“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽調(diào)控泥石流性能研究

栗 帥，陳曉清,4，陳劍剛，游 勇，陳華勇,4，趙萬(wàn)玉

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院 青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101)

泥石流是山區(qū)常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，近年來(lái)，在氣候變暖、極端降雨、地震頻發(fā)的背景下，中國(guó)西南山區(qū)泥石流發(fā)生的頻率和規(guī)模呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，對(duì)山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)、道路橋梁、工程設(shè)施產(chǎn)生了極大的危害。開(kāi)展泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作對(duì)于中國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是一項(xiàng)重要且緊迫的任務(wù)[1]。排導(dǎo)槽作為泥石流綜合治理“穩(wěn)、攔、排”三大方針中“排”措施的主要載體，一直在治理中扮演著舉足輕重的角色[2–4]，在治理泥石流的實(shí)踐中得到了大量的應(yīng)用（圖1）。

圖1 排導(dǎo)槽在泥石流治理實(shí)踐中的應(yīng)用Fig. 1 Application of drainage channel in debris flow mitigation engineering

排導(dǎo)槽的首要功能是把泥石流約束在槽內(nèi)并順暢地排泄到下游地區(qū)，保護(hù)堆積區(qū)居民和設(shè)施免遭泥石流危害[5]?；谶@一原則，學(xué)者在多年的防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐中做了大量的探索研究[6]，提出了著名的東川槽和V型槽。東川槽是一種帶肋檻的軟基消能型排導(dǎo)槽，以肋檻護(hù)底、固坡，利用泥石流與溝床物質(zhì)的摻混達(dá)到消減能量的目的，主要適用于溝床沖刷嚴(yán)重，需要嚴(yán)格控制溝道形態(tài)的地區(qū)。V型槽是全斷面襯砌型排導(dǎo)槽[7–10]，橫斷面具有窄、尖、深的特點(diǎn)，利用“束水攻砂”的理念快速排導(dǎo)泥石流，主要應(yīng)用于溝谷狹窄、溝床易淤積且有廣闊的停淤場(chǎng)或有足夠輸運(yùn)能力的主河。這兩種類(lèi)型的排導(dǎo)槽在治理常規(guī)泥石流的實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用，也取得了良好的效果。

由于泥石流具有顯著的地域差異性，加上不斷出現(xiàn)的一些新變化，如大坡降的溝道、高頻率大型泥石流等[11–12]，對(duì)上述排導(dǎo)槽的治理效果產(chǎn)生了一定的影響[13]。針對(duì)泥石流排導(dǎo)槽存在的問(wèn)題，不同學(xué)者提出了多種排導(dǎo)槽型式，如以消能為理念的梯–潭型排導(dǎo)槽[14–15]及基于梯–潭系統(tǒng)的擋流式排導(dǎo)槽[16]、箱體消能型排導(dǎo)槽[17–18]，兼顧消能特性和溝道上下游生物連通性的交錯(cuò)齒檻型排導(dǎo)槽[19–20]與對(duì)稱齒檻型排導(dǎo)槽[21]等。針對(duì)這些新型排導(dǎo)槽，主要集中研究了排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流運(yùn)動(dòng)特性（如泥深和流速），排導(dǎo)槽的斷面設(shè)計(jì)、底部阻力、消能效率等方面，為泥石流的防治提供了重要參考價(jià)值。

受到這些新型排導(dǎo)槽研究的啟發(fā)，借鑒水利工程中的臺(tái)階式溢洪道泄洪消能思路，作者提出了一種“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽，并對(duì)其階梯與消力墩表面的泥石流沖擊力特征進(jìn)行了初步研究[22]。本文進(jìn)一步對(duì)這種新型排導(dǎo)槽進(jìn)行綜合性研究，主要從排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流流態(tài)、密度、固相顆粒大小、泥深、運(yùn)動(dòng)速度和沖擊壓強(qiáng)等參數(shù)的變化，定量分析不同消力墩體型（梯形、三角形和正方形）在調(diào)控泥石流方面的表現(xiàn)，期望給出全面客觀的評(píng)價(jià)。

1 模型試驗(yàn)方法

1.1 水槽試驗(yàn)裝置及測(cè)試儀器

試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置由儲(chǔ)料箱、水槽、尾料池、鋼管支架、鋼化玻璃及攝影設(shè)備組成，如圖2所示。水槽尺寸為長(zhǎng)×寬×高=6.00 m × 0.45 m × 0.40 m，水槽兩側(cè)由鋼化玻璃組成，水槽及料斗固定于鋼管支架上；尾料池尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1.2 m × 1.2 m × 0.8 m；試驗(yàn)水槽坡度取8.5°。試驗(yàn)中擬選取梯形、三角形和正方形3種體型的消力墩（圖2）。消力墩從水槽起始端以下1.80 m處開(kāi)始以0.27 m的間距，依次布置5個(gè)（編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#），并用螺栓固定于水槽底板上。

圖2 試驗(yàn)裝置布置Fig. 2 Layout of experimental set-up

沿著泥石流的流動(dòng)方向設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（圖2），分別為水槽內(nèi)的1#消力墩之前0.30 m處（1–1斷面）和5#消力墩之后的0.80 m處（2–2斷面）。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面正上方分別安裝攝像機(jī)（SONY FDR-AX40, 1 440×1 080 pixels, 25 fps）和激光泥位計(jì)（Leuze, ODSL 30/V-30M-S12，10 Hz），分別用于記錄泥石流的運(yùn)動(dòng)速度及泥深變化。在每個(gè)消力墩的迎水面上安裝沖擊力傳感器（LH-Y127B，2 000 Hz），編號(hào)依次為Pa1、Pa2、Pa3、Pa4、Pa5。

1.2 試驗(yàn)物料組成及方案

試驗(yàn)物料取自云南東川蔣家溝泥石流堆積區(qū)的松散堆積物原樣，經(jīng)過(guò)晾曬干燥后，試驗(yàn)前，首先使用20 mm×20 mm的鋼篩對(duì)土樣進(jìn)行篩分，剔除直徑大于20 mm的顆粒，處理后的土樣顆粒級(jí)配曲線（d50=5.1 mm）如圖3所示。試驗(yàn)的泥石流物料是通過(guò)把固相土樣與水混合制成，在確保每組試驗(yàn)的固相物料質(zhì)量不變的情況下，改變含水量的大小，考慮了5種泥石流密度（表1）。每組試驗(yàn)開(kāi)始前，把配置好的泥石流樣品裝入儲(chǔ)料箱中，并用手持式電動(dòng)攪拌器充分?jǐn)嚢瑁_保均勻；然后，打開(kāi)儲(chǔ)料箱底部的閘門(mén)，泥石流在重力的作用下，自由流入水槽中。

圖3 固相顆粒物質(zhì)級(jí)配曲線Fig. 3 Cumulative grain size distribution of the solids adopted

表1 試驗(yàn)配置的泥石流樣品參數(shù)Tab. 1 Parameters of debris flow samples

1.3 比尺效應(yīng)

實(shí)際排導(dǎo)槽中的泥石流運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的3維運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在多數(shù)情況下，難以單純用數(shù)理分析得出滿意的結(jié)果，因此必須依賴于試驗(yàn)。水槽模型試驗(yàn)是當(dāng)前研究泥石流問(wèn)題的有效手段之一，其優(yōu)點(diǎn)主要有：可以控制主要試驗(yàn)變量而不受環(huán)境條件的限制與影響；便于改變?cè)囼?yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；簡(jiǎn)便可操作性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)性好。模型試驗(yàn)的主要問(wèn)題是存在比尺效應(yīng)，小尺度的水槽試驗(yàn)結(jié)果與野外真實(shí)泥石流事件有所差異[23–24]。事實(shí)上，水槽試驗(yàn)都是屬于2維研究的范疇，無(wú)法完全還原真實(shí)條件下的3維現(xiàn)象。實(shí)踐證明，只要遵守模型試驗(yàn)規(guī)程，選擇合適的比尺和試驗(yàn)方法，比尺效應(yīng)所帶來(lái)的誤差是可控的，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響是有限的。

為了減小比尺效應(yīng)問(wèn)題，常常通過(guò)幾何相似、材料相似、動(dòng)力相似等原則來(lái)約束小尺度水槽試驗(yàn)[25–26]。本文主要研究排導(dǎo)槽對(duì)泥石流的調(diào)控作用，并非某次泥石流事件的等價(jià)縮尺試驗(yàn)研究，故以材料相似（固相物料來(lái)源于野外真實(shí)的蔣家溝泥石流堆積扇）為出發(fā)點(diǎn)，考慮泥石流動(dòng)力相似條件，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)水槽模型。其中，動(dòng)力相似條件，常采用表征流動(dòng)物質(zhì)的慣性力與重力比值的無(wú)量綱弗魯?shù)聰?shù)Fr來(lái)衡量，要求小尺度水槽試驗(yàn)的泥石流Fr與天然泥石流的Fr保持一致。Fr用式（1）表達(dá)：

我靜靜地聽(tīng)，沒(méi)有絲毫的震驚。我說(shuō)我早就知道了，林強(qiáng)信親口告訴我的。我說(shuō)我不在乎，能夠天長(zhǎng)地久的，不是兩個(gè)人，而是兩顆心。我抓過(guò)阿花的手，不要再停留在過(guò)去的時(shí)空里，讓時(shí)間磨滅一切，一切都會(huì)過(guò)去的。未來(lái)才是我們的。擁有未來(lái)，我們就不會(huì)輸，我們就是永遠(yuǎn)的贏家！

式中，v為速度，g為重力加速度，h為流動(dòng)深度。

根據(jù)文獻(xiàn)[27–28]的研究，自然界中已發(fā)生的泥石流的Fr大都小于5.0。試驗(yàn)中，水槽上游的1–1斷面處的來(lái)流泥石流Fr值基本上處于2.8

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 泥石流形態(tài)

泥石流在排導(dǎo)槽中的流態(tài)是衡量排導(dǎo)槽功能的基本指標(biāo)之一，以泥石流密度為1 833 kg/m3時(shí)的泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)闡述不同消力墩體型的排導(dǎo)槽對(duì)泥石流流態(tài)的調(diào)控情況（圖4）。以泥石流流動(dòng)到1–1斷面的時(shí)間作為起始時(shí)刻t=0，描繪不同時(shí)刻的泥石流表面輪廓，如圖4中的紅色虛線所示。

由圖4可以看到：對(duì)于3種不同體型的排導(dǎo)槽，泥石流在t=0時(shí)的流態(tài)是一致的；當(dāng)泥石流運(yùn)動(dòng)到1#消力墩時(shí)，被其挑向空中，越過(guò)一定數(shù)量的“階梯+消力墩”后重新跌落到下游的消力墩上，然后又被擠壓抬升到一定的高度（但低于1#消力墩對(duì)泥石流的抬升高度），再次跌落下來(lái)，如此重復(fù)下去，在排導(dǎo)槽內(nèi)形成了強(qiáng)烈紊動(dòng)的波狀流動(dòng)。這種由“階梯+消力墩”引起的高度紊亂的流態(tài)，往往使得泥石流翻越排導(dǎo)槽的邊墻，可能導(dǎo)致泥石流對(duì)排導(dǎo)槽外部區(qū)域的次生危害。這意味著“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽的邊墻高度可能要比傳統(tǒng)排導(dǎo)槽的邊墻高度修建的更高一些，才能避免泥石流翻越邊墻而造成危害。

圖4 泥石流密度為ρ=1 833 kg/m3時(shí)，不同“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig. 4 Progression profiles of debris flows (ρ=1 833 kg/m3) in different types of drainage channels

另外，比較消力墩抬升泥石流的最大躍起高度，可以發(fā)現(xiàn)：正方形、三角形、梯形消力墩抬升泥石流的最大高度（以側(cè)邊墻頂部為基準(zhǔn)）依次約為0.45、0.22和 0.15 m。分析其原因，可能是與消力墩迎水面角度有關(guān)（圖5）。由圖5可見(jiàn)：正方形消力墩的迎水面角度（α=90.0°）最大，對(duì)泥石流的阻擋作用強(qiáng)，對(duì)泥石流的抬升主要沿著垂向向上挑起，使得躍起高度最大；梯形消力墩迎水面角度（α=63.5°）比三角形消力墩迎水面角度（α=45.0°）大，但泥石流遇到三角形消力墩時(shí)，流線更平滑，更容易向前躍升，導(dǎo)致較大的泥石流抬升高度。這種基于現(xiàn)象觀察的推測(cè)，在“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽中強(qiáng)烈紊亂的泥石流流態(tài)變化過(guò)程中，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 3種消力墩體型示意圖Fig. 5 Schematic diagram of three types of baffles

2.2 排導(dǎo)槽的輸運(yùn)能力

“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽輸運(yùn)泥石流的過(guò)程，實(shí)際上也是對(duì)泥石流本身進(jìn)行再重塑的過(guò)程，主要體現(xiàn)在兩方面：一是宏觀層面的泥石流密度，二是細(xì)觀層面的顆粒粒徑。為此，在每組試驗(yàn)結(jié)束后，依次對(duì)沿程的5個(gè)“階梯+消力墩”單元內(nèi)的泥石流進(jìn)行取樣。采用量筒和臺(tái)秤對(duì)樣品進(jìn)行體積和質(zhì)量的測(cè)定，進(jìn)而換算成密度；然后，將泥石流樣品進(jìn)行晾曬，并在高溫烤箱（95 ℃）中進(jìn)一步烘干；最后，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999），使用符合試驗(yàn)篩國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB6003—85）的圓孔篩開(kāi)展顆粒分析試驗(yàn)，繪制顆分圖，插值計(jì)算得到特征粒徑d50。

不同消力墩體型排導(dǎo)槽對(duì)泥石流沿程密度的調(diào)控情況如圖6所示。由圖6可以看到：在沿程方向上，泥石流密度表現(xiàn)為先增大后減小的規(guī)律。1#消力墩之前和水槽出口處的泥石流密度均小于初始的泥石流密度（位于圖6中的虛線以下）；在3#和5#消力墩之間的中部區(qū)域，泥石流密度均大于初始的泥石流密度（位于圖6中的虛線以上）。這表明“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽對(duì)沿程運(yùn)動(dòng)的泥石流密度進(jìn)行了重分配，降低了上下游處的泥石流密度，增加了中部區(qū)域的泥石流密度，在總體上保持守恒的。對(duì)比不同體型排導(dǎo)槽，可以看到：“階梯+三角形消力墩”型排導(dǎo)槽內(nèi)的泥石流密度在位于1#消力墩之前和水槽出口處最大，在3#和5#消力墩之間的中部區(qū)域的泥石流密度最??；“階梯+梯形消力墩”型排導(dǎo)槽則表現(xiàn)出與“階梯+三角形消力墩”型排導(dǎo)槽截然相反的泥石流密度調(diào)控效果。

圖6 泥石流密度沿程變化情況Fig. 6 Variation of debris flow density along the drainage channel

泥石流固液兩相的組成特性，決定了其宏觀密度大小受細(xì)觀固液相組成比例的影響。因此，泥石流沿程不同部位的密度變化可能與排導(dǎo)槽對(duì)泥石流中固相物質(zhì)組成的調(diào)控相關(guān)，有必要分析排導(dǎo)槽內(nèi)沿程泥石流中的固相粒徑分布情況。

式中，d50和d50,ori分別為排導(dǎo)槽內(nèi)不同部位采集的泥石流樣品及原始泥石流中固體含量累計(jì)為50%對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑。當(dāng)λ>1時(shí)，表示顆粒粗化；λ<1時(shí)，表示顆粒細(xì)化。

根據(jù)式（2）計(jì)算得到的3種體型排導(dǎo)槽內(nèi)沿程不同部位泥石流中固體顆粒特征粒徑d50的變化情況（以參數(shù)λ來(lái)量化）如圖7所示。

由圖7可知，沿泥石流的流動(dòng)方向，排導(dǎo)槽內(nèi)不同部位處的λ呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在1#消力墩之前和水槽出口處，λ<1，表明顆粒細(xì)化；在3#消力墩和5#消力墩之間，λ>1，意味著顆粒粗化。1#消力墩之前，泥石流中的粗顆粒減少，原因可能是消力墩的阻擋迫使泥石流躍離底床，發(fā)生固液分離現(xiàn)象，粗顆粒的慣性作用力更大導(dǎo)致其躍向下游。水槽出口處粗顆粒減小的原因是由于泥石流經(jīng)過(guò)沿程的消力墩調(diào)控后，泥石流中大部分粗顆粒被消力墩攔截了（從3#消力墩和5#消力墩之間顆粒粗化的結(jié)果得以佐證），流向出口的粗顆粒就相應(yīng)減少了。

圖7 泥石流的特征粒徑（d50）沿程變化情況Fig. 7 Variation of characteristic particle size (d50) in debris flow along the path

此外，注意到：在5#消力墩之前，λ梯形消力墩>λ正方形消力墩>λ三角形消力墩，表示在此范圍內(nèi)梯形消力墩的攔粗排細(xì)能力最強(qiáng)，正方形消力墩攔粗排細(xì)能力次之，三角形消力墩攔粗排細(xì)能力最弱；在水槽出口出處，λ梯形消力墩<λ正方形消力墩<λ三角形消力墩，表示三角形消力墩最終輸移到下游的顆粒粒徑最粗，正方形消力墩最終輸移到下游的顆粒粒徑次之，梯形消力墩最終輸移到下游的顆粒粒徑偏細(xì)。

綜上所述，“階梯+梯形消力墩”排導(dǎo)槽中部區(qū)域攔截的顆粒粒徑較粗，而排放到下游的顆粒粒徑較細(xì)；“階梯+三角形消力墩”排導(dǎo)槽中部區(qū)域攔截的顆粒粒徑較細(xì)，而排放到下游的顆粒粒徑較粗。因此，從排導(dǎo)槽對(duì)顆粒粒徑調(diào)控的角度看，“階梯+梯形消力墩”排導(dǎo)槽的攔粗排細(xì)功能是最好的。

2.3 “階梯+消力墩”結(jié)構(gòu)對(duì)泥深和流速的調(diào)控

泥石流的泥深和運(yùn)動(dòng)速度在很大程度上與致災(zāi)程度相關(guān)，因此，排導(dǎo)槽對(duì)泥深和速度的調(diào)控效果在泥石流防災(zāi)減災(zāi)評(píng)價(jià)中非常重要。試驗(yàn)分別在排導(dǎo)槽的上游和下游各取一個(gè)斷面（1–1斷面和2–2斷面，見(jiàn)圖2）做對(duì)比研究，探討“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽對(duì)泥石流泥深和速度的調(diào)控情況。采用泥深比ηv和速度變化率ηd兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化分析（圖8和9）：

式中，h1–1、v1–1和h2–2、v2–2分別為1–1斷面和2–2斷面的泥深與速度。此處的速度指泥石流龍頭處的表面速度。

圖8 排導(dǎo)槽對(duì)泥石流泥深的調(diào)控Fig. 8 Regulation of debris-flow depth by drainage channel

圖9 排導(dǎo)槽對(duì)泥石流的速度調(diào)控Fig. 9 Regulation of debris-flow velocity by drainage channel

從圖8中可以看到：ηd幾乎均大于1.0（ρ=2 129 kg/m3時(shí)除外），表明泥石流經(jīng)過(guò)“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽的調(diào)控后，泥深顯著增加；隨著來(lái)流泥石流密度的增大，泥石流深度增加的程度逐漸降低；直至密度達(dá)到ρ=2 129 kg/m3時(shí)，下游處的泥深才小于上游泥深。“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽對(duì)泥石流的泥深具有放大效應(yīng)，有可能會(huì)加劇對(duì)下游的危害程度。另外，值得注意的是：當(dāng)來(lái)流泥石流密度小于1 929 kg/m3時(shí)（稀性泥石流），“階梯+正方形消力墩”型排導(dǎo)槽對(duì)泥深的放大程度最大，“階梯+三角形消力墩”的放大效應(yīng)最?。划?dāng)密度大于1 929 kg/m3時(shí)（黏性泥石流），則出現(xiàn)了截然相反的結(jié)果。因此，在修建排導(dǎo)槽時(shí)，需要考慮不同類(lèi)型的泥石流類(lèi)型情況，采取相應(yīng)的排導(dǎo)槽體型，不要期望用一種排導(dǎo)槽體型調(diào)控所有的泥石流類(lèi)型。

本文提出的“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽對(duì)泥石流泥深與速度的調(diào)控情況與其他型式的排導(dǎo)槽[17–18,20–21]調(diào)控效果相比，具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：挑流排導(dǎo)和加阻減速，泥深的放大效應(yīng)偏大；速度的衰減程度更明顯。這有助于控制泥石流流速與峰值流量，提高排導(dǎo)效率。

綜上所述，“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽在降低泥石流速度的同時(shí)又會(huì)放大泥深，這是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。因此，在排導(dǎo)槽實(shí)踐過(guò)程中，需要特別注意平衡這兩方面的利害關(guān)系，根據(jù)泥石流調(diào)控目標(biāo)的不同，盡量做到合理取舍。

2.4 沖擊壓強(qiáng)特性

排導(dǎo)槽在排導(dǎo)泥石流的過(guò)程中，同樣會(huì)遭受泥石流強(qiáng)烈的沖擊作用，事關(guān)排導(dǎo)槽的安全運(yùn)行壽命，需要重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)排導(dǎo)槽的實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)在“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽中，消力墩可能是受到泥石流沖擊力最大、也是最易破壞的關(guān)鍵部件。一般來(lái)講，引起沖擊破壞的主要?jiǎng)恿?lái)自于泥石流的峰值沖擊壓力，因此，本文以消力墩迎水面上的峰值沖擊壓強(qiáng)Pa來(lái)衡量“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽在不同泥石流密度來(lái)流情況下的抗沖擊特性，如圖10所示。

圖10 消力墩迎水面上的峰值沖擊壓強(qiáng)Fig. 10 Peak impact pressure on the upstream face of baffles

由圖10可見(jiàn)：沿程消力墩迎水面上的峰值沖擊壓強(qiáng)呈現(xiàn)出震蕩衰減的特征，這與排導(dǎo)槽內(nèi)泥石流的波狀運(yùn)動(dòng)流態(tài)是吻合的。梯形消力墩迎水面上承受的沖擊壓強(qiáng)整體上高于三角形消力墩迎水面的沖擊壓強(qiáng)約30%左右；與正方形消力墩上沖擊壓強(qiáng)相比較，梯形消力墩則表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，“階梯+正方形消力墩”型排導(dǎo)槽的1#、4#、5#消力墩上沖擊壓強(qiáng)大于“階梯+梯形消力墩”和“階梯+三角形消力墩”型排導(dǎo)槽消力墩上的沖擊壓強(qiáng)；“階梯+梯形消力墩”型排導(dǎo)槽的2#和3#消力墩上沖擊壓強(qiáng)是最大的。

造成上述結(jié)果的原因可能與消力墩的迎水面角度有關(guān)（圖5）。對(duì)于正方形消力墩（α=90°）而言，其阻擋作用面幾乎與泥石流的來(lái)流方向正交，承受了極大的泥石流沖擊，這也就造成了“階梯+正方形消力墩”型排導(dǎo)槽的1#消力墩上的沖擊壓強(qiáng)在3種體型的消力墩中是最大的（約63 kPa）；對(duì)于梯形消力墩（α=63°）和三角形消力墩（α=45°）來(lái)說(shuō)，泥石流以小于90°的交角沖擊1#消力墩，被其挑向斜前方，飛躍2#消力墩，然后主要跌落在3#消力墩附近，造成了2#消力墩上沖擊壓強(qiáng)較小，3#消力墩上沖擊壓強(qiáng)較大的現(xiàn)象?？傊?，改變消力墩迎水面的角度可能會(huì)導(dǎo)致沖擊壓力的顯著差異，也就是說(shuō)，“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽的抗沖擊性能與消力墩體型有很大關(guān)系。

消力墩作為“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽的關(guān)鍵性部件，在實(shí)際應(yīng)用中首先應(yīng)盡量保證足夠高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)考慮添加防沖刷耐磨蝕性能材料，如摻超細(xì)礦渣粉水泥基材料、摻石粉超高性能混凝土、超細(xì)鋼纖維等。其次，要確保消力墩基礎(chǔ)埋置深度。如：對(duì)于稀性–過(guò)渡性泥石流，消力墩埋深一般不小于1.0～1.5 m；對(duì)于水石流–泥流，消力墩埋深一般不小于0.8～1.0 m。最后，結(jié)合流域綜合治理，盡可能做到因地制宜、就地取材、優(yōu)化設(shè)計(jì)消力墩斷面形狀。

3 結(jié) 論

通過(guò)水槽試驗(yàn)對(duì)“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽調(diào)控泥石流的效果進(jìn)行了研究，探討了3種消力墩體型（正方形、梯形和三角形）在不同泥石流密度情況下對(duì)泥石流流態(tài)、密度、固相顆粒粒徑、泥深、流速的調(diào)控能力及抗泥石流沖擊性能，主要結(jié)論如下：

1）“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽中泥石流流態(tài)呈現(xiàn)為強(qiáng)烈紊動(dòng)的波狀流，消力墩阻擋泥石流并將其挑向空中，且正方形消力墩抬升泥石流的高度最大，而梯形消力墩抬升泥石流的高度最小。抬升的泥石流會(huì)輕易地翻越排導(dǎo)槽的側(cè)邊墻，可能引起次生災(zāi)害，需要特別關(guān)注。

2）從排導(dǎo)槽輸運(yùn)泥石流的能力來(lái)看，位于出口處的泥石流密度減小，固相顆粒粒徑細(xì)化，這有助于減緩泥石流對(duì)下游的致災(zāi)程度；但付出的代價(jià)是把粗顆粒攔截在排導(dǎo)槽的中部區(qū)域，容易對(duì)“階梯+消力墩”系統(tǒng)造成淤埋危害，影響排導(dǎo)槽的排導(dǎo)能力。

3）“階梯+消力墩”型排導(dǎo)槽可以顯著降低泥石流的速度，最高減小幅度可達(dá)40%左右。與此同時(shí)，會(huì)對(duì)泥石流的流深產(chǎn)生放大效應(yīng)，這種放大泥深的現(xiàn)象隨著上游來(lái)流泥石流密度的增大而逐漸減弱。

4）從排導(dǎo)槽自身的安全性能來(lái)看，“階梯+正方形消力墩”型排導(dǎo)槽的1#消力墩上沖擊壓強(qiáng)是最大的，而“階梯+梯形消力墩”型排導(dǎo)槽的2#和3#消力墩上的沖擊壓強(qiáng)是最大的。梯形消力墩上承受的沖擊壓強(qiáng)比相應(yīng)的三角形消力墩上的沖擊壓強(qiáng)大30%左右。也就是說(shuō)，不同體型“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽的受到的沖擊特性是存在差異的，且承受最大沖擊壓強(qiáng)的部位也是不同的。因此，需要采取差異化的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)排導(dǎo)槽不同位置處的安全性能。

試驗(yàn)結(jié)果表明，消力墩體型極大地影響著“階梯+消力墩”排導(dǎo)槽調(diào)控泥石流的性能，對(duì)泥石流減災(zāi)的排導(dǎo)工程具有一定的參考意義。本文提出的排導(dǎo)槽體型仍處于試驗(yàn)室規(guī)模的理論研究階段，特別是階梯、消力墩結(jié)構(gòu)的尺寸、布置型式等還需更多的試驗(yàn)，尤其是原位試驗(yàn)的驗(yàn)證。更多的研究工作需要從排導(dǎo)槽的排導(dǎo)能力（固相物質(zhì)輸運(yùn)）、減災(zāi)功能（顆粒粒徑調(diào)控）、消能特性（沿程能量耗散）、安全性能（抗沖擊壓強(qiáng)）和經(jīng)濟(jì)效益（工程造價(jià)）5個(gè)方面綜合考慮，給出各項(xiàng)性能優(yōu)先級(jí)的排序，并提出性價(jià)比較優(yōu)的方案，更好地應(yīng)用于泥石流防災(zāi)減災(zāi)。