过路涵洞设计中的泥石流模拟计算

泥沙研究

　2001年8月Journal of Sediment Research第4期

过路涵洞设计中的泥石流模拟计算

吴保生

(清华大学,北京100084)

摘要:本文针对过路涵洞设计对泥石流进行了模拟计算。首先在美国联邦高速公路局现有河流模拟与桥渡冲刷流管模型(BRI-ST ARS)的基础上,增加了泥石流的模拟计算功能,并根据实测泥石流资料对模型进行了验证。然后采用修改后的模型,对位于美国科罗拉多州斯奴马西峡谷段的第SH-82号高速公路扩建工程中的泥石流涵洞,进行了不同设计方案的泥石流模拟计算,给出了可靠的涵洞与渠道水力设计参数。模拟计算结果的分析表明,对于输送泥石流的过路涵洞,若采用传统的水力学计算方法,将会导致设计涵洞尺寸的严重不足。修改后的BRI-ST ARS模型可以作为过路涵洞设计中泥石流模拟的有效工具,可用于同类条件下过路涵洞设计的水力计算。

关键词:泥石流模拟;过路涵洞;BRI-ST ARS;流管模型

中图分类号:P642.23　文献标识码:A　文章编号:04682155X(2001)0420034207

1　引言

泥石流是公路交通中经常遇到的重大自然灾害之一。在泥石流多发地区,泥石流携带的大量泥沙颗粒常常会在路面突然堆积,造成道路交通的中断和堵塞;特别是一些较大的泥石流,还可以凭借其巨大的能量将道路和桥梁冲毁,造成严重的交通事故和巨大的经济损失。位于美国科罗拉多州斯奴马西峡谷段(Snowmass Cany on)的第SH-82号高速公路,便经常受到来自位于其靠山坡一侧流域的大小不等的泥石流的威胁,图1是现有SH-82号高速公路穿过典型泥石流堆积扇时的情形。

由于公路交通发展的需要,科罗拉多州高速公路局计划在现有SH-82号高速公路的内侧再增加一条道路,使之成为双向封闭的单行高速公路。为了避免路面的正常运行受到泥石流的频繁威胁,拟对来自靠山坡一侧大小不等流域的泥石流采取必要的工程措施加以控制。初步设计采用了在路面下设置过路涵洞的方法,将来自流域的泥石流通过涵洞输送到公路下侧的谷地[1]。

在传统的过路涵洞设计中,对于泥石流的水力计算并没有现成的方法可寻。本文采用一维泥石流数学模型对过路涵洞设计中的泥石流进行了模拟计算,提出了可靠的过路涵洞与渠道水力设计参数。

2　流域基本特征

第SH-82号高速公路的斯奴马西峡谷段位于美国科罗拉多州的Basalt和Aspen之间。该峡谷段两侧的大小流域可以分为两种类型[2]:高阶流域和低阶流域。高阶流域的河网通常大于3阶,流域面积在21.8ha到36.0ha之间,流域平均坡降在36%和57%之间。底阶流域的河网通常只有1～2阶,流域面积在4.4ha到40.5ha之间,流域平均坡降在53%和78%之间。

位于斯奴马西峡谷段两侧的流域,在河谷和坡脚地带大多有大量的泥石流堆积物。这些堆积物呈喇叭状由从流域出口向河谷延伸,形成典型的冲积扇外形,见图1。堆积物的表面一般是比较均匀的;沿堆积扇垂向的取样分析表明,泥石流在这一地区是十分活跃的,呈周期性发生。

历史上在该地区所发生的泥石流,多是由6至9月份之间强度较大的暴雨和春季5月份迅速融化

作者简介:吴保生(1959-),男,清华大学博士。

收稿日期:2000211228

图1　现有高速公路穿越典型泥石流堆积扇鸟撖图

Fig.1　A photo showing the highway passing through the debris fans

的雪水所触发的。年平均降水量约为490.2mm ,其中53.4%为7～4月份的融雪、46.6%为6～10月份的降雨所产生。

3　泥石流模拟

泥石流是由泥沙颗粒和水组成的泥浆,其中水的体积比一般小于50%(NRC ,1982)[3],通常是由某一时段的暴雨或迅速融雪所产生。泥石流作为非牛顿体,它的运动基本上是以间歇的高速层流运动为主。若不考虑泥石流内部的不均匀性等的影响,则描述泥石流运动的一维基本方程组可以表示为

9Q 9x +9A 9t

=0(1)9Q 9t +9(αQ 2ΠA )9x +gA 9Y 9x

+S f +S e +S i =0(2)其中　式(1)为连续方程,式(2)为能量守恒方程。式中A 为水流过水断面;g 为重力加速度;Q 为流量;S f 为由紊动剪切力所产生的摩阻坡降;S e 为由河道断面局部扩张或收缩引起的坡降;S i 为由内部粘性耗散所产生的摩阻坡降;t 为时间;x 为沿河道的距离;Y 为泥石流的水(表)面高度;α为非均匀流速分布校正系数。

从数值模拟的角度出发,河道水流可以分为洪水(颗粒的体积比含量小于20%)、泥石流洪水(颗粒

的体积比含量在20%和40%之间)和泥石流(颗粒的体积比含量在40%和50%之间)[2]。根据其粘性颗

粒的含量,泥石流又可以分为粘性泥石流和颗粒泥石流。粘性和颗粒泥石流的模拟方法一般包括(Jin

and Fread ,1999)[4]:(a )适合模拟粘性泥石流的粘塑技术;(b )适合模拟颗粒泥石流的颗粒滑动技术;和

(c )适合模拟粘性和颗粒泥石流的综合阻力系数技术。

(a )粘塑技术　对于粘性泥石流,通用的指数流变方程可以表示为

τi (y )=γm S i (h -y )=τy +μ9u 9y

η(3)式中　h 为水深;y 为距河床的距离;u 为沿水流方向的点流速;γm 为泥石流水沙混合体的容重;μ为动力粘滞系数;η为指数方程中的粘性剪切力指数(对宾汉流体,η=1);τi 和τy 分别为内部剪切力和屈服应力。

如果将S i 表示为屈服应力、粘性和有关水力要素的函数,可以得到

[4]S i =τ

y γm D 1+(m +1)(m +2)Q 0.74+0.656m τy μm DA 1m +0.15(4)