泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積計(jì)算模型探討

黃金燕，張金霞，劉興榮，馬興華，吳慶安，時(shí) 巖

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院 甘肅 蘭州；2.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所 甘肅 蘭州)

泥石流是我國山區(qū)最主要的自然災(zāi)害之一[1- 2]，具有暴發(fā)突然、流速快、能量大、沖刷淤積明顯、破壞力極強(qiáng)等特點(diǎn)[3- 4]，而攔擋壩又是當(dāng)前減輕泥石流災(zāi)害最主要的手段之一[5]。

攔擋壩的科學(xué)布設(shè)在治理規(guī)劃中直接關(guān)聯(lián)著泥石流防治的成效，尤其是其壩后淤積直接反應(yīng)流域防治的效益，長(zhǎng)期以來，受到國內(nèi)外許多科技工作者的高度重視。前人采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法[6]、室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法[7- 8]、統(tǒng)計(jì)分析法[9]、實(shí)測(cè)法[10]等手段對(duì)各種攔擋壩的壩后淤積特征進(jìn)行了廣泛的研究，并建立了一系列攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的計(jì)算模型。然而，由于泥石流物質(zhì)組成和動(dòng)態(tài)特征極其復(fù)雜、影響因素眾多，盡管這些復(fù)雜的計(jì)算模型有其理論上的合理性，但其局限性也顯而易見。此外，建立模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)往往來自于相應(yīng)區(qū)域的泥石流實(shí)例，導(dǎo)致其地域性強(qiáng)，造成使用受限。因此，對(duì)泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積計(jì)算方法進(jìn)行梳理迫在眉睫。

泥石流攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的設(shè)定是表征泥石流壩后淤積特征最為重要的指標(biāo)，也是泥石流防治工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。本文旨在歸納和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過梳理泥石流攔擋壩有效壩高和壩后淤積坡度的各種計(jì)算方法，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，以方便設(shè)計(jì)研究人員選擇使用。

1 泥石流攔擋壩有效壩高計(jì)算

在進(jìn)行攔擋壩工程設(shè)計(jì)時(shí)，有效壩高的計(jì)算是一項(xiàng)很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接決定攔擋壩在泥石流溝道中攔截泥沙的數(shù)量[11- 12]。在工程運(yùn)用中可以按實(shí)際情況確定有效壩高，如按使用期多年累積淤積庫容確定或按預(yù)防一次或多次典型泥石流的泥沙量確定有效壩高。

1.1 泥石流攔擋壩室內(nèi)模擬研究

攔擋壩的庫容受泥石流溝道縱坡、寬度、溝床粗糙率系數(shù)及有效壩高等因素的控制。李峰[13]、吳鑫[14]等通過模型試驗(yàn)初步揭示泥石流攔擋壩壩后淤積規(guī)律，認(rèn)為有效壩高與回淤坡度呈二次函數(shù)關(guān)系，當(dāng)溝床縱比降一定時(shí)，壩后回淤坡度隨有效壩高呈先增大后減小趨勢(shì)；崔佳慧[15]以粘性泥石流為例選取泥石流在不同溝床坡度條件下，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)得到攔擋壩的壩高與回淤坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；而假設(shè)當(dāng)溝床坡度為13°時(shí)攔擋壩的壩高和溝床坡度二者擬合相關(guān)關(guān)系為式(1)所示：

ik=9.26-0.29H

(1)

式中，ik—回淤坡度，H—有效壩高，θd—溝床坡度。

此外，王喜安[16]用KDEAY方法與前人野外考察數(shù)據(jù)結(jié)合，推導(dǎo)出攔擋壩有效壩高度對(duì)回淤比降折減系數(shù)K、下游侵蝕深度系數(shù)E、淤滿程度系數(shù)D的影響，其表達(dá)式為公式(2)：

(2)

式中，Y—回淤壓腳系數(shù)，反應(yīng)泥石流攔擋壩有效壩高、壩間距設(shè)計(jì)是否合理及上游壩淤埋嚴(yán)重程度；Hb—回淤壓腳高度；Hu—上游壩壩趾距溢流口高度。

以上研究主要為實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果，盡管缺乏現(xiàn)場(chǎng)泥石流淤積特征檢驗(yàn)，但為下一步建立野外攔擋壩壩后有效淤積提供理論支撐和方法依據(jù)。

1.2 泥石流攔擋壩有效壩高計(jì)算模型梳理

在工程設(shè)計(jì)中，為了計(jì)算方便，一般都采用經(jīng)驗(yàn)公式，而將經(jīng)驗(yàn)公式無差別地應(yīng)用容易造成過度治理(造成浪費(fèi))或者不滿足治理要求(達(dá)不到治理目的)，為了科學(xué)設(shè)定泥石流攔擋壩有效壩高，使庫容計(jì)算更進(jìn)一步精細(xì)化，學(xué)者們建立了不同地區(qū)、不同適用范圍的泥石流攔擋壩有效壩高計(jì)算公式，見表1。

表1 泥石流攔擋壩有效壩高計(jì)算公式

表中，公式(3)和公式(4)形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。公式(3)適用于攔擋壩群壩有效壩高與壩間距的計(jì)算，可用于設(shè)定攔擋壩壩群間距及數(shù)量；公式(4)適用于穩(wěn)定溝岸兩側(cè)坍塌、滑坡的有效壩高度設(shè)定；對(duì)于公式(3)和公式(4)的使用要根據(jù)修建攔擋壩的目的，并結(jié)合地形條件后選擇使用。公式(5)和公式(6)是以野外調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)各項(xiàng)工程進(jìn)行了治理效果評(píng)價(jià)，提出了攔擋壩布設(shè)總有效壩高的觀點(diǎn)，認(rèn)為攔擋壩修建并非越多越好，將攔擋壩的數(shù)量和總壩高控制在合理范圍內(nèi)，推動(dòng)了泥石流防治向更科學(xué)和更合理的方向發(fā)展；公式(7)是假定壩后泥石流淤積厚度等于零時(shí)，確定庫內(nèi)不同位置處攔擋壩的允許最大有效壩高等工程設(shè)計(jì)參數(shù)；公式(8)和公式(9)則主要考慮了擬攔蓄的固體物質(zhì)數(shù)量，又兼顧了攔擋壩穩(wěn)固溝床的功能，按支溝和主溝分別進(jìn)行討論，使相關(guān)計(jì)算更精細(xì)化。

綜上所述，攔擋壩有效壩高應(yīng)根據(jù)實(shí)際所需，結(jié)合壩址及庫區(qū)的地形、地質(zhì)條件等因素后確定。

2 泥石流攔擋壩壩后淤積坡度計(jì)算

攔擋壩壩后淤積坡度是穩(wěn)固上游溝床、岸坡和計(jì)算攔擋壩庫容的一個(gè)重要參數(shù)[22]，不僅影響攔擋壩的攔截庫容和工程效益，而且關(guān)系攔擋工程的預(yù)期效果和使用價(jià)值，對(duì)攔擋壩自身的抗沖蝕性及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)的有效性有著舉足輕重的作用[23]。

2.1 壩后淤積坡度經(jīng)驗(yàn)公式研究

目前對(duì)泥石流淤積坡度的計(jì)算研究仍處于室內(nèi)溜槽模擬試驗(yàn)或野外調(diào)查獲得定性的結(jié)論或經(jīng)驗(yàn)判斷階段。見表2，匯總了國內(nèi)外常用的泥石流壩后淤積坡度估算經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)其適用范圍進(jìn)行討論。

表2 泥石流壩后淤積坡度計(jì)算公式

由表2知，公式(10)計(jì)算壩后回淤縱坡線，將回淤縱坡線、溝道線和攔擋壩合圍的三角形橫斷面面積與溝道寬度的乘積可用于攔擋壩攔蓄庫容的計(jì)算；公式(11)從泥石流壩后回淤坡度的機(jī)理出發(fā)，將壩后淤積與水動(dòng)力條件建立關(guān)聯(lián)，并采用實(shí)地調(diào)查案例對(duì)本回淤坡度的研究成果進(jìn)行驗(yàn)證，其所得結(jié)果誤差較??；公式(12)通過試驗(yàn)，采用河溝道平均比降的計(jì)算方法，建立了壩后淤積體的坡度與長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系；公式(13)利用Origin軟件對(duì)回淤坡度ik溝床坡度θd與壩高H進(jìn)行了線性擬合，建立了三者的線性相關(guān)關(guān)系；公式(14)知，在壩高一定的情況下，建立了庫容與回淤坡度的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這類公式雖然能夠確定攔擋壩的壩后回淤坡度，且計(jì)算簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用。但存在一定的區(qū)域局限性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差較大。

2.2 壩后淤積坡度計(jì)算模型梳理

泥石流攔擋壩壩后淤積坡度的研究，一般基于野外調(diào)查的類比分析或室內(nèi)水槽的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。如國外學(xué)者Fleishman[27]、YUAN Dong等[6]通過理論分析和模型試驗(yàn)對(duì)壩后泥石流的回淤縱坡和透過型攔擋壩與實(shí)體壩回淤機(jī)理的差異作了定量的分析與研究，建立了壩后回淤厚度和縱坡的理論計(jì)算方法，但由于公式中的弗勞德數(shù)不易確定，因此較難在實(shí)際中推廣應(yīng)用；M.J.Bovis[28]通過簡(jiǎn)單的野外統(tǒng)計(jì)，得到回淤坡度隨壩高增大而減小，隨溝床縱比降增大而增大的結(jié)論，但并沒有從機(jī)理上解釋回淤坡度的影響因素，該結(jié)論為之后的研究提供了一些參考依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者依據(jù)回淤坡度、溝床坡度和有效壩高等相關(guān)關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，修正模擬系數(shù)，進(jìn)而較為精準(zhǔn)地研究攔擋壩后回淤坡度變化規(guī)律，如吳積善[29]、余斌[30]等通過野外實(shí)驗(yàn)對(duì)泥石流壩后回淤規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，并研究了不同容重下泥石流淤積厚度的計(jì)算方法；李峰[13]通過模型實(shí)驗(yàn)得到回淤坡度與溝床縱比降呈正相關(guān)關(guān)系，與壩高呈二次函數(shù)關(guān)系，即在一定壩高范圍內(nèi)，回淤坡度在隨壩高的增大先增大后減??；趙靜靜等[15]通過水槽模擬試驗(yàn)，研究黏性泥石流的壩后回淤坡度，認(rèn)為壩后回淤坡度與溝床坡度和有效壩高三者之間呈線性相關(guān)，且溝床坡度和攔擋壩高等都會(huì)影響攔擋壩壩后泥石流的回淤坡度；吳鑫[14]、吳積善[29]通過模擬試驗(yàn)，認(rèn)為粘性泥石流的回淤坡度在底坡坡度的0.76～0.85范圍內(nèi)，相同壩高情況下，粘性泥石流的回淤坡度較稀性泥石流略大，而回淤坡度隨溝床縱坡增大而增大，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系；祁龍等[18]在對(duì)云南大橋河、蔣家溝等泥石流溝進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)的基礎(chǔ)上，研究了回淤坡度與溝床比降的關(guān)系，但僅僅給出了大致的比降變化范圍，未進(jìn)行相關(guān)的定量研究；韓文兵[31]以水石流為研究對(duì)象，研究了梳子壩與具有相同切口寬度的實(shí)體壩的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，切口密度對(duì)回淤坡度有一定影響，同時(shí)證明原溝床坡度、物質(zhì)級(jí)配、容重及規(guī)模對(duì)回淤坡度也有一定影響。

總之，學(xué)者們進(jìn)行了許多野外統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一些定性的結(jié)論，揭示了攔擋壩壩后泥石流淤積規(guī)律，提出了許多估算壩后淤積坡度的經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，為后續(xù)的研究提供了一些參考。

3 結(jié)論

通過對(duì)泥石流攔擋壩有效壩高及壩后淤積關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算的匯總和比較，得出以下結(jié)論：由于泥石流在行進(jìn)中伴隨著復(fù)雜的水土動(dòng)力過程，致使攔擋壩有效壩高及壩后淤積計(jì)算方法復(fù)雜多變；定性或者定量的經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的區(qū)域局限性；為方便計(jì)算而隨意設(shè)定攔擋壩有效壩高及壩后淤積計(jì)算模型，容易造成浪費(fèi)甚至不滿足防護(hù)要求的極端情況。

今后，隨著科學(xué)技術(shù)和探測(cè)手段的提升，應(yīng)不斷修正和細(xì)化模型參數(shù)，同時(shí)將有效壩高和壩后淤積作為一個(gè)整體來考慮，建立更為精確且通用的計(jì)算模型。