泥石流阻塞大河機理試驗研究

劉翠容，趙世剛

(西南交通大學 峨眉校區(qū)，四川 峨眉 614201)

泥石流阻塞大河機理試驗研究

劉翠容，趙世剛

(西南交通大學 峨眉校區(qū)，四川 峨眉 614201)

通過大型水槽再現了交匯角為90°時高容重黏性泥石流入匯大河的過程，在實驗過程中，主要改變泥石流容重和泥石流總量。依據試驗資料歸納出了泥石流阻塞大河有3種模式：潛壩壅堵、堰塞壩局部阻塞和堰塞壩全堵，并分析了各自的特點。分析了泥石流阻塞大河的影響因素，分析結果表明：容重影響著泥石流入匯運動的特點和阻塞主河的模式；主河寬度對堵河的影響表現在泥石流的運移距離和主河水力條件改變兩方面，大河的河谷寬、水力條件強，難以達到全堵主河狀態(tài)，常以堰塞壩形式局部阻塞主河；總量對泥石流堵河具有極大的影響，總量越大堵河越嚴重；當R≥0.80時，堰塞壩固體物質流失嚴重，上游水位壅高值與堵塞系數呈現指數相關。

環(huán)境工程；泥石流；阻塞大河；堵河模式；堵河因素

0 引 言

泥石流堵河問題是一個較為復雜的課題。國內學者對泥石流堵河進行了大量的研究并得出了成果如：郭志學等[1]、陳德明等[2-3]和黨超等[4]通過水槽試驗對泥石流堵河的影響因素進行了試驗分析，并建立了泥石流堵河臨界判別式；張金山等[5]選取岷江上游具有代表性的堵河型泥石流溝4條、堵塞型泥石流溝及不堵河型泥石流溝各2條，對堵河型泥石流基本特征進行分析總結，得出計算泥石流堵斷主河可能性大小的經驗公式；徐永年等[6]分析了泥石流堵河的影響因子，建立了泥石流入匯的危險性判別指標：影響度和危險度 。

以往學者所做的研究工作主要集中于建立泥石流堵斷主河的判據。這是因為以往泥石流堵河事件大多發(fā)生在較小的河流(Q<30 m3/s)，小河河床窄、水流小，泥石流容易堵斷主河。這屬于臨界現象的研究，其理論框架是能量平衡條件，故現有的泥石流堵河公式基本為基于動量平衡條件的方程式。

而近年來，隨著極端氣候事件發(fā)生頻率的提高、區(qū)域性強烈地震的影響，我國山地災害的發(fā)生頻率與危害明顯增加，泥石流阻塞大河(流量大、河床較寬、底坡較平緩的山區(qū)河流，如帕龍藏布江、岷江、金沙江、大渡河等)的現象開始增多。實際資料表明，泥石流阻塞大河成災模式具有多樣性，全堵大河事件發(fā)生頻率小，而泥石流局部阻塞大河造成災害的現象最為普遍。目前研究泥石流阻塞大河規(guī)律的較少[7-8]，認識泥石流阻塞大河的規(guī)律為泥石流減災、搶險工作提供科學依據已是刻不容緩的工作。擬通過室內大型水槽試驗再現泥石流入匯主河的過程，分析泥石流阻塞大河特點，并結合已有的試驗資料分析泥石流阻塞大河的影響因素，揭示泥石流阻塞大河的機理。

1 試驗概述

1.1 試驗裝置及測試手段

室內模型試驗是在西南交通大學流體力學實驗大廳水槽內完成的，實驗裝置主要由有機玻璃主槽、支槽和鐵片泥石流裝料箱三部分組成。主槽長15 m，寬2 m，深0.65 m，在主槽槽底鋪設5‰的縱坡，用來模擬山區(qū)天然河床形態(tài)，在交匯口附近的主槽玻璃上做有標記，便于記錄水位在泥石流入匯后的變化過程。支槽安裝在距主水槽進水頭部5m處，長4.5 m，寬0.33 m，深0.65 m，在支槽壁上綁有刻度尺，用來觀察泥石流運動時的泥深和測量殘留物的厚度。泥石流裝料箱出口配有一個卡口，容量約1.50 m3，與支槽相連實驗裝置如圖1。

圖1 試驗主槽及支槽Fig.1 Tested main flume and branch flume

試驗測試手段：主槽流量采用三角堰測定，速度采用示蹤法；泥石流總量和堆積體體積用體積法加移動式河床高程計測量，泥石流龍頭速度采用示蹤法；泥石流運動形態(tài)和主河的水流變化采用多點高精度攝像頭進行記錄。

1.2 試驗內容

由于本試驗以岷江流域映秀至銀杏段震后泥石流為原型，該段岷江平均寬度100 m左右(屬于大河范疇)，結合試驗場地，選用幾何比尺為50，根據幾何相似的要求選用2 m寬的試驗水槽，以岷江流域實際泥石流樣本按幾何比尺配置試驗泥石流，最大顆粒26.5 mm。

本試驗選取黏性泥石流，容重1.96～2.20 t/m3，在所有試驗過程中，主槽底坡不變，支槽和主槽交匯角始終為90°(岷江流域泥石流溝大多數與主河正交或接近正交)。由于泥石流堵河本身是一個非常復雜的動態(tài)變化問題，受主支溝諸多因素的影響，進行模型試驗時很難把涉及到的所有因素的變化都考慮到，為了簡化問題，本試驗沒有考慮主河上游來流變化對堵河過程的影響，設上游主河水深、流量固定不變，分別為H主=19.5 cm、Q主=152 L/s，試驗內容包括：

1)不斷改變泥石流容重或者總量，再現泥石流堵塞大河過程，研究泥石流堵塞大河的特點。

2)容重不變，僅改變泥石流總量，研究泥石流總量對堵塞大河的影響。

2 試驗結果

本試驗成功完成的試驗數據見表1。分析試驗數據主要得到了以下成果：

試驗表明堵塞主河具有潛壩壅堵、堰塞壩局部堵塞和堰塞壩全堵3種模式。

表1 試驗數據

(續(xù)表1)

實驗序號泥石流總量Vn/L泥石流速度vn/(m·s-1)泥石流流量Qn/(L·s-1)流量比壅高水位H/m沖走量/L堵河模式及堵塞系數R126922．78229．61．55．014．0局部，0．65138654．17344．02．37．532．5局部，0．701410813．58567．13．79．085．0局部，0．801512434．18744．84．913．5156．0局部，0．851620534．18827．65．520．5328．0全堵，1．00

由試驗現象可知，容重相對較小(本試驗指﹤2.10 t/m3)的黏性泥石流或者黏粒含量少的泥石流發(fā)生潛壩堵河時，泥石流自始至終在主河水面下運動，龍頭快速到達對岸，主河全斷面過流，停積后形成壩體造成上游水位壅高，如圖2。

圖2 泥石流壅堵主河的入匯過程Fig.2 Confluence process of the main river blocked by debris flow

本項目共出現了8次潛壩堵河，出現了3種不同形態(tài)的潛壩，當泥石流與主河單位動量比較小時，泥石流剛好到達對岸，形成較均勻的潛壩，上游成拱形，泥石流固體物質的堆積形態(tài)及其模擬如圖3(a)；當泥石流與主河單位動量比較大時，小部分固體物質沖入對岸并受岸壁反彈堆積，大部分固體物質在溝口堆積，由于對岸厚度小，主河主要在對岸過流，見圖3(b)；當泥石流與主河單位動量比很大時，大部分固體物質沖入對岸并受岸壁反彈堆積，對岸厚度最大，主河主要在靠近溝口過流，如圖3(c)。

圖3 潛壩形態(tài)Fig.3 Submerged dam

高容重(本試驗指﹥2.20 t/m3)的黏性泥石流入匯主河時，易于出現堰塞壩局部堵塞主河。由于泥石流沖出固體物質總量不足或者泥石流能量不足或者主河水動力條件太強等因素，泥石流沖入主河后，固體物質還沒有到達對岸就堆積起來形成堰塞體，局部堵塞主河，主河過水面積減小，上游水流受堰塞體的影響而壅高。發(fā)生泥石流局部堵塞主河時，泥石流進入主河后受到后續(xù)泥石流推動，是逐步推進過程，泥石流堆積體始終露出水面，如圖4。

圖4 泥石流局部堵塞主河入匯過程Fig.4 Confluence process of the main river partly blocked by debris flow

本組試驗共成功再現了7次堰塞壩局部堵河過程，在堵塞系數R不斷增大的過程中，泥石流與主河水流相互作用由弱變強，泥石流堆積扇也由完整到較完整再到頭部被破壞，如圖5(a)～圖5(d)。

圖5 不同堵塞系數時泥石流堆積扇Fig.5 Debris flow fans with different blocking coefficients

由試驗過程及現象可知，高容重的黏性(本試驗指﹥2.20 t/m3)泥石流高速入匯主河時，當泥石流持續(xù)時間足夠長，即泥石流固體物質量足夠多時，可能發(fā)生堰塞壩全堵主河。發(fā)生全堵主河時，泥石流固體物質快速到達對岸，上游水位壅高，形成堰塞湖如圖6，堰塞壩很快在對岸潰口。堰塞壩全堵主河現象較難發(fā)生，本項目只出現了一次。

圖6 泥石流堰塞壩全堵主河過程Fig.6 Process of main river blocked by debris flow dam

泥石流容重和泥石流總量對泥石流堵河有重要的影響。泥石流容重對堵河模式具有很大的影響，容重相對較小(本試驗指﹤2.10 t/m3)時，出現潛壩壅堵模式的概率大，容重較大(本試驗指﹥2.20 t/m3時，出現堰塞壩局部或者全堵模式的概率大。泥石流總量對堰塞壩堵塞大河的程度有較明顯的影響，隨著總量的不斷增大，堵塞程度越來越嚴重，即堵塞系數R越來越大。

隨著堵塞系數R的增大，堰塞壩的物質流失量增大，當R≥0.80時，流失量急劇增大。

泥石流堰塞壩引起的上游水位壅高值隨堵塞系數R變化而變化，R較小時水位增幅小，R較大時水位急劇增大。

3 試驗結果分析

3.1 堵河模式分析

3.1.1 潛壩壅堵主河的特點

發(fā)生潛壩壅堵時，泥石流動能較大，以水下流動的方式很快沖到對岸，是直接沖到對岸的流動性過程，泥石流挾帶大量固體物質進入主河，泥沙不斷在主河河床淤積，從而形成潛壩豎向影響主河水流運動，水流始終漫過潛壩向下游流去，主河水流不斷流，但上游水位壅高可使上游形成淹沒災害。通過對停水后壩體做顆粒級配(圖7)分析可知，在壩體的迎水面(1，2，3曲線)、中部(4，5，6曲線)級配曲線變化不大，只有少量黏粒被沖走了，在下游壩體側(7，8曲線)級配曲線變化較大，沖走了較多的細顆粒，出現了表面粗化現象。

圖7 潛壩各部位的顆粒級配曲線Fig.7 Sediment gradation curves of various parts of the submerged dam

3.1.2 堰塞壩全堵特點

泥石流全堵主河發(fā)生在泥石流容重大、泥石流總量足夠大時。發(fā)生全堵主河后，由于上游來流流量不變，使得堰塞壩上游水位在短時間內急劇上升，堰塞壩迎水面水壓力也急劇增加。水位升高后很快漫頂，堰塞壩潰口，全堵模式被破壞，故全堵模式存在時間很短，這與現場調查結果吻合。

3.1.3 堰塞壩局部阻塞主河的特點

堰塞壩局部阻塞主河是泥石流阻塞大河的最普遍的形式，分析試驗錄像資料及試驗數據，得出以下幾個特點：泥石流堰塞壩向對岸逐步推進的過程中，主河流速呈先增大后減小的非線性變化；堰塞壩的物質流失量呈非線性變化：當R<0.80時，流失量隨堵塞系數變化緩慢，物質流失量很少，而R≥0.80時，流失量隨堵塞系數急劇增大，物質流失嚴重；上游水位壅高值呈非線性變化：當R<0.80時，上游水位壅高值與堵塞系數有較明顯的線性關系，而R≥0.80時，上游水位壅高值與堵塞系數呈很好的指數相關。關于這3個特點的詳細分析可參閱文獻[7]。

3.2 泥石流阻塞大河影響因素分析

課題組分別在中國水利水電科學研究院泥沙所南院實驗大廳、中科院成都山地災害與環(huán)境研究所模擬實驗廳、西南交通大學工程流體力學(水力學)實驗室進行了泥石流入匯主河的試驗。這3組交匯試驗各有側重點，互為補充，共同點是都研究了泥石流堵斷主河的影響因素，并取得了共識，得出明顯影響泥石流堵河的因素有：泥石流入匯主河的交匯角、泥石流體的特性(包括容重和抗沖強度)、主河寬度、泥石流與主河的流量比、泥石流總量和主河河床坡降，其中，泥石流總量對堵河的影響研究得較少。結合上述3組交匯試驗成果和本次大型泥石流堵河水槽試驗成果，將泥石流容重、主河寬度和泥石流總量對泥石流阻塞大河的影響進行討論。

3.2.1 泥石流容重

泥石流容重表征泥石流流變特性，其作用最復雜，它影響著泥石流的狀態(tài)及運動特性。容重對泥石流堵河的影響具有最為復雜的兩面性：①容重密切地影響著泥石流的抗沖能力，容重越大，所含固體物質的比例越大，泥石流結構性越好，泥石流體抵抗水流沖刷的能力越強；②容重又影響著泥石流的流動性，容重越大，泥石流越難流動，在其他條件相同的情況下，泥石流的流量和運動速度會越小，導致在相同時間內滯留在支槽里的泥石流固體物質越多，那么進入主河的泥石流總量就越少，越難堵河。

分析本試驗現象可知，黏性泥石流容重是影響泥石流阻塞大河模式及運動特點的重要因素，容重較小時(本試驗為γ<2.00 t/m3)，泥石流流動性好，龍頭快速沖到對岸發(fā)生潛壩壅堵；容重較大時(本試驗為γ=2.20 t/m3)，泥石流流動性差，大量固體物質滯留在支槽里，泥石流龍頭靠后續(xù)泥石流推動前進，發(fā)生堰塞壩局部阻塞主河現象多，而全堵主河現象少。

3.2.2 主河寬度

表2 臨界全堵狀態(tài)數據對比

3.2.3 泥石流總量

在以往的研究中，針對泥石流總量這一堵河影響因素探討得較少，本試驗重點對此進行了討論。

泥石流以堰塞壩形式堵塞主河時，泥石流向對岸推進的過程中，主河上游來流流量不變，而主河水流受泥石流堰塞壩約束下泄流量減少，導致主河水位壅高，其壅高值與泥石流總量密切相關。隨著主河水位的壅高，一方面泥石流堰塞壩的高度需要加高使其始終露出水面，否則將形成水下潛壩堵河；另一方面，作用在泥石流堰塞壩上的作用力越來越大，同時由于河床被束窄后流速也越來增大，而導致水流對堰塞壩的沖刷也越來越強，尤其是R>0.80時，沖刷作用達到最強，泥石流固體物質只有以一定的流量不斷地持續(xù)供應，堰塞壩才有可能抵抗越來越強的水流沖刷?；谶@兩方面的原因，總量的大小決定著泥石流堵河的程度：根據實驗數據繪出泥石流總量隨堵塞系數變化曲線，如圖8，由圖8可知：當R<0.80時，總量與堵塞系數基本呈線性相關，堵塞系數越大所需的泥石流總量越大；當R>0.80時，總量與堵塞系數呈現很好的指數相關，所需泥石流總量急劇增大。

圖8 泥石流總量與堵塞系數的關系Fig.8 Relationship of the total amount of debris flow and block coefficients

4 結 論

1)潛壩壅堵主要發(fā)生于主河水深相對較深，容重較小、運動速度較高的泥石流，其特點是泥石流始終在水下運動，泥石流停積體淤高河床，改變河道橫縱斷面，同時使上游產生壅水而造成淹沒災害。

2)以堰塞壩形式造成大河局部阻塞或全堵主要發(fā)生于高容重黏性(或高濃度)泥石流。泥石流完全堵斷大河的事件不多，但一旦發(fā)生，堰塞湖會造成上游淹沒災害，潰壩時會造成下游超常洪水；在寬谷段甚至會迫使主河改道，形成更大范圍的嚴重災害。局部阻塞是泥石流阻塞大河的最普遍的現象，是本試驗的主要研究對象。其特點是：隨著堵塞系數R的增大，主河流速先增大后減小，當R=0.80時，流速接近最大值，高速水流直接沖刷堰塞壩導致大量固體物質流失，故當R>0.80時，計算堵塞主河的泥石流總量應該包括主河內泥石流堆積的總量和泥石流在水流沖刷作用下的流失量；堰塞壩局部阻塞主河造成的上游水位壅高值隨堵塞系數R呈非線性變化，當R<0.80時呈線性增加，當R>0.80時呈指數增加；一般情況的局部阻塞(當R<0.80時)，主要是堰塞壩束窄水流、改變河道，影響主河泄洪能力，使上游造成淹沒災害，但當堵塞系數﹥0.80以后，由于泥石流嚴重推移大河水流，可能造成異岸沖刷災害。

3)泥石流容重、主河寬度和泥石流總量是泥石流阻塞大河的重要影響因素。分析表明：高容重黏性泥石流直角入匯易于發(fā)生堰塞壩局部阻塞大河現象；主河寬度對堵塞大河的影響表現在泥石流在主河里的運移距離和在泥石流推進的過程中主河水力條件的改變兩方面，主河水力條件的改變是以往的試驗沒有考慮的。泥石流總量決定著阻塞主河的程度：堵塞系數越大所需的泥石流總量越大，當R<0.80時，堵塞系數與總量基本呈線性相關；當R>0.80時，所需泥石流總量急劇增大，總量與堵塞系數呈現很好的指數相關，故在建立堰塞壩阻塞主河的判據時必須考慮物質總量的要求。

4)由于受泥石流裝料箱容量的限制，只做成了一次堵斷主河的試驗，對堵斷主河模式研究較少。

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Experimental Study on Mechanism of Large River Blocking by Debris Flow

LIU Cuirong, ZHAO Shigang

(Emei Campus, Southwest Jiaotong University, Emei 614201, Sichuan, P.R.China)

Large-scaled flumes were used to reproduce the confluence process of the main river blocked by high density viscous debris flow when the intersection angle was 90°. In the experiment, the amount and the unit weight of debris flow were variants. Based on the experiment data, three types of the river-blocked by debris flow were summarized: total blocking by submerged dam, partly blocking by sand dam and completely blocking by sand dam. Furthermore, their characteristics were analyzed respectively. And the influence factors of the large river blocked by debris flow were analyzed. The analysis results show that: the unit weight of debris flow influences the characteristics of the confluence movement and the river-blocking pattern of debris flow; the influence of the main river width on the river blocking is reflected in the flow distance of debris flow and the change of the hydraulic condition of the main river. Because of the width and the strong hydraulic condition of main river, the main river is difficult to be totally blocked, and is always partly blocked by sand dam. Total volume of debris flow has significant influence on blocking large river, and the rive blocking becomes more serious with the total volume of debris flow increasing. WhenRis more than or equal to 0.80, the solid material of sand dam runs off seriously and the value of backwater height of upstream presents exponential correlation with block coefficient.

environmental engineering; debris flow; large river blocking; model of river-blocked; factors of river-blocked

2015-03-19；

2015-05-20

國家“973”計劃資助項目(2011CB409902)；教育部春暉計劃項目(10101x10096067)；中央高?；鹂萍紕?chuàng)新項目(10101B10096038)

劉翠容(1975—)，女，四川宜賓人，副教授，博士研究生，主要從事鐵路、公路地質災害研究。E-mail: liucrong7512@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.18

P642.23

A

1674-0696(2016)01-090-06