泥石流梁式格柵壩調(diào)控性能試驗研究

孫 昊, 游 勇, 柳金峰

(1. 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2. 中國科學院水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041； 3. 中國科學院大學， 北京 100049)

透過型攔砂壩因其特殊功效而具有較好的應用前景，目前在公路、鐵路以及風景區(qū)泥石流防治應用中取得了十分可觀的治理效果[1-3]，見圖1。特別是對于鐵路、公路這種線路工程，在山區(qū)不可避免地需要穿過山地災害多發(fā)區(qū)，如川藏公路沿線有逾千條泥石流溝，且類型復雜，而目前正在籌備修建的川藏鐵路預選線路也面臨同樣嚴峻的災害治理問題。

1905年石太線的娘子關車站發(fā)生了我國鐵路沿線首例泥石流災害，而后又多次遭受泥石流淤埋，隨后在溝內(nèi)首次采用鋼軌樁林攔阻大石塊，建成第一座透過型攔砂壩，取得良好的防治效果，為鐵路泥石流的防治開創(chuàng)了先例[4]。但其后發(fā)展速度不快，直到20世紀50年代我國鐵路才再次嘗試使用鋼軌格柵壩防治泥石流，很好地抑制和緩解了沿線泥石流對鐵路交通的危害。例如，成昆鐵路北段的鹽井溝泥石流，經(jīng)過20世紀80年代中期的綜合治理后，泥石流再未大規(guī)模發(fā)生，其中溝內(nèi)修建的鋼筋混凝土梁式格柵壩是國內(nèi)泥石流防治中首次設計并實施，取得了良好的攔排效果，見圖2[5]。

與實體壩攔蓄以來流為主不同，透過型攔砂壩的主要功能是調(diào)控，指經(jīng)過攔砂壩前后泥石流性質(zhì)和規(guī)模發(fā)生一定變化的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在泥石流容重、峰值流量、流速、一次沖出總量、固體顆粒粒徑、沖擊特性以及泥石流持續(xù)時間等方面。一般認為單一的防治工程措施效果有限，應將泥石流防治當作一項系統(tǒng)工程來對待，大多在一條泥石流溝內(nèi)采用多層次防護措施進行綜合治理，因此只有較為充分地了解單一防治工程對泥石流的調(diào)控特性，才能較為準確地預測過壩后泥石流的性質(zhì)與規(guī)模，為下游泥石流防治工程措施的選擇和設計提供依據(jù)[6-8]。針對透過型攔砂壩在工程設計中的經(jīng)驗性等問題，國內(nèi)外學者對不同結(jié)構(gòu)形式的透過型攔砂壩的攔砂與調(diào)控性能進行了一定的理論和試驗研究，但較實體攔砂壩則相對不成熟。游勇[9]研究了梁式格柵壩攔截泥砂的性能，提出各種閉塞類型的臨界條件。韓文兵[10]通過室內(nèi)水槽試驗，分析研究了縫隙壩對無黏性泥石流的攔截效率。賈世濤[11]、趙彥波[12]、Lin[13]通過試驗研究了攔砂壩對泥石流流量、容重、顆粒組成的調(diào)控效果。Lien[14]基于物質(zhì)守恒定律，結(jié)合室內(nèi)水槽試驗結(jié)果探究了縫隙壩對不同規(guī)模泥石流的攔截效果。Takahiro等[15-16]通過小比例模型試驗對比分析了透過型壩和實體壩對山洪泥石流的調(diào)控作用。Armanini等[17-18]基于泥石流運動過程中物質(zhì)和能量守恒，提出了縫隙壩開口寬度設計的理論方法，并通過室內(nèi)水槽試驗驗證了泥石流排泄率與開口寬度、泥石流濃度、顆粒中值粒徑之間的關系，試驗結(jié)果與理論分析較為吻合。Guillaume[19-20]研究了漂木對透過型壩體對泥石流攔截作用的影響。

梁式格柵壩是一種結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省材料、穩(wěn)定性較高的透過型攔擋結(jié)構(gòu)，如梁式格柵壩的橫梁可采用廢棄的舊鋼軌等，從而極大地降低了工程的建設成本，提高了工程價值。但目前尚無成熟的梁式格柵壩設計方法[21]，國內(nèi)外關于梁式格柵壩可參考的文獻資料也較少。設計者多憑借經(jīng)驗來確定相關設計參數(shù)，缺乏相應的科學依據(jù)，結(jié)果往往偏于保守。本文以梁式格柵壩為研究對象，在量綱分析的基礎上，選取泥石流容重、格柵間距和溝道縱坡等為主要影響因素，通過室內(nèi)水槽模擬試驗，探究梁式格柵壩對泥石流的調(diào)控特性與規(guī)律，旨在降低梁式格柵壩在工程設計中的經(jīng)驗性，為今后梁式格柵壩在泥石流綜合治理體系中的推廣應用與設計提供科學合理的依據(jù)與技術(shù)支持，更好地為防災減災服務。

1 梁式格柵壩對泥石流調(diào)控特性的量綱分析

梁式格柵壩對泥石流的調(diào)控是一個受多因素綜合影響的復雜動力學過程，這不僅表現(xiàn)在泥石流運動本身的復雜性，而且更在于泥石流與梁式格柵壩之間的相互耦合作用。通過總結(jié)透過型攔砂壩的研究成果，分析影響梁式格柵壩對泥石流的調(diào)控的主要因素有

(1) 壩體結(jié)構(gòu)特征尺寸：有效壩高h、橫梁間距b、格柵數(shù)量n、橫梁厚度d，工程設計中一般采用等橫梁間距的壩型，因此主要關注橫梁間距b。(2)溝道條件：溝床縱比降θ，主要表現(xiàn)在對泥石流運動速度v0和攔砂壩庫容Vm等方面。(3)過壩前泥石流性質(zhì)：過壩前泥石流容重γc、泥石流體積或規(guī)模Vc及泥石流土體顆粒特征粒徑dr等。(4)過壩前泥石流運動狀態(tài)：過壩前泥石流流速v0和泥深h0。

通過上述分析，可把梁式格柵壩對泥石流調(diào)節(jié)特性與影響因素之間的關系寫成函數(shù)形式，即

( 1 )

式中：ζ1和ζ2分別為過壩前后泥石流特性參數(shù)，如流量、容重、沖擊能量等；f(·)為這些變量之間的存在的某種函數(shù)關系。因為式( 1 )右邊自變量包括時間(T)、長度(L)和質(zhì)量(M)3個具有獨立量綱的基本量，根據(jù)π定理可知，7個自變量可通過量綱分析變成4個無量綱自變量，即

Π=fπ1,π2,π3,π4

( 2 )

引入泥石流運動學中的無量綱數(shù)和試驗特征參數(shù)分析可知，式( 1 )可寫成如下形式

( 3 )

通過上述分析，且各影響因素之間是相互耦合作用的關系，因此可將式( 3 )進一步寫成如下參數(shù)函數(shù)形式

( 4 )

式中：α0、α1、α2、α3、α4為待定系數(shù)，可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通過非線性回歸分析確定各參數(shù)最優(yōu)值，對于不同的調(diào)控特性量化指標，系數(shù)也有所差異。本文未考慮泥石流相對規(guī)模的影響，即在試驗條件下參數(shù)Vc/Vm為常數(shù)，因此式( 4 )可寫為

( 5 )

2 試驗概況

2.1 試驗裝置

本次模型試驗在中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室泥石流模擬試驗大廳完成。如圖3所示，試驗裝置主要包括料斗(最大容積約0.25 m3)、溝道概化水槽(400 cm×30 cm×40 cm，坡度0°～20°可調(diào))、尾料池等。梁式格柵壩模型與水槽等寬，設計壩高為20 cm，兩側(cè)支墩寬5 cm(圖4)，模型壩布設于距水槽末端1 m處。試驗過程中，在水槽側(cè)面和正面分別架設攝像機，以記錄梁式格柵壩調(diào)控泥石流的全過程。

2.2 試驗物料

甘溝為汶川震區(qū)湔江上游銀廠溝的一級支流，2018年8月18日該溝暴發(fā)了一次較大規(guī)模的泥石流，本次試驗物料即取自該次泥石流后未擾動的堆積原樣，并剔除大顆粒礫石。文獻[22]認為，泥石流模型試驗中，為了減小水槽邊界對泥石流運動的影響，試驗最大顆粒粒徑應不大于水槽寬度的1/5。剔除大顆粒后的物料級配曲線見圖5，試驗物料最大粒徑dmax=40 mm，特征粒徑d90=22 mm。

2.3 試驗設計

根據(jù)前文量綱分析結(jié)果，試驗選取泥石流容重、格柵間距和溝道縱坡為主要條件參數(shù)，根據(jù)《泥石流防治指南》一書中關于泥石流模型實驗的闡述[22]及弗勞德運動相似準則，模擬不同條件下梁式格柵壩對泥石流的調(diào)控過程，分析梁式格柵壩對泥石流容重和峰值流量的調(diào)控特征與規(guī)律。試驗條件列于表1中。

表1 試驗條件

3 試驗結(jié)果分析

3.1 梁式格柵壩對泥石流容重的調(diào)節(jié)

泥石流容重是泥石流防治工程設計中的重要參數(shù)之一，針對透過型攔砂壩工程實踐中發(fā)現(xiàn)的過壩前后泥石流容重存在差異的現(xiàn)象，為了探究梁式格柵壩對泥石流容重的調(diào)節(jié)規(guī)律，試驗選取泥石流容重和橫梁間距為主要影響因素，以容重衰減率為主要評價指標，對不同條件下的容重衰減率進行對比分析。評價指標容重衰減率的定義式為

( 6 )

式中：ωγ為容重衰減率；γ1為過壩前泥石流容重；γ2為過壩后泥石流容重。

試驗結(jié)果表明見圖6，格柵壩對過壩泥石流容重的衰減整體呈負相關，即相對開度越大，容重削減率越小，且容重削減率均低于0.35；而相對開度一定時，容重衰減率基本上隨著容重的增大而增大，但隨著相對開度的增大，這種相對關系逐漸減弱。

( 7 )

通過式( 7 )得到ωγ計算值，并與試驗值進行比較，見圖7，二者吻合較好，集中差異相對較大的點多出現(xiàn)在大間距格柵壩攔截高容重泥石流的情況。原因在于，當大間距格柵壩攔截高容重泥石流時，泥石流發(fā)生明顯的堵潰現(xiàn)象(臨時閉塞)，即當格柵壩橫梁間距大于最大顆粒粒徑時，泥石流過壩初始由于高容重泥石流的整體性較好，大塊石又聚集于龍頭，泥石流中大顆粒通過相互咬合以堵塞格柵，達到閉塞回淤的效果，但由于大顆粒間的這種咬合結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，咬合結(jié)構(gòu)體承受的作用力逐漸增大，可能出現(xiàn)失穩(wěn)使堵塞體發(fā)生潰決的現(xiàn)象，而這種臨時閉塞現(xiàn)象又具有一定的隨機性，即發(fā)生臨時閉塞現(xiàn)象時容重衰減率較小，而不發(fā)生時則相對較大。

3.2 梁式格柵壩對泥石流峰值流量的調(diào)節(jié)

泥石流峰值流量是泥石流防治工程結(jié)構(gòu)設計的重要依據(jù)，也是計算一次泥石流總量和固體物質(zhì)沖出量的基礎。探究梁式格柵壩對泥石流峰值流量的調(diào)節(jié)規(guī)律，可為下游防治措施提供可靠的設計參數(shù)，為梁式格柵壩在泥石流治理工程體系中合理有效地使用提供科學參考與依據(jù)。本文選取泥石流容重和橫梁間距為主要影響因素，以峰值流量削減率為主要評價指標，對不同條件下的峰值流量削減率進行分析研究。峰值流量削減率的定義式為

( 8 )

式中：ωq為峰值流量削減率；q1為過壩前泥石流峰值流量；q2為過壩后泥石流峰值流量。

試驗分析結(jié)果見圖8，梁式格柵壩攔截泥石流時，峰值流量削減率隨相對開度的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在攔截容重1.9 t/m3和2.1 t/m3的泥石流時，峰值流量削減率可達0.7以上，其主要原因是高容重泥石流在運動過程表現(xiàn)為層流，整體性較好，格柵壩在攔截過程中基本不產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象，且表現(xiàn)為高閉塞率。峰值流量削減率在相對開度小于2.0時，基本在0.5以上。此外，相同容重條件下，相對開度一般在1.0～1.5時其達到最大值(頂點)。試驗結(jié)果還表明，相對開度一定的情況下，峰值流量削減率隨泥石流容重的增大而增大。

( 9 )

通過式( 9 )得到ωq計算值，并與試驗值進行比較，見圖9，二者吻合度較高。此外，研究發(fā)現(xiàn)，梁式格柵壩的調(diào)峰作用不僅體現(xiàn)在對峰值流量的削減上，而是一定程度上實現(xiàn)了以庫容空間換時間的目的，達到了調(diào)峰的效果。如發(fā)生臨時閉塞時，梁式格柵壩初始有一定過流能力，但逐漸閉塞淤高使允許過流面積減小，上游能坡減小，泥石流流速也降低，隨著淤高增大造成下部堵塞體失穩(wěn)而潰決，使上游庫內(nèi)淤沙又以一定流量排泄至下游，即達到使泥石流暫時停淤于庫內(nèi)的效果。如圖10所示(單寬流量斷面位于水槽出口處)，在試驗條件下，未設置格柵壩時在水槽中流量過程線呈單波峰形態(tài)，而設置格柵壩后則表現(xiàn)出雙波峰形態(tài)，且延長了泥石流的流動時間，其中第一個波峰為允許過流面未閉塞時格柵壩的過流現(xiàn)象，第二個波峰則為壩體閉塞淤高堵潰時庫內(nèi)不穩(wěn)定淤砂又排泄至下游的現(xiàn)象。因此，關于梁式格柵壩的調(diào)峰規(guī)律與特性在以后還有待進一步重點研究，例如全閉塞、半閉塞及未閉塞時的泥石流流量過程線的變化等。

4 結(jié)論

泥石流容重和峰值流量是泥石流防治工程設計中的兩個重要參數(shù)，反映泥石流的性質(zhì)、規(guī)模以及運動狀態(tài)特征等。本文基于量綱分析原理推導了梁式格柵壩調(diào)控性能的計算式，并結(jié)合室內(nèi)水槽模擬試驗，探究了梁式格柵壩對泥石流的調(diào)控規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 分析得到了綜合考慮泥石流性質(zhì)、壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及泥石流運動狀態(tài)等因素的調(diào)節(jié)特性指標(容重衰減率和峰值流量削減率)的計算式，并根據(jù)試驗結(jié)果通過最小二乘法確定了其中參數(shù)，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較好。

(2) 格柵壩對過壩泥石流容重的衰減整體呈負相關，即相對開度越大，容重削減率越小，且容重削減率均低于0.35；而相對開度一定時，容重衰減率基本上隨著容重的增大而增大，但隨著相對開度的增大，這種相對關系逐漸減弱。

(3) 梁式格柵壩攔截泥石流時，峰值流量削減率隨相對開度的增大，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；相同容重條件下，相對開度一般在1.0～1.5時削減率達到最大值(頂點)；相對開度一定時，峰值流量削減率隨泥石流容重的增大而增大。

(4) 梁式格柵壩的調(diào)峰作用不僅體現(xiàn)在對峰值流量的削減上，而且一定程度上實現(xiàn)了以庫容空間換時間的目的，延長泥石流流動時間以達到調(diào)峰的效果，在后續(xù)的工作中還需進一步深入研究，如全閉塞、半閉塞以及未閉塞時的泥石流流量過程線的變化等。

(5) 本文側(cè)重于梁式格柵壩對寬級配礫石土類型泥石流的調(diào)控，而在以泥流為主的西北山區(qū)的泥石流防治中的應用還有待進一步試驗和野外實際工程運行情況的驗證。