張 承，劉曙亮，劉思孟，陳增順，張萬(wàn)曉

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶,400074；2.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，重慶,400074；3.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都,610041；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京,100049）

1 研究背景

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)自然災(zāi)害事件頻發(fā)，其中泥石流是我國(guó)眾多自然災(zāi)害中具有突發(fā)性災(zāi)變過程的一個(gè)災(zāi)種, 它在山區(qū)各種自然災(zāi)害中占有突出地位,成為我國(guó)減災(zāi)防災(zāi)的主要對(duì)象。泥石流嚴(yán)重危害山區(qū)城鎮(zhèn)、交通、農(nóng)田、工礦和水利工程等,造成嚴(yán)重災(zāi)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(gè)縣級(jí)城鎮(zhèn)、19個(gè)地(州、市)首府城鎮(zhèn)和4個(gè)省會(huì)城鎮(zhèn)受到泥石流的威脅或危害。并且伴隨我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部城鎮(zhèn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及資源開發(fā)等領(lǐng)域?qū)?huì)得到迅猛的發(fā)展。這不可避免地會(huì)遇到泥石流問題。伴隨著西部大開發(fā)的各項(xiàng)建設(shè),會(huì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模的擾動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致人為泥石流的發(fā)生, 產(chǎn)生新的災(zāi)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(fā)山洪和泥石流災(zāi)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(shí)陷入淤泥中而無法動(dòng)彈，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳顜砹藰O大的困難。因此認(rèn)識(shí)泥石流的溝道淤積規(guī)律對(duì)泥石流防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

游勇等通過對(duì)蔣家溝野外現(xiàn)場(chǎng)泥石流及溝床沖淤定位觀測(cè)，得出了泥石流溝床沖刷深度的極限表達(dá)式。趙彥波等通過實(shí)驗(yàn)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(guān)系。本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)溝床泥石流沖淤深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性分析。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所的泥石流模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置包括料斗（長(zhǎng)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(qū)為長(zhǎng)300cm，寬20cm，高30cm的鋼架水槽，坡度可自由調(diào)節(jié)，傾動(dòng)角度0°～ 20°，側(cè)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(shí)驗(yàn)物料

為了使實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)更加貼近自然發(fā)生泥石流時(shí)的情況，本實(shí)驗(yàn)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(jí)配包含了粘粒、粉粒、砂礫和礫石等組分。本實(shí)驗(yàn)選用的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的物料粒徑變化范圍從0.002mm到20mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 實(shí)驗(yàn)物料顆粒配圖

圖3 不同水槽坡度情況下淤積厚度對(duì)比表

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)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(guān)系。實(shí)驗(yàn)開始首先對(duì)水槽進(jìn)行粘性泥石流鋪床，用來模擬泥石流溝道被雨水浸潤(rùn)形成徑流時(shí)的自然溝床狀態(tài)，然后打開料斗閥門讓泥石流沖出，用來模擬泥石流爆發(fā)時(shí)的情境，鋪床物料和泥石流物料均采用上述高家溝物料。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分成兩組,第一組設(shè)計(jì)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(guān)系；第二組設(shè)計(jì)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(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程采用精細(xì)的手動(dòng)人工操作，依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)前將泥石流用水侵泡24h，用以模擬泥石流形成前該地區(qū)的降雨情況。實(shí)驗(yàn)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(zhì)攪拌稱重后倒入料斗中，反復(fù)攪拌使其均勻后，按實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)閘門開口大小，通過自然或人工方式使其均勻鋪滿3m長(zhǎng)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(fù)攪拌均勻后按實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)閘門開口大小，同時(shí)在水槽側(cè)面放置攝像儀以記錄泥石流運(yùn)動(dòng)過程，待泥石流運(yùn)動(dòng)完成后對(duì)水槽內(nèi)淤積厚度進(jìn)行測(cè)量獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析

圖4 不同水槽坡度統(tǒng)計(jì)分析箱式圖

3.1 數(shù)據(jù)處理

為了排除其他無關(guān)實(shí)驗(yàn)因數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，本文選取距離端口60cm～220cm之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)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(duì)沖刷和淤積厚度為：H=h-5.

3.2 泥石流相對(duì)沖淤和水槽坡度的關(guān)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同坡度泥石流沖淤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別對(duì)區(qū)組因素（距水槽出口位置）和實(shí)驗(yàn)因素（水槽坡度）進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，得出兩個(gè)因素各水平對(duì)應(yīng)的正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果p值均大于0.05，故可以認(rèn)為該定量資料滿足正態(tài)性要求。運(yùn)用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)因素（水槽坡度）進(jìn)行單因子方差分析，得出p=1.2331e-8＜0.02,說明實(shí)驗(yàn)因素（水槽坡度）對(duì)觀測(cè)指標(biāo)的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由圖3和圖4和計(jì)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(tài)到?jīng)_刷狀態(tài)。通過對(duì)不同坡度沖淤平均值的多項(xiàng)式擬合分析，可得到泥石流沖淤深度（H）與坡度大小（θ）的關(guān)系為。

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

上述針對(duì)粘性泥石流溝道淤泥厚度的預(yù)測(cè)公式使用范圍為：淤積長(zhǎng)度3m以內(nèi)，寬度0.2m的順直溝道內(nèi)，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(duì)沖淤和泥石流容重的關(guān)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(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案表：

分別對(duì)區(qū)組因素（距水槽出口位置）和實(shí)驗(yàn)因素（泥石流容重）進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，得出兩個(gè)因素各水平對(duì)應(yīng)的正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果p值均大于0.05，故可以認(rèn)為該定量資料滿足正態(tài)性要求。運(yùn)用matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)因素（泥石流容重）進(jìn)行單因子方差分析，得出p=0.0006＜0.02,說明實(shí)驗(yàn)因素（水槽坡度）對(duì)觀測(cè)指標(biāo)的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 不同沖料容重泥石流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 不同泥石流容重下泥石流沖淤規(guī)律

圖6 不同容重下泥石流沖淤箱式圖

由和計(jì)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(jīng)過過渡性流、粘性陣性留、粘性連續(xù)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(qiáng)度有兩個(gè)高峰，即稀性流和粘性連續(xù)流。由實(shí)驗(yàn)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(gè)重要原因。

4 相關(guān)結(jié)論

1)粘性泥石流淤積厚度跟泥石流水槽坡度的大小關(guān)系具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)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(guān)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(guān)性，流速是影響粘性泥石流沖淤的一個(gè)關(guān)鍵因素。

[1]杜榕桓、李鴻璉、唐邦興、章書成 .三十年來的中國(guó)泥石流研究[J]。自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1995-4（1）

[2]崔鵬等.中國(guó)西部泥石流及其減災(zāi)對(duì)策[J].第四紀(jì)研究，2003,23（2）

[3]游勇，程尊蘭.粘性泥石流陣性運(yùn)動(dòng)對(duì)溝床沖淤演變的影響——以云南蔣家溝為例[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2005,25（2）：146-151.

[4]趙彥波等，粘性泥石流溝床沖刷深度實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2012,43（2）：92-97.