泥石流拦砂坝溢流口几何形状对坝后冲刷与消能的影响

Although check dams have been used to mitigate the risk of debris flow for so many years, the structure of spillway of check dams has not been changed dramatically since it was designed. Generally, two types of spillway structures with rectangular or trapezoidal cross-sections are used to discharge the debris flow. Namely ,the spillway of check dam applied in practical engineering is with a type of broad and shallow chute .When debris flow reaches the location of check dam it slows down due to the milder slope of the river bed. It goes through the spillway which has a low discharge per unit width at relatively low speeds. If the trajectory of debris flow discharge from spillway is considered to be a parabolic motion .The slower debris flow discharge velocity usually induces the shorter distance away from the check dam. If the dropping point of debris flow is at a short distance from the check dam. The scour at the back of check dam will lead to instability of the dam foundation which is a great threat to safety of the whole check dam. Therefore, the proposer introduces a new type of structure of spillway with narrow and deep chute for check dam, namely, "Y"-type spillway. Based on simulation experiment and theoretical analysis, geometrical parameters of "Y"-type spillway, profile of debris flow jets, scour depth and energy dissipation rate of auxiliary check dam will be investigated.Variation of grain composition,discharge, parameters of "Y"-type spillway with debris flow jets，scour depth, energy dissipation rate will be discussed.Additionally, calculation method of debris flow jets，scour depth will also be established to provide scientific reference for control engineering of debris flow and the dissipation rate of auxiliary check dam wil be investigated.

修建拦砂坝是泥石流工程防治中的重要措施。目前，已建泥石流拦砂坝的溢流口多为"宽浅式"矩形或者梯形结构,这类溢流口存在的主要问题是过流单宽流量小，流速低，泥石流泥舌跌落点靠近坝脚，坝后冲刷常导致坝基失稳，危及整个拦砂坝的安全。申请人在已有泥石流拦砂坝溢流口体型设计的基础上，结合水利工程中常用的宽尾墩，提出一种新型溢流口体型- - "Y"型溢流口。通过水槽模拟实验及理论分析对溢流口几何形状参数、泥舌形态、坝后冲刷及消能率进行详细研究。探讨不同泥石流颗粒级配、容重、规模和拦砂坝溢流口几何形状参数对泥石流泥舌形态、坝后冲刷坑最大冲刷深度及消能率的影响规律。建立泥石流泥舌和最大冲刷坑深度的计算方法；建立不同性质和规模泥石流新型拦砂坝溢流口优化设计的形态参数确定方法，为泥石流防治工程设计提供科学的参考依据。

受地震活动及全球气候暖化的影响，泥石流暴发的频率与规模有不断增大的趋势，拦砂坝在泥石流工程防治中的作用不言而喻，但是目前对拦砂坝防治工程设计的结构体型和关键参数计算的研究仍然不够深入。本研究在大量泥石流拦砂坝野外调查基础上，针对现有拦砂坝溢流口体型设计的不足，提出一种新型拦砂坝溢流口结构体型，并通过模拟实验研究了不同容重、规模和溢流口体型条件下泥石流过坝特征、泥舌长度变化规律以及坝后冲刷机理。野外调查结果表明：目前已有拦砂坝结构体型主要包括3种：“梯形(矩形)溢流口+消能动床”、“梯形(矩形)溢流口+散水板结构”和“拱基型拦砂坝+消能动床”，并指出了现有拦砂坝结构体型的基本作用与功能、适用范围与条件。通过模拟实验对比分析了7种不同拦砂坝溢流口体型条件下泥石流流态、坝后冲刷特征以及断面上冲刷坑形态的变化规律，实验结果表明：受上下游水位落差、溢流口出口倾角与单宽流量的影响，前4种体型能够形成较深冲刷坑。其中，体型1、体型2和体型3所形成的冲刷坑不仅冲刷深度较深且冲刷深点距离坝脚较近，随着冲刷坑溯源冲刷的发展，可能威胁到坝基安全；体型4虽然能够形成较深的冲刷坑，但冲刷坑最深点的位置距离坝脚较远，当拦砂坝基础抗冲击与侵蚀能力较强时，可以采用这种溢流口体型设计；对于体型5、体型6和体型7，通过溢流口的反弧形结构，将泥石流过坝的势能转化为泥石流的动能，同时通过反弧连接保证溢流口的出口水平，使得泥石流出流的合速度即为水平速度，这样即确保了泥石流通过拦砂坝时在水平方向上具有最大的速度，形成较长的泥舌，同时又减小了泥石流通过溢流口时的垂向分速度，使得泥石流到达下游水面时作用于动床面颗粒的竖直速度最小，减小了泥石流对动床的冲击作用，且随着侧向收缩率的减小，溢流口出口宽度不断增加，不同工况下的冲刷深度也不断减小。在理论分析方面，基于物理学上质点抛射体理论，引入抛射长度修正系数，给出了适用于泥石流过坝泥舌估算的计算模型；通过无量纲分析，建立了基于物理动力过程的冲刷深度计算模型；以坝后冲刷深度和泥舌长度为控制参数，分析了不同侧向收缩率条件下泥石流的无量纲泥舌长度与无量纲冲刷深度的变化规律，确立了溢流口收缩率的合理取值范围（收缩率介于0.2-0.6较为合理）。