粘性泥石流沖淤與溝床坡度以及泥石流容重的相關性實驗研究

張 承，劉曙亮，劉思孟，陳增順，張萬曉

（1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶,400074；2.重慶交通大學山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶,400074；3.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都,610041；4.中國科學院大學，北京,100049）

1 研究背景

進入21世紀以來，我國自然災害事件頻發，其中泥石流是我國眾多自然災害中具有突發性災變過程的一個災種, 它在山區各種自然災害中占有突出地位,成為我國減災防災的主要對象。泥石流嚴重危害山區城鎮、交通、農田、工礦和水利工程等,造成嚴重災害。僅已查明的泥石流就有15797條, 其中鐵路沿線泥石流1294 條。有108 個縣級城鎮、19個地(州、市)首府城鎮和4個省會城鎮受到泥石流的威脅或危害。并且伴隨我國西部大開發戰略的實施，西部城鎮和基礎設施建設以及資源開發等領域將會得到迅猛的發展。這不可避免地會遇到泥石流問題。伴隨著西部大開發的各項建設,會對環境進行大規模的擾動，也會導致人為泥石流的發生, 產生新的災害。2013年8月25日下午，云南彝良縣城朱家沙壩處因暴雨引發山洪和泥石流災害，公路上洪水和淤泥已可淹沒轎車車輪，部分車輛通過此路段時陷入淤泥中而無法動彈，給當地居民的生活帶來了極大的困難。因此認識泥石流的溝道淤積規律對泥石流防災減災具有重要意義。

游勇等通過對蔣家溝野外現場泥石流及溝床沖淤定位觀測，得出了泥石流溝床沖刷深度的極限表達式。趙彥波等通過實驗得到了泥石流沖刷深度與泥石流容重，溝床坡度以及物料多少的關系。本文通過實驗室模擬實驗，對溝床泥石流沖淤深度進行統計學相關性分析。

2 實驗設計

2.1 實驗設備

本實驗在中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所的泥石流模擬實驗室內進行。實驗裝置包括料斗（長50cm，寬40cm，高85cm），可裝載泥石流約100L，與水槽固定連接，連接處通過閘門控制流量大小；流通區為長300cm，寬20cm，高30cm的鋼架水槽，坡度可自由調節，傾動角度0°～ 20°，側面為鋼化玻璃，玻璃上貼有刻度尺。水槽出口放置尾料回收容器。

2.2 實驗物料

為了使實驗室模擬實驗更加貼近自然發生泥石流時的情況，本實驗物料取自高家溝溝口處的泥石流原樣。高家溝是岷江右岸的一條支溝，位于都汶公路中段，地處岷江上游河谷。泥石流原樣級配包含了粘粒、粉粒、砂礫和礫石等組分。本實驗選用的室內模擬實驗的物料粒徑變化范圍從0.002mm到20mm。

圖1 實驗裝置圖

圖2 實驗物料顆粒配圖

圖3 不同水槽坡度情況下淤積厚度對比表

2.3 實驗內容

本實驗主要探討泥石流沖刷深度與溝道坡度以及泥石流體容重的關系。實驗開始首先對水槽進行粘性泥石流鋪床，用來模擬泥石流溝道被雨水浸潤形成徑流時的自然溝床狀態，然后打開料斗閥門讓泥石流沖出，用來模擬泥石流爆發時的情境，鋪床物料和泥石流物料均采用上述高家溝物料。實驗設計分成兩組,第一組設計是在保持鋪床泥石流容重2.2 kN·m-3和泥石流容重1.8kN·m-3不變的情況下改變溝床坡度，用以研究泥石流沖淤與溝床坡度的關系；第二組設計是保持溝床坡度為15°和鋪床泥石流容重2.2 kN·m-3不變的情況下，改變泥石流容重，用以研究泥石流沖淤與泥石流容重的關系。

本實驗整個過程采用精細的手動人工操作，依據實驗設計要求，實驗前將泥石流用水侵泡24h，用以模擬泥石流形成前該地區的降雨情況。實驗開始后，配置鋪床泥石流，容重為2.2 kN·m-3，然后將配好的鋪床物質攪拌稱重后倒入料斗中，反復攪拌使其均勻后，按實驗要求調節閘門開口大小，通過自然或人工方式使其均勻鋪滿3m長的水槽，使鋪床厚度為5cm。然后將配好的泥石流體攪拌稱重后倒入料斗中，反復攪拌均勻后按實驗要求調節閘門開口大小，同時在水槽側面放置攝像儀以記錄泥石流運動過程，待泥石流運動完成后對水槽內淤積厚度進行測量獲取實驗數據。

3 實驗結構分析

圖4 不同水槽坡度統計分析箱式圖

3.1 數據處理

為了排除其他無關實驗因數對實驗數據的影響，本文選取距離端口60cm～220cm之間的數據進行分析。本次實驗鋪床厚度為5cm，泥石流沖淤后水槽中泥石流厚度為h，泥石流相對沖刷和淤積厚度為：H=h-5.

3.2 泥石流相對沖淤和水槽坡度的關系

在保持泥石流鋪床容重2.2 kN·m-3，鋪床厚度1.8kN·m-3不變的情況下，改變水槽坡度，泥石流單次沖淤實驗數據如表1。

表1 不同坡度泥石流沖淤實驗數據

分別對區組因素（距水槽出口位置）和實驗因素（水槽坡度）進行正態性檢驗，得出兩個因素各水平對應的正態性檢驗結果p值均大于0.05，故可以認為該定量資料滿足正態性要求。運用matlab對實驗因素（水槽坡度）進行單因子方差分析，得出p=1.2331e-8＜0.02,說明實驗因素（水槽坡度）對觀測指標的影響具有統計學意義。

由圖3和圖4和計算可知，不同坡度情況下，泥石流沖淤深度的大小具有顯著性差異。隨著坡度的增加泥石流逐漸由淤積狀態到沖刷狀態。通過對不同坡度沖淤平均值的多項式擬合分析，可得到泥石流沖淤深度（H）與坡度大小（θ）的關系為。

H=-0.0003θ5+0.0199θ4-0.0442θ3+4.5646θ2-21.844θ+39.2831

上述針對粘性泥石流溝道淤泥厚度的預測公式使用范圍為：淤積長度3m以內，寬度0.2m的順直溝道內，并且泥石流鋪床容重為2.2 kN·m-3，沖刷泥石流容重為1.8kN·m-3。且坡度范圍為4°～19°。

3.3 泥石流相對沖淤和泥石流容重的關系

在保持泥石流水槽坡度為15°，泥石流鋪床容重為2.2 kN·m-3的情況下，改變泥石流沖料容重，設計如下實驗方案表：

分別對區組因素（距水槽出口位置）和實驗因素（泥石流容重）進行正態性檢驗，得出兩個因素各水平對應的正態性檢驗結果p值均大于0.05，故可以認為該定量資料滿足正態性要求。運用matlab對實驗因素（泥石流容重）進行單因子方差分析，得出p=0.0006＜0.02,說明實驗因素（水槽坡度）對觀測指標的影響具有統計學意義。

表2 不同沖料容重泥石流實驗數據

圖5 不同泥石流容重下泥石流沖淤規律

圖6 不同容重下泥石流沖淤箱式圖

由和計算可知，不同容重情況下，泥石流沖淤深度的大小具有顯著性差異。隨著泥石流容重的增加泥石流淤積厚度逐漸增加。泥石流的容重值從稀性流，經過過渡性流、粘性陣性留、粘性連續流，到塑性流的過程中石遞增的。在這一過程中，泥石流侵蝕強度有兩個高峰，即稀性流和粘性連續流。由實驗情況觀察可知，在同一坡度下，稀性流的流速明顯較快。這也是其加速侵蝕的一個重要原因。

4 相關結論

1)粘性泥石流淤積厚度跟泥石流水槽坡度的大小關系具有明顯的統計學意義，粘性泥石流的淤積厚度隨著水槽坡度的增加而逐漸減少。

2)粘性泥石流的淤積厚度跟泥石流的容重具有很大的相關性，隨著泥石流容重的增加，泥石流淤積厚度逐漸增加。

3)粘性泥石流容重跟水槽坡度和泥石流容重有較大的相關性，流速是影響粘性泥石流沖淤的一個關鍵因素。

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[3]游勇，程尊蘭.粘性泥石流陣性運動對溝床沖淤演變的影響——以云南蔣家溝為例[J].防災減災工程學報，2005,25（2）：146-151.

[4]趙彥波等，粘性泥石流溝床沖刷深度實驗研究[J].水利學報，2012,43（2）：92-97.