CN101701454B - 一种用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体及其应用。该人工结构体包括四个相同长度的柱体，四个柱体的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。将所述人工结构体单个或串连放置在泥石流沟道内或堰塞坝溢流口段使用。与现有技术相比，本发明能够防止泥石流沟道快速下切，大大降低堰塞湖坝体溢流口快速下切产生溃坝风险，能够满足泥石流沟谷防冲刷排泄泥石流、堰塞坝溢流口防冲刷安全排泄洪水的需求，保护两岸的重要工程设施和居民点安全；本发明比传统实心正四面体结构节省造价15％以上，而且方便施工、防冲刷效果更佳。

Description

一种用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体及其应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流和堰塞坝处置的减灾技术，特别是涉及一种用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体及其应用。

背景技术

中国是全球山地灾害多发的国家之一，灾害类型多、分布广、危害重，制约着全国广大山区国民经济发展，威胁人民生命和财产安全。

泥石流灾害是山地灾害的主要类型之一，由于其具有比水高得多的容重，其包含大量块石的流体结构具有特殊性，表现出惯性高、输移力强、冲击力巨大等特点，其危害作用主要有冲刷、冲击、磨蚀、堵塞、淤埋等。对于泥石流的冲刷作用，一般采取固化沟床增强沟床的抗冲刷能力，或者采取软基消能措施来消耗泥石流的部分动能，减小泥石流的冲刷能力，但这些都是被动措施，效果有限。为了有效控制泥石流冲刷能力，研发一种主动调控泥石流冲刷能力的技术势在必行。

2008年5月12日，汶川地震在龙门山前山断裂带和后山断裂带之间及其邻近区域激发了大量的堰塞湖，其中最为引人注目的是北川县的唐家山堰塞湖。这些堰塞湖的风险取决于堰塞坝坝体是否稳定，以及溢流时产生的洪水大小。唐家山堰塞湖泄洪、绵远河的小岗剑堰塞湖泄洪、茶坪河的肖家桥堰塞湖泄洪等几处大型堰塞湖处置结果都显示：堰塞坝溢流口过于快速下切产生超设计排泄洪水，增大下游区域风险，造成一定的社会经济损失。为了降低堰塞湖溃决时下游区域的风险、减小社会经济损失，研发一种控制堰塞坝溢流口快速下切的结构非常必要。

从颗粒组成上看泥石流体与堰塞坝土体有很大的近似之处，主要为砾石土，包含砾石、粗沙、细纱、粉土和粘土，其中砾石含量超过50％，而粘土含量一般在3～20％，故在控制两者下切侵蚀方面有类似之处。基于此，可开发一种防冲刷新结构，控制泥石流沟谷冲刷下切和堰塞坝溢流口冲刷下切。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，针对泥石流沟谷受泥石流冲刷下切、堰塞湖堤坝受排泄洪水冲刷下切的情况，提供一种主动调控泥石流冲刷能力和堰塞坝溢流口快速下切、用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体，以及该人工结构体的单个或串连应用，以实现泥石流沟道和堰塞坝溢流口的动态平衡，达到安全、顺畅排泄泥石流和堰塞湖溢流洪水的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明基于正四面体稳定性最佳的原理，提出一种控制泥石流和堰塞坝下切、用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体，该人工结构体包括四个相同长度的柱体，四个柱体的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。所述柱体可以是六棱柱，或圆柱，等等；所述柱体可以是钢筋混凝土结构或其他结构。

构成所述人工结构体的四个柱体的长度可以利用河流泥沙启动计算公式来估算，结合需要控制的泥石流沟道和堰塞坝溢流口状况，一般柱体长度大于等于(不小于)0.5m。也可以采用基岩抗冲刷和伊兹巴斯公式来估算柱体长度：基岩抗冲刷的流速公式为： $u_c=k\sqrt{D}---\left(1\right)$

伊兹巴斯启动流速公式为： $u_c=K\sqrt{\frac{r_s-r}{r}2\mathrm{gD}}---\left(2\right)$

式中：u_c为人工结构体起动流速，单位m/s；D为人工结构体的外接圆直径，单位m；k为经验系数，一般取5.0～7.0m^0.5/s；r_s为人工结构体容重，单位kN/m³；r为水的容重，取10kN/m³；g为重力加速度，取9.8m/s²；K为稳定系数，一般取0.68～0.72。在设计泄流泥石流体流速和堰塞坝溢流口水流流速下，由式(1)和式(2)可以得出所述人工结构体的柱体长度最小值l。

按照基岩抗冲刷公式为： $l=\frac{D}{2}=\frac{1}{2}{\left(\frac{u_c}{k}\right)}^2---\left(3\right)$

按伊兹巴斯启动公式为： $l=\frac{D}{2}=\frac{r}{4g(r_s-r)}{\left(\frac{u_c}{K}\right)}^2---\left(4\right)$

在实际工程应用中，为了合理确定柱体长度最小值，柱体长度最小值l为

和

两者中的较大值；式中：l-所述柱体长度最小值，单位m；u_c-所述人工结构体起动流速，单位m/s，根据泥石流或堰塞坝的控制流速确定；k-经验系数，取5.0～7.0m^0.5/s，根据工程现场情况取值；r_s-所述人工结构体容重，单位kN/m³，根据人工结构体的材质确定；r-水的容重，取10kN/m³；g-重力加速度，取9.8m/s²；K-稳定系数，取0.68～0.72，根据工程现场情况取值。所述柱体横截面的外接圆直径为柱体长度的0.30～0.80倍。

将所述人工结构体单个放置在泥石流沟道内或堰塞坝溢流口段使用，为了取得更好效果，也可以串连使用。所述人工结构体按照防护要求，制作成一定大小，放置于泥石流沟道内、或堰塞坝溢流口段，充分利用人工结构体与泥石流体和堰塞坝溢流口底床的相互作用，防止泥石流沟道快速下切危害两侧重要工程设施、堰塞坝溢流口过于快速冲刷下切产生超过下游防护标准的洪水而危害下游区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够防止泥石流沟道快速下切，大大降低堰塞湖坝体溢流口快速下切产生溃坝风险，能够满足泥石流沟谷防冲刷排泄泥石流、堰塞坝溢流口防冲刷安全排泄洪水的需求，保护两岸的重要工程设施和居民点安全；本发明比传统实心正四面体结构节省造价15％以上，而且方便施工、防冲刷效果更佳。

附图说明

图1是柱体为圆柱的人工结构体俯视图。

图2是柱体为圆柱的人工结构体立体图。

图3是柱体为六棱柱的人工结构体俯视图。

图4是柱体为六棱柱的人工结构体立体图。

图中标号如下：

1柱体

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

如图1、图2所示。某堰塞湖的堰塞坝体主要由碎石土组成，其平均粒径d₅₀为20cm，d₉₀为100cm，堰塞湖泄洪的控制流速为5.0m/s，为了防止泄洪导致快速溃坝风险，拟向溢流口段抛掷人工结构体。所述人工结构体包括四个相同长度的柱体1，四个柱体1的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。柱体1为圆柱形的钢筋混凝土结构，所述人工结构体的容重为27kN/m³。按照公式

经验系数k取5.0m^0.5/s，人工结构体起动流速u_c为5.0m/s，计算得到0.5m；按照公式

，稳定系数K取0.70，计算得到0.77m；因此，柱体长度最小值l为0.77m，根据成本控制等因素，综合选定人工结构体的柱体1长度为0.9m。柱体1的横截面直径取柱体1长度的0.50倍，即0.45m。

为了取得良好防冲刷效果，预制人工结构体时在四个柱体1的连接部位预埋挂钩，通过钢缆将4个所述人工结构体串连。当溢流流速达到控制流速时，将串连的人工结构体抛入堰塞坝溢流口段即可。

实施例二

如图3、图4所示。某泥石流体主要由碎石土组成，其平均粒径d₅₀为15cm，d₉₀为90cm，泥石流的控制流速为7.0m/s，为了防止泥石流沟谷受泥石流冲刷快速下切，拟向泥石流沟道内抛掷人工结构体。所述人工结构体包括四个相同长度的柱体1，四个柱体1的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。柱体1为六棱柱形的钢筋混凝土结构，所述人工结构体的容重为27kN/m³。按照公式

经验系数k取7.0m^0.5/s，人工结构体起动流速u_c为7.0m/s，计算得到0.5m；按照公式

稳定系数K取0.72，计算得到1.42m；因此，柱体长度最小值l为1.42m，根据成本控制等因素，综合选定人工结构体的柱体1长度为1.50m。柱体1横截面的外接圆直径取柱体1长度的0.30倍，即0.45m。当泥石流流速达到控制流速时，将所述人工结构体单个抛入泥石流沟道内即可。

实施例三

如图1、图2所示。某堰塞湖的堰塞坝体主要由碎石土组成，其平均粒径d₅₀为30cm，d₉₀为120cm，堰塞湖泄洪的控制流速为5.0m/s，为了防止泄洪导致快速溃坝风险，拟向溢流口段抛掷人工结构体。所述人工结构体包括四个相同长度的柱体1，四个柱体1的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。柱体1为圆柱形的钢筋混凝土结构，所述人工结构体的容重为27kN/m³。按照公式

经验系数k取5.0m^0.5/s，人工结构体起动流速u_c为5.0m/s，计算得到0.5m；按照公式稳定系数K取0.68，计算得到0.81m；因此，柱体长度最小值l为0.81m，根据成本控制等因素，综合选定人工结构体的柱体1长度为1.0m。柱体1的横截面直径取柱体1长度的0.80倍，即0.80m。当溢流流速达到控制流速时，将所述人工结构体单个抛入堰塞坝溢流口段即可。

实施例四

如图3、图4所示。某泥石流体主要由碎石土组成，其平均粒径d₅₀为10cm，d₉₀为50cm，泥石流的控制流速为2.0m/s，为了防止泥石流沟谷受泥石流冲刷快速下切，拟向泥石流沟道内抛掷人工结构体。所述人工结构体包括四个相同长度的柱体1，四个柱体1的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。柱体1为六棱柱形的钢筋混凝土结构，柱体1长度为0.50m。柱体1横截面的外接圆直径取柱体1长度的0.60倍，即0.30m。当泥石流流速达到控制流速时，将所述人工结构体单个抛入泥石流沟道内即可。

Claims (7)

1.一种用于泥石流和堰塞坝防冲刷的人工结构体，其特征在于：所述人工结构体包括四个相同长度的柱体(1)，四个柱体(1)的一端集中固定在一点，另一端在空间上组成正四面体的四个顶点。

2.根据权利要求1所述的人工结构体，其特征在于：柱体(1)长度大于等于0.5m。

3.根据权利要求1所述的人工结构体，其特征在于：柱体长度最小值l为

和

两者中的较大值；

式中：u_c-所述人工结构体起动流速，单位m/s，根据泥石流或堰塞坝的控制流速确定；

k-经验系数，取5.0～7.0m^0.5/s，根据工程现场情况取值；

r_s-所述人工结构体容重，单位kN/m³，根据人工结构体的材质确定；

r-水的容重，取10kN/m³；

g-重力加速度，取9.8m/s²；

K-稳定系数，取0.68～0.72，根据工程现场情况取值。

4.根据权利要求2或3所述的人工结构体，其特征在于：柱体(1)横截面的外接圆直径为柱体(1)长度的0.30～0.80倍。

5.根据权利要求1至3任一所述的人工结构体，其特征在于：柱体(1)为六棱柱或圆柱。

6.根据权利要求1至3任一所述的人工结构体，其特征在于：柱体(1)为钢筋混凝土结构。

7.如权利要求1至3任一所述的人工结构体的应用，其特征在于：将所述人工结构体单个或串连放置在泥石流沟道内或堰塞坝溢流口段使用。

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