摘要
极端降水诱发的泥石流具有规模大、沿程侵蚀严重、淤埋范围大等特点，单个拦砂坝难以满足防治需求，需要在小流域内修建梯级拦砂坝多级调控。基于野外调查，对岷江流域33条典型泥石流沟道进行调查，获取了105座拦砂坝参数及梯级坝下的沟道冲淤形态特征。进而通过定床和动床水槽实验，研究了梯级拦砂坝在不同坝间距、实体坝与桩林坝的坝型组合模式以及坝级数量条件下对不同密度的泥石流的调控机制。取得主要研究成果如下: （1）提出了基于野外考察的梯级拦砂坝组合模式，包括相邻上下游坝的4种坝型组合模式，2种上下游坝运行的回淤模式，分析了小流域内的梯级坝组合模式对沟道的冲淤形态影响。 基于野外调查，总结了拦砂坝坝型及其判别式，提出了相邻上下游坝的4种坝型组合模式:上下游坝均为实体坝模式（SS模式）、上下游坝均为透过性坝模式（OO模式）、上游透过性坝+下游实体坝（OS模式）、上游实体坝+下游透过性坝（SO模式）。并提出了相邻上下游坝的2种回淤模式:互馈式运行回淤模式和独立运行回淤模式。小流域内的SS、OO、OS模式对回淤比降的影响明显，SO模式对沟床坡降的改变较小;互馈式运行模式下的回淤比降变化更明显，而独立运行模式由于相邻拦砂坝之间未能形成有效保护作用，导致冲刷作用加剧。 （2）揭示了梯级坝组合模式对泥石流的物质调控机制，明确了在不同坝间距、坝级数量、泥石流密度、组合模式条件下泥石流流态、拦砂率、密度削减、粒径调节的沿程变化规律。 梯级坝对泥石流流态有明显影响，弗劳德数Fr沿程递减。不同坝级数量下梯级坝组合模式的累积拦砂率ω随坝级数量增加而增大。相同坝级数量（3级坝体）下的累积拦砂率随坝间距减小而减小，随泥石流密度增大而增大。拦砂率沿程变化表现为，当坝间距L=3.1m时，沿程逐级递减;当L=1.6、0.8m时，上游2#坝拦砂率达到最大值35％。稀性泥石流（ρ=1500kg/m3）和过渡性泥石流（ρ=1700kg/m3）的密度调控表现为沿程递减趋势，且易发生水石分离现象，其累积密度削减率Rρ随坝级数量增加而增大，随密度增大而增大，随坝间距减小而减小;粘性泥石流（ρ=2000kg/m3）密度沿程基本无变化。每级坝对来流的密度削减效率Fρ在2#坝达到峰值10％（L=1.6m、0.8m）。梯级坝拦截的粘性泥石流粒径含量以砂粒、粉黏粒为主，对稀性泥石流以砾石为主;上游坝拦截粗颗粒含量更多，越靠下游的坝前泥沙细颗粒含量更多。选用Rd84和Rd16分别对拦粗和排细功能定量化，结果表明95％的拦砂坝表现为Rd84＞1或Rd16＞1,有较好拦粗排细作用，仅有少部分对粘性泥石流的调控效果差。 （3）揭示了梯级坝组合模式对泥石流运动状态中的能量调控机制，明确了在不同坝间距、坝级数量、泥石流密度、组合模式条件下泥石流流速、泥深、峰值流量的沿程变化规律，构建了梯级坝对泥石流的消能计算公式。 梯级坝的坝间距对泥石流流速的调控起主导作用，当L=3.1m时，梯级坝对流速的削减作用小于泥石流运动中的重力加速作用，下游2#、3#坝的坝前速度会超过初始来流速度;当L=1.6、0.8m时，坝间距减小会缩短势能转换为动能的距离，流速沿程表现为逐级递减趋势。梯级坝对泥深有逐级削减作用，梯级实体坝（SSS模式）对峰值泥位削减效果明显，梯级桩林坝（OOO、DOO模式）会出现部分下游坝的泥深超过上游坝，这与上游的桩林坝是否能形成有效的闭塞拦截条件以及堵塞体溃决有关。梯级坝对峰值流量有明显的沿程削减作用，峰值流量与流速受坝间距影响有近似规律，当L=3.1m时，2#坝前的峰值流量达到最大值，当L=1.6、0.8m,峰值流量有沿程递减趋势。构建了梯级坝对泥石流能量损耗与泥石流运动特征参数的关系计算式。 （4）揭示了定床、动床条件下梯级坝组合模式对沟道的冲淤形态演变规律，明确了回淤比降、冲刷深度、冲刷距离的沿程变化与分布范围，构建了回淤形态与拦砂率的转换计算式。 定床条件下梯级拦砂坝组合模式的回淤形态特征表现为，对于独立运行回淤模式（L=3.1m、1.6m）,实体坝的回淤长度Ld比桩林坝更大，粘性泥石流回淤长度比稀性泥石流大。对于互馈式运行回淤模式（L=0.8m），回淤长度大于坝间距且产生了回淤压脚现象。回淤比降Sdep中位数为5～6％,最大值为11～13％，回淤比降折减系数K最大值为0.6。动床条件下梯级拦砂坝组合模式的冲刷形态特征表现为，实体坝在坝后形成冲刷坑，桩林坝在坝基处产生掏蚀现象。对于独立运行回淤模式，冲刷长度lemax均值为40～80cm，随坝间距减小而减小，冲刷深度hemax均值为5～7cm，随坝间距减小而增大;对于互馈式运行回淤模式，泥石流主要侵蚀下游坝的坝前淤积体。构建了回淤比降折减系数、坝高、淤积高度与拦砂率的转换计算式。
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