壩高及溝床縱比降對土石壩回淤坡度的影響

壩高及溝床縱比降對土石壩回淤坡度的影響

泥石流收集和水庫保護是預防和控制泥石流傳播的主要工程措施之一。它可以有效地抑制沉積物的發(fā)生，切斷水的動態(tài)源，堵塞沉積物的流動，減少勢力源，穩(wěn)定溝床，減少兩岸侵蝕。祁龍、蔡祥興等人在對云南大橋河、蔣家溝等泥石流溝進行實地觀測的基礎上,研究了攔擋壩后泥石流回淤坡度與溝床比降的關系;前蘇聯(lián)學者鮑亞爾斯基通過模型試驗對攔擋壩后泥石流的回淤縱坡作了研究,得到回淤坡度隨攔擋壩高增大而減小,隨溝床縱比降增大而增大的定性結論。泥石流流體顆粒與顆粒,顆粒與水之間的相互作用比較復雜。影響壩后泥石流回淤坡度的因素很多,與泥石流流速、流量、容重、溝床比降、寬度、水力半徑及壩高相關。另外,攔擋壩工程的運行條件相當復雜,影響因素很多。此次實驗選取壩高及溝床縱比降這兩個影響泥石流回淤坡度的主要因素,通過模型實驗得到了回淤坡度與壩高及溝床縱比降之間的關系。1相似比與邊界條件泥石流模型試驗一般包括動力、動態(tài)、幾何形態(tài)以及入流和邊界條件的相似,它與泥石流本身的組成、結構和流變等特性極其相關,而不同的泥石流類別其差異較大。只要滿足黏性泥石流體特性,考慮幾何條件的溝床比降相似后,可認為滿足沉降及挾沙相似。僅考慮重力相似、阻力相似、懸移運動相似,其相似條件可近似采取張紅武的模型比尺,即重力及阻力相似:λv=λh??√λn=1λvλ2/3R(λhλL)1/2(1)λv=λhλn=1λvλR2/3(λhλL)1/2(1)懸移運動相似:λω=λv(λhλL)0.75(2)λω=λv(λhλL)0.75(2)式中,λv、λh、λn、λR、λω及λL分別為體積相似比、泥位相似比、糙率相似比、水力半徑相似比、過水斷面相似比及長度相似。本文選取λL=500的相似比進行模型試驗。模型實驗設備的邊界條件與實驗流體的規(guī)模也應滿足相應限制條件,試驗設備邊界條件與實驗流體規(guī)模之間需滿足以下條件。(1)試驗槽的寬度應等于或大于實驗流體中最大石塊粒徑的5倍,即Bf≥5DMm(3)Bf≥5DΜm(3)式中,Bf和DMm分別為試驗槽的寬度和模擬流體中最大石塊的粒徑。(2)模擬泥石流中最大顆粒粒徑與流深之比應等于或小于原型泥石流中最大石塊粒徑與流深之比,即DMmHcm≤DMnHcn(4)DΜmΗcm≤DΜnΗcn(4)式中,DMm和Hcm分別為模擬流體中最大石塊粒徑和流深;DMn和Hcn分別為原型泥石流體中最大石塊粒徑和流深。2實驗設計2.1模型槽長和過流斷面實驗裝置包括料斗、模擬槽、模擬攔擋壩和物料回收池4部分。料斗長60cm,寬40cm,高50cm,料斗設有閥門;模擬槽長6m,過流斷面底寬25cm,高26.67cm,梯形槽的邊坡系數(shù)為1:0.5;物料收集池位于試驗槽末端,為一長1m、寬60cm、高50cm的磚砌矩形池(見圖1)。2.2模型參數(shù)設計及實驗過程實驗選擇粗砂、細砂、高嶺土為實驗土石材料,配制泥石流固體物質(zhì)。流體顆粒以砂粒為主,占91.78%,粉粒和黏粒分別占5.11%,1.45%,顆粒粒度曲線見圖2;實驗溝床不鋪料模擬基巖溝床,攔擋壩以純木板制作,底長25cm,實驗設計5組壩高,分別為9,12,15,18cm及21cm;模型實驗中,設計了5組溝床縱比降,分別為12%,14%,16%,18%,20%,具體實驗條件設定見表1。模擬實驗的整個過程采用手動操作,通過提升裝置,調(diào)整溝槽坡度,在溝槽的下游段固定事先設計好的攔擋壩模型。然后,將試驗開始前配制的泥石流物料放入供料口的料斗中,加入適量的水均勻攪拌,開啟料斗前端閘門,將泥石流物質(zhì)有控制地放出。在水槽下游端架設數(shù)碼攝像機,記錄攔擋壩壩后淤積過程。此次實驗采取連續(xù)堆積的方式,即后一次堆積在前一次堆積的基礎上堆積,相當于壩后發(fā)生多次泥石流堆積,直至壩后回淤坡度趨于穩(wěn)定。實驗中,通過料斗閥門控制泥石流流量,維持泥石流性質(zhì)不變(泥石流顆粒組成及容重一定),通過改變壩高和溝床縱比降,測量壩后淤積厚度,得到不同壩高和溝床縱比降組合條件下的回淤坡度,進而分析壩高和溝床縱比降對回淤坡度的影響規(guī)律。3泥石流流體形態(tài)變化在黏性泥石流流體中,水與細粒物質(zhì)形成具有一定結構的漿體,在流體內(nèi)部及邊界層間起到潤滑作用,流體運動的動力主要是來自泥沙自身的重力。當泥石流流體遇到攔擋壩后,泥石流流體受到的阻力急劇增加,流體的運動能量迅速降低,泥石流流速減小,并在攔擋壩前開始發(fā)生淤積。隨著泥石流流體的不斷堆積,在壩后堆積體表面形成一定坡度。泥石流發(fā)生后,壩后堆積流體在黏性阻力和自身重力作用下處于平衡狀態(tài)。為消除溝槽斷面形態(tài)對實驗結果的影響,取泥位h為0.12倍溝槽寬度,令壩高與泥位的比值為H,消除量綱后對實驗數(shù)據(jù)進行分析。同時,保持實驗的泥石流性質(zhì)及流體顆粒成分一定,得到各實驗條件下的回淤坡度,見表2。3.1回淤坡度與溝床縱比降的關系溝床縱比降所具有的勢能,在泥石流流動的過程中轉化為流體的動能。首先討論不同壩高條件下,溝床縱比降對黏性泥石流攔擋壩壩后回淤坡度的影響,見圖3。分析發(fā)現(xiàn),回淤坡度與溝床縱比降呈正相關關系,且線性相關性良好。這是因為溝床縱比降增大,泥石流流體向下運動的勢能就增加,同時溝床對泥石流流體的阻力減小,從而使泥石流流體更容易啟動和運動。實驗發(fā)現(xiàn),不同壩高條件下回淤坡度隨溝床縱比降增大而增大的趨勢是一致的,但回淤坡度隨溝床縱比降線性增長速率不同;據(jù)圖3分析得到溝床縱比降在12%～20%范圍內(nèi),壩后回淤坡度隨溝床縱比降增加的速率先增加后減小;據(jù)表3分析得到壩高為5H時壩后回淤坡度最大。3.2高壩壩回淤坡度隨壩高的變化影響攔擋壩壩后泥石流回淤坡度的另一個重要因素就是攔擋壩的高度(圖4)。分析發(fā)現(xiàn),壩高在3H～7H范圍內(nèi),回淤坡度與H的變化關系具有相同的趨勢,即二次多項式函數(shù)關系,回淤坡度隨壩高的增大先增大后減小。分析認為當溝床縱比降較大時,泥石流固相顆粒自身重力作用較大,使溝槽中泥流固相物質(zhì)更容易啟動,泥石流流體更容易流動。據(jù)分析得到溝床縱比降分別為12%,14%,16%,18%和20%時,對應壩高分別為4.23H,4.27H,4.07H,4.52H和4.72H時的回淤坡度最大?；赜倨露扰c壩高函數(shù)關系見表4。4溝床縱比降及壩高對壩后回淤坡度的影響泥石流回淤坡度是攔擋壩工程設計中十分重要的參數(shù)。它不僅牽涉到工程量的大小和經(jīng)濟指標的合理性,而且直接關系到工程的預期效果和實用價值。通過模型實驗方法,探討了黏性泥石流回淤坡度與壩高及溝床縱比降的關系,得到以下結論。(1)在保持泥石流容重及顆粒成分較恒定的情況下,溝床縱比降及壩高是影響泥石流壩后回淤坡度的關鍵因素。實驗發(fā)現(xiàn),溝床縱比降分別為12%,14%,16%,18%,20%時,對應的平均回淤坡度分別為9.10%,11.57%,12.97%,15.20%,16.52%。(2)回淤坡度與溝床縱比降呈正相關關系,且線性相關性良好。溝床縱比降在12%～20%范圍內(nèi),壩后回淤坡度隨溝床縱比降增加的速率呈先增加后減小的趨勢;在壩高為5H時壩后回淤坡度達到最大。(3)壩高在3H～7H范圍內(nèi),回淤坡度與H的變化關系具有相同