泥石流拦砂坝回淤坡度影响因素 的研究

李子文 ，李俊豪，陈思仲， 蒋亮

西南科技大学 621010

摘要：回淤坡度对拦砂坝的库容和工程效益有显著的影响。笔者考虑泥石流拦砂坝的底坡坡度、泥石流容重和粘粒含量三个因素对回淤坡度的影响。结果分析表明：(1)沟槽坡度在试验中起着主导作用，显著地影响着试验结果，属于主要因素。容重和粘粒含量均为显著因素，都对试验结果产生一定的影响。(2)回淤坡度与容重、粘粒含量和沟槽坡度均呈正相关，回淤坡度随泥石流容重、粘粒含量以及沟槽坡度的增加而增大。

关键词：泥石流拦砂坝；回淤坡度；粘粒含量；沟槽坡度；泥石流容重

基金：西南科技大学大学生创新基金项目精准资助专项资助（JZ21-080）

Abstract： The back silting slope has a significant impact on the storage capacity and engineering benefit of the sand retaining dam. The author considers the influence of three factors: the bottom slope gradient of debris flow sand retaining dam， the unit weight of debris flow and the clay content on the back silting slope. The results show that: (1) the groove slope plays a leading role in the test and significantly affects the test results， which is the main factor. Both bulk density and clay content are significant factors， which have a certain impact on the test results. (2) The back silting slope is positively correlated with bulk density， clay content and trench slope. The back silting slope increases with the increase of debris flow bulk density， clay content and trench slope.

Keywords： Debris flow; dam; silting slope; clay content; trench slope; debris flow bulk density

第1章 引言

泥石流是我国常发的一种危害巨大的自然灾害，衡量拦砂坝能力的重要参数之一是拦砂坝库容，而库容又与回淤坡度密切相关。国内学者在泥石流拦砂坝回淤坡度方面的研究，主要是集中在分析拦砂坝坝高、沟槽坡度、泥石流冲出量等对回淤坡度影响^[1]~[5]。但是，目前在粘性土含量对回淤坡度影响方面的研究还很欠缺，同时粘性土含量对泥石流的性质又有很大的影响。基于此，笔者设计了16组正交试验研究泥石流容重，粘粒含量和沟槽坡度与回淤坡度的关系，研究这三者与回淤坡度的关系，进而可以为泥石流拦砂坝库容的估算及设计提供参考。

第2章 试验设计

2.1 理论依据

2.11 此次实验采取正交试验^[6]，采用连续堆积的方式，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。每次堆积间隔时间为5分钟，直至拦砂坝堆积完成为止。

2.12 泥石流拦砂坝的库容可由下式计算确定^[7]

（2-1）

式中， h为拦砂坝净高;b为沟床宽度;i为沟床坡度; 为回淤坡度

2.14 回淤坡度的计算公式

（2-2）

在此，我们引用河道平均纵坡的计算方法^[8]，将试验测量值代入式（2-2）得到各组试验回淤坡度值。式中:L为堆积体回淤长度；J为槽内泥石流的回淤坡度； 为各测量点的相对高程； 为各测量点间距。

2.2试验材料与设备

2.21 试验设备包括水槽、拦砂坝模型；试验工具包括搅拌桶、筛子、电子秤、钢尺，铁锹、废料收集盆等；试验材料包括天然砾石（粒径不大于30mm）、天然河沙、粘性土，水等。

2 .22 水槽如图1所示，长3000mm，宽300mm，高500mm，可在0°30°之间任意调整角度；拦砂坝模型采用亚克力板，长300mm，高100mm，厚8mm，拦砂坝模型固定在水槽出口以上20cm处，且在泥石流的冲击下不会发生沿水槽方向的位移。废料收集盆为长方形塑料盆，长80 cm，宽45 cm，高30 cm。

图2

30

10

图1

0.0075

0.01

0. 1

1

2.23 试验所用材料均为天然状态下干燥材料，试验物料级配较宽，泥石流的颗粒级配曲线如图2所示。

2.3数据记录

试验考虑3个影响因素，每个因素取四个水平。容重从13 19 ，泥石流类型包含了稀性、过度和粘性泥石流，所选容重具有代表性；粘粒含量考虑实际情况选取5%35%的泥石流浆体体积作为粘性土含量；沟槽坡度考虑试验设备及实际情况选取范围为100‰400‰。

2.4实验操作

试验时，首先调整好沟床坡度，然后在水槽的下部固定好拦砂坝模型。摄像机架设在水槽正面，用于记录拦砂坝后淤积过程。将配制好的泥石流物料放入料斗中，搅拌物料至均匀后开启料斗闸门放出物料。待物料漫坝并静止后，测量数据，用于计算回淤坡度。每次试验均需测量并计算回淤坡度，最终得到不同沟床坡度、粘粒含量和沟床坡度组合条件下的回淤坡度，进而分析这三者对回淤坡度的影响规律。

第3章 结果分析

3.3.1 极差分析

对于精度要求不高的试验，根据水平极差R的大小就能决定主要和次要因素，某因素的极差为

（3-1）

极差越大，说明该因素在试验水平变化对指标值影响越大。依据上式，计算得出该试验中主要因素极差值为

C = 74.19

B = 66.52 （3-2）

A = 50.31

根据3-2可知，沟槽坡度极差值最大，为74.19，表明了沟槽坡度对回淤坡度的影响最大，为主要因素，粘粒含量及容重依次减少，为次要因素。但是由于极差法处理的试验数据精度较低，风险较大，但同时较为简便。

3.3.2 方差分析

试验数据总变差的自由度为全体数据个数n - 1，即

f_T = n - 1 = 16 - 1 = 15 （3-3）

同样，各因素变差的自由度为其水平数减1，则有

f_A = f_B = f_C = 4 - 1 = 3 （3-4）

空列即试验误差的自由度为总变差自由度与全体因素自由度代数和之差，由于只有一个空列，即

f_e = f_T - f_A - f_B - f_C = 15 - 3 - 3 - 3 = 6 （3-5）

由方差定义可知，各因素及试验误差的方差分别为

= 5690.96 + 9093.87 + 18788.21+ 193.20 = 33766.24

（3-6）

方差大小反映了因子对试验指标均值的偏离程度。数值越大，表明该因素水平的微小变动会导致指标值的较大波动，即灵敏度很高。因此，方差最大的为主要因素，反之，方差值很小，甚至比试验误差S_e还小，说明该因素水平值较大变动所导致试验指标值的波动微弱，反映迟钝，可以将这类因素的方差合并到试验误差当中，记为当量误差 ，称这一类因素为摒弃因素，在试验过程中应当考虑放弃。在主要因素和摒弃因素之间的属于次要因素。

从计算结果得知， 、 、 ＞＞ ，因此本试验方案中无摒弃因素，于是试验误差的方差为

（3-7）

然后进行统计量F的计算，可以得出哪一个因素在试验过程当中起着主导作用，是否显著地影响着试验结果，以及影响程度如何。计算结果如下：

（3-8）

根据显著性 ， 和 ，表示因素的自由度f₁和试验误差f₂，查F检验的临界值表，得 分别为

< F_A、F_B、F_C （3-9）

由此可见，容重、粘粒含量和沟槽坡度在泥石流回淤坡度的研究中均属于特别显著因素，在下表中用***表示。

3.3.3 贡献率

从方差中扣除试验误差的干扰部分，剩余值为因素的纯变差。纯变差占总变差的百分比称为该因素对试验指标的贡献率。根据贡献率的大小，可进一步对主要因素作出判断。

因素A、B和C的纯变差分别为

（3-10）

剩余试验误差为

因素A、B、C及试验误差对指标的实际贡献率为

（3-11）

由此可见，因素A、因素B和因素C的贡献率要大于试验误差，其次，尽管因素A、因素B和因素C都属于特别显著因素，但是因素C的实际贡献率明显要比因素A和因素B大的多，进一步佐证了因素C即沟槽坡度是试验的主要因素；而因素A、因素B均为次要因素。

结论

在泥石流拦沙坝后回淤坡度的试验研究过程中，发现试验工作量巨大，需要耗费大量的时间和人力，对于容重、粘粒含量和沟槽坡度对回淤坡度的影响程度并不了解。因此本章设计了16组正交试验，利用正交试验综合可比的特点，构建正交表，具体内容如下：（1）正交试验的原理和特点，正交试验是采取部分试验来代替全面试验的方法，了解全面试验的情况，具有均衡搭配和综合可比两个特点。（2）正交表的构造方法，并根据容重、粘性含量以及沟槽坡度3个试验变量组成了 的不等水平正交表。（3）通过对试验结果进行分析，计算其方差、极差以及贡献率，得出沟槽坡度的方差和贡献率最大，分别为 、 ，即沟槽坡度在试验当中起着主导作用，显著的影响着试验结果，属于主要因素。容重和粘粒含量的方差和贡献率都大于误差方差，都对试验结果产生了一定的影响，无摒弃因素。

讨论

本文主要通过室内水槽试验研究了泥石流回淤坡度与沟槽坡度、泥石流容重和粘粒含量的关系，但由于试验条件和本人能力有限，尚存在以下问题需要做后续试验进一步讨论：

1. 由于试验放置物料所用的漏斗并不能完全将泥石流液体拦住，因此存在部分损失，虽然这部分损失在泥石流配比中已经有所考虑，但未具体测量损失的量，对试验结果存在一定影响。

2. 为保证泥石流各物料能充分混合均匀，在试验开始前需不断搅拌，由于试验条件有限，这部分搅拌未能很充分的完成。

参考文献

[1]李峰，桂金祥，马东涛.坝后泥石流回淤坡度的模型实验研究[J].人民长江，2013，44(09):63-66.

[2] 贾世涛，崔鹏，陈晓清，黄凯，李强.拦砂坝调节泥石流拦挡与输移性能的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(11):2338-2345.

[3]吴鑫，马东涛，杨敏.粘性泥石流坝后回淤比降的实验[J].山地学报，2013，31(05):594-600.

[4]曾思伟，李鸿琏. 1981.泥石流地区公路工程[M].北京:人民交通出版社.

[5]张信宝， 刘江著. 1989.云南大盈江流域泥石流[M]. 成都：成都地图出版社.

[6]刘瑞江，张业旺，闻崇炜，汤建.正交试验设计和分析方法研究[J].实验技术与管理，2010，27(09):52-55.

[7]陈宁生， 周海波， 卢阳， 等.西南山区泥石流防治工程效益浅析[J].成都理工大学学报 (自然科学版) ， 2013， 40 (1) :50-58.

[8]刘觉民.河道干流平均纵坡降计算的简化[J].湖南农学院学报，1982，(04):45-50.DOI:10.13331/j.cnki.jhau.1982.04.008