王道正，陳曉清，趙萬玉，左林勇

在野外對泥石流進行調查時發(fā)現(xiàn)，由于火災、地震、滑坡等因素使得大量樹木枝干散落在泥石流形成區(qū)或者廣大林區(qū)，當發(fā)生山洪或泥石流時，會伴隨泥石流傾斜而出，這些漂木往往沖擊破壞力很大，使得含有大量漂木的山洪泥石流造成更嚴重的災害和損失。這些漂木可以堵塞攔砂壩溢流口，形成致密的堆積體，導致泥石流過流不暢發(fā)生回淤，嚴重影響攔砂壩的防災減災效果，還會在橋墩處發(fā)生堵塞淤積，對橋體以及道路造成沖擊破壞［1-3］。

在2010年8月14號發(fā)生的清平鄉(xiāng)泥石流以及2013年汶川災區(qū)的特大泥石流中，就有大量漂木伴隨泥石流傾瀉而出，給當?shù)氐慕ㄖ锖途用竦呢敭a(chǎn)安全造成嚴重損失［4-5］;因此，漂木在泥石流中的輸移特征和其致災性越來越被各國所重視。研究者們通過數(shù)值模擬和模型試驗對漂木在清水中的輸移特征進行了相關研究，并提出相關經(jīng)驗性公式以及防治措施［6-7］。一些研究發(fā)現(xiàn)，漂木在山區(qū)河流和溝道中的輸移和沉積特征與河流水力特征有一定關系，并且由于漂木的密度一般都小于水的密度，漂木在清水中主要以漂浮的形式運動且漂木在不同溝道特征中的輸移特征有很大差異［8］。漂木長度相對于溝道寬度的大小是衡量漂木運動的一個重要因素，直接影響著漂木和溝道之間的相互作用，以及漂木輸移時間和距離。針對漂木在河道中的運動規(guī)律以及堆積分布研究表明，漂木在相對較寬溝道中運移的距離比在較小溝道中運移的長，并初步認為漂木長度、河道寬度、河道地形等可作為研究漂木在河道中輸移規(guī)律的基本影響變量［9-10］。除了上述研究以外，漂木密度、水流深度、溝道比降及粗糙度都對漂木的輸移有直接影響，比如以針葉樹和闊葉樹在水中的輸移特征不同，其在縱橫方向上輸移的擴散系數(shù)有很大差異，這一點在模型試驗和數(shù)值模擬中的結果也非常吻合［11］。Christian 等［12］也通過水槽試驗研究漂木在河流中的動力特征，初步分析了漂木和流體相互之間的作用以及在流體中受力狀態(tài)，總結出漂木沉積堵塞的3種模式:未堵塞、半堵塞和全堵塞，以及輸移的3種類型:旋轉流動、滑移流動和漂浮流動，并且以水木流量比、漂木長度、漂木直徑等變量分析漂木堵塞率的影響因素和沉積模式。Langbein等［13］研究漂木沉積運輸機制與溝床形態(tài)的關系，初步提出如何運用漂木動態(tài)特征和沉積特征來推判其在溝道中的輸移過程。Grant［14］提出3種方程式可以用來分析不同密度的漂木在水中的穩(wěn)定性以及與水之間的力學平衡，但方程僅僅考慮了一部分作用在漂木上的力，使用性有很大的局限性;Bilby等［15］認為如果水流作用在漂木上的力足以克服漂木與溝床的摩擦力，漂木會比水流表面速度更大，然而，漂木長度相對于溝道寬度的大小是衡量漂木運動的一個重要因素，它直接影響著漂木和溝道之間的相互作用，此外，溝道的粗糙程度也可以影響漂木的運動，最后總結出漂木尺寸、漂木進入河流的概率以及溝道的幾何特征是影響漂木動力特征的重要因素;Iseya等［16］以泥沙沉積理論為出發(fā)點發(fā)現(xiàn)泥沙沉積與顆粒之間的相互碰撞有很大的關系，顆粒之間碰撞越厲害，沉積就會越厲害，并提出運動波理論來解釋所提出的現(xiàn)象。雖然并沒有直接的證據(jù)證明運動波理論在漂木輸移上的適用性，但可以用此去解釋漂木輸移機制的變化。漂木作為一種大塊石(長徑比較大)針對其減災措施也有一定的研究，針對其攔截和堵塞特征主要考慮漂木尺寸以及攔擋結構類型及開口尺寸等因素，并通過模型試驗以及數(shù)值模擬進行驗證，研究表明縫隙壩、網(wǎng)格壩等都對漂木有一定的攔擋作用，針對漂木致災特征起到了一定的防災減災效果［17］。然而針對漂木的致災特性，以上研究雖然從不同影響因素探討了漂木在水流中的輸移特征以及堵塞規(guī)律;但僅僅考慮漂木在清水中的輸移特征以及攔擋結構對其捕獲的過程和效果，并沒有過多的考慮漂木與水流之間的相互作用。隨著泥石流中攜帶漂木現(xiàn)象越來越嚴重，對漂木在泥石流中的輸移特征研究也至關重要，并且在野外考察中發(fā)現(xiàn)漂木在狹窄溝道或者溝道突然變窄地段被攔截和堵塞的現(xiàn)象越來越多。此類情況漂木極易堵塞溝道形成臨時的不穩(wěn)定的堆積壩，導致后續(xù)泥石流淤積。當上游淤積到一定程度后，在后續(xù)泥石流的沖擊作用下，漂木堆積壩突然潰決，流量瞬間增大，形成更大規(guī)模的泥石流，使泥石流的沖擊破壞能力進一步增強，造成嚴重的次生災害，而針對其類型的相關研究成果鮮有報道。本文主要以漂木在泥石流的輸移特征為出發(fā)點，針對不同參數(shù)的漂木在不同性質的泥石流中的輸移特征以及在溝道突縮處的堵塞類型及堵塞規(guī)律進行相關探討，為評估漂木泥石流的致災性以及對其防災減災對策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本次試驗在中國科學院東川泥石流野外觀測站實施，模型試驗水槽裝置選為矩形斷面，試驗裝置模型主要有水槽模型、溝道突縮模型、料斗以及尾料池等，試驗水槽長11.0 m，寬0.4 m，高0.4 m，料斗體積為0.75 m3;尾料池長1.4 m，高1.0 m，寬1.2 m(圖1)。攝像機1記錄漂木剛剛進入水槽時的運動特征;攝像機2記錄漂木運動一段距離后的輸移特征;攝像機3記錄浮標運動以便獲取流速，泥位計記錄泥石流過流斷面泥深。

圖1 試驗裝置三維示意圖Fig．1 Three-dimensional schematic diagram of the experiment device

發(fā)生漂木堵潰的條件是當漂木在溝道突然收縮處被短暫攔截后又被后續(xù)泥石流帶走，為了達到漂木在輸移過程中的短暫堵潰，本試驗構建了一個溝道突縮模型，使溝道過流寬度變小，能夠提升攔截漂木并發(fā)生堵潰的可能，模型寬度為0.40 m，模型兩側分別有寬10 cm的實體充當溝道兩側的障礙物，過流寬度為20 cm，高30 cm，模型安置在距離水槽尾部1.5 m處。

圖2 溝道突縮模型Fig．2 Channel shrinkage model

1.2 試驗工況設計

本次試驗地點為中國科學院東川泥石流觀測研究站，試驗原料為東川蔣家溝泥石流溝道原始堆積物，其泥石流原樣代表性強，采取土樣粒徑＜3.5 mm，原料顆粒級配曲線如圖4所示。本次試驗主要模擬漂木在泥石流中輸移過程中遇到溝道突縮處堵塞特征，所以對漂木的設計是本次試驗的關鍵。在對漂木進行野外調查時發(fā)現(xiàn)，漂木的形狀、尺寸相對復雜，有單純的主枝干、有帶根系或者分枝等較為復雜的漂木，但基本形狀為長條形圓柱狀。在西藏等地的泥石流溝道進行調查時也發(fā)現(xiàn)漂木的尺寸大約在1～4 m，有的甚至達到近9 m，直徑大多在10～40 cm范圍內(圖3)。根據(jù)西藏易貢鄉(xiāng)茶場二隊溝、古鄉(xiāng)溝、赤擔隆巴溝等泥石流溝中的泥石流漂木調查，為了盡可能地使試驗具有代表性，本次試驗設置漂木直徑為8 mm，長度分別為10、15、20、25 cm 以及混長條件，在混長條件下，取其4個長度的算術平均值17.5 cm，漂木密度為0.81 g/cm3(圖5)，根據(jù)以上3個溝道平均溝床比降，本次試驗取水槽縱坡降為15%。本次試驗記漂木長度與溝道突縮處過流寬度比為漂木相對長度比H=L/B，主要選用不同泥石流容重γd、漂木尺寸(L)、漂木數(shù)量(N)影響因素來設計試驗方案，具體試驗參數(shù)設定值見表1。

圖3 西藏溝道中堆積和停積的漂木Fig．3 Accumulation of driftwood in the Tibetan channels

圖4 試驗物料級配曲線Fig．4 Particle-size distribution of the experiment material

圖5 試驗漂木模型Fig．5 Experimental driftwood model

表1 試驗參數(shù)擬定初始值Tab．1 Initial values of experimental parameters

1.3 試驗步驟

試驗每種工況的試驗步驟為:

1)模型準備:將水槽模型、料斗、尾料池等按照要求組裝好，調節(jié)好試驗所需坡度，并篩好物料以及安裝好試驗設備;

2)物料配置:根據(jù)所要求的物料以及所設計的容重，按照一定的土樣和水的比例配好所需泥石流樣品，并將物料裝入料斗中，攪拌均勻;

3)開始試驗:打開料斗閥門，為保證每次出料的流量相同，打開閥門的大小該一致，在流體流動過程中按照一定的速度向流體中撒入漂木和乒乓球，同時攝像機記錄漂木輸移過程，泥位計記錄泥深。由于本試驗主要探討漂木在泥石流流通區(qū)的輸移規(guī)律，為保證漂木進入泥石流時的隨機性，本次試驗在放入漂木時保持用15 s的時間(事先把漂木等量分開，一組試驗中每秒撒入的漂木數(shù)量一致)均勻的把漂木撒入泥石流中，放入位置在泥石流出口下游20 cm處，進入泥石流初始狀態(tài)隨即，沒有固定的方位。

4)改變泥石流容重、漂木數(shù)量和漂木尺寸，重復上述過程;

5)試驗結束后，記錄相關試驗數(shù)據(jù)，以做分析。

2 結果與分析

2.1 漂木輸移特征

通過試驗現(xiàn)象分析可以發(fā)現(xiàn)，漂木在泥石流流體表面向下游運動過程中會發(fā)生旋轉使其長軸方向趨于平行于上游泥石流流向，而這一現(xiàn)象中當漂木越靠近水槽邊緣時現(xiàn)象越為明顯(圖6)。

圖6 漂木在泥石流流體表面中輸移特征Fig．6 Movement characteristics of driftwood in the surface of debris flow

發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因與表面流體速度分布有很大的關系。在泥石流運動過程中，由于水槽兩邊壁的摩擦作用，流體在運動過程中某一橫斷面的表面流速成弧形分布，即中間流體表面流速較大，越靠近水槽邊緣流速越小。當漂木進入泥石流中后，由于漂木上游端流場中流速比下游端流場流速小;所以漂木兩端所受泥石流的沖擊力不同，一端的移動速度比另一端的要快，漂木發(fā)生長軸方向趨于平行于泥石流流向的方向旋轉。

在本次試驗工況下，上述現(xiàn)象會隨著泥石流容重的減小而越明顯，根據(jù)試驗過程在3種泥石流中每種提取3組試驗，測量漂木在泥石流中溝道突縮處上游1.5 m處的輸移方位角(長軸方向與泥石流主流方向夾角)，并根據(jù)方位角的所占比例做成玫瑰花圖(圖7)。

從圖中可以看出，這一現(xiàn)象隨著泥石流容重的減小而越明顯，這是由于不同容重下泥石流表面流速不同導致的。假設漂木轉動過程中以重心點的z軸為轉動軸，根據(jù)定軸轉動定律:當漂木繞定軸z轉動時，漂木對該軸的轉動慣量和角加速度的乘積等于作用在漂木上所有外力對該軸力矩的代數(shù)和，即

式中:Mz為合外力矩，N·m;Mz=∑nFnτrn，n 為外力的個數(shù)，F(xiàn)nτ為某一外力，N;rn外力 Fnτ對軸的力臂，m;Jz為漂木對轉動軸的轉動慣量，kg·m2;α為漂木轉動角加速度，式中:ω 為角速度，rad/s;t為時間，s。

當漂木轉動時，其上游端和下游端的表面流場不同，在試驗中發(fā)現(xiàn)，容重不同，在水槽某一橫斷面上的表面流速分布曲線的斜率(d ui/d y)不同，容重增加，橫斷面表面流速分布曲線的斜率減小。即

圖7 漂木方位角比例玫瑰花圖Fig．7 Rose diagram of the driftwood azimuth ratio

所以，流體作用在漂木兩端的作用力之差ΔFs＞ΔFd，其兩端所受外力力矩之差 ΔMs＞ΔMd，由于對于同一漂木其在轉動過程中轉動慣量是一定的，根據(jù)式(1)可得，漂木轉動角加速度αs＞αd，在本次試驗條件下，漂木運動的距離近7 m，雖然沒有足夠的時間達到穩(wěn)定段，但漂木在運動到溝道突縮處前1.5 m時，容重較低的泥石流中漂木的方位角更趨近平行于主流方向。

2.2 漂木在溝道中攔截特征

通過試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，不同工況下會有不同數(shù)量的漂木被攔截下來，其攔截的可能性與漂木長度和數(shù)量以及泥石流容重有一定的關系，由試驗現(xiàn)象可知，漂木被攔截主要有以下3種類型。

1)關鍵漂木橫向攔截(搭橋型):這種類型是由于1根或者幾根關鍵漂木(key wood)在溝道突縮處被橫向攔截，橫跨溝道突縮處，進而攔擋住后續(xù)漂木發(fā)生堆積形成堵塞。這種類型主要發(fā)生在漂木長度大于溝道突縮處過流通道寬度情況下，一旦堆積形成穩(wěn)定性較高，不容易被后續(xù)泥石流沖潰(圖8a)。

2)交錯咬合型:由于多根漂木同時到達溝道突縮處(漂木成群式輸移情況下居多)，漂木之間相互咬合形成堵塞體。這種類型的穩(wěn)定性不高，在形成臨時堵塞后容易被泥石流沖潰，有時也會形成穩(wěn)定的堵塞體，主要發(fā)生在漂木長度大于或等于過流寬度的情況，且漂木數(shù)量較多。本次試驗主要發(fā)生在漂木量在180和240根情況下(圖8b)。

3)盲區(qū)停積:由于溝道突縮上游有一定的盲區(qū)，即死水區(qū)，漂木在輸移過程中如果被死水區(qū)攔擋會發(fā)生堆積，但對過流通道并沒有太大的影響。這種類型情況下的堆積漂木重心點如果在死水區(qū)以外，很容易被泥石流帶走，所以漂木重心點必須在死水區(qū)以內才有被攔擋的可能。盲區(qū)攔擋主要是漂木較短(漂木長度為10 cm)時被障礙物所完全攔擋(圖8c)。

為了定量分析漂木在溝道突縮處堆積程度，定義漂木攔截率P表征漂木的攔截情況以及堆積情況:

式中:P為漂木攔截率;n為試驗結束后漂木攔截數(shù)量;N為漂木總數(shù)量。

1)不同泥石流容重下漂木攔截率隨漂木數(shù)量的變化規(guī)律。

圖8 漂木攔截示意圖Fig．8 Intercept diagram of driftwood

由圖9可知，在本次實驗條件下，漂木攔截率隨漂木數(shù)量的增加而增加，在本次試驗條件下，當N≤120時，漂木攔截率P＜10%，說明漂木多數(shù)能通過溝道突縮處，被攔截數(shù)量較少，漂木的長度對其基本沒有影響。只有少數(shù)的漂木攔截，但不同長度的漂木在輸移過程中均較為分散，單根輸移較多，在泥石流表面運動過程中，所占有效面積較小，同時到達溝道突縮處的數(shù)量較少，攔截率基本與漂木長度無關;N＞120時，隨著漂木數(shù)量的增大，多根漂木同時到達溝道突縮處的概率增大，漂木攔截率增大。隨著漂木數(shù)量的增加，有一定量的漂木被障礙物所攔截。漂木此時會形成堵塞堆積，使得此處的過流能力降低，增大了后續(xù)漂木被堵塞的概率。漂木開始在此處堆積，堆積體尾部會形成反陡坎，上游泥石流在此處遇阻，形成“水躍”現(xiàn)象，能量衰減，阻礙了泥漿的過流，使得泥石流中的塊石等沉積，并開始回淤，上游泥位增高，泥石流中的顆粒沉積并填充堆積體孔隙，降低其孔隙度，形成了較為嚴密的堆積體，嚴重阻礙了泥石流的過流能力和輸移能力，對漂木的過流有一定的阻礙作用，所以攔截率增加。

圖9 漂木量對漂木攔截率的影響規(guī)律Fig．9 Influence of driftwood amount on driftwood intercept rate

2)不同泥石流容重下漂木攔截率隨漂木長度的變化規(guī)律。

對試驗結果分析發(fā)現(xiàn)，漂木總體上隨著漂木長度的增大而增大，其中，在L/B≤0.75時，漂木的攔截率均小于10%，漂木被攔截的類型均為盲區(qū)停積型。這是因為此時漂木尺寸較短，大多數(shù)漂木能順利地通過溝道突縮區(qū)，少數(shù)被盲區(qū)攔截后停積，0.75＜L/B≤1時，受過流寬度以及漂木尺寸的影響，漂木會發(fā)生堵塞，在一定程度上影響泥石流輸流能力，從而導致漂木被攔截概率增大。此時雖有一定的堵潰現(xiàn)象，但相對較弱，攔截的漂木有時只會一部分被堵潰帶走，后續(xù)漂木又被陸續(xù)攔截，攔截率增大。此時攔截類型主要為咬合攔截型，但在L/B=1時，其攔截率有下降的趨勢。這是因為在此時漂木發(fā)生堵潰現(xiàn)象較為明顯，漂木發(fā)生堵塞時，由于受尺寸和數(shù)量的影響，堆積形態(tài)主要通過漂木之間的咬合維持堵塞體的穩(wěn)定，穩(wěn)定性不高，回淤到一定程度就會由于靜水壓力以及后續(xù)泥石流的沖擊力而失穩(wěn)潰決，前期被攔截的漂木由于堵潰現(xiàn)象被泥石流帶走，被攔截下來的漂木主要為后續(xù)泥石流所攜帶的部分漂木，所以攔截率相對0.75＜L/B≤1時有所減小;L/B＞1時，漂木尺寸較大，攔截時主要為橫向攔截，漂木與漂木之間的作用力增加，穩(wěn)定性增高，漂木堵潰現(xiàn)象減弱，漂木輸移能力降低，容易被攔截，攔截率又逐漸增高。

漂木“尺寸效應”:由圖10可見，攔截率隨著漂木長度的增大而增大(正比時擬合相關系數(shù)高)，其中由于尺寸效應，當漂木長度小于某一長度時，并沒有隨著長度的增大而增大。當大于某一長度時，才會隨著漂木的長度逐漸增大。當N≤120時，漂木攔截率＜15%，說明此時漂木大多數(shù)能過通過溝道突縮處，被攔截數(shù)量較少，漂木長度對其基本沒有影響;在L/B≤0.75時，漂木的攔截率均小于10%且并沒有隨著數(shù)量的增多而發(fā)生明顯變化，說明此時漂木數(shù)量對其基本沒有影響，所以當漂木數(shù)量或者長度小于某個值時，攔截率不與其他某個變量成正相關。

圖10 漂木長度對漂木攔截率的影響規(guī)律Fig．10 Effect of driftwood length on driftwood intercept rate

3種泥石流下漂木的平均攔截率(算術平均攔截率:所有工況下的攔截率之和/工況數(shù))分別為9.4%、11.5%、12.3%，說明漂木隨著泥石流容重的增加攔截率也隨著增大。由漂木方位角玫瑰花圖可知，隨著泥石流容重的增大，漂木在輸移過程中達到溝道突縮處上游1.5 m時，其長軸方向與主流方向的夾角較大，所以被攔截概率增加。

根據(jù)泥石流容重γd、漂木相對長度比H以及漂木數(shù)量N所影響漂木攔截率的大小，繪制出3種因素下對漂木攔截率的影響程度關系。圖11中:N為漂木數(shù)量，N1、N2、N3、N4分別代表漂木數(shù)量 60、120、180、240;H為漂木相對長度，即漂木長度與溝道突縮處過流寬度的比值。H1、H2、H3、H4、H5分別代表10/20、15/20、17.5/20、20/20、25/20。

圖11 3種因素影響漂木平均攔截率Fig．11 Three factors affecting the average intercept rate of driftwood

由圖11可見，在不同數(shù)量和不同長度工況下的漂木平均攔截率，每個工況下平均攔截率相差較大，說明漂木數(shù)量和長度對漂木攔截率影響較大，而3種泥石流容重下的平均攔截率相差不多;所以在本次試驗條件下，可以看出漂木數(shù)量和漂木長度很有可能是影響攔截率的主要因素。這里的結論是在本次試驗條件下得出的，通過試驗結果得出的攔截率與泥石流容重相關性較小，根據(jù)謝湘平等［18］對漂木在水石流中攔截率的研究，漂木長度和漂木量對攔截率影響較大，與本試驗結論較為一致。

3 結論與討論

1)漂木在泥石流流體表面向下游運動過程中由于兩端受力不均勻會發(fā)生旋轉使其長軸方向趨于平行于上游泥石流流向，這一現(xiàn)象當泥石流容重變小時越明顯。

2)漂木尺寸對漂木攔截率有一定的影響，在L/B≤0.75時，對漂木攔截率影響較小，漂木被攔截的類型均為盲區(qū)攔截型，0.75＜L/B≤1時，漂木攔截率增大;但是在L/B=1時由于發(fā)生堵潰現(xiàn)象攔截率下降，隨后漂木堵潰現(xiàn)象減弱，攔截率又逐漸增高，此時攔截類型主要為橫向攔截型。

3)漂木量對漂木攔截率也有較大影響，在總體上，漂木攔截率隨著漂木數(shù)量的增加而增加。當N≤120時，被攔截數(shù)量較少，漂木的長度對其基本沒有影響;N＞120時，隨著漂木數(shù)量的增大，多根漂木同時到達溝道突縮處的概率增大，漂木攔截率增大。

前者針對漂木在河流中的堵塞進行了一定的相關研究，但針對漂木在泥石流中的研究卻很少。筆者通過試驗初步討論了漂木在泥石流中的輸移以及在溝道突縮處的堵塞規(guī)律，但是并沒有考慮漂木在泥石流輸移過程中與泥石流顆粒以及漂木之間碰撞問題，在分析過程中較為理想化;所以針對漂木的研究還有很多需要完善和探討的地方。泥石流中漂木的輸移往往是一個很復雜的過程，后續(xù)要針對漂木模型進行優(yōu)化處理，針對模擬實際漂木特征(如帶根系和分枝)進一步深入的分析和更多的試驗進行綜合探討。

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