CN102086635B - 一种主河输移控制型泥石流防治方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主河输移控制型泥石流防治方法。该方法首先根据主河输移能力,采用排导工程进行泥石流防治;在排导工程的基础上,如果尚有泥石流物质不能被主河向下游输移,则采用排导工程加拦挡工程进行泥石流的防治;如果在排导工程和拦挡工程的基础上,还有泥石流物质不能完全消耗,则采用排导工程、拦挡工程和停淤工程组合进行泥石流的防治。与现有技术相比,本发明充分利用主河的输移能力,以疏为主,同时基于泥石流物质进行沿程合理分配,对泥石流防治工程体系进行合理配置,实现泥石流的安全排泄,避免过度排泄泥石流导致堵塞主河产生堰塞湖的二次灾害,充分保障位于泥石流沟口的山区城镇、重大工程和基础设施的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种泥石流防治技术,特别是涉及一种基于泥石流物质沿程分配的主河输移控制型泥石流防治方法,也是一种泥石流防治工程体系的规划设计方法。
背景技术
泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一。目前,泥石流堵塞主河产生二次灾害,如形成堰塞坝、造成堰塞湖淹没上游区域的情况越来越被关注。2010年8月8日,甘肃舟曲县三眼峪暴发大型泥石流,泥石流淤埋县城、堵塞主河白龙江形成堰塞湖,淹没了近半个县城,造成重大的人员伤亡和财产损失;2010年8月13日,四川绵竹市清平乡文家沟暴发大型泥石流,堵塞主河,造成十余人死亡和失踪,及大量汶川地震后重建民房被淤埋。
随着山区经济的发展、西部大开发的深化,泥石流工程治理需求越来越旺盛。在以往的泥石流防治设计中很少考虑主河输移能力的影响,泥石流物质总量在各防治工程中分配不均衡,导致即使修建排导槽、拦砂坝、停淤场等泥石流防治工程,仍然会出现泥石流堵塞主河的情况,甚至出现因排导过度,加剧泥石流堵塞主河的情况。
为了防止泥石流堵塞主河产生二次灾害,在泥石流防治设计中必须充分考虑主河输移能力,对泥石流物质进行沿程合理分配,避免排泄超过主河输移能力的泥石流体进入主河而产生的淹没或溃决洪水灾害,这样才能保障泥石流沟口的城镇、重大工程和基础设施的安全。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足,针对目前山区常出现泥石流堵塞主河形成堰塞坝、造成堰塞湖淹没上游区域的情况,提供一种基于泥石流物质沿程分配的主河输移控制型泥石流防治方法,在最大限度利用主河输移能力的基础上,通过对泥石流物质进行沿程合理分配,采用相应工程措施进行泥石流防治,实现泥石流的安全排泄,避免过度排泄泥石流导致堵塞主河产生堰塞湖的二次灾害,充分保障位于泥石流沟口的山区城镇、重大工程和基础设施的安全。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
本发明提出的基于泥石流物质沿程分配的主河输移控制型泥石流防治方法,其主要技术思想是:首先最大限度利用主河输移能力,体现以疏为主的理念,根据主河输移能力确定通过排导工程可以向主河排泄泥石流的峰值流量;由于在排导、拦挡、停淤这三大泥石流防治工程措施中,拦挡工程因交通不便而施工难度较大,停淤工程占地面积更大,因此在泥石流防治中首先考虑排导工程的使用。然后,基于泥石流物质的沿程分配和物质平衡,对泥石流防治工程体系进行合理配置:如果泥石流物质能全部被主河向下游输移,则仅采用排导工程进行泥石流的防治;在排导工程的基础上,如果尚有泥石流物质不能被主河向下游输移,则采用排导工程加拦挡工程进行泥石流的防治;如果在排导工程和拦挡工程的基础上,还有泥石流物质不能完全消耗,则采用排导工程、拦挡工程和停淤工程组合进行泥石流的防治。
具体而言,本发明提出的一种主河输移控制型泥石流防治方法,在最大限度利用主河输移能力(即在不堵塞主河的条件下,充分利用主河能排泄的泥石流最大流量)的基础上,通过对泥石流物质进行沿程合理分配(即分配给排导、拦挡、停淤工程所能消耗的泥石流物质流量),进而采用相应工程措施进行泥石流防治,步骤如下:
A.依据历史泥石流灾害洪痕调查或小流域水文计算,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal。
B.基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage。
C.当QTotal≤QDrainage(即设计标准下泥石流峰值流量QTotal小于等于通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,也即泥石流物质能全部经排导工程通过主河向下游输移),则只采用排导工程(主要指泥石流排导槽)进行泥石流防治(即所述泥石流防治方法终止,不再进行步骤D及以下步骤);当QTotal>QDrainage(即设计标准下泥石流峰值流量QTotal大于通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,也即泥石流物质不能全部通过主河向下游输移),则采用排导工程加拦挡工程进行泥石流防治(即增加拦挡工程配合排导工程进行泥石流防治),然后进行步骤D。
D.根据流域中上游拦砂坝、谷坊和固床坝等拦挡工程,确定通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock。
E.当QTotal≤QDrainage+QBlock(即设计标准下泥石流峰值流量QTotal小于等于通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage加上通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,也即泥石流物质能通过排导工程和拦挡工程完全消耗),则只采用排导工程加拦挡工程组合进行泥石流防治(即所述泥石流防治方法终止,不再进行步骤F);当QTotal>QDrainage+QBlock(即设计标准下泥石流峰值流量QTotal大于通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage加上通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,也即泥石流物质不能通过排导工程和拦挡工程完全消耗),则同时采用排导、拦挡、停淤三大工程进行泥石流防治,然后进行步骤F。
F.根据泥石流流域物质平衡原则,根据步骤A得到的设计标准下泥石流峰值流量QTotal、步骤B得到的通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage、以及步骤D得到的通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,确定进入停淤工程的洪峰流量QDeposit,计算式QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock。
当只采用排导工程进行泥石流防治时,上述得到的QTotal作为排导工程的峰值流量设计值。当只采用排导工程加拦挡工程组合进行泥石流防治时,上述得到的QDrainage作为排导工程的峰值流量设计值;(QTotal-QDrainage)作为拦挡工程的削减峰值流量计算值,根据防治工程的设防标准,对拦挡工程的实际设计可增加一个安全系数k,因此所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=(QTotal-QDrainage)×k。当同时采用排导、拦挡、停淤三大工程进行泥石流防治时,上述得到的QDrainage作为排导工程的峰值流量设计值;上述得到的QBlock作为拦挡工程的削减峰值流量计算值,QDeposit作为停淤工程的洪峰流量计算值,根据防治工程的设防标准,对拦挡和停淤工程的实际设计,可增加一个安全系数k,因此所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=QBlock×k,所述停淤工程的洪峰流量设计值=QDeposit×k。所述k为安全系数,根据保护对象的重要程度来确定,具体取值要有利于增加工程安全性。对于一般保护对象,1.0≤k<1.1;对于较重要的保护对象,1.1≤k<1.2;对于特别重要的保护对象,1.2≤k。
上述步骤B中,基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,步骤如下:首先通过调查或小流域水文计算确定设计标准下主河的洪峰流量QM,然后计算出通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,计算式如下(根据何易平等提出的泥石流堵塞主河的流量判别式ln FR-0.883(1-cosθ)2-2.587γ<-8.572且FR=Qm/Qd推导出):
Qm=QM/B
QDrainage=Qd×b
式中:Qm-主河的单宽流量(即单位时间内通过主河单位长度的流体体积),单位m3/s/m(即每秒钟通过每一米主河的流体立方数);
QM-设计标准下主河的洪峰流量,单位m3/s;
B-主河宽度,单位m,根据排导槽进入主河位置测量确定;
Qd-泥石流排导槽的单宽流量(即单位时间内通过排导槽单位长度的流体体积),单位m3/s/m(即每秒钟通过每一米排导槽的流体立方数);
θ-泥石流排导槽与主河的夹角,单位°,根据排导槽在泥石流堆积扇上规划走向与主河夹角测定;
γc-泥石流重度,单位kN/m3,根据历史灾害调查确定或堆积土体颗粒级配来确定;
γw-主河水流重度,一般取值为10kN/m3;
QDrainage-通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量,单位m3/s;
b-泥石流排导槽拟定宽度,单位m,根据类似成功防治工程排导槽拟定。
上述步骤A中,采用历史泥石流灾害洪痕调查方法,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal,步骤如下:首先在泥石流流域中部流通段选取沟道顺直、沟床比降较为均一、冲淤较为均衡沟段;然后测量历史泥石流的最大洪痕高度,计算过流面积S,测量沟床纵比降J,按照水文学方法计算泥石流流速V;最后根据QTotal=S×V确定设计标准下泥石流峰值流量。
上述步骤A中,采用小流域水文计算方法(一般采用配方法进行计算),确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal,计算公式为:QTotal=(1+φc)DuQb;φc=(γc-γw)/(γs-γc)。式中:QTotal-设计标准下泥石流峰值流量,单位m3/s;φc-泥石流洪峰流量增加系数;Du-泥石流沟道堵塞系数,一般取值为1.0~3.0;Qb-设计标准下的清水流量,单位m3/s,可参见各省地区水文手册进行计算;γs-泥石流体中固体重度,一般取值为27kN/m3;γc-泥石流重度,单位kN/m3,根据历史灾害调查确定或堆积土体颗粒级配来确定;γw-清水重度,一般取值为10kN/m3。
上述步骤D中,所述通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,与拦砂坝和谷坊的高度、库容、坝体开孔大小等多种因素相关,目前主要根据经验确定,一般取QBlock=(0.3~0.8)QTotal。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:充分利用主河的输移能力,以疏为主,同时基于泥石流物质进行沿程合理分配,对泥石流防治工程体系进行合理配置,实现泥石流的安全排泄,避免过度排泄泥石流导致堵塞主河产生堰塞湖的二次灾害,充分保障位于泥石流沟口的山区城镇、重大工程和基础设施的安全。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。
实施例一
某泥石流流域面积为2.6km2。采用本发明的主河输移控制型泥石流防治方法,在最大限度利用主河输移能力的基础上,通过对泥石流物质进行沿程分配,采用相应工程措施进行泥石流防治,步骤如下:
A.依据历史泥石流灾害洪痕调查方法,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal。首先在泥石流流域中部流通段选取沟道顺直、沟床比降均一、冲淤均衡沟段;然后测量历史泥石流的最大洪痕高度,计算泥石流最大过流面积S=4.8m2,测量沟床纵比降J=0.15,按照水文学方法计算泥石流流速V=5.6m/s;最后确定在20年一遇的设计标准下泥石流峰值流量QTotal=S×V=26.9m3/s。
B.基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage。通过调查计算确定20年一遇设计标准下主河的洪峰流量QM=420m3/s,根据排导槽进入主河位置测量确定主河宽度B=40m,则主河的单宽流量Qm=QM/B=10.5m3/s/m。经过室内堆积土体颗粒级配分析,20年一遇设计标准下泥石流重度γc=21kN/m3;主河水流重度γw=10kN/m3;初步规划泥石流排导槽与主河的夹角θ=60°,且泥石流排导槽拟定宽度b=3.0m。则泥石流排导槽的单宽流量 最后计算出通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage=Qd×b=755.4m3/s。
C.由于满足QTotal≤QDrainage,则只采用排导工程进行泥石流防治。
步骤A中得到的QTotal作为排导工程的峰值流量设计值,即所述排导工程设计的峰值流量为26.9m3/s。
实施例二
某泥石流流域面积为14.1km2。采用本发明的主河输移控制型泥石流防治方法,在最大限度利用主河输移能力的基础上,通过对泥石流物质进行沿程分配,采用相应工程措施进行泥石流防治,步骤如下:
A.依据小流域水文计算,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal。通过流域历史灾害调查与勘测确定,20年一遇的泥石流重度γc=20kN/m3;泥石流体中固体重度γs=27kN/m3,清水重度γw=10kN/m3,泥石流沟道堵塞系数Du=2.0,按照小流域水文计算方法20年一遇的清水流量Qb=74.0m3/s,则泥石流洪峰流量增加系数φc=(γc-γw)/(γs-γc)=1.43,20年一遇的设计标准下泥石流峰值流量QTotal=(1+φc)DuQb=359.6m3/s。
B.基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage。通过小流域水文计算确定20年一遇设计标准下主河的洪峰流量QM=150m3/s,根据排导槽进入主河位置测量确定主河宽度B=35m,则主河的单宽流量Qm=QM/B=4.3m3/s/m。通过流域历史灾害调查与勘测确定,20年一遇设计标准下泥石流重度γc=20kN/m3;主河水流重度γw=10kN/m3;初步规划泥石流排导槽与主河的夹角θ=90°,且泥石流排导槽拟定宽度b=5.0m。则泥石流排导槽的单宽流量最后计算出通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage=Qd×b=265.9m3/s。
C.由于QTotal>QDrainage,则不能只考虑采用排导工程进行泥石流防治,而考虑增加拦挡工程配合排导工程进行泥石流防治,然后进行步骤D。
D.通过对流域中上游勘测,具备修建谷坊和拦砂坝等拦挡工程的条件,初步估算确定通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock=0.8QTotal=287.7m3/s。
E.由于满足QTotal≤QDrainage+QBlock,则只采用排导工程加拦挡工程组合进行泥石流防治。
根据最大限度利用主河输移能力原则,步骤B中得到的QDrainage作为排导工程的峰值流量设计值,即所述排导工程设计的峰值流量为265.9m3/s;(QTotal-QDrainage)作为拦挡工程的削减峰值流量计算值,由于泥石流沟口有特别重要的保护对象,则安全系数k取1.2,得到所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=(QTotal-QDrainage)×k=112.4m3/s,即所述拦挡工程设计的削减峰值流量为112.4m3/s。
实施例三
某泥石流流域面积为24.1km2。采用本发明的主河输移控制型泥石流防治方法,在最大限度利用主河输移能力的基础上,通过对泥石流物质进行沿程分配,采用相应工程措施进行泥石流防治,步骤如下:
A.依据小流域水文计算,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal。通过流域历史灾害调查与勘测确定,50年一遇的泥石流重度γc=21kN/m3;泥石流体中固体重度γs=27kN/m3,清水重度γw=10kN/m3,泥石流沟道堵塞系数Du=3.0,按照小流域水文计算方法50年一遇的清水流量Qb=158.3m3/s,则泥石流洪峰流量增加系数φc=(γc-γw)/(γs-γc)=1.83,50年一遇的设计标准下泥石流峰值流量QTotal=(1+φc)DuQb=1344.0m3/s。
B.基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage。通过小流域水文计算确定50年一遇设计标准下主河的洪峰流量QM=650m3/s,根据排导槽进入主河位置测量确定主河宽度B=100m,则主河的单宽流量Qm=QM/B=6.5m3/s/m。通过流域历史灾害调查与勘测确定,50年一遇设计标准下泥石流重度γc=21kN/m3;主河水流重度γw=10kN/m3;初步规划泥石流排导槽与主河的夹角θ=90°,且泥石流排导槽拟定宽度b=10.0m。则泥石流排导槽的单宽流量最后计算出通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage=Qd×b=621.0m3/s。
C.由于QTotal>QDrainage,则不能只考虑采用排导工程进行泥石流防治,而考虑增加拦挡工程配合排导工程进行泥石流防治,然后进行步骤D。
D.通过对流域中上游勘测,具备修建谷坊和拦砂坝等拦挡工程的条件,初步估算确定通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock=0.3QTotal=403.2m3/s。
E.由于QTotal>QDrainage+QBlock,需同时采用排导、拦挡、停淤三大工程进行泥石流防治,然后进行步骤F。
F.根据步骤A得到的设计标准下泥石流峰值流量QTotal、步骤B得到的通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage、以及步骤D得到的通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,确定进入停淤工程的洪峰流量QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock=319.8m3/s。
根据最大限度利用主河输移能力原则,步骤B中得到的QDrainage作为排导工程的峰值流量设计值,即所述排导工程设计的峰值流量为621.0m3/s;步骤D中得到的QBlock作为拦挡工程的削减峰值流量计算值,步骤F中得到的QDeposit作为停淤工程的洪峰流量计算值,由于泥石流沟口有较重要的保护对象,则安全系数k取1.1,得到所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=QBlock×k=403.2×1.1=443.5m3/s,所述停淤工程的洪峰流量设计值=QDeposit×k=319.8×1.1=351.8m3/s,即所述拦挡工程设计的削减峰值流量为443.5m3/s,所述停淤工程设计的洪峰流量为351.8m3/s。
Claims (3)
1.一种主河输移控制型泥石流防治方法,其特征在于:所述泥石流防治方法在最大限度利用主河输移能力的基础上,通过对泥石流物质进行沿程分配,采用相应工程措施进行泥石流防治,步骤如下:
A.依据历史泥石流灾害洪痕调查或小流域水文计算,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal;
采用历史泥石流灾害洪痕调查方法,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal,步骤如下:首先在泥石流流域中部流通段选取沟道顺直、沟床比降均一、冲淤均衡沟段;然后测量历史泥石流的最大洪痕高度,计算过流面积S,测量沟床纵比降J,按照水文学方法计算泥石流流速V;最后根据QTotal=S×V确定设计标准下泥石流峰值流量;
采用小流域水文计算方法,确定设计标准下泥石流峰值流量QTotal,计算公式为:QTotal=(1+φc)DuQb;φc=(γc-γw)/(γs-γc);式中:QTotal-设计标准下泥石流峰值流量,单位m3/s;φc-泥石流洪峰流量增加系数;Du-泥石流沟道堵塞系数,取值为1.0~3.0;Qb-设计标准下的清水流量,单位m3/s,参见各省地区水文手册进行计算;γs-泥石流体中固体重度,取值为27kN/m3;γc-泥石流重度,单位kN/m3,根据历史灾害调查确定或堆积土体颗粒级配来确定;γw-清水重度,取值为10kN/m3;
B.基于主河的输移能力,确定通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,步骤如下:首先通过调查或小流域水文计算确定设计标准下主河的洪峰流量QM,然后计算出通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage,计算式如下:
Qm=QM/B
QDrainage=Qd×b
式中:Qm-主河的单宽流量,单位m3/s/m;
QM-设计标准下主河的洪峰流量,单位m3/s;
B-主河宽度,单位m,根据排导槽进入主河位置测量确定;
Qd-泥石流排导槽的单宽流量,单位m3/s/m;
θ-泥石流排导槽与主河的夹角,单位°,根据排导槽在泥石流堆积扇上规划走向与主河夹角测定;
γc-泥石流重度,单位kN/m3,根据历史灾害调查确定或堆积土体颗粒级配来确定;
γw-主河水流重度,取值为10kN/m3;
QDrainage-通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量,单位m3/s;
b-泥石流排导槽拟定宽度,单位m;
C.当QTotal≤QDrainage,则只采用排导工程进行泥石流防治;当QTotal>QDrainage,则采用排导工程加拦挡工程进行泥石流防治,然后进行步骤D;
D.根据流域中上游拦挡工程,确定通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,
QBlock=(0.3~0.8)QTotal;
E.当QTotal≤QDrainage+QBlock,则只采用排导工程加拦挡工程组合进行泥石流防
治;当QTotal>QDrainage+QBlock,则同时采用排导、拦挡、停淤三大工程进行泥石流防治,然后进行步骤F;
F.根据步骤A得到的设计标准下泥石流峰值流量QTotal、步骤B得到的通过泥石流排导槽可以向主河排泄泥石流的峰值流量QDrainage、以及步骤D得到的通过稳定和拦挡削减泥石流峰值流量QBlock,确定进入停淤工程的洪峰流量QDeposit,计算式QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock。
2.根据权利要求1所述的主河输移控制型泥石流防治方法,其特征在于:当只采用排导工程进行泥石流防治时,所述排导工程的峰值流量设计值=QTotal;当只采用排导工程加拦挡工程组合进行泥石流防治时,所述排导工程的峰值流量设计值=QDrainage,所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=(QTotal-QDrainage)×k;当同时采用排导、拦挡、停淤三大工程进行泥石流防治时,所述排导工程的峰值流量设计值=QDrainage,所述拦挡工程的削减峰值流量设计值=QBlock×k,所述停淤工程的洪峰流量设计值=QDrainage×k;k为安全系数,根据保护对象的重要程度来确定。
3.根据权利要求2所述的主河输移控制型泥石流防治方法,其特征在于:对于一般保护对象,1.0≤k<1.1;对于较重要的保护对象,1.1≤k<1.2;对于特别重要的保护对象,1.2≤k。
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