動學(xué)參數(shù)，是確定流量、沖擊力、爬高及沖淤特征的基礎(chǔ)參數(shù)，是泥石流治理工程設(shè)計(jì)必備的核心參數(shù)，因此選取合適的方法確定泥石流流速是治理工程成敗的關(guān)鍵。鑒于泥石流為復(fù)雜的多相非牛頓體，怎樣精確的計(jì)算泥石流的流速始終是一個(gè)科學(xué)難題。本文在總結(jié)國內(nèi)外泥石流流速計(jì)算的基礎(chǔ)上，以猴子巖水電站庫區(qū)江口溝泥石流治理工程為例，通過對江口泥石流溝的形態(tài)勘測，根據(jù)泥石流彎道超高計(jì)算泥石流流速，為該溝的防治提供參考依據(jù)。

泥石流；彎道超高；流速；江口溝

0 引 言

泥石流的運(yùn)動力學(xué)研究及工程治理中，泥石流流速均為不可或缺的核心參數(shù)。然而由于泥石流溝在野外分布范圍較廣，泥石流暴發(fā)極具偶然性及不可重復(fù)性，野外原型觀測和室內(nèi)試驗(yàn)測量均很困難，測量手段和泥石流運(yùn)動力學(xué)研究的滯后性制約著泥石流研究的發(fā)展。

目前泥石流流速的獲取主要從兩個(gè)途徑：一是通過泥石流現(xiàn)場原型觀測獲取，二通過現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。由于我國泥石流溝分布范圍廣且數(shù)量眾多，國內(nèi)目前原型觀測的泥石流溝僅為少數(shù)一些科研型泥石流溝，如曾在西藏古鄉(xiāng)溝和加瑪其美溝、甘肅柳彎溝和火燒溝以及云南渾水溝和蔣家溝等開展過流速觀測工作，其中蔣家溝的流速觀測一直持續(xù)到現(xiàn)在［1］。然而近年來我國的西部大開發(fā)，眾多工程區(qū)內(nèi)都涉及到泥石流溝，由于泥石流暴發(fā)的突然性和缺乏監(jiān)測設(shè)備，這些泥石流溝缺乏現(xiàn)場原型觀測數(shù)據(jù)，對這些泥石流溝的治理只能通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其泥石流流速，選取的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的泥石流流速能否接近該泥石流溝的真實(shí)流速是治理工程成敗的關(guān)鍵。因此，有條件時(shí)，通過現(xiàn)場對泥石流溝的形態(tài)勘測，依據(jù)泥石流溝道兩岸的泥痕得出泥面的彎道超高值，進(jìn)而根據(jù)彎道超高與流速的關(guān)系式來推算泥石流流速［2］，此方法能很好的解決選取的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的結(jié)果跟實(shí)際差別較大的情況。

1 彎道超高法估算泥石流流速的研究現(xiàn)狀

在泥石流溝現(xiàn)場調(diào)查過程中，在溝道轉(zhuǎn)彎處彎道超高是十分普遍的，這是由于泥石流流體在經(jīng)過彎道處，產(chǎn)生的離心力使得凹岸側(cè)泥位高于凸岸側(cè)泥位，故利用彎道超高反推泥石流流速，能較好的吻合現(xiàn)場調(diào)查的泥石流特征。

1.1 基于清水流彎道超高公式的泥石流流速估算

根據(jù)離心力與橫向力平衡，可推導(dǎo)清水流彎道超高計(jì)算公式［3］：式中 v——轉(zhuǎn)彎處清水流平均流速；

Δh——彎道超高值；

B——溝道轉(zhuǎn)彎處溝道寬度；

R——溝道轉(zhuǎn)彎處溝道中心曲率半徑；g——重力加速度。

1.2 國外基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式

日本學(xué)者水山高久［4］（1981），為解釋燒岳上上沖溝泥石流和妙高高原泥石流的彎道超高值遠(yuǎn)比清水流高的現(xiàn)象，進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，提出了彎道超高的計(jì)算公式，具有一定的實(shí)用價(jià)值：

式中 α＝f（R，B），α最大可達(dá)10。

1.3 國內(nèi)基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式［5］

假定泥石流在通過彎道處，凸岸側(cè)角速度與凹岸側(cè)角速度相等，則有：

由于凹岸的泥石流流速較凸岸的大，其動能亦較大，這是泥石流彎道超高的原因所在，超高的勢能與兩岸的動能差相等。若超高的高度為Δh，則有：

由于r1＋r2＝2R，r1－r2＝B，v1＋v2＝2v，則聯(lián)立上兩個(gè)式求解泥石流經(jīng)過彎道處流速為：v＝。求解出來的結(jié)果與清水流相同，而泥石流作為多相流與清水流有本質(zhì)的差別，依據(jù)角速度相同推導(dǎo)出的泥石流流速計(jì)算公式不能很好的反應(yīng)泥石流真實(shí)的運(yùn)動特征，需要進(jìn)一步完善。

1.4 基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式的完善

由于泥石流為多相流，與清水流不同，其流體內(nèi)的高粘性和固相顆粒體間摩擦碰撞離散切力［6］，使其運(yùn)動阻力加大，其彎道超高計(jì)算模式理應(yīng)考慮粘性和粒間切力的影響。研究表明：泥石流體的剪切強(qiáng)度仍符合庫侖定律［1］，因此可借用粘聚力和內(nèi)摩擦角來分別表征流體粘性和粒間切力的影響。據(jù)此，按照離心力與橫向力平衡的思路，國內(nèi)學(xué)者蔣忠信在歸納和探討泥石流彎道超高計(jì)算模式的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和總結(jié)了基于彎道超高計(jì)算泥石流流速的方法，推導(dǎo)出泥石流彎道超高公式［7］。

式中 θ＝arctan（Δh／B）

H——平均泥位深；

c、φ——內(nèi)聚力、摩擦角；

γ——泥石流重度。

2 基于彎道超高提出的泥石流流速計(jì)算公式的討論

2.1 基于清水流推導(dǎo)的泥石流流速計(jì)算公式

由于泥石流為復(fù)雜的多相非牛頓體，與清水流有本質(zhì)的區(qū)別，在室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)及野外天然泥石流溝道勘測中，均存在泥石流彎道超高大于清水流彎道超高值，這是由于泥石流流體中固相顆粒之間的粘聚力及顆粒間切力的影響，故直接用清水流彎道超高計(jì)算公式去計(jì)算泥石流彎道處泥石流的流速是不合適的。

2.2 基于清水流推導(dǎo)的泥石流流速計(jì)算改進(jìn)公式

在清水流基礎(chǔ)上，日本學(xué)者水山高久引進(jìn)了一個(gè)參數(shù)α，以此來解決泥石流彎道超高大于清水流彎道超高這種現(xiàn)象，然而α＝f（R，B），是與R及B有關(guān)的，參數(shù)α的取值具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，國內(nèi)很多文獻(xiàn)直接將參數(shù)α取值為2，由于天然泥石流溝道具有唯一性，所有溝道的α取值均為2，此種取值方式不盡合理，需進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，由于參數(shù)α取值需要一定的經(jīng)驗(yàn)性，參數(shù)α取值是否合理直接影響到最終的計(jì)算成果能否接近泥石流的真實(shí)流速。故此計(jì)算方法具有一定的局限性。

2.3 考慮了流體力學(xué)參數(shù)的泥石流流速計(jì)算公式

此方法考慮了泥石流作為多相流，流體中的固相之間的粘聚力及固相之間的剪切作用，引入了泥石流流體內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的力學(xué)參數(shù)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角可以通過以下方法獲得：一是采用經(jīng)驗(yàn)值；二是配制符合泥石流暴發(fā)時(shí)的流體進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，用流體的剪切實(shí)驗(yàn)確定內(nèi)摩擦角，用靜力測定的漿體剪切強(qiáng)度確定粘聚力；三是采用基于流體配比的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推算［8］。該理論方法由于引入的力學(xué)參數(shù)尚難精確測定，帶來公式實(shí)際應(yīng)用上的偏差。但較清水流推導(dǎo)出的泥石流流速計(jì)算公式能夠更符合泥石流運(yùn)動特征，此外該方法引入的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角力學(xué)參數(shù)可以通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)來確定，可以有效的避免經(jīng)驗(yàn)取值帶來的計(jì)算偏差。故在泥石流研究及工程防治中可運(yùn)用公式（5）對泥石流流速進(jìn)行計(jì)算。

3 猴子巖水電站庫區(qū)江口泥石流溝流速計(jì)算

江口泥石流溝位于丹巴縣下游約10 km格宗鄉(xiāng)境內(nèi)，溝口坐標(biāo)為N：30°48′32.13″，E：101°56′11.78″，地處大渡河猴子巖水電站壩址上游約37 km，S211省道堆積扇前緣通過，與泥石流溝呈大角度相交。

3.1 江口溝流域特征

江口溝總匯水面積10.93 km2，主溝長度6.14 km，溝源海拔3 960 m，溝口處最低海拔1 840 m，相對高差約2 120 m。四季常年流水。從溝口往內(nèi)約1 km處（海拔高程2 170 m）發(fā)育1條支溝，支溝長約3.3 km。除堆積區(qū)外，溝內(nèi)均以巖質(zhì)溝床為主。溝口段山坡基巖裸露，植被不發(fā)育，溝口段溝岸兩側(cè)坡腳堆積有大量崩坡堆積物。這些溝道特征決定了在暴雨工況下該溝存在發(fā)生中～小型泥石流的可能。江口溝全流域特征及主溝縱坡降見圖1、2。

圖1 江口溝全流域特征

圖2 江口溝主溝縱坡降示意

3.2 流速計(jì)算

江口溝于2006年7月份發(fā)生過中等規(guī)模的泥石流，在溝道轉(zhuǎn)彎處留下了較為明顯的泥痕，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘測，該次泥石流容重γc＝1.626 g／cm3；溝道中心線轉(zhuǎn)彎半徑R＝64 m；溝道寬B＝4.2 m；彎道超高Δh＝0.4 m，平均泥位深H＝1.9 m；根據(jù)配漿進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得c＝0.076 kN／m2，φ＝3.7°。根據(jù)公式（5）計(jì)算泥石流流速如表1所示：

表1 江口溝泥石流流速計(jì)算

采用《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》（DZ／T 0220－2006）附錄I中推薦公式1.15（通用公式）進(jìn)行計(jì)算：

查表得泥石流溝床糙率nc＝0.307；Ic＝800‰；Hc＝1.9，代入上式，得Vc＝4.47。按彎道超高法計(jì)算出的泥石流流速比規(guī)范推薦公式計(jì)算出的值小6.1%。

4 計(jì)算結(jié)果分析及結(jié)論

（1）目前常用的經(jīng)驗(yàn)公式是由某一條或綜合了某幾條泥石流溝長期觀測資料，總結(jié)歸納得出的，由此得到的經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)用到其他泥石流溝時(shí)需進(jìn)行修正。而彎道超高法計(jì)算泥石流流速是基于每條泥石流溝的現(xiàn)場勘測資料，只要現(xiàn)場勘測誤差盡可能的小，其計(jì)算出的結(jié)果還是較為可靠的。本文中規(guī)范推薦的公式計(jì)算出的泥石流流速大于彎道超高法計(jì)算出的流速，是因?yàn)橐?guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式中各參數(shù)取值具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，各參數(shù)的取值不一定能很好的符合江口溝的溝道特征，故計(jì)算出的結(jié)果與彎道超高法計(jì)算出的結(jié)果之間有一定的偏差。

（2）彎道超高法存在一定的局限性，對于溝道特征較為明顯、泥痕清楚的泥石流溝（如江口泥石流溝），彎道超高法具有一定的可行性。

（3）彎道超高法需要解決的問題：泥石流是復(fù)雜的多相非牛頓體，其過程十分復(fù)雜，在溝道勘測時(shí)需測準(zhǔn)同一次泥石流在溝道兩岸的泥痕，而公式中用到的流體的粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度、平均泥深等參數(shù)，這些參數(shù)目前尚難精確獲得，進(jìn)而給公式帶來計(jì)算偏差。

［1］ 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.中國的泥石流［M］.北京：商務(wù)印務(wù)館，2000.

［2］ 何杰，陳寧生.粘性泥石流彎道超高在流速計(jì)算中的應(yīng)用［J］.成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，10（4）：425－428.

［3］ 蔣忠信.基于彎道超高計(jì)算泥石流流速的探討［J］.巖土工程技術(shù)，2007，21（6）：288－291.

［4］ 水山高久，上原信司（日）.河彎上泥石流的流態(tài)［M］.泥石流譯文集（三）.鐵道部科學(xué)研究院西南研究所，1985：72－79.

［5］ 沈壽長.泥石流運(yùn)動的阻力和流速［G］.泥石流防治理論與實(shí)踐.成都：西南交通大學(xué)出版社，1991：21－32.

［6］ 吳積善，田連權(quán)，康志成，等.泥石流及其綜合治理［M］.北京：科學(xué)出版社，1993.

P642.23

B

1003－9805（2015）02－0044－03

2014－08－15

宋書志（1983－），男，安徽廣德人，高級工程師，從事巖土工程及防災(zāi)減災(zāi)工程的勘察、設(shè)計(jì)及研究工作。