謝湘平 王小軍 屈 新 劉世明 付 裕

(安陽工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院， 安陽 455000， 中國)

0 引 言

近年來，山洪泥石流災(zāi)害愈加頻繁，山洪泥石流中攜帶漂木的現(xiàn)象時有發(fā)生，如1999年委內(nèi)瑞拉泥石流(韋方強等， 2000)，云南德宏2004年7月5日特大滑坡泥石流(高克昌等， 2005)， 2013年7月四川汶川多地發(fā)生的泥石流(圖1)。在植被良好的風(fēng)景區(qū)，山洪泥石流中都以攜帶大量漂木為其顯著特點(王士革等， 2001； 陳曉清等， 2006； 崔鵬等， 2007)。在林火燃燒地區(qū)，林火燃燒形成的枯木在水土流失、溝岸侵蝕等作用下也成為火后泥石流搬運的重要碎屑物(胡卸文等， 2018； 王嚴等， 2019)； 川藏鐵路沿線的泥石流災(zāi)害中漂木也越來越受到關(guān)注(薛翊國等， 2020)。山洪泥石流中攜帶的大量漂木會產(chǎn)生一系列的災(zāi)害效應(yīng)，包括堵塞橋梁、涵洞等過水?dāng)嗝?，造成水位升高、靜水壓力增大、洪水泛濫(Rimb?ck et al.，2002; Schmocker et al.，2013; Hartlieb，2017; Schalko et al.，2018，2019; Okamoto et al.，2020)； 堆積在溝道中攔截泥沙形成不穩(wěn)定堆積體，在后續(xù)流體作用下潰決后形成更大流量的洪峰，從而放大災(zāi)害效應(yīng)(Comiti et al.，2008; Hasegawa et al.，2010; 黃勛等， 2017； Galia et al.，2018)。大量漂木在溝道彎道、淺灘、障礙物處堆積，堆積體周圍水流紊流增加，加重了對溝岸、溝床以及障礙物(特別是橋墩)周圍泥沙的侵蝕作用(Melville et al.，1992; Meleason et al.，2005; Pagliara et al.，2011; Schmocker et al.，2011; Schalko et al.，2019)。被高速運動的山洪、泥石流搬運的漂木，也具有較大的運動速度，對建構(gòu)筑物造成一定的沖擊損壞(Haehnel et al.，2004; Ikeno et al.，2015; Kaida et al.，2017)。

圖1 2013年7月四川汶川縣多地泥石流中存在的大量漂木(作者攝)Fig.1 Driftwood transported by debris flow in Wen Chuan County， July， 2013.(photographed by the author)a.2013年7月汶川縣草坡鄉(xiāng)泥石流； b.2013年7月汶川縣七盤溝泥石流

陳曉清等(2006)首先提出了在風(fēng)景區(qū)泥石流防治工程中需考慮漂木的影響，可采用縫隙壩攔截漂木。實驗研究表明，縫隙壩對漂木的確具有較好的攔截效果，漂木攔截率平均可達66%，最大可達98%(韓文兵,2008)。實體重力壩同樣可以攔截漂木，漂木在實體重力壩溢流口處可形成不同的堵塞堆積體(謝湘平等，2014)； 鋼管格子壩相比實體重力壩及縫隙壩，對漂木的攔截效果最好(黃輝凱，2015)，除此之外，最近新提出的魚脊型水石分離結(jié)構(gòu)對漂木也具有較好的分離效果(謝湘平等，2016， 2017)。上述研究主要針對不同泥石流攔砂壩對漂木的攔截效果進行了實驗研究，但沒有深入分析漂木的存在對現(xiàn)有泥石流攔砂壩泥沙調(diào)控效果的影響。

因此，本文以縫隙壩為研究對象開展模擬實驗，較詳細地探討了漂木存在條件下縫隙壩對泥沙及漂木的調(diào)控效果，分析不同漂木因素對縫隙壩泥沙調(diào)控效果的影響，明確漂木的作用，為泥石流防治工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗方案

本實驗以 Doi et al.(2000)對日本4個小流域的調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為主要參考依據(jù)。泥石流流域面積為0.42～3.7 km2，漂木量為60～1099 m3，數(shù)量400～2700根，最大漂木長度為7～20 m，平均長3～12 m，流量為 20～45 m3·s-1。依據(jù)重力相似準則，選擇長度比尺λL為 1︰50，計算得出流量比尺λQ=λL2.5=1︰17i678，體積比尺λV=λL3.0=1︰125i000。通過換算后得到模型實驗相關(guān)參數(shù)范圍為：漂木量480～8792 cm3，最大漂木模型長度14～40 cm，平均長6～24 cm，流量0.0113～0.0254 m3·s-1，即1.13～2.54 L·s-1。據(jù)此，本實驗采用一小型水槽如圖2所示。水槽長300 cm、寬20 cm、高30 cm，坡度可調(diào)，本實驗中設(shè)定坡度10.8°，在水槽尾部放置縫隙壩模型?？p隙壩由木材制成，縫隙開口寬度b=5.0，縫隙開口位于壩體中部。本實驗以漂木長度級配及漂木量為控制因素，具體原因如下：

圖2 實驗水槽裝置示意圖及實物Fig.2 The sketch and the picture of the experimental flume

1.1 漂木長度級配

謝湘平等(2014)研究表明，漂木在攔砂壩溢流口處形成漂木堵塞體分為大量漂木交錯咬合型、關(guān)鍵漂木攔擋型兩種類型，但其研究中每次試驗采用的漂木模型為單一組分組成，而自然界中則是多種漂木組分同時存在。因此，本文試驗將采用不同長度的漂木混合體，進一步探討不同條件下漂木在縫隙壩開口處堵塞堆積狀態(tài)。其次，漂木在溝道中的運動堆積狀態(tài)受漂木長度的影響較大，長漂木比短漂木的運動距離短，更容易堆積，尤其是漂木長度與溝道寬度之比大于0.5時，容易形成大量漂木聚集的狀態(tài)運動(Lienkaemper et al.，1987; Braudrick et al.，2001; Bocchiola et al.，2006)。而當(dāng)漂木長度與溝道寬度大于1.0時，在溝道斷面形成堵塞體的機率顯著增大。因此，根據(jù)水槽寬度與縫隙壩開口寬度，本實驗采用長度分別為8 cm、4.5 cm和3.5 cm的3種漂木模型，漂木長度與溝道寬度的比值分別為0.4、0.225和0.175，以確保所有漂木均能較順利運動到縫隙壩處而不至于在溝道中堆積； 漂木長度與攔砂壩開口寬度的比值L/b分別為1.6、0.9和0.7(下文將L/b=1.6的漂木簡稱為長漂木)，以便探討漂木混合體條件下不同漂木長度對漂木堵塞體形成的影響。

1.2 長漂木量

泥石流中攜帶的漂木量對攔砂壩的調(diào)控效果也有一定影響。謝湘平等(2014)研究表明，隨著漂木含量越大，重力攔砂壩溢流口處的漂木堵塞率與攔截率總體呈增大趨勢。韓文兵(2008)試驗研究也表明，隨著漂木量的增大，縫隙壩處泥沙流出率減小，但已有研究均采用的單一組分漂木。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，探討不同組分組成的漂木混合體含量對漂木堵塞堆積及泥沙調(diào)控的影響，特別是長漂木含量的影響。值得說明的是，漂木量既可以采用數(shù)量表達，也可采用體積表達，為了更好與泥沙體積進行對比，國內(nèi)外研究中多采用體積來表達。本實驗為了更好探討長漂木量的影響，以長漂木的體積摻入比λ作為變量，改變各組分的含量，但保持漂木混合體總體積不變，均為246.2 cm3。各組分具體摻量見表1所示。實驗工況以各組分漂木數(shù)量及摻入比命名，如80-0-0-1.0，即表示長度為8.0 cm、4.5 cm、3.5 cm的漂木數(shù)量分別為80、0、0，長漂木摻入比為1.0。

表1 不同漂木組合方案Table1 Combinations of different driftwood used in the tests

實驗中采用1～20 mm的泥沙顆粒，質(zhì)量為13 kg，體積約為4905.7 cm3。據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，流域內(nèi)漂木量與泥沙量的比值約為0.001～0.1(Sediment Control Division， 2000)，本實驗中漂木總體積與泥沙體積比值約為0.05，滿足上述要求。實驗時將泥沙攤鋪于水槽中部，并將設(shè)計所用的漂木混合體均勻攤鋪于泥沙表面，開啟閘門放水20 s，清水流量為1.92 L·s-1，清水沖刷泥沙及漂木混合體形成泥石流。測量泥石流體過壩前后的流量、泥沙量、攔截的漂木量及流出的漂木量等參數(shù)。每組工況重復(fù)3次實驗，在工況名后加“/X”(X代表1、2、3)來表明，如80-0-0-1.0/1表示工況為80-0-0-1.0的第1次實驗。

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 形成漂木堵塞體的界定

首先，對攜帶漂木的泥石流體的運動及堆積過程分析。在上游來流作用下，漂木先于泥沙啟動，運動過程中位于流體表面做滑動和滾動，并先于泥沙到達壩前。由于縫隙壩開口寬度較溝道寬度變窄，導(dǎo)致流體產(chǎn)生雍高現(xiàn)象，流體液面升高，使部分漂木完全漂浮于水中在縫隙壩上部形成不穩(wěn)定堵塞體或直接從上部流出(圖3)。若當(dāng)漂木到達壩前一開始就形成堵塞體，則攔截的后續(xù)泥沙擠壓與填充堵塞體，對堵塞體反過來有一定的保護作用，這部分漂木形成的堵塞體將穩(wěn)定存在，因有漂木的攔擋，后續(xù)流體對堆積體的侵蝕作用減弱，沒有形成明顯的侵蝕槽，反之，則會出現(xiàn)較明顯的侵蝕槽如圖4所示。除此之外， 33組實驗表現(xiàn)出的泥沙流出率如表2所示，從表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)泥沙流出率呈現(xiàn)兩個顯著不同的水平，一個水平范圍值為0.7%～6.6%，均值為2.9%； 另一范圍為25.2%～38.7%，均值為32.9%。

圖3 攜帶漂木的泥石流運動過程及堆積狀態(tài)(24-56-56-0.3/2)Fig.3 The transportation and deposition process of debris flow with driftwood(24-56-56-0.3/2)

圖4 有無漂木堵塞體時縫隙壩前泥沙堆積體形態(tài)Fig.4 Sediment deposition form before slit dam with or without driftwood blocka.無漂木堵塞體(48-32-32-0.6/2)； b.有漂木堵塞體(48-32-32-0.6/3)

根據(jù)壩前泥沙堆積形態(tài)是否形成侵蝕槽，并結(jié)合泥沙流出率的情況，判定每組實驗中漂木是否形成穩(wěn)定堵塞體，最終結(jié)果如表2所示。根據(jù)判定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次實驗中11組含漂木混合體工況共計33次實驗，形成堵塞體的次數(shù)為15次，形成堵塞體的概率約為50%，部分工況的漂木堵塞體形態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，最終形成的穩(wěn)定堵塞體中多存在長漂木橫檔在縫隙壩開口處，即堵塞體類型多為關(guān)鍵漂木攔擋型。

圖5 縫隙壩開口處漂木堵塞體形態(tài)Fig.5 Driftwood clog at the slit dam openings

表2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析Table2 Test results and analysis

進一步分析堵塞體的形成條件發(fā)現(xiàn)，堵塞體均出現(xiàn)在長漂木摻入率大于0的工況，當(dāng)攜帶的漂木完全由L/b<1的漂木組成時，雖然其漂木數(shù)量相對最多，但在實驗中并未形成堵塞體。然而值得一提的是，即使在長漂木摻入率為0.9的工況， 3次平行試驗均未形成漂木堵塞體，這說明L/b>1的長大漂木存在只是形成漂木堵塞體的必要條件； 其次，對于24-56-56-0.3/2的實驗，雖然僅攔截了3根長漂木，但橫擋于開口處的2根長漂木與粗顆粒泥沙相互作用，有效減小了泥沙過流斷面面積，對后續(xù)泥沙形成了有效的攔截，因此，仍然將其判定為形成了穩(wěn)定的漂木堵塞體。綜上所述，長漂木在形成穩(wěn)定的漂木堵塞體中起關(guān)鍵作用，但漂木堵塞體的形成條件和形成概率以及其他影響因素還有待進一步系統(tǒng)研究。

2.2 縫隙壩對泥沙及漂木的總體調(diào)控情況

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，未形成漂木堵塞體時的泥沙流出率為26.8%～41.4%，平均值為32.9%，略低于無漂木的對照組實驗的泥沙流出率平均值39.4%，這說明即使沒有形成漂木堵塞體，在泥石流到達壩體的最初時間內(nèi)，因漂木的存在擠占了一定的過流斷面，使得泥石流通過壩體的流體過流量減小，在同樣的時間內(nèi)排出的泥沙量就減小； 一旦形成穩(wěn)定的漂木堵塞體，則會嚴重擠占縫隙壩的過流通道，攔截后續(xù)泥沙，導(dǎo)致泥沙流出率顯著降低。

根據(jù)實驗統(tǒng)計的各組分漂木攔截數(shù)，分別計算漂木總攔截率及各組分漂木自身的攔截率，如表2和圖6所示。結(jié)果表明當(dāng)形成漂木堵塞體時，漂木總攔截率最大可達87.5%，最小為13.2%，均值為43.8%； 當(dāng)未形成漂木堵塞體時，幾乎所有的漂木全部被沖出，這是因為漂木在泥石流中多呈長軸平行流向運動于流體表面，在縫隙壩開口處過水?dāng)嗝孀冋?，流體深度加大、液面上升，漂木進一步漂浮于流體表面，更易受水流牽引力作用而通過縫隙壩開口。而所有工況下所有組次的試驗結(jié)果表明，L=8.0的長漂木最容易被攔截，最大攔截率達87.5%，攔截率平均達到26.3%；L=4.5 cm的漂木平均攔截率為13.8%，L=3.5 cm的漂木攔截率為10.3%，可以說明漂木越長，越容易被縫隙壩攔截。

圖6 不同工況下不同漂木組分的攔截率Fig.6 Retention rate of different driftwood compositions under different experiment condition

進一步分析漂木攔截率與泥沙流出率之間的關(guān)系，當(dāng)形成漂木堵塞體時，泥沙流出率隨著漂木攔截率的增大總體呈減小趨勢(圖7)，這與韓文兵(2008)的實驗數(shù)據(jù)反映的總體趨勢一致，即隨著漂木攔截率的增大，泥沙流出率逐漸減小(圖8)，且根據(jù)韓文兵實驗的大量數(shù)據(jù)，可以得到兩者呈較好的線性關(guān)系。

圖7 漂木攔截率與泥沙流出率的關(guān)系Fig.7 Relationship between the retention rate of driftwood and the outflow rate of sediment

然而，值得注意的是，本文實驗中泥沙流出率水平整體較低，即使是未形成漂木堵塞體的情況，泥沙流出率水平也低于韓文兵實驗中縫隙開口完全閉塞時的數(shù)據(jù)，約40%左右(圖8)。其原因可從兩個試驗的設(shè)置條件來分析，本文實驗與韓文兵(2008)實驗設(shè)置相關(guān)參數(shù)對比如表3所示，可以看出兩者在攔砂壩類型、漂木配置、泥沙規(guī)模等方面均存在較大差異。首先，多開口的縫隙壩開口密度較大，排泄能力更強； 其次，韓文兵模擬的洪水潰決型泥石流規(guī)模相對較大，當(dāng)縫隙壩體開口被漂木堵塞后(絕大多數(shù)情況下開口的閉塞度達到100%)(表4)，大量泥沙到達壩前越壩溢流排泄，因而泥沙流出率總體呈較高水平。而本文實驗?zāi)嗍髁髁枯^小，不存在溢流排泄的情況，所以形成的漂木穩(wěn)定堵塞體對泥沙的攔截效果顯著； 再次，可能還與實驗時漂木的擺放方式不同有關(guān)，韓文兵實驗是將漂木豎直插在泥沙中，本實驗是攤鋪于沙石表面，后者更有利于漂木的啟動并先于泥沙到達縫隙壩口，所以一旦形成漂木堵塞體后泥沙流出率的水平顯著降低。

圖8 漂木攔截率與泥沙流出率的關(guān)系(據(jù)韓文兵(2008)數(shù)據(jù)繪制)Fig.8 Relationship between the retention rate of driftwood and the outflow rate of sediment(based on the data in Han(2008))

表3 韓文兵(2008)縫隙壩攔截泥石流漂木混合體試驗方案相關(guān)參數(shù)與本實驗的對比Table3 Comparison about the experiment parameters between Han(2008) and this paper

表4 韓文兵(2008)實驗中不同工況下縫隙壩開口的閉塞度Table4 The block degree of slit dams under different conditions in Han(2008)

2.3 長漂木量對縫隙壩的泥沙與漂木調(diào)控效果的影響

將每組實驗的3次平行試驗結(jié)果按堵塞和非堵塞情況進行差別統(tǒng)計，得到漂木總攔截率、泥沙流出率與長漂木摻入比之間的關(guān)系分別如圖9、圖10所示。圖9表明在形成漂木堵塞體的情況下，漂木總攔截率隨著長漂木摻入比λ的增大而增大，而未形成漂木堵塞體時，漂木總攔截率很小且變化不大，也即表明長漂木含量的多少及其是否形成堵塞體對漂木的攔截率起至關(guān)重要作用。值得注意的是， 8-72-72-0.1/2 這一次實驗攔截了大量的漂木，各組分攔截率分別為75.0%、50%、51.4%，各組分漂木攔截率和漂木總攔截率均達到較高水平，由于實驗誤差導(dǎo)致的可能性不大，可能的原因在于漂木堵塞體形成的隨機性和概率性，一旦長漂木被攔截在縫隙處形成骨架，能有效減小縫隙開口處的過流斷面，促進了對后續(xù)短小漂木的攔截。反之，如果沒有長大漂木形成有效的阻攔，僅靠短小漂木很難在攔砂壩開口處形成穩(wěn)定的堵塞體。圖10表明，隨著長漂木摻入比的變化，在形成堵塞體情況下，泥沙流出率總體呈低位水平，但變化不明顯； 而在非堵塞情況下，泥沙流出率總體呈高位水平，但變化幅度不大，關(guān)系不明顯。這也進一步說明了是否形成穩(wěn)定的漂木堵塞體對泥沙攔截的效果顯著，而與長漂木量之間沒有直接關(guān)系。

圖9 不同工況下漂木總攔截率與長漂木摻入率之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between driftwood retention rate and the ratio of long driftwood under different conditions

圖10 不同工況下泥沙流出率與長漂木摻入率之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between sediment outflow rate and the ratio of long driftwood under different conditions

2.4 漂木長度對縫隙壩的泥沙與漂木調(diào)控效果的影響

圖11反映了在不同工況下縫隙壩對不同長度的漂木攔截情況，總體而言，隨著漂木長度L與攔砂壩開口寬b的比值L/b的增大，攔截率增大，這與韓文兵實驗結(jié)果總體趨勢相同(圖12)。值得說明的是，圖11反映的同一縫隙壩對漂木混合體中不同的漂木長度的攔截規(guī)律，而圖12反映的是不同開口的縫隙壩對不同長度的漂木的攔截效果，在截然不同的工況條件下得到了類似的結(jié)論，說明該結(jié)論具有普適性。這是因為隨著漂木長度的增大，其受到邊界條件的束縛作用越大，在碰到攔砂壩后更容易發(fā)生轉(zhuǎn)動被攔截。

圖11 部分工況下各組分漂木攔截率情況Fig.11 Driftwood retention rate of different compositions under different conditions

圖12 不同漂木長度情況下縫隙壩對泥沙與漂木的調(diào)控作用(據(jù)韓文兵(2008)中的數(shù)據(jù)繪制)Fig.12 The control effect of slit dam to sediment and driftwood under different cases of driftwood with various length(based on the data of the Han(2008))

其次，根據(jù)本文實驗結(jié)果，同樣工況下3次平行試驗所得的各組分漂木攔截率的變化幅度很大，如L/b=1.6的長漂木，漂木攔截率既可以達到66.8%(56-24-24-0.7/1)，也可能很低(56-24-24-0.7/3)； 從圖12也可以看出，當(dāng)L/b值相同或相近時，漂木攔截率相差很大，如L/b=1.14時，漂木攔截率為0，L/b=1.0時，漂木攔截率達到35.9%。這說明了縫隙壩對漂木攔截的概率性特征。

圖12還表明，當(dāng)L/b≤2時，隨著L/b的增大，泥沙攔截率顯著下降，呈線性變化； 當(dāng)L/b>2時，泥沙流出率變化不大，基本維持在40%左右。本文實驗結(jié)果則表明，當(dāng)漂木形成穩(wěn)定堵塞體時，泥沙流出率不到10%，平均值僅為2.9%，而未形成漂木堵塞體時，泥沙流出率平均值32.9%，原因在2.2節(jié)已述及。

3 結(jié) 論

本文開展了縫隙壩對含有漂木的泥石流體的調(diào)控效果實驗研究，得到如下結(jié)論：

(1)泥石流中攜帶漂木時，漂木多運動于流體表面且先于泥沙到達壩前，可根據(jù)壩前泥沙堆積形態(tài)及泥沙流出率等指標(biāo)來判定是否形成穩(wěn)定漂木堵塞體。沒有漂木及未形成穩(wěn)定漂木堵塞體時，壩前泥沙堆積體有明顯的侵蝕槽，反之則沒有。

(2)縫隙壩前形成的穩(wěn)定漂木堵塞體多為關(guān)鍵漂木攔擋型，即由L/b>1的長漂木橫擋于縫隙壩開口處形成有效阻擋，減小過水?dāng)嗝?，進而攔截后續(xù)漂木及泥沙。L/b>1的長大漂木的存在是形成穩(wěn)定漂木堵塞體的必要條件。

(3)未形成穩(wěn)定漂木堵塞體時，漂木的總攔截率很小且變化不大，泥沙流出率略低于無漂木情況； 當(dāng)形成穩(wěn)定的漂木堵塞體后，縫隙壩的泥沙流出率顯著減小，漂木總攔截率顯著增大，泥沙流出率隨著漂木攔截率的增高而減小，呈較好的線性關(guān)系； 各組分漂木的攔截率隨著L/b的增大而增大，即漂木越長，越容易被攔截。

(4)當(dāng)漂木體積一定時，隨著長漂木摻入比的增大，漂木攔截率增大，但對泥沙流出率影響不大。