不同類型攔擋壩攔蓄特征試驗(yàn)研究

張芝艷， 周自強(qiáng)， 劉興榮， 張國信， 賈雪梅， 王喜紅

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所， 蘭州 730030)

泥石流攔擋壩的設(shè)置拓寬抬高了壩后侵蝕基準(zhǔn)面，達(dá)到了穩(wěn)定坡腳、增大坡體抗滑阻力的目的，進(jìn)一步減弱了泥石流重度和沖擊破壞性[1-2]。由于泥石流體呈非牛頓體，其動(dòng)力特征多變、無規(guī)律，導(dǎo)致淤積物復(fù)雜、野外觀測困難[3]，因此分析壩后淤積物動(dòng)態(tài)變化特征成為中外泥石流研究的重點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)[4]。近年來，因水槽試驗(yàn)操作方便、控制簡單，成為科研人員反演和重現(xiàn)泥石流災(zāi)害動(dòng)力過程及壩后淤積的重要方法[5]。王兆印等[6]通過不同容重泥石流沖刷卵石坡的試驗(yàn)，得出龍頭卵石級配粗于后續(xù)流的結(jié)論。賈世濤等[7]認(rèn)為，隨著容重由稀性向黏性過渡，其沉積作用逐漸加強(qiáng)。Line[8]、李俊杰等[9]、王東坡等[10]采用物理模型試驗(yàn)得出不同新型攔擋壩對泥石流水動(dòng)力的影響，依次分析、討論了新型壩壩后淤積特征，其中，Line[8]根據(jù)泥石流質(zhì)量守恒定律和物理模擬試驗(yàn)，推導(dǎo)出一套新型縫隙壩的設(shè)計(jì)方法；李俊杰等[9]提出帶鋼支撐的鋼-混凝土組合式泥石流攔擋壩，通過鋼-混凝土組合式攔擋壩與常規(guī)攔擋壩在固體沖擊荷載作用下的對比試驗(yàn)，得出支撐壩體的應(yīng)變力和加速度峰值均顯著減小，其平均減幅可達(dá)46%；王東坡等[10]基于動(dòng)量和能量守恒定律模擬了泥石流沖擊弧形攔擋壩的試驗(yàn)，推導(dǎo)出了沖擊力和爬升高度計(jì)算公式。舒和平等[11]根據(jù)模型試驗(yàn)和野外泥石流溝之間的關(guān)系，獲取了不同條件下泥石流流速、沖擊力數(shù)據(jù)。瞿淑花[12]以北京清水鎮(zhèn)掃帚港溝為研究內(nèi)容，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)和顆粒流(particle flow code，PFC)數(shù)值模擬手段，得出隨著含水率增大，土體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均減小。當(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí)，松散物源體強(qiáng)度驟減，原有平衡被打破，坡趾碎屑物率先失去支撐牽引，造成土體坍滑，產(chǎn)生由前至后的溯源破壞，并加速形成坡面泥石流。劉興榮等[13]以重力式攔擋壩為例，利用有限元軟件ABAQUS分析了兩種不同工況條件下泥石流沖擊攔擋壩時(shí)攔擋壩水平位移和沖擊力之間的關(guān)系，得出以經(jīng)驗(yàn)沖擊力為基礎(chǔ)時(shí)攔擋壩壩高應(yīng)選取兩種工況的平均值。

以上文獻(xiàn)主要研究了泥石流淤積狀態(tài)、滿庫條件、動(dòng)力特征、攔蓄性能、壩體材料性能、壩體力學(xué)特征等內(nèi)容，對攔擋壩壩前、壩后、壩底的動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究較少，現(xiàn)通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)得到無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵洞攔擋壩、不設(shè)攔擋壩的試驗(yàn)現(xiàn)象和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。通過試驗(yàn)簡單了解泥石流的運(yùn)動(dòng)特征和攔蓄性能，模擬攔擋壩壩后淤積物的體積函數(shù)模型，獲取試驗(yàn)槽振動(dòng)加速度、壩后泥位、試驗(yàn)槽出口處沖擊力數(shù)據(jù)，以及210、295、345、430、515、565 cm處含水率數(shù)據(jù)，以此分析泥石流通過不同攔擋壩時(shí)力學(xué)特征的變化。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)取樣點(diǎn)位于三眼峪溝1號(hào)攔擋壩壩后約500 m處。該區(qū)氣候常年濕潤，雨量豐沛，多年平均降雨量436 mm。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)為典型的高山峽谷地貌，流域面積24.1 km2，溝壑密度1.9 條/km2，出山口海拔1 550 m，流域最高點(diǎn)海拔3 828 m。整個(gè)流域呈“漏斗”形，支溝大眼峪與支溝小眼峪呈“V”形。溝口扇形地東西長約2 050 m，平均比降110‰；主溝長5.1 km，溝床比降214‰；小眼峪主溝長3.6 km，溝床比降306‰，兩岸山坡坡度平均為54°；大眼峪主溝長5.3 km，溝床比降272‰，兩岸山坡坡度平均為50°[14]。三眼峪溝位于印支期冒地槽褶皺帶西段白龍江復(fù)背斜北翼，坪定-化馬斷層從其中部穿過，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在境內(nèi)十分活躍，舟曲-武都地震亞帶活躍度較高，三眼峪自1823年起泥石流災(zāi)害頻繁。三眼峪特殊的地貌給泥石流發(fā)育提供了充足的條件，導(dǎo)致該地頻繁發(fā)生地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，諸如風(fēng)化、侵蝕、滑坡、崩塌、泥石流災(zāi)害等，使第四系(新構(gòu)造堆積物)在該地大范圍分布，從而為泥石流取樣提供了很好的先天條件[15]。三眼峪溝的位置如圖1所示。

圖1 三眼峪位置圖

三眼峪出露的巖石分別為第四系、中泥盆統(tǒng)古道嶺組上段、上二疊系、下二疊統(tǒng)上段。第四系分別為泥石流堆積物、重力堆積物、殘坡積物、黃土，其中泥石流堆積物位于三眼峪溝口、攔擋壩壩后。重力堆積物分布較普遍，主要是一些崩塌、滑坡、坍塌堆積物；殘坡積物分布于山坡上；黃土分布于溝口較平緩的中低山頂部。中泥盆統(tǒng)古道嶺組上段分布于三眼峪溝口一帶，巖性為灰色、深灰色炭質(zhì)板巖、千枚巖夾薄層灰?guī)r、砂巖等。上二疊系分布于三眼峪中游，主要為灰到深灰色中厚層含硅質(zhì)燧石結(jié)核的灰?guī)r。下二疊統(tǒng)上段分布于三眼峪溝流域上游和下游，主要由灰白到灰色、微紅色厚層塊狀灰?guī)r、薄層硅質(zhì)條帶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r和白云鮞狀灰?guī)r組成。其中第四系為泥石流主要松散物源體，其給泥石流提供了充足的物質(zhì)條件；中泥盆統(tǒng)古道嶺組上段千枚巖裂隙發(fā)育較明顯，巖質(zhì)脆弱，易受風(fēng)化、侵蝕影響，坡面坍塌嚴(yán)重；二疊系巖體呈裂隙、卸荷裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，形成多處危巖體、松動(dòng)體；中泥盆統(tǒng)古道嶺組上段和二疊系脆弱巖給泥石流提供了源源不斷的物質(zhì)補(bǔ)充[16]。

三眼峪溝內(nèi)泥石流物質(zhì)可很好地反演該處泥石流災(zāi)害的運(yùn)動(dòng)特征和流體變化特征，能夠得出具有參考意義的泥石流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可很好地給泥石流災(zāi)害判別提供一定的現(xiàn)象數(shù)據(jù)，并能為泥石流防治工程提供理論性、科學(xué)性建議。

2 試驗(yàn)方案

2.1 粒徑分析

粒徑分析是用來確定土壤顆粒分配情況的測定方法。使用的顆粒分析方法為物理分散法，顆分前以小于等于0.02 m直徑的土為試驗(yàn)土。為得出試驗(yàn)土的連續(xù)性，這里隨機(jī)選取了2 kg試驗(yàn)土作為顆分土樣。粒徑分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 粒徑圖

根據(jù)傳統(tǒng)的泥石流試驗(yàn)要求，試驗(yàn)土最大粒徑需滿足模擬試驗(yàn)槽寬度的1/5[17]，試驗(yàn)中最大粒徑與試驗(yàn)槽寬度之間的關(guān)系式為

n≥5dm

(1)

式(1)中：n為試驗(yàn)槽寬度；dm為土樣最大粒徑，這里n=0.5 m，經(jīng)計(jì)算本實(shí)驗(yàn)的超粒徑是試驗(yàn)槽寬度的1/25，符合實(shí)驗(yàn)要求。

為獲取泥石流流動(dòng)狀態(tài)中常態(tài)化流體特征數(shù)據(jù)，計(jì)算了土顆粒的連續(xù)性，選取了如下3種不同直徑的土顆粒作為特征顆粒。

d10=0.08 mm：小于0.08 mm直徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的10%。

d40=0.93 mm：小于0.93 mm直徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的40%。

d70=5.65 mm：小于5.65 mm直徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的70%。

曲率系數(shù)Cc計(jì)算公式為

(2)

式(2)中： 曲率系數(shù)Cc可說明土樣的連續(xù)性，1≤Cc≤3為連續(xù)性較好的土。連續(xù)程度較好，說明其能夠很好地反演泥石流的試驗(yàn)過程，能夠更好地體現(xiàn)泥石流運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的機(jī)理特征。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為獲取泥石流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和淤積靜態(tài)量，做了不加攔擋壩試驗(yàn)，模擬了泥石流行進(jìn)過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象特征、力學(xué)數(shù)據(jù)；做了無泄水涵洞、有泄水涵洞單攔擋壩試驗(yàn)，獲取了加攔擋壩后兩種壩體對泥石流的攔擋性能，得到了相應(yīng)的現(xiàn)象和力學(xué)數(shù)據(jù)。以試驗(yàn)裝置與野外地質(zhì)構(gòu)造相似性為依據(jù)，通過泥石流流動(dòng)試驗(yàn)來反應(yīng)在一定坡降和溝寬條件下，泥石流的動(dòng)力特征和單壩的攔擋性能,具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

水體積計(jì)算公式如下。

(3)

vwater=0.5vsoil

(4)

式中：vsoil、vwater分別為土、水的體積；msoil為土的質(zhì)量；ρsoil為土的密度。

泥石流容重計(jì)算公式為

rc=(rH+f+1)/(f+1)

(5)

式(5)中：rH為固體物質(zhì)相對密度；f為固體物質(zhì)和水的體積比；rc為泥石流容重。計(jì)算可得土體積為0.132 m3，水體積為0.065 8 m3。

使用的試驗(yàn)室器材分別為振動(dòng)加速度傳感器、泥位測距儀、沖擊力傳感器、含水率傳感器、攝像機(jī)等，該測量儀器能很好地獲取泥石流的力學(xué)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象特征。傳感器具體測量信息如表2所示，傳感器的布置如圖3所示。

表2 傳感器信息

圖3 測量儀器布置

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在試驗(yàn)槽330 cm和540 cm處安裝了攝像機(jī)，記錄了試驗(yàn)中泥石流的變化現(xiàn)象、規(guī)律特征。從圖4(a)、圖4(b)可看出，在沒有攔擋壩時(shí)，從T1到T2時(shí)，泥石流在淤積過程中發(fā)生了緩慢的侵蝕作用，在侵蝕過程中，細(xì)粒被帶走，留有粗粒沉積在槽中。從圖4(c)、圖4(d)可看出，在淤積狀態(tài)中，無泄水涵洞攔擋壩水石分離效果差，有泄水涵洞攔擋壩水石分離效果較好；在泥石未凝固且有流動(dòng)趨勢時(shí)，無泄水涵洞壩體承壓力大于有泄水涵洞壩。據(jù)隴南泥石流攔擋壩運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告得出，21%無泄水涵洞壩被沖毀；極少數(shù)壩后積水嚴(yán)重。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)象

不設(shè)攔擋壩時(shí)，泥水?dāng)y帶塊石能力較強(qiáng)，較大塊石幾乎與泥水流速一致，即較大塊石所受阻力較小；在流速較緩時(shí)，泥水?dāng)y帶塊石能力減弱，較大塊石流速遠(yuǎn)小于泥水流速；在淤積狀態(tài)中，較大塊石沉淀，泥水繼續(xù)攜帶極小粒徑塊石流動(dòng)并發(fā)生侵蝕作用。

有攔擋壩無泄水涵洞時(shí)，在泥石流發(fā)生前期，泥石流流速加快，逐漸翻越過壩，翻越過壩的泥石流攜帶塊石較少；在淤積狀態(tài)中，泥水發(fā)生沉淀，最終淤積體含水量極大。

有攔擋壩有泄水涵洞時(shí)，泥石流流速較快時(shí)，一部分泥石隨涵洞流走，流走的泥石由于攔擋壩的迂回碰撞匯流作用，流速低于庫尾區(qū)泥石流體；在淤積狀態(tài)中，泄水涵洞未發(fā)生堵塞，其壩后涵洞兩側(cè)仍有大量物質(zhì)淤積。

3.2 攔擋壩攔蓄性能參數(shù)

試驗(yàn)獲取了攔擋壩淤積前試驗(yàn)槽特征數(shù)據(jù)，通過泥石流試驗(yàn)獲得了泥石流流動(dòng)過程中、淤積狀態(tài)中流體特征數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得到了泥石流攔蓄性能參數(shù)信息。泥石流參數(shù)信息計(jì)算過程如下。

3.2.1 MELTON系數(shù)計(jì)算

(6)

式(6)中：R為MELTON系數(shù)，反映流域的陡峭程度[18]；H為流域高差；A為流域面積；n為試驗(yàn)槽寬度；L為試驗(yàn)槽長度。研究得出R>0.6時(shí)易發(fā)生泥石流災(zāi)害；經(jīng)計(jì)算R=1.49，即試驗(yàn)裝置易于泥石流流動(dòng)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.2.2 曲線函數(shù)擬合

試驗(yàn)結(jié)束后測量了壩后左、中、右淤積體厚度，計(jì)算了左、中、右位置處淤積體厚度的平均值；然后使用曲線擬合法計(jì)算了試驗(yàn)槽不同位置處泥石流淤積體的曲線函數(shù)，最后通過壩后淤積曲線值、試驗(yàn)槽底面積獲取了壩后淤積物的體積值。

經(jīng)計(jì)算無泄水涵洞壩后淤積曲線函數(shù)為

y1=2.17×10-3x2-5×10-3x+3.53

(7)

有泄水涵洞壩后淤積曲線函數(shù)為

y2=1.57×10-6x3-7.8×10-4x2+

6.4×10-2x+0.68

(8)

淤積物體積計(jì)算公式為

(9)

式(9)中：s=1時(shí)，y1為無泄水涵洞壩后不同淤積處的淤積高度；s=2時(shí)，y2為有泄水涵洞壩后不同淤積處的淤積高度值；n為試驗(yàn)槽寬度；L1-L2為試驗(yàn)槽內(nèi)泥石流淤積長度值，經(jīng)有壩試驗(yàn)結(jié)果得出，無洞攔擋壩試驗(yàn)槽淤積長度為480～540 cm；有泄水涵洞攔擋壩試驗(yàn)槽淤積長度為460～540 cm；ys為試驗(yàn)槽不同淤積處的淤積高度值；V為有壩試驗(yàn)壩后泥石流淤積物體積，經(jīng)計(jì)算無洞攔擋壩淤積物體積V1=1.88×10-2m3，有洞攔擋壩淤積物體積V2=7.12×10-3m3，有洞攔擋壩攔蓄量是無洞攔擋壩攔蓄量的1/3，無洞攔擋壩攔蓄量優(yōu)于有洞攔擋壩。

3.2.3 攔蓄性能計(jì)算

k=(Q0-h)/Q0

(10)

式(10)中：h為攔擋壩高；Q0為原始溝床條件下一次沖出固體物質(zhì)總量。其中k值越小，攔擋壩攔蓄性能越好，經(jīng)計(jì)算無洞攔擋壩k1=-2.2，有洞攔擋壩k2=-1.57，顯然無洞攔擋壩攔蓄性能優(yōu)于有洞攔擋壩。

3.2.4 攔擋壩水平攔蓄量計(jì)算

攔擋壩水平攔蓄量為無回淤狀態(tài)下的泥石流淤積量，可間接反映有回淤時(shí)攔擋壩壩后回淤性能的優(yōu)越，淤滿攔擋壩的水平攔蓄量計(jì)算公式為

Vh=0.5hn/tan9°

(11)

式(11)中：n為槽寬；h為壩高；Vh為不考慮回淤比降時(shí)，淤滿攔擋壩的水平攔蓄量，經(jīng)計(jì)算在0.15 m壩高下淤滿攔擋壩的水平攔蓄量為1.24×10-2m3。

3.2.5 攔擋壩回淤性能

y=Vh/V-1

(12)

y值可很好地反映壩后空庫、滿庫、回淤狀態(tài)(當(dāng)y=0時(shí)，表明壩后滿庫；y>0時(shí)，表明壩后回淤，且其值越大，回淤性能越好；y<0時(shí)，表明壩后庫容未滿)。本實(shí)驗(yàn)無泄水涵洞攔擋壩回淤性能y1=0.52，有泄水涵洞攔擋壩回淤性能y2=-0.43。無泄水涵洞攔擋壩回淤性能相對來說較好，有泄水涵洞回淤較差。

最終泥石流攔擋壩特征參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)特征參數(shù)

3.3 不同單攔擋壩的振動(dòng)加速度和位移變化

振動(dòng)加速度可用于分析波形、頻譜特征，即振幅越大，對試驗(yàn)槽振動(dòng)越大；振動(dòng)時(shí)間越長，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間越久；位移傳感器可精確地測量試驗(yàn)中泥位的變化。試驗(yàn)測量了不加攔擋壩，無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵洞攔擋壩320 cm和540 cm處的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)和515 cm 處的位移數(shù)據(jù)[19-20]。試驗(yàn)結(jié)束后用尺子記錄了壩后左、中、右位置處的泥位厚度變化數(shù)據(jù)。

由圖5(a)～圖5(c)可看出，加攔擋壩后，減弱了泥石流對試驗(yàn)槽的振動(dòng)破壞力。圖5(a)顯示出，320 cm處振動(dòng)弱于540 cm處，可得出在沒有攔擋壩時(shí)，試驗(yàn)槽內(nèi)的泥石流流速在不斷增加。圖5(b)顯示出，試驗(yàn)初期振動(dòng)加速度較大，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行和攔擋壩的無縫隙攔擋，振動(dòng)加速度被逐漸減弱。圖5(c)顯示出，在試驗(yàn)初期，泥石流對試驗(yàn)槽的振動(dòng)較大，因泄水涵洞的存在，在試驗(yàn)的下半段泥石流對試驗(yàn)槽的振動(dòng)仍較大。圖5(b)、圖5(c)顯示出，320 cm處的振動(dòng)強(qiáng)于540 cm處，得出加攔擋壩后，減弱了泥石流對攔擋壩處的振動(dòng)破壞力，即泥石流在上游給試驗(yàn)槽帶來較大的振動(dòng)，到攔擋壩附近，泥石流對試驗(yàn)槽的振動(dòng)被減弱。

圖5 加速度、位移數(shù)據(jù)

從圖5(e)可看出，不加攔擋壩、無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵攔擋洞壩振動(dòng)峰值分別為： 10.46、1.8、2.24 kPa。既加攔擋壩減弱了泥石流對試驗(yàn)槽底和槽壁下方的振動(dòng)，模擬到試驗(yàn)現(xiàn)場，即加攔擋壩減弱了泥石流對溝床和兩側(cè)巖壁下方的掏蝕；因涵洞的匯水作用，有泄水涵洞攔擋壩掏蝕作用大于無泄水涵洞攔擋壩，使得即將流入涵洞的泥石流規(guī)模巨大，加深對無壩基處溝床的侵蝕作用，考慮到安全性，有泄水涵洞攔擋壩易設(shè)置于溝床巖土堅(jiān)硬區(qū)。在泥石量相同的條件下，泥石流結(jié)束后，不加攔擋壩、無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵洞攔擋壩540 cm處振動(dòng)持續(xù)時(shí)間分別為29、25、39 s；無泄水涵洞攔擋壩在短時(shí)間內(nèi)攔蓄了大量泥石流，但壩體瞬時(shí)沖壓力較大。

由圖5(e)可看出，無泄水涵洞壩壩后發(fā)生了大范圍淤積，經(jīng)式(7)、式(9)得出，攔蓄量為1.88×10-2m3。有泄水涵洞壩壩后泥位達(dá)到最大值后，發(fā)生了大范圍地減少，經(jīng)式(8)、式(9)得出，最終攔蓄量為7.12×10-3m3，相當(dāng)于無泄水涵洞攔擋壩淤積量的1/3，即一部分含水量高的泥石隨涵洞流走，導(dǎo)致其雖有較好的水石分離效果，但攔蓄量減少，最終使其攔蓄性能降低[21]。試驗(yàn)結(jié)果也與攔擋壩攔蓄特征一致，即無泄水涵洞攔擋壩能夠在短時(shí)間內(nèi)攔蓄大量泥石流物質(zhì)，有泄水涵洞攔擋壩因分流作用使其攔蓄年限延長。

3.4 不同單攔擋壩的沖擊力變化

考慮到泥石流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物質(zhì)成分將影響泥石流的沖擊力和撞擊時(shí)間[22-23]，因此，在槽出口(650 cm)處布置了沖擊力傳感器，模擬了泥石流發(fā)生后，壩前泥石流的流動(dòng)特征和破壞性質(zhì)，沖擊力數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 沖擊力數(shù)據(jù)

不加攔擋壩，壩前泥石流沖擊力迅速增大，達(dá)到較大值后，繼續(xù)緩慢增長；得出其破壞力剛開始大，且持續(xù)時(shí)間較長，在試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，其破壞力在很大程度上降低。

無泄水涵洞攔擋壩壩前泥石流沖擊力在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較大值，達(dá)到較大值后增速變緩；得出其破壞力由大到極小，因攔擋壩的絕對攔擋，其沖擊力大、持續(xù)時(shí)間最短。

有泄水涵洞攔擋壩壩前泥石流沖擊力先增大后減小；得出因涵洞的疏通作用，泥石流的破壞力剛開始大，且持續(xù)時(shí)間較長，在試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后，其破壞力被減弱。

就試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，為減弱泥石流對有泄水涵洞壩的破壞性，可考慮給壩前設(shè)置護(hù)坦，其能有效地減弱泥石流的沖擊力、侵蝕力。

3.5 不同單攔擋壩含水率變化

試驗(yàn)所獲取的含水率為體積含水率(即土體中水體積與土體總體積比值)[24]， 測量位置為試驗(yàn)槽底210、295、340、430、515、565 cm處。

結(jié)合圖7(a)～圖7(c)得出，當(dāng)不加攔擋壩時(shí)，在淤積狀態(tài)中，含水率整體較小，其最大值為0.12。加攔擋壩后，在淤積狀態(tài)中，515 cm處含水率高于其他位置。加無泄水涵洞攔擋壩后，在515 cm處，壩后含水率激增，最終含水率值為0.51；加有泄水涵洞攔擋壩后，含水率先激增，后減小，最終含水率值為0.15，即表明有泄水涵洞攔擋壩降低了壩后泥石的高含水性，起到了水石分離的效果。

從圖7(d)淤積圖中可得出，不加攔擋壩中間部分向上凸起，即不加攔擋壩試驗(yàn)槽含水率中間略高、兩端低；加無泄水涵洞攔擋壩后，在試驗(yàn)槽210～565 cm處，含水率呈增大、減小、突增、減小的趨勢，即槽兩端、攔擋壩庫尾后部含水率小；加有泄水涵洞攔擋壩后，泥石流含水率呈增大、減小、增大、減小的趨勢，同樣槽兩端、攔擋壩庫尾后部含水率小。主要原因?yàn)椋诓酆笪恢锰帲捎谀嗨粩嘞蛳铝鲃?dòng)，使得其含水率降低；在槽前位置處，由于其臨近扇形堆積區(qū)，在泥石流淤積中，該處發(fā)生侵蝕作用，水流不斷匯入扇形堆積區(qū)，使得槽前含水率較低；壩后淤積區(qū)、未淤積區(qū)形成分界區(qū)，未淤積區(qū)由于侵蝕作用，水流不斷匯入淤積區(qū)，導(dǎo)致未淤積區(qū)(過度區(qū))含水率較低，最終得出槽兩端、攔擋壩庫尾后部(淤積區(qū)和未淤積區(qū)分界處)含水率較低。

圖7 含水率數(shù)據(jù)

4 結(jié)果分析與建議

通過試驗(yàn)得出，加攔擋壩后減弱了泥石流對試驗(yàn)槽的振動(dòng)。有泄水涵洞攔擋壩能夠延長泥石流的流通時(shí)間，起到水石分離的效果，但其對溝床的振動(dòng)和沖擊力大于無泄水涵洞攔擋壩，即有泄水涵洞攔擋壩因涵洞的匯流作用，對溝床具有一定的沖擊作用，其壩體適用于溝床巖土堅(jiān)硬區(qū)。因此，有必要根據(jù)現(xiàn)場的巖土鑒別，將壩基在原有的基礎(chǔ)上加深適當(dāng)?shù)木嚯x，使壩體不因陶蝕而被沖毀。可給涵洞后方設(shè)置跌水區(qū)，跌水降落點(diǎn)為壩基處，能夠使后方無壩基處泥石流不受涵洞匯流沖擊影響。有泄水涵洞攔擋壩壩前沖擊破壞力大于無泄水涵洞攔擋壩，可在有泄水涵洞攔擋壩前設(shè)置長護(hù)坦，起到保護(hù)壩體和降速的作用。

通過無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵洞攔擋壩攔蓄性能的對比試驗(yàn)得出，可考慮給大孔徑的泄水涵洞增加一定比例的格柵，起到攔截大量泥沙的效果，但當(dāng)泄水涵洞堵塞時(shí)，壩體承壓力將會(huì)劇增，所以，在建壩之前應(yīng)加強(qiáng)下壩壩基的穩(wěn)固性和翼墻的有效性，并增加壩肩嵌入深度。除加格柵外，壩體的改良措施還包括：增加壩體的厚度；在壩前增設(shè)錨桿；將壩體中間部分設(shè)置為梳子狀，材料可選用抗壓強(qiáng)、不易變形的鋼筋混凝土。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，隴南多數(shù)泥石流溝已淤滿，淤滿后，最大回淤比降為10.8°，導(dǎo)致壩后失去攔蓄性能，使部分溝道清淤無法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)泥石流再次爆發(fā)時(shí)，大量泥石流匯入江河，使得河面水位上漲，淹沒沿途耕作區(qū)、居民點(diǎn)。再加之隴南部分溝道攔擋壩已從形成區(qū)修建到堆積區(qū)，使得新壩壩址很難確定。基于上述單攔擋壩的研究結(jié)果和隴南多數(shù)攔擋壩淤滿的現(xiàn)狀，有必要在原有的壩體上修建新型攔擋壩，起到拓展原有壩體庫容量的作用。新型攔擋壩的簡要設(shè)計(jì)如圖8所示。

從圖8中可看出，該攔擋壩可建在舊攔擋壩淤積區(qū)，與舊攔擋壩形成階梯狀；為穩(wěn)定舊壩體，在舊攔擋壩壩前修建了三角錨桿；因傳統(tǒng)涵洞匯流作用使壩后攔蓄性能降低，因此給泄水涵洞添加了格柵；為更好地實(shí)現(xiàn)水石分離和減弱壩體承壓力，這里給泄水涵洞上部設(shè)置了較為密集的泄水孔。壩體的背面設(shè)置了跌水區(qū)、緩坡區(qū)、大角區(qū)，通過緩沖和增大對角的方法，很好地減弱了泥石流的流速和沖擊力。

α、β、δ、ε分別為壩體從壩底到壩頂?shù)臎_擊夾角；ef為淤積體坡面方向；mn為新淤積體2坡面水平

在多坡度攔擋壩攔擋泥石流的過程中，由于舊淤積體中黏粒較多，經(jīng)水土混合和粗粒填充作用，使淤積體具有一定的堅(jiān)硬性，再經(jīng)夯實(shí)，有利于布置壩基。因此本文在不考慮侵蝕的作用下，區(qū)分了多坡度新型攔擋壩攔擋泥石流的3種運(yùn)動(dòng)方式。

泥石流流動(dòng)方式一：圖8中水流方向1，即泥石流沿舊淤積體順坡留下，經(jīng)過陡崖區(qū)跌落于壩基處，跌水導(dǎo)致水流方向分散，分散的泥石流逐漸匯聚，在分散、匯聚的過程中，較好地降低了泥石流流速，最終以α角度流向壩體；經(jīng)過較長時(shí)間，新淤積體1坡面等同于舊淤積體坡面方向，即圖8中ef線。

泥石流流動(dòng)方式二：圖8中水流方向2，即泥石流順坡流下，直接沖擊緩坡壩體，沖擊角度為β；淤積物坡面為水平方向，然后泥石流的流動(dòng)方式為3，且以δ角度沖擊大角區(qū)坡面，經(jīng)過較長時(shí)間，新淤積體2坡面為水平mn。

泥石流流動(dòng)方式三：圖8中水流方向3，即泥石流順坡流下，到水平延展區(qū)，流速降低，沖擊壩體的角度為ε。

《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZT 0239—2004)[25]中考慮了壩體迎水面法線方向和泥石流流速方向的夾角，較為簡單地計(jì)算了泥石流對壩體的沖壓力，以及各石塊的沖擊力，步驟如下。

步驟1泥石流的流速計(jì)算。

Vx=δHhrc/(WT)

(13)

(14)

式中：Vx為泥石流流速，m/s，Vx的取值根據(jù)溝道地質(zhì)條件和泥石流容重而定，涉及的參數(shù)主要有泥石流流經(jīng)落差比Hh、泥石流容重rc、泥石流流經(jīng)處溝道寬度W、泥石流厚度T等；g為重力加速度，m/s2；θ為壩體受力面與泥石流沖壓方向的夾角，壩體沖擊夾角從壩底到壩頂分別是α、β、δ、ε；r為壩體形狀系數(shù)，方形建筑物r=1.47；Fδ為泥石流沖壓力。

步驟2石塊的沖擊力計(jì)算

(15)

式(15)中：Fb為泥石流沖壓力，t/m2；E為工程構(gòu)建彈性模量，t/m2；J為工程構(gòu)建界面中心軸的慣性矩，m4；W為石塊質(zhì)量，t；L為構(gòu)建長度，m；θ為壩體受力面與大石塊運(yùn)動(dòng)方向的夾角。

5 結(jié)論

模擬了泥石流發(fā)生后攔擋壩攔蓄性能特征，得出了以下結(jié)論。

(1)通過試驗(yàn)現(xiàn)象分析得出：不加攔擋壩侵蝕作用較明顯；加無泄水涵洞攔擋壩，流速最高時(shí)，泥石流翻越過壩，過壩流體攜帶塊石較少。

(2)分析振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)得出，不加攔擋壩槽前振動(dòng)加速度弱于槽后，加攔擋壩后槽前振動(dòng)加速度高于槽后攔擋壩處振動(dòng)加速度。試驗(yàn)顯示出不加壩、有壩無泄水涵洞、有壩有泄水涵洞攔擋壩處振動(dòng)峰值分別為 10.46、1.8、2.24 kPa，持續(xù)時(shí)間分別為 29、25、39 s，得出加攔擋壩后很大程度上減小了泥石流對槽壁和槽底的掏蝕振動(dòng)作用，無泄水涵洞攔擋壩對試驗(yàn)槽的振動(dòng)弱于有泄水涵洞攔擋壩，為減輕陶蝕振動(dòng)破壞性，有泄水涵洞攔擋壩易設(shè)置于溝床巖層堅(jiān)硬區(qū)；持續(xù)時(shí)間顯示出，無泄水涵洞攔擋壩在短時(shí)間內(nèi)攔蓄了大量泥石流，但壩體沖壓大，建議壩體選用堅(jiān)硬型材料，其壩體適用于排導(dǎo)工程不完善或鄰近公路旁的溝谷中。通過無泄水涵洞攔擋壩、有泄水涵洞攔擋壩的對比試驗(yàn)得出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，無泄水涵洞攔擋壩對試驗(yàn)槽的振動(dòng)破壞逐漸增大而后減小，有泄水涵洞攔擋壩對試驗(yàn)槽的振動(dòng)破壞略微增大而后減小，接著繼續(xù)增大，在較大的振動(dòng)進(jìn)行一段時(shí)間后逐漸減弱。

(3)通過壩后泥位變化數(shù)據(jù)和淤積物體積得出，有泄水涵洞攔擋壩壩后發(fā)生了水石分離和侵蝕作用，通過數(shù)據(jù)模擬得出有泄水涵洞攔擋壩攔蓄量為無泄水涵洞攔擋壩的1/3 倍，建議給大孔徑泄水涵洞增加一定比例的格柵，起到攔截大量泥沙的作用。

(4)分析壩前沖擊力數(shù)據(jù)得出，有泄水涵洞壩壩前沖擊破壞力大于不加壩和無泄水涵洞壩。因此，可考慮在泄水涵洞壩前設(shè)置長護(hù)坦，起到跌水降速的作用。

(5)通過含水率數(shù)據(jù)得出，無泄水涵洞攔擋壩壩后泥石流含水率極高，加有泄水涵洞攔擋壩后，壩前壩后水石分離效果較好。由于試驗(yàn)槽分界處的影響，槽后、槽前、攔擋壩庫尾區(qū)后部(淤積區(qū)和未淤積分界處)含水率低。考慮到以上單攔擋壩的性質(zhì)和隴南多數(shù)攔擋壩已淤滿的現(xiàn)狀，構(gòu)繪了壩背為多坡度的新型攔擋壩。由于新壩建在舊壩基礎(chǔ)上，為防止舊攔擋壩變形，在舊攔擋壩壩前修建了三角錨桿；接著將新壩埋設(shè)于舊攔擋壩后部，與舊壩形成階梯狀；然后給泄水涵洞增加了格柵，涵洞上部設(shè)置了較高密度的泄水孔。壩體的背面設(shè)置了不同坡度的沖擊面，沖擊面分別為跌水區(qū)、緩坡區(qū)、大角區(qū)，其很好地減弱了泥石流流速和沖擊力；跌水區(qū)淤滿面坡度等于舊淤積體坡度，緩坡區(qū)淤滿后呈水平位置。