基于水槽试验的土壤侵蚀治理坝设计准则泥石流冲击力模型的建立

摘要

土壤侵蚀控制坝作为减少泥石流灾害的措施之一，在世界各国得到了广泛的应用。防洪坝的合理设计需要工程上的考虑，但在韩国，目前的大坝设计标准并没有充分反映泥石流的冲击力。在此背景下，本研究旨在估算泥石流的冲击力，为防沙坝设计提供实际依据。通过水槽模拟试验，建立了计算泥石流流速和冲击力的关系式。实验结果表明，混合沙体积的增大和水槽坡度的增大均导致流速的增大。特别是发现随着含粘土量的逐渐增加，水槽坡度对流速增加的影响更大。泥石流的冲击力与水动力模型吻合较好，且与流速呈线性相关关系。然后，基于泥石流速度相关因子，建立了泥石流速度模型。最后，利用所建立的泥石流速度模型与弗劳德数的相关性，建立了泥石流冲击力估算的动力学模型。这两个模型都是利用统计上显著的分水岭特征开发的，与现有模型相比，它们成功地以更准确的方式解释了试验结果。 Therefore, it is highly expected that these models can be fully utilized to estimate impact force of debris flow which will be required to design erosion control dams in practical use through overcoming their identified limitations.

1.介绍

泥石流是指泥沙和水的混合物，由各种土壤颗粒组成，从细粘土到大圆石，以高速冲下山坡的地质现象[1］．泥石流的发生一般有多种原因，特别是在韩国，夏季局部暴雨是泥石流发生的主要原因[2]。在大多数情况下，山坡上的滑坡沉积物流入山间溪流时会变成泥石流。直到20世纪80年代政府几乎完成了重新造林，这种泥石流在韩国才被发现。然而，自2000年以来，其发生率逐渐增加，成为造成最大破坏的泥沙灾害类型。平均滑坡破坏面积为715 2000年代，每年为313公顷 1981-1999年期间每年医管局[3.］．最近，杀死了数十人和造成数百人遭遇的碎片流量，曾在韩国首尔·翁翁·翁翁发生在韩国首尔。它是韩国第一个与沉积物有关的灾难发生并带来了巨大的灾难损坏城市化地区的中心。由于该市发生了毁灭性的滑坡，因此在“日常生活范围”的土地灾害政策的制定中引入了范式转变。

最常见的泥石流防治措施包括结构措施、非结构措施和流域治理。利用土壤侵蚀防治坝的方法是利用建筑物直接阻断泥石流。在人口密度高、土地利用密集的城市地区最适用、最有效。为了发挥ecd在城市地区作为泥石流屏障或破坏结构物的作用，在结构物的设计中应考虑泥石流的动力特性。在日本、奥地利等国家，根据考虑到泥石流冲击力的设计标准，直接建造了许多阻挡泥石流的泥石流屏障。

通常，难以定量地测量碎片流动在该领域的冲击力。因此，已经采用建模方法来计算利用碎片流动和冲击力的流动特性动态的力[4- - - - - -7]水动力模型在实际应用中得到了很好的应用，因为它可以通过泥石流的密度和流速等物理因素对“撞击”的物理现象提供清晰明确的理解[8- - - - - -10］．为了利用水动力模型估算泥石流的冲击力，泥石流流速的估算是最重要的。从简单的经验模型到精确的数值分析，各种方法被广泛应用。虽然数值分析模型的精度很高，但在实际应用中并未得到广泛的应用:(1)现场参数难以获得，(2)验证结果的观测数据不足。因此，一般采用简单的经验模型来估算泥石流的流速。

过去，在建设ECDs时，重点放在恢复退化山区的“水土保持”上，而不是直接防止泥石流的“防灾”上。因此，在设计ecd时，除了考虑沙压和水压的静态特性外，没有充分考虑泥石流冲击力等动力特性。因此，建立适用于韩国情况的泥石流冲击力估算和ECD施工设计标准是十分迫切和必要的。与泥石流发生频率较高的澳大利亚和日本相比，韩国泥石流的规模相对较小。另外，包括每单位设计在内的施工预算(每单位2.5亿韩元(≈20万美元))也更便宜。因此，泥石流的冲击力应采用经济有效的计算方法。

从这一角度出发，本研究建议将泥石流的冲击力纳入ecd的设计中。作为这项工作的一部分，不仅打算利用泥石流屏障的设计因素或流域特性来估计泥石流的流速，而且还打算开发一个基于流速计算冲击力的模型。通过泥石流水槽试验，明确了泥石流流速和冲击力这两个因素之间的关系，并推导出了泥石流流速和冲击力的估算模型。

2.材料和方法

２.１.实验水槽

小型水槽(图1用于岩石流动实验的用于透明聚碳酸酯（PC），它具有0.2M×0.3米的矩形部分，其总长度为2.0米。流动路径的上部与沉积物混合储罐连接，其容量为0.48米^3.配有手动可动门。带有测压元件的测力板安装在流道的底部，用来测量泥沙混合物的冲击力。水槽的坡度在20°到40°的范围内，间隔5°手动可调。

2.2.试验的沉积物混合物

为了模拟水槽试验中泥石流的主要特征，采用不同的黏土、砂石和水的混合组合。根据2011年发生泥石流事件的牛面山周边水域的现场调查结果，确定了沉积物混合物的组成。SMG [11]表明，泥石流中发现的最大漂砾直径为1.5-2.0 m。根据实验水槽与实际泥石流的长度比1:30 0，将代表大颗粒的砾石直径平均设为5mm。据报，淤泥和粘土均占该址堆石层总颗粒成分的约50% [11］．然而，砂和粘土的比例设定为1至1，相同的场比，而如果考虑到1：300的长度比，则难以满足动态相似性。

在考虑了混合泥沙的颗粒组成后，我们在混合泥沙的各种特性中选择了“总体积”和“粘度”两个影响流速和水流深度的因素。将各因子(总体积和粘度)分别划分为3个等级，共得到9种类型的沉积物混合物(表)1)．具体而言，混合沉积物体积分为3个大小-小(指数“S”，“5.03 × 10”⁻³ m^3.)，中(标度“M”，6.65 × 10⁻³ m^3.)和大(标度“L”，“8.35 × 10⁻³ m^3.)．黏度方面，粘粒含量分别为混合沉积物总质量的21% (A)、25% (B)和29% (C)。除上述两个因素外，密度为1676 kg·m⁻³各组沉积物混合物中0.36的重力水含量固定为相同的值。

2．3.实验条件与结果分析

为了测量混合泥沙的流速和冲击力，在水槽坡度25°、30°和35°三种条件下，每9种不同体积和粘土含量的混合泥沙进行3次水槽试验。每次进行实验时，混合泥沙的水和土壤都要充分混合，然后放入水槽储存。之后，即使在存储门打开之前，它们也被不断地搅拌，以减少分离。然后，打开储水闸门，排出沉淀物混合物。安装摄像机来捕捉混合泥沙的流动过程，当混合泥沙到达流道底部与测压元件相连的平板时，测量碰撞力。

利用两个摄像机(30帧/秒)的图像分析方法获得了沉积物混合物的流动特性。从前视摄像头图像分析流速，从侧视摄像头图像估计流动深度。作为流速，我们采用混合泥沙在冲击水槽力板前的喷流速度。此外，在距离力板0.1 m处的混合泥沙的最大口深作为流动深度。采用CAS MN-100L型测压元件和80 Hz采样频率的数据记录仪(CAS CI-201A型)测量气流的冲击力。

对实验结果进行统计分析，提出了相应的模型，如流速、水流深度与混合泥沙冲击力的关系。采用三向方差分析对流速、冲击力、混合泥沙体积、含粘土量等实验参数与水槽坡度的相关性进行统计分析。根据试验结果，推导了泥石流冲击力模型的模型参数，并通过回归分析，确定了模型系数与表征流动特性的弗劳德数(Froude number, Fr)的关系。R软件版本。使用3.3.2进行统计分析并引入模型。

3.结果与讨论

３．１．水槽实验结果

3.1.1。考虑相似

通过水槽试验和实际泥石流事件的弗劳德数对比，对泥石流的重现性进行了评价。本研究水槽试验结果表明，Fr为2.3 ~ 9.1。2011年牛面山泥石流事件的Fr没有测量到流速，因此很难进行比较。”在小于25°的平缓坡度下，泥石流的Fr一般为0 ~ 3 [6，12］．据报道，在某些情况下，它的范围在5至7之间[5，12］．在小型水槽试验中[12，13]被评估为再现泥石流现象，Fr范围为1.2至12。综上所述，水槽试验中的Fr范围显示出与先前研究一致的趋势。因此，可以得出结论，当前研究再现了泥石流。

3.1.2。实验条件下流动特性和冲击力的变化

如图所示2，结果表明，当粘土含量下降时，当混合物的水槽梯度和增加时，沉积物混合物的流速趋于增加（表2)．研究结果表明，黏土矿物含量越高，水槽坡度对混合泥沙流速增加的影响越大。而水槽坡度增大或体积增大重力使流速加快，证明了粘土矿物含量增加引起的内切摩擦能量损失导致流速降低[14，15］．

研究发现，混合沉积物的流动深度与体积( ， 价值 < 0.01），尽管水槽坡度和粘土含量之间的相关性在统计上很弱（图3.)．一般来说，泥石流的总体积与水流深度之间的关系是众所周知的[16]，但假设混沙水流深度、含粘土量与水槽坡度相关性如此弱，可能受到摄像机性能测量误差、混沙状态未完全混合等因素的影响。

试验结果表明，水槽坡度、混合泥沙体积、混合泥沙含土量与混合泥沙冲击力的显著性均为99%(方差分析)。同时，水槽坡度与黏土含量(价值 < 0.01). 考虑到流速和冲击力之间的关系（表示为流体动力学模型），这似乎反映了流速随坡度的增加而增加的速率随粘土含量而变化。

3.1.3。混合泥沙的流动特性与冲击力的关系

数字4分别显示了受冲击力影响的混合泥沙流速和流速深度。根据图4，流速与冲击力呈线性相关，流速与冲击力线性相关较弱。

在以前的研究中[6，12),表明水动力模型之间存在线性相关的平方流速和泥石流冲击力,但结果表明,冲击力有接近线性相关与流速指数流速的实验是接近1。这是因为水动力模型的系数与Fr呈线性相关关系⁻¹［12].因为⁻¹为与流速成正比的无量纲系数，冲击力乘以Fr⁻¹和流速的平方，在仅表示为流速的情况下，如图所示4（a）．

3.2.泥石流速度模型的估算

现有泥石流流速模型大多表示为河道坡度与流量的函数，流量以流深表示[5，14或立即排出[16］．同时，水流深度或瞬时流量与总输沙量密切相关[10，16]，水槽实验结果也表明，流动深度与混合物总体积的关系相似。考虑到这种相关性，本研究在水槽试验结果的基础上建立了水槽梯度与水沙混合量的函数来估计泥石流流速。实验结果表明，在一定的水槽梯度下，泥石流流速的变化受粘粒含量(“黏度”)的影响。在此基础上，将混合泥沙粘度的幂函数设为水槽梯度的指数。建立泥石流速度估算公式如下: 在哪里代表泥石流流速（m·s）⁻¹），年代水槽的坡度为(m·m⁻¹），Cr是粘度因子，为混合沉淀物体积(m^3.）， 和C_e，α，β， 和γ都是常量。它遵循常量的值α，β，γ， 和C_e是一步步计算出来的。(一)体积不变γ：卷常数γ在A、B、C三种黏土含量的各水槽梯度处计算为0.1966 (< 0.01)， 0.3936 (价值 < 0.01）和0.3484(值< 0.05)。如果方程两边的尺寸(1)因流动深度或体积指数常数而不同C_e用L来抵消这个。如Rickenmann所述[16]和Eu和Im [14]，如果我们使用尺度为L的常数，由于尺度问题，在现实中很难解释泥石流。因此，在本研究中，我们假设γ为无量纲值，即0.33(≈1/3)，在现场适用性更好。(2)经验常数C_e:由于γ是确定的，方程两边(1)除以 ，表示为式(2).然后，决定C_e，我们进行了电力模型的回归分析。同时，很难计算C_e采用简单幂模型回归自指数年代还表达为具有α和β的功率功能形式，如未知。因此，为了最小化未知，电力模型回归在粘土内容A，B和C中得出;它表示为等式（3.) - (5）， 分别。作为结果C_e在方程(3.) - (5)显示出非常小的变化，我们估计的价值C_e为由式(3.) - (5)． (3)α和β:方程(6)，当方程两边同时用对数(ln)，然后离开时得到b右手。在这里,b是等式（1）：

的值α和β，将水槽实验结果代入式(6)．至于粘度指数，我们采用了在Jeong中使用的水粘土比的通用值[17]除了含有更大变异性的土壤中的粘土含量。在河东的研究中[17，利用流动性指数(LI)来评价泥石流的黏度。阿特伯格极限被评价为小于425微米的细颗粒的数量，这与当前研究中使用的沉积物混合物中的粘土相对应。因此，采用式(6)，当考虑与Atterberg极限的相关性时。我们假设方程(6)作为回归方程的幂函数，其结果对常数的取值有很大影响α和β作为α = 1.54 (值< 0.01)和β = −1.76 (值< 0.01)。最后,方程(7)代入常数后得到γ，C_e，α， 和β，由(i)派生为(iii):

方程式(7)是根据本研究的实验结果推导出的泥石流流速模型。比较衍生模型与现有模型[14，16用实验结果，表3.表明，推导模型的方差系数(CV)和均方根误差(RMSE)最小。原因假定CV为C_e方程中的值(7)足够小，比其他模型受规模的影响较小。C_e有t.⁻¹尺寸相同，剪切速率与流体的剪切应力密切相关。剪切应力受流体粘度和河床表面粗糙度的影响。特别是,C_e实验中采用了光滑的水槽床，没有经过一定的粗糙度调整处理，不能充分反映现实中泥石流河床的粗糙度状况。因此,更精确C_e如果考虑到流床的粗糙度的剪切应力模型用于估计它，则可以引入值。

3．3.泥石流冲击力模型的估计

泥石流流速计算模型假设为(7)，并尝试引入水动力模型、方程(8)，根据式(7）： 在哪里表示泥石流的冲击力，一个是一个系数，ρ是泥石流的密度(单位重量)，和是泥石流的速度。各种研究[12，20.，21]表示一个在方程(8)和Fr有幂函数关系。利用泥石流水槽试验结果和泥石流事件观测结果[12，系数之间的相关性一个和Fr可以估计为图5和等式（9)．特别是,方程(9与…的关系相似一个和fr（ ），根据先前研究建议的1.2到12的Fr范围进行估计[13用小型水槽实验。通过对相关先例的研究，我们可以得出结论，即两者之间的关系一个和Fr在本研究中产生的一般结果，可适用于广泛的Fr。

最后，结合方程(7) - (9）被结束为

方程(10)、输沙量、土壤中细颗粒含量和水槽梯度与ECD设计的必要组成密切相关。在韩国为设计ECD进行现场调查，包括地形调查、土壤调查和泥沙流量估算。因此，假设除实地调查费用外，不需要额外费用，如公式(10)工作。此外,方程(10）还将细土颗粒考虑到碎片流动冲击力的计算中。最近，几项研究表明，可以通过相移引起的细土颗粒的可能性，这可能导致密度和碎片流量的变化增加[22，23］．这些最近的发现很好地反映在方程式(10)．

但是，利用方程(10）在实践中反映它在设计ECDS时。首先，应考虑沉积物或泥石流水分含量的估计方法。虽然水分含量是决定碎屑流动和流动特性的密度和体积的重要因素，但是当现场发生真实的碎屑流动时，难以准确地估计水分含量。此外，还存在“沉积物排放量”的不确定性，“体积”在本研究中，被用作输入变量。由于泥石流在其流动过程中反复经历土壤侵蚀和沉积阶段，很难准确地确定某一点的输沙量。为了克服这些挑战，一些研究试图利用瞬时流量计算流速和泥石流的冲击力。但由于实验设备的限制，目前的研究并没有反映出来。最后，所建立的模型对“真实”泥石流事件的适用性在本研究中还没有得到充分的检验。以往研究的泥石流个案[5，12]不完全支持方程式中要求的变量信息(10)，并利用经验模型估算其流速和冲击力。方程(10)，由于这些外地数据使用的困难，没有得到充分的检查。因此，今后应利用大型水槽试验观测值或实际泥石流情况，对现场应用进行回顾。

综合而言，模型、方程(10)，应通过进一步的实验加以改进和验证，并在实践中加以应用。但是，即使对该模型进行了改进和补充实验验证，也有其自身的局限性，因为在野外的什么条件下(如土壤含水量)会发生泥石流是不可避免的。由于本研究中提出的模型均以简单的经验公式表示，无法像数值模型那样详细地估计泥石流的动力特征及其冲击力的时间变化[23，24］．尽管有这些挑战，方程(10)之所以有意义，原因如下:(i)在很少的实际假设下，影响泥石流的力量可以很容易地估计成本有效地在韩国有这样一种情况,在相关的设计标准不足和(2)模型是通过水槽试验开发考虑土壤和地形特征在韩国当我们在现场为泥石流观测设备不足。从这个意义上说，目前的研究结果可以为今后进一步的相关实验奠定基础。

4.结论

这项研究是建议在韩国设计ECD时考虑泥石流冲击力的初步工作。作为这项工作的一部分，进行了水槽试验，以开发模型来估算泥石流的冲击力。泥沙混合条件、水流特征和泥石流冲击力之间的相关性对韩国地区的泥石流速度和冲击力进行了统计分析，特别是将土壤和地形特征应用到模型中，作为考虑泥石流发生的区域条件的一部分。ECDs的设计因子作为模型的输入变量，用于估算泥石流的冲击力，以实现成本效益。

综上所述，在韩国的特定条件下，所开发的模型在实际水平上具有足够的适用性，尽管存在一些明显的局限性，需要通过进一步的实验加以解决。高度期望该模型能够在现场得到更好的利用，并通过额外的实验进行一些改进。如果今后能够获得足够的泥石流现场观测资料，该模型在实际应用中会有很大的进步。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

本研究在国家林业局“林业科技攻关计划”(项目号:林业局科技攻关计划)的支持下开展。2017061B10-1919-AB01)”，由韩国林业振兴院提供。

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