泥石流梁式格栅坝泥砂粒径调节试验研究∗

梁式格栅坝是泥石流防治工程中一种常见的透过型拦砂坝,具有拦粗排细的独特功效。通过室内水槽模型试验,探究了梁式格栅坝对泥石流泥砂粒径的调节特性。研究表明,梁式格栅坝在试验工况下均表现出一定的粒径调节作用,但在不同条件下差异明显,对于水石难分的高容重泥石流难以达到较好的粒径调节效果。分析认为,透过型拦砂坝的粒径调节可能是其容重调节的原因,坝体拦截了大部分粗颗粒物质,使泥石流体的结构变化,导致泥石流浆体能悬浮和输移的最大颗粒粒径变小。其次,提出了一种可用于透过型拦砂坝泥砂粒径调节效率的评价方法,并对比分析了该方法与现有常用评价方法的优势与合理性;基于模拟试验结果,通过多元非线性拟合,得到了新评价方法下考虑泥石流性质、过坝前运动状态和坝体尺寸的影响因素的泥砂粒径调节效率计算公式,可为梁式格栅坝设计中粒径调节效率的预测评估提供参考。此外,试验发现,梁式格栅坝泥砂粒径调节效果还受其拦截泥石流时的闭塞表现的影响。     

桩林坝拦截泥石流闭塞表现及其影响因素∗

开口闭塞表现及其临界值判别是桩林泥石流拦砂坝设计中的关键因素,然而目前国内外对桩林坝的相关研究还较少.通过开展桩林坝拦截泥石流试验,分析了泥石流重度、坝体排数、排间距、横向开口宽度等因素对桩林坝闭塞表现的影响.研究表明:桩林坝闭塞存在全闭塞、半闭塞、不闭塞三种类型.泥石流重度与桩林坝闭塞度呈正相关关系.当桩林排数从一排增加至两排时闭塞度有较大提高.排间距、开口宽度与桩林坝闭塞度成负相关关系.基于试验数据及多元回归分析提出了桩林坝闭塞度的经验计算公式.同时提出了桩林坝拦截泥石流临界综合闭塞判据F,当F≤8.1时,桩林坝表现为全闭塞类型;8.1＜F＜27.5时,桩林坝表现为半闭塞类型;F≥27.5时,桩林坝表现为不闭塞类型.     

泥石流窗口坝闭塞类型及其临界条件实验研究

窗口坝是泥石流拦挡坝常用类型之一,其设计仍以设计者的经验和水工设计方法为主,尚缺乏理论依据和技术支持。窗口坝设计时如何选择合理的开口尺寸、数量,使其达到良好的拦砂效果,是目前急需解决的技术问题。通过实验对窗口坝拦截不同性质泥石流时的闭塞类型及其临界条件进行了探讨,发现窗口坝拦截稀性、过渡性泥石流时表现为全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种类型:当F≤0.95时,窗口坝全闭塞;当0.95F≤1.5时,窗口坝部分闭塞;当F1.5时,窗口坝不闭塞。窗口坝拦截粘性泥石流时表现为全闭塞和部分闭塞2种类型:当F≤2.7时,窗口坝全闭塞;当F2.7时,窗口坝部分闭塞。     

泥石流浆体冲击拦砂坝荷载计算的实验研究*

泥石流冲击力大小是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,泥石流对拦砂坝的冲击力计算还存在很大争议。本文通过在拦砂坝上安装冲击力传感器测量冲击力值,详细分析不同容重泥石流,不同沟道坡度及不同拦砂坝迎水面倾角等因素下泥石流对拦砂坝坝体的冲击作用。研究表明,影响泥石流浆体冲击力大小的主要因素有泥石流容重、沟床坡度和泥石流流速;在沟道坡度和泥石流总量相同时,泥石流浆体冲击力大小随泥石流容重的增加而降低;在泥石流容重不变时,随沟道坡度的增加而增加;泥石流容重和沟道坡度的影响主要反映到泥石流流速的变化中,推导出新的泥石流浆体冲击力大小计算公式;该公式表明,泥石流浆体冲击力大小同泥石流表面流速呈正比例关系,而比例系数因泥石流容重的不同而不同。分析比较了新公式同原有公式的差异,并举例说明了新计算公式的实用价值,为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能——试验研究与比较分析

通过室内水槽试验,探讨了单切口坝对稀性泥石流的拦砂性能,并与梳子坝的试验结果进行了比较分析。初步得到：（1）单切口坝有全闭塞、部分闭塞和不闭塞3种闭塞类型。当切口宽度b与稀性泥石流中最大颗粒粒径dmax之比b／dmax≤0．394时,切口全闭塞;b／dmax≥1．478时,切口不闭塞;0．394〈b／dmax〈1．478时,切口为部分闭塞。（2）单切口坝在降低过坝泥石流密度变化量上,与梳子坝有相似规律。对单切口坝而言,b／dmax在0．394～0．739之间,过坝泥石流密度变化量随b／dmax增大而增大,在b／dmax=0．739时,过坝泥石流密度变化量达到最大,其后随着b／dmax的进一步增大,过坝泥石流密度变化量逐渐减小;在0．493≤b／dmax≤0．986之间,单切口坝降低过坝泥石流密度变化量较显著。（3）在相同的试验条件下,以过坝泥石流平均密度及其降低率为防治泥石流的效益指标,显示梳子坝与单切口坝的坝后平均密度的比值大多小于1,表明在相同的试验条件下梳子坝对稀性泥石流的防治效果较好。     

梳子坝淤砂形态特征试验研究

通过室内水槽试验,探讨梳子坝淤砂的形态特征、淤砂长度和回淤坡度等,初步得到:(1)梳子坝在全闭塞时,淤砂形态与实体坝相似,在淤砂区的前部,淤砂高度大致等于坝体高度,在淤砂区的尾部,都有一个明显的陡坎;梳子坝在部分闭塞时,淤砂形态与不闭塞情况下淤砂形态相似,在淤砂区的前部,都有一个缓坡。不闭塞时形成的缓坡坡度稍大于部分闭塞时的缓坡坡度,但都明显小于水下休止角,表明梳子坝淤砂形态异于狭缝坝。(2)梳子坝淤砂长度与切口宽度有关,大致有随着切口宽度的增大而减短的趋势;切口密度和泥石流浓度对淤砂长度有影响,淤砂长度有大致随切口密度的增大而堆积长度减短的趋势。(3)在相同试验条件下,梳子坝回淤坡度与实体坝相比大致相近,波动范围很小;在相同的切口宽度条件下,切口密度对回淤坡度有一定的影响,同时证明沟床坡度和泥石流的物质级配、容重及规模对回淤坡度也有一定影响。     

非透过性泥石流拦砂坝研究现状及展望

由于泥石流动力过程的复杂性和理论研究的不完善,拦砂坝防治工程中关键参数计算与拦砂坝结构设计仍然存在诸多不足。首先,简要介绍了拦砂坝工程防治的发展历程及其重要作用。然后,从溢流口过流能力计算、坝体所受泥石流冲击力、坝后冲刷深度与基础埋深以及坝体结构稳定性4个方面详细评述了非透过性泥石流拦砂坝研究取得的主要成果及存在的问题。最后,从设计参数计算方法、新型拦砂坝结构、新型抗冲耐磨材料的研发与应用以及拦砂坝防治体系建设等方面探讨了非透过性泥石流拦砂坝研究的发展趋势。     

格栅坝在泥石流防治中的应用——以汶川地震引发的烂泥沟泥石流治理为例

受汶川地震影响,四川等地泥石流治理更为迫切.泥石流的暴发具有突发性,在防治工程中,相比实体坝而言,格栅坝是一种节省材料、稳定性更高的拦挡结构,使用范围越来越广,但是目前尚无成熟的格栅坝设计方法.本文参考梳齿坝的已有理论确定了支墩间距的计算方法,并结合已有实验资料提出了格栅坝格栅间距的计算公式,改变了以往不同坝体乃至同一...     

泥石流拦砂坝溢流口过流能力实验研究

拦砂坝溢流口过流能力的大小是工程设计中的关键参数之一,也是影响坝体安全的重要设计参数。结合泥石流过流特点,分析推导了拦砂坝溢流口过流能力的参数计算式;在此基础上,通过水槽实验建立了流量系数的经验公式。水槽实验表明,溢流口过流能力随泥石流密度的增大而减小,随沟道坡度的增大而增大,随相对沟道宽度的增大而增大,溢流口位置与沟道中心相对者大,溢流口位置与沟道中心偏离者小。与现有计算方法相比,所提通过理论推导和水槽实验建立起的拦砂坝溢流口过流能力参数计算式,计算结果更为精确可靠,可用于泥石流拦砂坝溢流口设计时的过流能力验算。     

基于SVM⁃RF的泥石流窗口坝闭塞度判别研究∗

为了研究野外泥石流防治工程中窗口坝的开口闭塞类别,基于量纲分析理论,以室内水槽试验模拟实际工程,分析模型试验与实际工程的相关物理量及对应的相似准数;引入支持向量机和随机森林分类模型,在开源机器学习工具Scikit-Learn中,采用python编程实现算法;以室内水槽试验数据作为支持向量机和随机森林的训练样本,进行机器学习得到分类模型,提出一种用于判别泥石流窗口坝闭塞类型的新方法;将测试结果与经验公式中闭塞度判别值F的分类结果进行正确率对比,结果表明,F值的分类准确率为88%,而支持向量机为92%,随机森林为94%,随机森林分类效果最好,机器学习理论为泥石流窗口坝在实践中的设计提供了新思路。     

泥石流坝后侵蚀坑纵剖面形态及最大深度实验研究

泥石流拦砂坝坝后侵蚀坑形态和深度是泥石流冲刷基础研究的薄弱环节。通过室内水槽实验,探讨了泥石流坝后侵蚀坑的形态和不同实验控制条件下侵蚀坑深度的变化规律等。由实验观察可知,侵蚀坑纵剖面整体上呈现两端浅中间深的形态特征,其最深点的位置随水槽坡度增大向下游方向发展;侵蚀坑坑内上游坡度较下游坡度陡,对于具有相同级配的粘性砂和无粘性砂,无粘性砂的侵蚀坑坑内坡度较粘性砂的缓;侵蚀坑的最大深度受沟床纵坡、泥石流的容重、沟床组成物质的性质(特征粒径、粘性)等因素的影响较大;泥砂粘性的存在将大大削弱侵蚀的深度。     

“8·20”板子沟泥石流特征及防治措施∗

2019 年 8 月 20 日汶川县板子沟暴发了泥石流,“8·20”板子沟泥石流造成沟内村庄、厂房、水电站和格栅坝受损,泥石流冲毁沟口桥梁,造成都汶高速公路 S9 断道。基于现场勘查和室内试验资料,分析了“8·20”板子沟泥石流特征,泥石流平均流速达 5.6 m/s,洪峰流量 535.98 m³ /s,一次泥石流过程总量约 69.63×10⁴ m³ ,向岷江输砂约 25.97×10⁴ m³ ,表现为堵溃型沟谷泥石流。提出了基于 Tamotsu Takahashi 模型的泥石流降雨阈值预测方法,该方法可用于确定泥石流的临界雨强和暴发时间,“8·20”板子沟泥石流的临界雨强为 5.7 mm,小于历年临界雨强。基于水文计算结果,提出了针对板子沟的防治措施：按 10 年、20 年一遇的标准进行设计时,可采取设置防护堤的方式;按 50 年、100 年一遇的标准进行设计时,可采取设置防护堤+拦砂坝的方式。     

泥石流泥舌水力特性的沿程变化实验研究

泥石流过坝泥舌的水力特性与拦砂坝下游冲刷坑的最终深度、长度和宽度等形态特征密切相关,准确认识泥舌下泄沿程上的水力特性对研究坝下游冲刷过程十分重要。通过进行6组泥石流容重条件、6组沟床纵坡条件泥舌下泄室内水槽实验,重点研究了泥舌在下泄沿程的运动轨迹、纵向厚度变化特征、横向宽度变化特征和下游入射角变化特征的水力特性,建立了泥舌水力特性与射距的关系,并通过分析泥舌水力特性与射距的相关关系得到泥石流容重、沟床纵坡对泥舌水力特性的影响。研究结果表明:(1)泥舌下泄运动类似于抛物体运动,在相同实验条件下,高容重泥石流和低沟床纵坡条件下对应的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较大,低容重泥石流和高沟床纵坡条件下的泥舌下泄运动轨迹曲线变化程度较小;(2)泥舌纵向厚度随着射距的增大而增大,纵向厚度变化率与射距增大而增大并呈线性正相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大先增大后减小、随着沟床纵坡的增大而减小;(3)泥舌横向宽度随着射距的增大而减小,横向宽度变化率随着射距的增大而减小并呈线性负相关性,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而减小、随着沟床纵坡的增大先减小后增大;(4)泥舌下游入射角随着射距的增大而增大,下游入射角变化率随射距的增大而增大呈线性正相关,二者线性斜率随着泥石流容重的增大而增大、随着沟床纵坡的增大而减小。本研究着眼于泥舌下泄运动现象问题,研究了不同泥石流容重、沟床纵坡实验条件下泥舌在下泄沿程上的水力特性,以期准确认识泥舌水力特性,为研究坝下游防治冲刷提供参考。     

窗口坝对黏性泥石流的流量调控性能研究∗

基于水槽试验,探讨了窗口坝对黏性泥石流的流量调控特性,并结合数值模拟对其调控过程进行了初步分析。结果表明：窗口坝对黏性泥石流的流量调控作用不仅表现在窗口坝对黏性泥石流峰值流量的削减能力上,还表现在对泥石流过流的延时效应上;不同工况条件下,窗口坝对黏性泥石流的调控能力不同,泥石流峰值流量削减率与窗口坝相对开口宽度、高宽比、开口率整体呈负相关,与泥石流容重整体呈正相关,但对容重较低的泥石流,窗口坝的调控作用较小;窗口坝对黏性泥石流的调控作用是窗口坝实体部分和开口部分共同作用的结果：窗口坝通过实体部分拦挡泥石流,降低泥石流的流速,并使泥石流于窗口坝库内发生流速“重分布”,再利用窗口坝大开口对其进行有控制的排导,以此来发挥窗口坝对黏性泥石流的调控效果。     

基于能量耗散过程的拦砂坝泄流孔堵塞判别研究∗

泄流孔堵塞对坝体结构稳定和长期安全运行有着极大的影响。现拦砂坝泄流孔的设计大多基于经验,缺乏定量分析方法。基于泥石流在泄流孔中的能量耗散过程,提出了基于获取必要参数情况下的泄流孔堵塞判识方法,分析了泄流孔设计参数和泥石流性质对堵塞的影响。进一步通过对比验证了判别方法的合理性,可将误差控制在 15% 以内。最后应用该法对四川省绵竹市文家沟的拦砂坝泄流孔进行了分析,结果表明该坝泄流孔较易发生充满全孔的泥石流停淤堵塞,与实地勘察结果一致。根据理论分析,为保证泥石流的顺畅排导,建议在该坝前布设能量调控设施,调控进入泄流孔的泥石流流速使其控制在合理范围内。     

透过型泥石流拦砂坝工程减灾效果分析

为了更好地理解透过型坝的减灾表现,通过对岷江上游、安宁河流域已建的透过型坝开展无人机航测、泥石流取样、室内分析测试等工作,将坝体开口形式分为横向开口、竖向开口、方形开口和混合开口4种类型,研究结果表明：区内透过型坝结构主要以方形开口为主,拦砂坝满库和半库工况占比分别为33.65%和40.38%;回淤纵坡经验值S_dep=(0.31～0.83)S_init,整体都表现出较好的回淤缓坡效果;在调控方面,透过型坝表现出一定的拦粗排细特征,但由于坝体开口较小,其对粒径的分选效果并不显著;透过型坝减灾中存在坝(群)开口参数设计不合理、坝体结构整体性较差、过流结构的磨蚀破坏、坝下游冲刷侵蚀和基础淘蚀破坏以及库内人工清淤不当等问题。研究成果完善了透过型坝的结构分类,加深了对其功能性的认识和理解,明确了工程实践中的问题与不足,可为工程优化设计提供技术支撑。     

震后泥石流防治工程减灾效益评价研究

汶川地震后物源增多、泥石流规模增大,而震后泥石流防治工程设计尚缺乏理论指导,导致众多泥石流防治工程在建成后短期内就被淤满或冲毁,防治效果不理想。为探讨震后泥石流工程防治效果和工程改良,以北川县青林沟泥石流防治工程为例,采用数值模拟软件Massflow对不同降雨条件和不同防治工程条件下泥石流进行模拟,结合危险度模型,开展泥石流防治工程减灾效益评价。研究表明:1#坝(主要工程)拦截作用弱,减灾效益不明显,2#坝在防灾减灾中起主导作用;2013年青林沟内按20年一遇设计标准建成的防治工程仅能拦截一次10年一遇泥石流;对比8种工程改良和组合条件的减灾效益,最优模式为加高2#坝1m并沿用现有导流堤的"拦排"治理模式;震后进行泥石流防治工程设计时要适当考虑增大堵塞系数,提升设计年限标准,结合不同工程的作用,合理布置工程。     

梯-潭结构型泥石流排导槽消能特征试验研究

梯-潭结构型排导槽是一种适用于大比降沟床条件下的泥石流排导工程措施,因其良好的防治功效和工程价值而具有较好的应用前景。选取泥石流容重、规模和潭深为主要影响因素,通过水槽试验模拟泥石流在梯-潭结构型排导槽中的运动过程。结果表明,潭内表层铺填的砾石在泥石流浆体强烈的紊动和大颗粒冲击碰撞下发生明显的物质交换现象,且排导过渡性泥石流时物质交换现象最为强烈,稀性泥石流次之,粘性泥石流则相对较弱;梯-潭结构型排导槽的消能主要体现在泥石流通过梯-潭结构时泥深变化和加剧紊流两个方面;梯-潭结构的消能效率与潭深呈正相关关系,且消能率基本大于20%,最大消能率可达73.93%。当潭深过大时,梯-潭结构对泥石流表现出明显的拦截作用,虽消能效果明显,但与排导宗旨相悖。而泥石流规模对梯-潭结构消能的影响相对较小,整体呈现规模越小消能率越高的趋势。     

带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝抗冲击性能分析

大块石冲击是造成泥石流拦挡坝破坏的主要因素之一,为了提高拦挡坝的抗冲击能力,提出一种带连续防撞墩的新型泥石流拦挡坝。利用ANSYS/LS-DYNA,对泥石流大块石冲击新型坝和重力式拦挡坝进行了数值模拟,分别得出了新型坝和重力坝的冲击动力响应并进行对比分析。此外,考虑不同的防撞墩尺寸、布置间距以及不同的后部坝体厚度,对新型坝进行参数分析。结果表明:新型坝提高了自身抗冲击性能的同时还提高了材料强度利用率,其明显优于普通坝。防撞墩的截面高度、布置间距以及后部坝体的厚度对新型坝的抗冲击性能和整体刚度影响很大,因此在新型坝设计中必须综合考虑以上因素。     

新型浅槛结构对冰川泥石流沟道侵蚀的防治效果及应用

针对冰川泥石流发生对公路危害大,防治困难,投入资金高等问题,而采用浅槛结构可以有效的减轻泥石流危害,因此提出一种新型浅槛结构并研究其对冰川泥石流沟道侵蚀的防治效果,通过现场水槽冲刷对比实验对设置不同浅槛间距和坡度下的实验现象和效果进行,并结合实际沟道侵蚀特征,对新型浅槛结构进行优化设计并给出了具体工程应用实施案例。试验结果表明:浅槛对泥石流的防治效果显著,且防治效果受浅槛间距影响较大,同时,在不同沟道坡度下最优的浅槛间距亦不同,实际浅槛间距以10~20 m为宜。另外,实验发现浅槛间距为25 cm时,坡度15°-20°的浅槛群改善沟道纵坡作用比较明显。通过现场模型实验结果和实际工程应用效果分析发现,新型浅槛群结构可有效减轻沟岸侧蚀和沟底侵蚀破坏,在实际泥石流防治工程中效果较好。