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坝高及沟床纵比降对土石坝回淤坡度的影响

泥石流收集和水库保护是预防和控制泥石流传播的主要工程措施之一。它可以有效地抑制沉积物的发生,切断水的动态源,堵塞沉积物的流动,减少势力源,稳定沟床,减少两岸侵蚀。祁龙、蔡祥兴等人在对云南大桥河、蒋家沟等泥石流沟进行实地观测的基础上,研究了拦挡坝后泥石流回淤坡度与沟床比降的关系;前苏联学者鲍亚尔斯基通过模型试验对拦挡坝后泥石流的回淤纵坡作了研究,得到回淤坡度随拦挡坝高增大而减小,随沟床纵比降增大而增大的定性结论。泥石流流体颗粒与颗粒,颗粒与水之间的相互作用比较复杂。影响坝后泥石流回淤坡度的因素很多,与泥石流流速、流量、容重、沟床比降、宽度、水力半径及坝高相关。另外,拦挡坝工程的运行条件相当复杂,影响因素很多。此次实验选取坝高及沟床纵比降这两个影响泥石流回淤坡度的主要因素,通过模型实验得到了回淤坡度与坝高及沟床纵比降之间的关系。1相似比与边界条件泥石流模型试验一般包括动力、动态、几何形态以及入流和边界条件的相似,它与泥石流本身的组成、结构和流变等特性极其相关,而不同的泥石流类别其差异较大。只要满足黏性泥石流体特性,考虑几何条件的沟床比降相似后,可认为满足沉降及挟沙相似。仅考虑重力相似、阻力相似、悬移运动相似,其相似条件可近似采取张红武的模型比尺,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)悬移运动相似:λω=λv(λhλL)0.75(2)λω=λv(λhλL)0.75(2)式中,λv、λh、λn、λR、λω及λL分别为体积相似比、泥位相似比、糙率相似比、水力半径相似比、过水断面相似比及长度相似。本文选取λL=500的相似比进行模型试验。模型实验设备的边界条件与实验流体的规模也应满足相应限制条件,试验设备边界条件与实验流体规模之间需满足以下条件。(1)试验槽的宽度应等于或大于实验流体中最大石块粒径的5倍,即Bf≥5DMm(3)Bf≥5DΜm(3)式中,Bf和DMm分别为试验槽的宽度和模拟流体中最大石块的粒径。(2)模拟泥石流中最大颗粒粒径与流深之比应等于或小于原型泥石流中最大石块粒径与流深之比,即DMmHcm≤DMnHcn(4)DΜmΗcm≤DΜnΗcn(4)式中,DMm和Hcm分别为模拟流体中最大石块粒径和流深;DMn和Hcn分别为原型泥石流体中最大石块粒径和流深。2实验设计2.1模型槽长和过流断面实验装置包括料斗、模拟槽、模拟拦挡坝和物料回收池4部分。料斗长60cm,宽40cm,高50cm,料斗设有阀门;模拟槽长6m,过流断面底宽25cm,高26.67cm,梯形槽的边坡系数为1:0.5;物料收集池位于试验槽末端,为一长1m、宽60cm、高50cm的砖砌矩形池(见图1)。2.2模型参数设计及实验过程实验选择粗砂、细砂、高岭土为实验土石材料,配制泥石流固体物质。流体颗粒以砂粒为主,占91.78%,粉粒和黏粒分别占5.11%,1.45%,颗粒粒度曲线见图2;实验沟床不铺料模拟基岩沟床,拦挡坝以纯木板制作,底长25cm,实验设计5组坝高,分别为9,12,15,18cm及21cm;模型实验中,设计了5组沟床纵比降,分别为12%,14%,16%,18%,20%,具体实验条件设定见表1。模拟实验的整个过程采用手动操作,通过提升装置,调整沟槽坡度,在沟槽的下游段固定事先设计好的拦挡坝模型。然后,将试验开始前配制的泥石流物料放入供料口的料斗中,加入适量的水均匀搅拌,开启料斗前端闸门,将泥石流物质有控制地放出。在水槽下游端架设数码摄像机,记录拦挡坝坝后淤积过程。此次实验采取连续堆积的方式,即后一次堆积在前一次堆积的基础上堆积,相当于坝后发生多次泥石流堆积,直至坝后回淤坡度趋于稳定。实验中,通过料斗阀门控制泥石流流量,维持泥石流性质不变(泥石流颗粒组成及容重一定),通过改变坝高和沟床纵比降,测量坝后淤积厚度,得到不同坝高和沟床纵比降组合条件下的回淤坡度,进而分析坝高和沟床纵比降对回淤坡度的影响规律。3泥石流流体形态变化在黏性泥石流流体中,水与细粒物质形成具有一定结构的浆体,在流体内部及边界层间起到润滑作用,流体运动的动力主要是来自泥沙自身的重力。当泥石流流体遇到拦挡坝后,泥石流流体受到的阻力急剧增加,流体的运动能量迅速降低,泥石流流速减小,并在拦挡坝前开始发生淤积。随着泥石流流体的不断堆积,在坝后堆积体表面形成一定坡度。泥石流发生后,坝后堆积流体在黏性阻力和自身重力作用下处于平衡状态。为消除沟槽断面形态对实验结果的影响,取泥位h为0.12倍沟槽宽度,令坝高与泥位的比值为H,消除量纲后对实验数据进行分析。同时,保持实验的泥石流性质及流体颗粒成分一定,得到各实验条件下的回淤坡度,见表2。3.1回淤坡度与沟床纵比降的关系沟床纵比降所具有的势能,在泥石流流动的过程中转化为流体的动能。首先讨论不同坝高条件下,沟床纵比降对黏性泥石流拦挡坝坝后回淤坡度的影响,见图3。分析发现,回淤坡度与沟床纵比降呈正相关关系,且线性相关性良好。这是因为沟床纵比降增大,泥石流流体向下运动的势能就增加,同时沟床对泥石流流体的阻力减小,从而使泥石流流体更容易启动和运动。实验发现,不同坝高条件下回淤坡度随沟床纵比降增大而增大的趋势是一致的,但回淤坡度随沟床纵比降线性增长速率不同;据图3分析得到沟床纵比降在12%~20%范围内,坝后回淤坡度随沟床纵比降增加的速率先增加后减小;据表3分析得到坝高为5H时坝后回淤坡度最大。3.2高坝坝回淤坡度随坝高的变化影响拦挡坝坝后泥石流回淤坡度的另一个重要因素就是拦挡坝的高度(图4)。分析发现,坝高在3H~7H范围内,回淤坡度与H的变化关系具有相同的趋势,即二次多项式函数关系,回淤坡度随坝高的增大先增大后减小。分析认为当沟床纵比降较大时,泥石流固相颗粒自身重力作用较大,使沟槽中泥流固相物质更容易启动,泥石流流体更容易流动。据分析得到沟床纵比降分别为12%,14%,16%,18%和20%时,对应坝高分别为4.23H,4.27H,4.07H,4.52H和4.72H时的回淤坡度最大。回淤坡度与坝高函数关系见表4。4沟床纵比降及坝高对坝后回淤坡度的影响泥石流回淤坡度是拦挡坝工程设计中十分重要的参数。它不仅牵涉到工程量的大小和经济指标的合理性,而且直接关系到工程的预期效果和实用价值。通过模型实验方法,探讨了黏性泥石流回淤坡度与坝高及沟床纵比降的关系,得到以下结论。(1)在保持泥石流容重及颗粒成分较恒定的情况下,沟床纵比降及坝高是影响泥石流坝后回淤坡度的关键因素。实验发现,沟床纵比降分别为12%,14%,16%,18%,20%时,对应的平均回淤坡度分别为9.10%,11.57%,12.97%,15.20%,16.52%。(2)回淤坡度与沟床纵比降呈正相关关系,且线性相关性良好。沟床纵比降在12%~20%范围内,坝后回淤坡度随沟床纵比降增加的速率呈先增加后减小的趋势;在坝高为5H时坝后回淤坡度达到最大。(3)坝高在3H~7H范围内,回淤坡度与H的变化关系具有相同

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