基于水槽试验的泥石流拦挡坝泄水涵洞调控性能

董耀刚， 刘兴荣， 冯乐涛， 王喜红， 张丽娟

(甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所， 兰州 730000)

泥石流灾害复杂、多变，导致其防治工程门类多样[1-2]，如拦挡工程[3-4]包括拦砂坝、梳齿坝、谷坊坝、桩板墙和格宾石笼坝等。拦挡坝在泥石流防治中发挥着不可替代的优势，其作用突出、效果明显，如拦挡泥沙、减缓泥石流冲击力、拓宽沟床和抬高坝后基准面等[5-6]。长期以来，拦挡坝是泥石流防治中最常见、最重要、也是最容易遭破坏的工程措施之一[7]。为了保障拦挡坝工程的安全运行，延长其使用年限，设计人员不断地优化其结构，加强坝体透水性就是一项有效的拦粗排细的优化措施。谢湘平等[8]、焦亮等[9]、谢涛等[10]、赵彦波等[11]研究表明，透水性拦挡坝形式多样，常用的有缝隙坝、窗口坝、梳子坝等，并通过大量试验，获得以上类型透水性拦挡坝对泥石流粒径调节功能及拦粗排细效果的定量描述。陈紫云等[12]提出通过泄水设施的布设推动泥石流的水石分离，达到水石分治的目的，更新了泥石流防治新思路。拦挡坝加设泄水涵洞也是透水性拦挡坝的一种，目前相关研究较少，主要从其拦蓄能力方面入手，例如，Zhou等[13]、贾世涛等[14]认为泄水涵洞、泥石流容重及流速是影响坝后淤积的主要因素，随着泥石流容重增大、开孔率减小，回淤坡度就越大，即拦挡坝的拦蓄量就越大；McArdell等[15]通过试验分析，推导出一套评估不同泄水涵洞、不同坡度和不同粒径条件下拦挡坝拦蓄能力的计算方法。上述研究对泄水涵洞是否有利于调控泥石流力学特征、减轻泥石流对上下游拦挡坝自身破坏等性能研究还涉及较少。

由于泥石流在行进中伴随着复杂的水动力过程，相应的监测手段有限，现场获取泥石流相关作用参数十分困难，因此，选用具有良好控制条件和对照关系的物理模拟试验成为揭示泥石流拦挡坝动力学机理的重要手段[13，16-18]。现以泥石流通过3种类型拦挡坝的泥位、振动加速度、体积含水率和孔隙水压力等特征变化为研究对象，获取前后拦挡坝相互保护和影响的各动力学参数，以此指导泥石流拦挡坝泄水涵洞的科学布设，为泥石流防治工程设计提供依据。

1 研究区概况

试验土样取自舟曲县城关镇三眼村三眼峪沟1号拦挡坝坝后约200 m处，地理坐标104°22′41″E，33°48′5″N(图1)。舟曲县地处青藏高原东段，西秦岭西翼和岷山山脉交汇地带，地貌特征以高陡山体和深切沟谷为主，是中国地质灾害多发区之一。舟曲县地处迭部-白龙江断裂带，该断裂带延伸长、规模大、裂隙发育，河谷下切侵蚀和风化剥蚀剧烈[19-20]。新构造运动十分活跃，表现为山地大幅隆升，流水急剧下切，形成典型的中高山沟谷地形[20]。地震活动对舟曲县泥石流的影响较大，如“5·12”地震给舟曲地表造成极大的损害，使得泥石流临界降雨量明显降低[21-22]。岀露地层由老至新依次为泥盆系、二迭系和第四系。泥盆系地层岩性由炭质板岩、千枚岩和页岩夹灰岩等组成；二迭系地层岩性以砂质灰岩为主，该地层与下伏地层呈断层接触，表层节理裂隙发育较为严重；第四系地层岩性主要由上更新统冲洪积卵石土和马兰黄土、全新统重力堆积物、残坡积物、泥石流堆积物、河流沉积物及沟道洪积物组成；以上泥盆系、二迭系地层结构破碎，加上第四系地层较为松散，易受自然条件影响，给泥石流提供了充足的物质条件。高陡的地貌类型、脆弱的地质条件和丰富的物质储量，使得该区域成为泥石流的高发区之一。

图1 取样点位置Fig.1 Sampling point location map

2 试验方案

2.1 试验装备

试验在甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所滑坡泥石流试验室完成。试验平台主要由搅拌系统、存储系统、流通区、堆积区、沉砂池和采集系统等组成。该试验平台自动化程度高，可获取泥石流作用的多项力学数据。试验装置见图2。

试验共布设2道拦挡坝(1号、2号)，自上游泥石流出口至320 cm处布设1号坝，在1号坝下游220 cm处布设2号坝，围绕1号、2号拦挡坝布设数据采集系统。数据采集系统主要由孔隙水压力传感器、体积含水率传感器、激光测距仪、振动加速度传感器、摄像机和采集箱组成。传感器布设位置见图3，主要参数和型号见表1。

振动加速度传感器共布设2组，紧邻1号、2号拦挡坝布设，监测拦挡坝在泥石流爆发前后所受的冲击破坏变化；体积含水率和孔隙水压力传感器均布设2组，分别布设在295 cm和515 cm处，监测泥石流遭受拦挡过程中的体积含水率和水压力的变化特征；激光测距仪布设在1号、2号拦挡坝上部，监测泥位的变化情况；高清摄像机布设3台，分别位于1号和2号拦挡坝上部及试验平台对面，保证试验全过程的高清拍摄。

图2 仪器装备Fig.2 Instruments and equipment

图3 传感器布置Fig.3 Sensor placement

表1 传感器型号及布设位置Table 1 Sensor type and location

2.2 试验设计

2.2.1 粒径分析

按照试验仪器粒径上限要求，将粒径大于20 mm的土样剔除。随机选取2 kg试验土做粒径级配分析，筛分结果见图4，最大粒径dmax= 20 mm，中值粒径d50= 2.3 mm，土样粒径主要集中在2～20 mm，约占62.1%。

周必凡[23]提出试验土样最大粒径需满足模拟槽宽度的1/5，即

n≥5dmax

(1)

式(1)中：n为试验槽宽度，n=0.5 m；dmax为土样最大粒径。

经计算，试验土样粒径满足试验要求。

图4 粒径图Fig.4 Particle size of figure

2.2.2 泥石流水土配比及容重计算

泥石流的启动和运动实际就是水土耦合的过程，不同的水力条件和物源赋存状态均影响泥石流的物质补给量，从而影响容重大小[24-25]。确定泥石流容重的方法较多，试验采用体积比法[26-27]进行计算。试验槽宽50 cm，坡度9°，土样质量1 000 kg，采用环刀测得固体物质密度为1 900 kg/m3，土样和水的体积比2∶1。

土样和水体积计算公式为

(2)

(3)

式中：Vs为土样体积，m3；ms为土样质量，试验取1 000 kg；ρs为土样密度，试验取1 900，kg/m3；Vw为水体积，m3。

经计算，土样和水体积分别为0.526 m3和0.263 m3。

泥石流容重计算公式为

(4)

式(4)中：ρH为固体物质密度；f为固体物质和水的体积比，此处为2∶1；γc为泥石流容重。计算得泥石流容重为16.9 kN/m3。

2.2.3 拦挡坝设置

拦挡坝作为泥石流防治的最有效措施之一，对其拦挡性能的研究显得尤为重要。鉴于此，试验设计了3种类型拦挡坝模拟泥石流前后坝体之间的相互保护和影响，并获取相关力学数据，指导拦挡坝的优化和改进。

试验槽宽50 cm，坝高15 cm，坝体型号分为3种，Ⅰ型拦挡坝不设泄水涵洞，Ⅱ型拦挡坝仅设1处泄水涵洞，Ⅲ型拦挡坝设4处泄水涵洞，试验还增加不设坝试验作为参照，见图5。

图5 坝体型号及截面设计Fig.5 Type of dam and design of cross section

3 试验现象

从图6可知，不设坝条件下水槽内仅在槽底残存少量细颗粒物质，布设拦挡坝后，在沟槽内均不同程度的拦挡了泥石流物质，说明3种类型拦挡坝均能较好的拦蓄泥石流固体物质；从图6(b)、图6(c)、图6(d)可知，Ⅰ型拦挡坝不设泄水涵洞，虽然其拦蓄效果最好，但达不到水石分离的效果，坝库内积水量大，容易造成坝前积水对基础和坝肩的侵蚀破坏。从图6(c)、图6(d)可知，Ⅱ型和Ⅲ型拦挡坝加泄水涵洞后，很好地实现了水石分离和拦蓄泥沙的作用，即经拦挡坝的调节作用，固体物质留于坝库内，含砂水体向下游排放，有效地改变了泥石流性质。从水石分离效果看，设拦挡坝优于不设坝，Ⅲ型优于Ⅱ型，Ⅱ型优于Ⅰ型，即在保证拦挡坝安全和满足拦蓄要求的情况下，其开孔率越高，越有利于泥石流的水石分离，降低泥石流破坏力的效果越明显。

图6 试验现象Fig.6 Experimental phenomenon

4 试验结果分析

4.1 泥位变化对比分析

在泥石流防治中，减小峰值泥位的破坏是泥石流防治的关键。试验在水槽295 cm和515 cm上方安置了激光测距仪，观测表层泥石流相对位移变化，准确的反应泥位变化信息。由图7(a)可知，不设坝的情况下，1号、2号拦挡坝位置处泥位平缓过渡；由图7(b)、图7(c)、图7(d)可知，布设Ⅰ型拦挡坝的泥位快速上升，然后保持高位流动，1号坝峰值泥位为85 mm，2号坝峰值泥位为131 mm，均较Ⅱ型和Ⅲ型高；布设Ⅱ型或Ⅲ型拦挡坝后，1号坝的泥位均平稳过渡，趋势与不设坝的情况基本一致，2号坝的泥位先快速增大再降低，Ⅱ型和Ⅲ型拦挡坝峰值泥位依次为117 mm和78 mm，Ⅲ型拦挡坝峰值泥位最低。试验表明在拦挡坝设计中设泄水涵洞会促使泥石流完成水石分离，让泥石流峰值泥位快速降低，泄水涵洞能满足泥石流行洪需要时泥位变化基本与不设坝保持一致。

试验结束后，对水槽侧壁留下的泥痕进行了方格统计。由图8可知，拦挡坝对泥位变化影响较大。不设坝情况下，泥位除受传感器影响有2处微变外，一直保持平稳过渡；在设坝情况下，布设拦挡坝位置处都会出现泥位峰值，且1号坝较2号坝持续时间长。Ⅰ型拦挡坝坝后淤积距离远、泥痕高，且在1、2号坝之间保持较高泥位；Ⅱ型拦挡坝坝后淤积水位居中，1、2号坝之间水位变化剧烈，连续出现2次高峰值，紧接着出现最低峰值；Ⅲ型拦挡坝坝后淤积水位低，经过1号坝高峰值后，立即出现1次低峰值和1次高峰值，然后平稳过渡。从泥位变化看，Ⅲ型拦挡坝对泥位调节作用最明显，可以保证泥位快速回落，减轻因泥位的剧烈变化而对坝体和沟岸产生的冲刷破坏。试验证明多布设泄水涵洞调控泥石流效果明显更优。

4.2 振动效能对比分析

为了获取1、2号拦挡坝坝址处泥石流行进中的振动和冲击作用，试验前紧临拦挡坝迎水侧安装了振动加速度传感器，评定泥石流对拦挡坝的机械振动，以此反映泥石流冲击力的大小[28-29]，见图9。

图7 拦挡坝处泥位对比图Fig.7 Mud level comparison figure of the retaining dam

由图9可知，振动加速度峰值在不设拦挡坝条件下明显大于设拦挡坝状态，说明设拦挡坝后，泥石流的振动明显减小，即减弱了泥石流的冲击力。1号坝位置处在不设坝、设Ⅰ型坝、Ⅱ型坝和Ⅲ型坝4种条件下其振动加速度峰值依次为10.51、1.00、1.63、2.11 m/s2，而2号坝位置处在不设坝、设Ⅰ型坝、Ⅱ型坝和Ⅲ型坝4种条件下其振动加速度峰值依次为10.46、0.75、1.55、0.83 m/s2。在不设坝条件下1号和2号拦挡坝之间的振动加速度峰值几乎不变，而设拦挡坝后，2号坝的振动加速度均小于相应型号1号坝。表明拦挡坝很好地削弱了泥石流的冲击力，即拦挡坝有效地减弱了泥石流的冲击破坏，经过拦挡坝后泥石流的振动会明显减弱；同时，通过数据对比，发现采集的Ⅰ型坝、Ⅱ型坝和Ⅲ型坝的坝后振动加速度数据比较接近，说明是否设有泄水涵洞对改变坝体遭受的冲击力大小影响很小，也就是说拦挡坝布设泄水涵洞并不会明显减弱坝体安全性。

图8 泥位变化过程图Fig.8 Mud level change flow diagram

图9 拦挡坝振动加速度对比图Fig.9 Comparison chart of vibration acceleration of dam

4.3 体积含水率对比分析

体积含水率为土体中水体积与土体总体积的比值[30]。试验获取了泥石流流经坝体前后体积含水率的变化规律。从图10可看出，在不设拦挡坝的试验中，2号坝的体积含水率稍高于1号坝，这主要是受传感器的干扰；在Ⅰ型拦挡坝试验中，2号坝的体积含水率远高于1号坝，且含水率上升得非常快，而1号坝一直比较平稳，说明1号坝在泥石流运行初期就迅速达到了稳定含水率；在Ⅱ型拦挡坝试验中，1号和2号坝含水率同时递增且增幅均较大，但含水率到最大值后又快速回落，2号坝回落至初始状态，1号坝回落至峰值一半时平稳；在Ⅲ型拦挡坝试验中，1号和2号坝含水率均呈折线递增，而后均维持在较低值，且含水率基本一致，2号坝较1号坝先完成含水率变化过程，说明Ⅲ型拦挡坝能较好地满足过水能力，减小泥石流的峰值流量。

不设坝的情况下体积含水率值最低，Ⅱ型拦挡坝的含水率峰值最大，为0.6 m3/m3，但迅速回落为0.3 m3/m3，Ⅰ型拦挡坝的含水率值次之，为0.5 m3/m3，且一直持续，Ⅲ型拦挡坝的1号坝和2号坝体积含水率最大值错峰出现(2号坝最大值出现后1号坝才出现)且最大峰值小，依次为0.2 m3/m3和0.4 m3/m3。因此，在不影响坝体稳定和拦蓄要求的情况下，尽可能在坝体上多设置泄水涵洞或泄水孔，可以起到水石分离的作用，减小泥石流的峰值流量，也可以让拦挡坝的含水率最大值错峰出现，以避免造成拦挡坝一次承受的冲击力过大。

4.4 孔隙水压力对比分析

在坝后布设孔隙水压力传感器，以获取坝后孔隙水压力变化数据。从图11可看出，在不设拦挡坝的试验中，孔隙水压力保持低位平稳状态；在布设Ⅰ型拦挡坝试验中，1号坝孔隙水压力较2号坝上升的慢，达到淤积平衡后，其孔隙水压力分别为0.68 kPa和2.09 kPa，2号坝坝后孔隙水压力远高于1号坝；在布设Ⅱ型拦挡坝试验中，1号坝较2号坝上升的早且平缓，2号坝上升的快且最大值较1号坝高，平衡后1、2号坝基本一致，其孔隙水压力分别为1.15 kPa和1.27 kPa；在布设Ⅲ型拦挡坝试验中，1号、2号拦挡坝孔隙水压力错峰出现，1号坝出现的早且比2号坝高，平衡后1号坝比较平稳，其平衡后的孔隙水压力为1.40 kPa，2号坝孔隙水压力则一直下降。说明在坝体上设置泄水涵洞，下游坝体孔隙水压力快速减小，更有利于调节下游坝体的孔隙水压力，即可以减轻孔隙水压力对下游坝体的破坏。

图10 体积含水率对比图Fig.10 Comparison chart of volume moisture content

图11 孔隙水压力率对比图Fig.11 Comparison chart of pore water pressure rate

5 结论

拦挡坝工程是否应该预留泄水涵洞，是泥石流防治工程中争议较多的问题之一。基于水槽试验，探究了3种形式拦挡坝对泥石流动力学参数的调控作用，并以一组不设坝的试验为参照，得出以下结论。

(1)在拦挡坝结构设计中加泄水涵洞会促使泥石流完成水石分离，快速降低泥位；从泥位变化看，Ⅲ型拦挡坝对泥位调节作用最明显，可以保证泥位快速回落，而且Ⅲ型拦挡坝坝后泥位峰值变化较平稳，可以减小因泥位的频繁变化对坝体和沟岸产生冲刷破坏，试验证明在保证坝体安全和满足拦蓄要求的情况下，多设泄水涵洞效果明显更优。

(2)设坝后，坝体振动大幅减弱，即拦挡坝有效地减弱了泥石流的冲击破坏，且Ⅰ型坝、Ⅱ型坝和Ⅲ型坝的坝后振动加速度数据比较接近，说明拦挡坝是否布设泄水涵洞对其遭受泥石流冲击力的大小几乎无影响，即拦挡坝布设泄水涵洞并不会明显减弱坝体安全性。

(3)拦挡坝坝后的体积含水率和孔隙水压力之间有着密切的联系。不设坝条件下，水槽不同位置体积含水率和孔隙水压力变化差异不大，受坝体拦截后，坝体上游泥石流淤积体和瞬间雍水造成体积含水率和孔隙水压力迅速增大。对比3种类型拦挡坝发现：Ⅰ型拦挡坝水石分离不明显，对体积含水率和孔隙水压力影响大，2项指标都处于高值；Ⅱ型、Ⅲ型拦挡坝水石分离效果明显，使得坝后含水率和孔隙水压力较Ⅰ型拦挡坝小。说明在不影响坝体稳定的同时，应多设泄水涵洞，一方面有利于1号、2号拦挡坝体积含水率错峰出现，便于降低泥位，减小泥石流对拦挡坝的冲击破坏，另一方面有利于下游坝体孔隙水压力快速减小，调节孔隙水压力对下游坝体的破坏。