董耀剛， 劉興榮， 馮樂濤， 王喜紅， 張麗娟

(甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所， 蘭州 730000)

泥石流災(zāi)害復(fù)雜、多變，導(dǎo)致其防治工程門類多樣[1-2]，如攔擋工程[3-4]包括攔砂壩、梳齒壩、谷坊壩、樁板墻和格賓石籠壩等。攔擋壩在泥石流防治中發(fā)揮著不可替代的優(yōu)勢，其作用突出、效果明顯，如攔擋泥沙、減緩泥石流沖擊力、拓寬溝床和抬高壩后基準(zhǔn)面等[5-6]。長期以來，攔擋壩是泥石流防治中最常見、最重要、也是最容易遭破壞的工程措施之一[7]。為了保障攔擋壩工程的安全運(yùn)行，延長其使用年限，設(shè)計(jì)人員不斷地優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)壩體透水性就是一項(xiàng)有效的攔粗排細(xì)的優(yōu)化措施。謝湘平等[8]、焦亮等[9]、謝濤等[10]、趙彥波等[11]研究表明，透水性攔擋壩形式多樣，常用的有縫隙壩、窗口壩、梳子壩等，并通過大量試驗(yàn)，獲得以上類型透水性攔擋壩對泥石流粒徑調(diào)節(jié)功能及攔粗排細(xì)效果的定量描述。陳紫云等[12]提出通過泄水設(shè)施的布設(shè)推動(dòng)泥石流的水石分離，達(dá)到水石分治的目的，更新了泥石流防治新思路。攔擋壩加設(shè)泄水涵洞也是透水性攔擋壩的一種，目前相關(guān)研究較少，主要從其攔蓄能力方面入手，例如，Zhou等[13]、賈世濤等[14]認(rèn)為泄水涵洞、泥石流容重及流速是影響壩后淤積的主要因素，隨著泥石流容重增大、開孔率減小，回淤坡度就越大，即攔擋壩的攔蓄量就越大；McArdell等[15]通過試驗(yàn)分析，推導(dǎo)出一套評估不同泄水涵洞、不同坡度和不同粒徑條件下攔擋壩攔蓄能力的計(jì)算方法。上述研究對泄水涵洞是否有利于調(diào)控泥石流力學(xué)特征、減輕泥石流對上下游攔擋壩自身破壞等性能研究還涉及較少。

由于泥石流在行進(jìn)中伴隨著復(fù)雜的水動(dòng)力過程，相應(yīng)的監(jiān)測手段有限，現(xiàn)場獲取泥石流相關(guān)作用參數(shù)十分困難，因此，選用具有良好控制條件和對照關(guān)系的物理模擬試驗(yàn)成為揭示泥石流攔擋壩動(dòng)力學(xué)機(jī)理的重要手段[13，16-18]?，F(xiàn)以泥石流通過3種類型攔擋壩的泥位、振動(dòng)加速度、體積含水率和孔隙水壓力等特征變化為研究對象，獲取前后攔擋壩相互保護(hù)和影響的各動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以此指導(dǎo)泥石流攔擋壩泄水涵洞的科學(xué)布設(shè)，為泥石流防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)土樣取自舟曲縣城關(guān)鎮(zhèn)三眼村三眼峪溝1號(hào)攔擋壩壩后約200 m處，地理坐標(biāo)104°22′41″E，33°48′5″N(圖1)。舟曲縣地處青藏高原東段，西秦嶺西翼和岷山山脈交匯地帶，地貌特征以高陡山體和深切溝谷為主，是中國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)之一。舟曲縣地處迭部-白龍江斷裂帶，該斷裂帶延伸長、規(guī)模大、裂隙發(fā)育，河谷下切侵蝕和風(fēng)化剝蝕劇烈[19-20]。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分活躍，表現(xiàn)為山地大幅隆升，流水急劇下切，形成典型的中高山溝谷地形[20]。地震活動(dòng)對舟曲縣泥石流的影響較大，如“5·12”地震給舟曲地表造成極大的損害，使得泥石流臨界降雨量明顯降低[21-22]。岀露地層由老至新依次為泥盆系、二迭系和第四系。泥盆系地層巖性由炭質(zhì)板巖、千枚巖和頁巖夾灰?guī)r等組成；二迭系地層巖性以砂質(zhì)灰?guī)r為主，該地層與下伏地層呈斷層接觸，表層節(jié)理裂隙發(fā)育較為嚴(yán)重；第四系地層巖性主要由上更新統(tǒng)沖洪積卵石土和馬蘭黃土、全新統(tǒng)重力堆積物、殘坡積物、泥石流堆積物、河流沉積物及溝道洪積物組成；以上泥盆系、二迭系地層結(jié)構(gòu)破碎，加上第四系地層較為松散，易受自然條件影響，給泥石流提供了充足的物質(zhì)條件。高陡的地貌類型、脆弱的地質(zhì)條件和豐富的物質(zhì)儲(chǔ)量，使得該區(qū)域成為泥石流的高發(fā)區(qū)之一。

圖1 取樣點(diǎn)位置Fig.1 Sampling point location map

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝備

試驗(yàn)在甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所滑坡泥石流試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)平臺(tái)主要由攪拌系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、流通區(qū)、堆積區(qū)、沉砂池和采集系統(tǒng)等組成。該試驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)化程度高，可獲取泥石流作用的多項(xiàng)力學(xué)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置見圖2。

試驗(yàn)共布設(shè)2道攔擋壩(1號(hào)、2號(hào))，自上游泥石流出口至320 cm處布設(shè)1號(hào)壩，在1號(hào)壩下游220 cm處布設(shè)2號(hào)壩，圍繞1號(hào)、2號(hào)攔擋壩布設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由孔隙水壓力傳感器、體積含水率傳感器、激光測距儀、振動(dòng)加速度傳感器、攝像機(jī)和采集箱組成。傳感器布設(shè)位置見圖3，主要參數(shù)和型號(hào)見表1。

振動(dòng)加速度傳感器共布設(shè)2組，緊鄰1號(hào)、2號(hào)攔擋壩布設(shè)，監(jiān)測攔擋壩在泥石流爆發(fā)前后所受的沖擊破壞變化；體積含水率和孔隙水壓力傳感器均布設(shè)2組，分別布設(shè)在295 cm和515 cm處，監(jiān)測泥石流遭受攔擋過程中的體積含水率和水壓力的變化特征；激光測距儀布設(shè)在1號(hào)、2號(hào)攔擋壩上部，監(jiān)測泥位的變化情況；高清攝像機(jī)布設(shè)3臺(tái)，分別位于1號(hào)和2號(hào)攔擋壩上部及試驗(yàn)平臺(tái)對面，保證試驗(yàn)全過程的高清拍攝。

圖2 儀器裝備Fig.2 Instruments and equipment

圖3 傳感器布置Fig.3 Sensor placement

表1 傳感器型號(hào)及布設(shè)位置Table 1 Sensor type and location

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 粒徑分析

按照試驗(yàn)儀器粒徑上限要求，將粒徑大于20 mm的土樣剔除。隨機(jī)選取2 kg試驗(yàn)土做粒徑級(jí)配分析，篩分結(jié)果見圖4，最大粒徑dmax= 20 mm，中值粒徑d50= 2.3 mm，土樣粒徑主要集中在2～20 mm，約占62.1%。

周必凡[23]提出試驗(yàn)土樣最大粒徑需滿足模擬槽寬度的1/5，即

n≥5dmax

(1)

式(1)中：n為試驗(yàn)槽寬度，n=0.5 m；dmax為土樣最大粒徑。

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)土樣粒徑滿足試驗(yàn)要求。

圖4 粒徑圖Fig.4 Particle size of figure

2.2.2 泥石流水土配比及容重計(jì)算

泥石流的啟動(dòng)和運(yùn)動(dòng)實(shí)際就是水土耦合的過程，不同的水力條件和物源賦存狀態(tài)均影響泥石流的物質(zhì)補(bǔ)給量，從而影響容重大小[24-25]。確定泥石流容重的方法較多，試驗(yàn)采用體積比法[26-27]進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)槽寬50 cm，坡度9°，土樣質(zhì)量1 000 kg，采用環(huán)刀測得固體物質(zhì)密度為1 900 kg/m3，土樣和水的體積比2∶1。

土樣和水體積計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中：Vs為土樣體積，m3；ms為土樣質(zhì)量，試驗(yàn)取1 000 kg；ρs為土樣密度，試驗(yàn)取1 900，kg/m3；Vw為水體積，m3。

經(jīng)計(jì)算，土樣和水體積分別為0.526 m3和0.263 m3。

泥石流容重計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：ρH為固體物質(zhì)密度；f為固體物質(zhì)和水的體積比，此處為2∶1；γc為泥石流容重。計(jì)算得泥石流容重為16.9 kN/m3。

2.2.3 攔擋壩設(shè)置

攔擋壩作為泥石流防治的最有效措施之一，對其攔擋性能的研究顯得尤為重要。鑒于此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種類型攔擋壩模擬泥石流前后壩體之間的相互保護(hù)和影響，并獲取相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)攔擋壩的優(yōu)化和改進(jìn)。

試驗(yàn)槽寬50 cm，壩高15 cm，壩體型號(hào)分為3種，Ⅰ型攔擋壩不設(shè)泄水涵洞，Ⅱ型攔擋壩僅設(shè)1處泄水涵洞，Ⅲ型攔擋壩設(shè)4處泄水涵洞，試驗(yàn)還增加不設(shè)壩試驗(yàn)作為參照，見圖5。

圖5 壩體型號(hào)及截面設(shè)計(jì)Fig.5 Type of dam and design of cross section

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

從圖6可知，不設(shè)壩條件下水槽內(nèi)僅在槽底殘存少量細(xì)顆粒物質(zhì)，布設(shè)攔擋壩后，在溝槽內(nèi)均不同程度的攔擋了泥石流物質(zhì)，說明3種類型攔擋壩均能較好的攔蓄泥石流固體物質(zhì)；從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，Ⅰ型攔擋壩不設(shè)泄水涵洞，雖然其攔蓄效果最好，但達(dá)不到水石分離的效果，壩庫內(nèi)積水量大，容易造成壩前積水對基礎(chǔ)和壩肩的侵蝕破壞。從圖6(c)、圖6(d)可知，Ⅱ型和Ⅲ型攔擋壩加泄水涵洞后，很好地實(shí)現(xiàn)了水石分離和攔蓄泥沙的作用，即經(jīng)攔擋壩的調(diào)節(jié)作用，固體物質(zhì)留于壩庫內(nèi)，含砂水體向下游排放，有效地改變了泥石流性質(zhì)。從水石分離效果看，設(shè)攔擋壩優(yōu)于不設(shè)壩，Ⅲ型優(yōu)于Ⅱ型，Ⅱ型優(yōu)于Ⅰ型，即在保證攔擋壩安全和滿足攔蓄要求的情況下，其開孔率越高，越有利于泥石流的水石分離，降低泥石流破壞力的效果越明顯。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.6 Experimental phenomenon

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 泥位變化對比分析

在泥石流防治中，減小峰值泥位的破壞是泥石流防治的關(guān)鍵。試驗(yàn)在水槽295 cm和515 cm上方安置了激光測距儀，觀測表層泥石流相對位移變化，準(zhǔn)確的反應(yīng)泥位變化信息。由圖7(a)可知，不設(shè)壩的情況下，1號(hào)、2號(hào)攔擋壩位置處泥位平緩過渡；由圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)可知，布設(shè)Ⅰ型攔擋壩的泥位快速上升，然后保持高位流動(dòng)，1號(hào)壩峰值泥位為85 mm，2號(hào)壩峰值泥位為131 mm，均較Ⅱ型和Ⅲ型高；布設(shè)Ⅱ型或Ⅲ型攔擋壩后，1號(hào)壩的泥位均平穩(wěn)過渡，趨勢與不設(shè)壩的情況基本一致，2號(hào)壩的泥位先快速增大再降低，Ⅱ型和Ⅲ型攔擋壩峰值泥位依次為117 mm和78 mm，Ⅲ型攔擋壩峰值泥位最低。試驗(yàn)表明在攔擋壩設(shè)計(jì)中設(shè)泄水涵洞會(huì)促使泥石流完成水石分離，讓泥石流峰值泥位快速降低，泄水涵洞能滿足泥石流行洪需要時(shí)泥位變化基本與不設(shè)壩保持一致。

試驗(yàn)結(jié)束后，對水槽側(cè)壁留下的泥痕進(jìn)行了方格統(tǒng)計(jì)。由圖8可知，攔擋壩對泥位變化影響較大。不設(shè)壩情況下，泥位除受傳感器影響有2處微變外，一直保持平穩(wěn)過渡；在設(shè)壩情況下，布設(shè)攔擋壩位置處都會(huì)出現(xiàn)泥位峰值，且1號(hào)壩較2號(hào)壩持續(xù)時(shí)間長。Ⅰ型攔擋壩壩后淤積距離遠(yuǎn)、泥痕高，且在1、2號(hào)壩之間保持較高泥位；Ⅱ型攔擋壩壩后淤積水位居中，1、2號(hào)壩之間水位變化劇烈，連續(xù)出現(xiàn)2次高峰值，緊接著出現(xiàn)最低峰值；Ⅲ型攔擋壩壩后淤積水位低，經(jīng)過1號(hào)壩高峰值后，立即出現(xiàn)1次低峰值和1次高峰值，然后平穩(wěn)過渡。從泥位變化看，Ⅲ型攔擋壩對泥位調(diào)節(jié)作用最明顯，可以保證泥位快速回落，減輕因泥位的劇烈變化而對壩體和溝岸產(chǎn)生的沖刷破壞。試驗(yàn)證明多布設(shè)泄水涵洞調(diào)控泥石流效果明顯更優(yōu)。

4.2 振動(dòng)效能對比分析

為了獲取1、2號(hào)攔擋壩壩址處泥石流行進(jìn)中的振動(dòng)和沖擊作用，試驗(yàn)前緊臨攔擋壩迎水側(cè)安裝了振動(dòng)加速度傳感器，評定泥石流對攔擋壩的機(jī)械振動(dòng)，以此反映泥石流沖擊力的大小[28-29]，見圖9。

圖7 攔擋壩處泥位對比圖Fig.7 Mud level comparison figure of the retaining dam

由圖9可知，振動(dòng)加速度峰值在不設(shè)攔擋壩條件下明顯大于設(shè)攔擋壩狀態(tài)，說明設(shè)攔擋壩后，泥石流的振動(dòng)明顯減小，即減弱了泥石流的沖擊力。1號(hào)壩位置處在不設(shè)壩、設(shè)Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩4種條件下其振動(dòng)加速度峰值依次為10.51、1.00、1.63、2.11 m/s2，而2號(hào)壩位置處在不設(shè)壩、設(shè)Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩4種條件下其振動(dòng)加速度峰值依次為10.46、0.75、1.55、0.83 m/s2。在不設(shè)壩條件下1號(hào)和2號(hào)攔擋壩之間的振動(dòng)加速度峰值幾乎不變，而設(shè)攔擋壩后，2號(hào)壩的振動(dòng)加速度均小于相應(yīng)型號(hào)1號(hào)壩。表明攔擋壩很好地削弱了泥石流的沖擊力，即攔擋壩有效地減弱了泥石流的沖擊破壞，經(jīng)過攔擋壩后泥石流的振動(dòng)會(huì)明顯減弱；同時(shí)，通過數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)采集的Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩的壩后振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)比較接近，說明是否設(shè)有泄水涵洞對改變壩體遭受的沖擊力大小影響很小，也就是說攔擋壩布設(shè)泄水涵洞并不會(huì)明顯減弱壩體安全性。

圖8 泥位變化過程圖Fig.8 Mud level change flow diagram

圖9 攔擋壩振動(dòng)加速度對比圖Fig.9 Comparison chart of vibration acceleration of dam

4.3 體積含水率對比分析

體積含水率為土體中水體積與土體總體積的比值[30]。試驗(yàn)獲取了泥石流流經(jīng)壩體前后體積含水率的變化規(guī)律。從圖10可看出，在不設(shè)攔擋壩的試驗(yàn)中，2號(hào)壩的體積含水率稍高于1號(hào)壩，這主要是受傳感器的干擾；在Ⅰ型攔擋壩試驗(yàn)中，2號(hào)壩的體積含水率遠(yuǎn)高于1號(hào)壩，且含水率上升得非?？?，而1號(hào)壩一直比較平穩(wěn)，說明1號(hào)壩在泥石流運(yùn)行初期就迅速達(dá)到了穩(wěn)定含水率；在Ⅱ型攔擋壩試驗(yàn)中，1號(hào)和2號(hào)壩含水率同時(shí)遞增且增幅均較大，但含水率到最大值后又快速回落，2號(hào)壩回落至初始狀態(tài)，1號(hào)壩回落至峰值一半時(shí)平穩(wěn)；在Ⅲ型攔擋壩試驗(yàn)中，1號(hào)和2號(hào)壩含水率均呈折線遞增，而后均維持在較低值，且含水率基本一致，2號(hào)壩較1號(hào)壩先完成含水率變化過程，說明Ⅲ型攔擋壩能較好地滿足過水能力，減小泥石流的峰值流量。

不設(shè)壩的情況下體積含水率值最低，Ⅱ型攔擋壩的含水率峰值最大，為0.6 m3/m3，但迅速回落為0.3 m3/m3，Ⅰ型攔擋壩的含水率值次之，為0.5 m3/m3，且一直持續(xù)，Ⅲ型攔擋壩的1號(hào)壩和2號(hào)壩體積含水率最大值錯(cuò)峰出現(xiàn)(2號(hào)壩最大值出現(xiàn)后1號(hào)壩才出現(xiàn))且最大峰值小，依次為0.2 m3/m3和0.4 m3/m3。因此，在不影響壩體穩(wěn)定和攔蓄要求的情況下，盡可能在壩體上多設(shè)置泄水涵洞或泄水孔，可以起到水石分離的作用，減小泥石流的峰值流量，也可以讓攔擋壩的含水率最大值錯(cuò)峰出現(xiàn)，以避免造成攔擋壩一次承受的沖擊力過大。

4.4 孔隙水壓力對比分析

在壩后布設(shè)孔隙水壓力傳感器，以獲取壩后孔隙水壓力變化數(shù)據(jù)。從圖11可看出，在不設(shè)攔擋壩的試驗(yàn)中，孔隙水壓力保持低位平穩(wěn)狀態(tài)；在布設(shè)Ⅰ型攔擋壩試驗(yàn)中，1號(hào)壩孔隙水壓力較2號(hào)壩上升的慢，達(dá)到淤積平衡后，其孔隙水壓力分別為0.68 kPa和2.09 kPa，2號(hào)壩壩后孔隙水壓力遠(yuǎn)高于1號(hào)壩；在布設(shè)Ⅱ型攔擋壩試驗(yàn)中，1號(hào)壩較2號(hào)壩上升的早且平緩，2號(hào)壩上升的快且最大值較1號(hào)壩高，平衡后1、2號(hào)壩基本一致，其孔隙水壓力分別為1.15 kPa和1.27 kPa；在布設(shè)Ⅲ型攔擋壩試驗(yàn)中，1號(hào)、2號(hào)攔擋壩孔隙水壓力錯(cuò)峰出現(xiàn)，1號(hào)壩出現(xiàn)的早且比2號(hào)壩高，平衡后1號(hào)壩比較平穩(wěn)，其平衡后的孔隙水壓力為1.40 kPa，2號(hào)壩孔隙水壓力則一直下降。說明在壩體上設(shè)置泄水涵洞，下游壩體孔隙水壓力快速減小，更有利于調(diào)節(jié)下游壩體的孔隙水壓力，即可以減輕孔隙水壓力對下游壩體的破壞。

圖10 體積含水率對比圖Fig.10 Comparison chart of volume moisture content

圖11 孔隙水壓力率對比圖Fig.11 Comparison chart of pore water pressure rate

5 結(jié)論

攔擋壩工程是否應(yīng)該預(yù)留泄水涵洞，是泥石流防治工程中爭議較多的問題之一?；谒墼囼?yàn)，探究了3種形式攔擋壩對泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的調(diào)控作用，并以一組不設(shè)壩的試驗(yàn)為參照，得出以下結(jié)論。

(1)在攔擋壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加泄水涵洞會(huì)促使泥石流完成水石分離，快速降低泥位；從泥位變化看，Ⅲ型攔擋壩對泥位調(diào)節(jié)作用最明顯，可以保證泥位快速回落，而且Ⅲ型攔擋壩壩后泥位峰值變化較平穩(wěn)，可以減小因泥位的頻繁變化對壩體和溝岸產(chǎn)生沖刷破壞，試驗(yàn)證明在保證壩體安全和滿足攔蓄要求的情況下，多設(shè)泄水涵洞效果明顯更優(yōu)。

(2)設(shè)壩后，壩體振動(dòng)大幅減弱，即攔擋壩有效地減弱了泥石流的沖擊破壞，且Ⅰ型壩、Ⅱ型壩和Ⅲ型壩的壩后振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)比較接近，說明攔擋壩是否布設(shè)泄水涵洞對其遭受泥石流沖擊力的大小幾乎無影響，即攔擋壩布設(shè)泄水涵洞并不會(huì)明顯減弱壩體安全性。

(3)攔擋壩壩后的體積含水率和孔隙水壓力之間有著密切的聯(lián)系。不設(shè)壩條件下，水槽不同位置體積含水率和孔隙水壓力變化差異不大，受壩體攔截后，壩體上游泥石流淤積體和瞬間雍水造成體積含水率和孔隙水壓力迅速增大。對比3種類型攔擋壩發(fā)現(xiàn)：Ⅰ型攔擋壩水石分離不明顯，對體積含水率和孔隙水壓力影響大，2項(xiàng)指標(biāo)都處于高值；Ⅱ型、Ⅲ型攔擋壩水石分離效果明顯，使得壩后含水率和孔隙水壓力較Ⅰ型攔擋壩小。說明在不影響壩體穩(wěn)定的同時(shí)，應(yīng)多設(shè)泄水涵洞，一方面有利于1號(hào)、2號(hào)攔擋壩體積含水率錯(cuò)峰出現(xiàn)，便于降低泥位，減小泥石流對攔擋壩的沖擊破壞，另一方面有利于下游壩體孔隙水壓力快速減小，調(diào)節(jié)孔隙水壓力對下游壩體的破壞。