泥石流坝后侵蚀坑实验研究

坝后侵蚀坑的深度是泥石流拦挡坝基础埋深设计的重要依据，长度也是决定拦挡坝副坝设计的重要因素之一，而其形态和发展过程对拦挡坝的稳定和安全也有着重要的影响。但目前的设计主要以经验为主，尚没有足够的科学依据，因此亟待通过实验等手段开展系统、深入的研究。本项目通过对泥石流及坝后侵蚀坑原型观测和已有资料的整理分析，初步梳理出泥石流坝后侵蚀坑的基本特征和主要影响因子；在此基础上重点开展室内水槽模拟实验，并与理论分析相结合，探讨不同性质（沟床比降、沟床物质组成、侵蚀基准、坝体高差等）的沟道在不同性质、规模的泥石流作用下，坝后侵蚀坑形态及其发展变化规律；揭示泥石流运动特征与坝后侵蚀坑特征之间的耦合关系；建立泥石流坝后侵蚀坑极限深度和长度计算式。本研究的意义在于弥补近年来在泥石流坝后侵蚀方面研究的不足；深化泥石流基础理论研究，为泥石流防治工程参数的设计提供科学的依据。

泥石流拦砂坝是最为常用的泥石流防治工程措施之一。坝后侵蚀坑的深度和长度拦砂坝基础设计、副坝等附属设施布局的重要依据，其形态和发展过程对拦砂坝的稳定和安全也有着重要的影响。但目前的设计主要以经验为主，缺乏足够的科学依据，亟待通过实验等手段开展系统、深入的研究。本项目的开展，弥补了近年来在泥石流坝后侵蚀方面研究的不足，可以为泥石流防治工程参数的设计提供科学依据。.本项目开展了400余组实体坝满库容工况下坝后侵蚀坑的室内水槽模拟实验。实验控制条件主要包括流体条件和沟道特征两个方面。其中，流体条件包括泥石流的容重和粘性，沟道特征包括沟道的纵比降、沟床铺砂体的组成和坝体高差。通过实验，梳理出了泥石流坝后侵蚀坑的基本特征和主要影响因子，探明了不同泥石流及沟床条件下坝后侵蚀坑深度和长度随时间的发展过程。研究表明，沟床纵坡的大小、沟床组成物质的性质以及泥石流的容重等对侵蚀坑的深度和长度都有非常重要的影响。在相同的实验条件下，侵蚀坑的深度具有随沟床纵坡的增大而增大、随泥石流容重的增加而减小的趋势。同时，根据实验现象及资料分析得出，泥石流坝后侵蚀坑在平面上呈椭圆形，纵剖面呈两端浅中间深的形态，并且侵蚀坑内上下游坡度不一致，下游坡度比上游坡度要缓。以实验数据为基础，建立了侵蚀坑内上下游坡度与沟床纵坡及泥砂水下休止角之间的相关关系。.与此同时，本项目从能量学的角度切入分析，将侵蚀坑系统视为“黑盒子”系统，认为泥石流进出侵蚀坑前后的能量之差即为侵蚀坑内侵蚀所耗散的能量。通过将侵蚀坑纵剖面形态概化为三角形，首次将泥石流进出侵蚀坑前后的能量之差与侵蚀坑形态变化相联系，从而建立了侵蚀坑最大深度及最大长度计算公式。经开展的大量水槽实验的资料验证，理论公式计算值与实验值比较接近，表明理论分析合理可行，公式具有一定的可靠性。从而也证明，利用能量法的观点，通过建立泥石流体进出侵蚀坑前后能量变化与侵蚀坑形态变化之间的关系来探索泥石流坝后侵蚀坑极限深度的研究思路具有一定的合理性和可行性。