CN103195024A - 自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝及其设计方法。所述分流坝包括坝体基础及设于坝体基础之上的坝体主体；坝体主体的底部设有连接排导槽的分流孔，坝体主体的顶部设有连接停淤场的分流堰；分流堰位于分流孔的侧上方，分流孔的顶面高程与分流堰的底面高程相同；分流孔的横截面大小根据排导槽设计流量确定，分流堰的横截面大小根据停淤场设计流量确定。与现有技术相比，本发明充分利用分流孔控制进入排导槽的泥石流流量，合理、高效地将泥石流分配给排导槽和停淤场，防止超设计标准泥石流在排导槽内满溢威胁下游保护对象，而且也防止超设计标准泥石流进入主河堵塞主河形成堰塞湖产生二次灾害。

Description

自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种能够自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝及其设计方法。

背景技术

泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一。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。泥石流堵塞主河产生的二次灾害越来越被关注。

随着山区社会经济发展，泥石流工程治理需求越来越旺盛。为了防止泥石流堵塞主河产生二次灾害，申请人于2010年12月31日申请了专利号为ZL201010617466.8、名称为“一种主河输移控制型泥石流防治方法”的发明专利。该专利提出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；但是对于如何实现工程措施的合理配置，例如泥石流在排导槽和停淤场之间如何合理、高效分配，还需要进一步研发相应的工程结构来实现。

发明内容

本发明的目的就是针对目前泥石流防治中缺乏措施在排导槽和停淤场之间分配泥石流的情况，对堆积扇顶、沟道宽阔有修建分流坝条件的泥石流防治，提供一种自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝及其设计方法，合理、高效地将泥石流依次分配给排导槽和停淤场，既充分利用排导槽向主河排放泥石流而发挥主河的输移能力，又防止超设计标准泥石流在排导槽内满溢威胁下游保护对象，还进一步防止超设计标准泥石流进入主河堵塞主河形成堰塞湖产生二次灾害。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，包括坝体基础及设于坝体基础之上的坝体主体；所述坝体主体的底部设有连接排导槽的分流孔，所述坝体主体的顶部设有连接停淤场的分流堰；分流堰位于分流孔的侧上方，分流孔的顶面高程与分流堰的底面高程相同；分流孔的横截面大小根据排导槽设计流量确定，分流堰的横截面大小根据停淤场设计流量确定。

分流堰的横截面为梯形，分流堰的横截面大小（即分流堰平均宽b₂和分流堰深度h₂）根据以下公式确定，同时满足分流堰平均宽b₂为分流堰深度h₂的1.0-2.0倍：式中Q_deposit为停淤场设计流量，单位m³/s，可根据专利“一种主河输移控制型泥石流防治方法”（专利号为ZL201010617466.8）中的Q_Deposit=Q_Total-Q_Drainage-Q_Block来确定；m为流量系数，一般取值0.46-0.48；g为重力加速度；b₂为分流堰平均宽，单位m；h₂为分流堰深度，单位m。

分流孔的横截面为矩形，分流孔的横截面大小（即分流孔宽度b₁和分流孔高度h₁）根据以下公式确定，同时满足分流孔宽度b₁为分流孔高度h₁的1.0-2.0倍：

式中Q_drainage为排导槽设计流量，单位m³/s，可根据专利“一种主河输移控制型泥石流防治方法”（专利号为ZL201010617466.8）中的Q_Drainage=Q_d×b来确定；μ_c为流量系数，一般取值0.60-0.70；g为重力加速度；h₁为分流孔高度，单位m；h₂为分流堰深度，单位m，在上一段内容中已确定（即分流堰的横截面大小较分流孔横截面大小先确定）；b₁为分流孔宽度，单位m。为了使泥石流顺利进入排导槽，要求分流孔宽度b₁小于等于排导槽的底宽。

所述分流坝高度H等于分流孔高度h₁加上分流堰深度h₂再加上安全超高Δh，Δh一般取值为0.5-1.0m。所述分流坝的横断面采用重力式拦砂坝形式，坝体主体采用浆砌石或混凝土或钢筋混凝土。

本发明提出的泥石流分流坝不具备拦粗排细、调节泥石流峰值流量的功能，唯一作用只是对泥石流去向进行分配；当泥石流流量较小的时候，通过分流孔将泥石流全部引入排导槽进行排泄；当流量较大时，排导槽设计流量内的泥石流通过排导槽排泄，剩余的则进入停淤场，实现合理、高效地在排导槽和停淤场之间自动分配泥石流。分流孔设于坝体主体的底部，同时分流堰设于坝体主体的顶部，是为了将泥石流量优先分配给排导槽，当泥石流量超过排导槽设计过能力后再向停淤场分配。分流孔的顶面高程与分流堰的底面高程相同，是为了尽量减小坝体高度，节省工程量而节约投资。分流堰位于分流孔的侧上方、分流孔与分流堰平面上交错分布是便于将泥石流分别分配到排导槽和停淤场。

上述自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝的设计方法，步骤包括如下：

（一）根据停淤场设计流量Q_deposit，初步设定分流堰平均宽b₂，按照公式

确定分流堰深度h₂；如果分流堰平均宽b₂不为分流堰深度h₂的1.0-2.0倍（即b₂小于h₂或大于h₂的2倍），则重新设定分流堰平均宽b₂，然后再按照上述公式重新计算分流堰深度h₂，直到满足分流堰平均宽b₂为分流堰深度h₂的1.0-2.0倍。这一步即是通过迭代的计算方法确定分流堰平均宽b₂和分流堰深度h₂。

（二）根据排导槽设计流量Q_drainage，初步设定分流孔高度h₁，并结合步骤（一）中确定的分流堰深度h₂，按照公式

确定分流孔宽度b₁；如果分流孔宽度b₁不为分流孔高度h₁的1.0-2.0倍（即b₁小于h₁或大于h₁的2倍），或者分流孔宽度b₁大于排导槽的底宽，则重新设定分流孔高度h₁，然后再重新计算分流孔宽度b₁，直到满足分流孔宽度b₁为分流孔高度h₁的1.0-2.0倍，且分流孔宽度b₁小于等于排导槽的底宽。这一步即是通过迭代的计算方法确定分流孔宽度b₁和分流孔高度h₁。

（三）分流坝高度H的确定依据步骤（一）中确定的分流堰深度h₂和步骤（二）中确定的分流孔高度h₁，再增加一个安全超高Δh，即H=h₁+h₂+Δh。

除上述三个步骤外，泥石流分流坝设计方法中的其他设计参照重力式拦砂坝设计方法进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分利用分流孔控制进入排导槽的泥石流流量，合理、高效地将泥石流分配给排导槽和停淤场，防止超设计标准泥石流在排导槽内满溢威胁下游保护对象，而且也防止超设计标准泥石流进入主河堵塞主河形成堰塞湖产生二次灾害。

附图说明

图1是泥石流分流坝的结构示意图。

图2是泥石流分流坝与排导槽、停淤场的平面位置示意图。

图中标号如下：

1坝体基础         2分流孔

3分流堰

b₁分流孔宽度      h₁分流孔高度

b₂分流堰平均宽    h₂分流堰深度

H分流坝高度       Δh安全超高

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。某泥石流沟流域面积5.6km²，为了控制泥石流灾害，采用沟内修建拦砂坝群、堆积扇修建停淤场和底宽4.0m排导槽的防治方案，针对堆积扇顶沟道宽40m，拟规划1座分流坝来分配排导量和停淤量，平面位置布置如图2所示。自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝包括坝体基础1及设于坝体基础1之上的坝体主体；所述坝体主体的底部设有连接排导槽的分流孔2，所述坝体主体的顶部设有连接停淤场的分流堰3；分流堰3位于分流孔2的侧上方，分流孔2的顶面高程与分流堰3的底面高程相同；分流孔2的横截面大小根据排导槽设计流量确定，分流堰3的横截面大小根据停淤场设计流量确定。

根据专利“一种主河输移控制型泥石流防治方法”（专利号为ZL201010617466.8）中公开的方法确定排导槽设计流量Q_drainage为36.0m³/s、停淤场设计流量Q_deposit为24.0m³/s。拟定泥石流分流坝的横断面采用重力式拦砂坝形式，坝体主体采用混凝土材料，具体设计方法为：

第一步，分流堰3的横截面为梯形，根据停淤场设计流量Q_deposit，初步设定分流堰3平均宽b₂为5.0m，根据坝体主体材料取流量系数m为0.48，按照公式 $h_2={\left(\frac{Q_{\mathrm{deposit}}}{m{b}_2\sqrt{2g}}\right)}^{\frac{2}{3}}={\left(\frac{24}{0.48\×5.0\sqrt{2g}}\right)}^{\frac{2}{3}}=1.77m$ 确定分流堰3深度h₂为1.77m；由于分流堰3平均宽b₂不为分流堰3深度h₂的1.0-2.0倍，重新设定分流堰3平均宽b₂为4.0m，然后再计算分流堰3深度

满足分流堰3平均宽b₂为分流堰3深度h₂的1.0-2.0倍；因此，设计分流堰3平均宽b₂为4.0m、分流堰3深度h₂为2.0m。

第二步，分流孔2的横截面为矩形，根据排导槽设计流量Q_drainage，初步设定分流孔2高度h₁为2.0m，根据坝体主体材料取流量系数μ_c为0.70，并结合第一步中确定的分流堰3深度h₂为2.0m，按照公式 $b_1=\frac{Q_{\mathrm{drainage}}}{{\mathrm{\μ}}_c{h}_1\sqrt{2g(h_1/2+h_2)}}=\frac{36.0}{0.70\×2.0\sqrt{2g\×(2.0/2+2.0)}}=3.35m$ 确定分流孔2宽度b₁为3.35m，满足分流孔2宽度b₁为分流孔2高度h₁的1.0-2.0倍，且分流孔2宽度b₁小于等于排导槽的底宽4.0m；因此，设计分流孔2宽度b₁为3.35m、分流孔2高度h₁为2.0m。

第三步，分流坝高度H的确定依据第一步中确定的分流堰3深度h₂和第二步中确定的分流孔2高度h₁，再增加一个安全超高Δh，这里安全超高Δh取0.5m，那么分流坝高度H=h₁+h₂+Δh=2.0+2.0+0.5=4.5m。

实施例二

如图1、图2所示。与实施例一相同的地方不再重复赘述，不同之处在于：某泥石流沟流域面积16.8km²，采用沟内修建拦砂坝群、堆积扇修建停淤场和底宽6.0m排导槽的防治方案，拟规划1座分流坝来分配排导量和停淤量。排导槽设计流量Q_drainage为84.0m³/s，停淤场设计流量Q_deposit为62.0m³/s。坝体主体采用浆砌石材料。

第一步中，初步设定分流堰3平均宽b₂为5.0m，根据坝体主体材料取流量系数m为0.46，按照公式 $h_2={\left(\frac{Q_{\mathrm{deposit}}}{m{b}_2\sqrt{2g}}\right)}^{\frac{2}{3}}={\left(\frac{62.0}{0.46\×5.0\sqrt{2g}}\right)}^{\frac{2}{3}}=3.33m$ 确定分流堰3深度h₂为3.33m，满足分流堰3平均宽b₂为分流堰3深度h₂的1.0-2.0倍；因此，设计分流堰3平均宽b₂为5.0m、分流堰3深度h₂为3.33m。

第二步中，初步设定分流孔2高度h₁为3.0m，根据坝体主体材料取流量系数μ_c为0.60，并结合第一步中确定的分流堰3深度h₂为3.33m，按照公式 $b_1=\frac{Q_{\mathrm{drainage}}}{{\mathrm{\μ}}_c{h}_1\sqrt{2g(h_1/2+h_2)}}=\frac{84.0}{0.60\×3.0\sqrt{2g\×3.0./2+3.33)}}=4.8m$ 确定分流孔2宽度b₁为4.8m，满足分流孔2宽度b₁为分流孔2高度h₁的1.0-2.0倍，且分流孔2宽度b₁小于等于排导槽的底宽6.0m；因此，设计分流孔2宽度b₁为4.8m、分流孔2高度h₁为3.0m。

第三步中，安全超高Δh取1.0m，则分流坝高度H=h₁+h₂+Δh=3.0+3.33+1.0=7.33m。

Claims (6)

1.一种自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，包括坝体基础（1）及设于坝体基础（1）之上的坝体主体，其特征在于：所述坝体主体的底部设有连接排导槽的分流孔（2），所述坝体主体的顶部设有连接停淤场的分流堰（3）；分流堰（3）位于分流孔（2）的侧上方，分流孔（2）的顶面高程与分流堰（3）的底面高程相同；分流孔（2）的横截面大小根据排导槽设计流量确定，分流堰（3）的横截面大小根据停淤场设计流量确定。

2.根据权利要求1所述的自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，其特征在于：分流孔（2）宽度b₁小于等于排导槽的底宽。

3.根据权利要求2所述的自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，其特征在于：分流堰（3）的横截面为梯形，分流堰（3）的横截面大小根据以下公式确定，同时满足分流堰（3）平均宽b₂为分流堰（3）深度h₂的1.0-2.0倍：

$h_2={\left(\frac{Q_{\mathrm{deposit}}}{m{b}_2\sqrt{2g}}\right)}^{\frac{2}{3}}$

式中Q_deposit为停淤场设计流量，单位m³/s；m为流量系数，取值0.46-0.48；b₂为分流堰（3）平均宽，单位m；h₂为分流堰（3）深度，单位m；

分流孔（2）的横截面为矩形，分流孔（2）的横截面大小根据以下公式确定，同时满足分流孔（2）宽度b₁为分流孔（2）高度h1的1.0-2.0倍：

$b_1=\frac{Q_{\mathrm{drainage}}}{{\mathrm{\μ}}_c{h}_1\sqrt{2g(h_1/2+h_2)}}$

式中Q_drainage为排导槽设计流量，单位m³/s；μ_c为流量系数，取值0.60-0.70；h₁为分流孔（2）高度，单位m；h₂为分流堰（3）深度，单位m；b₁为分流孔（2）宽度，单位m。

4.根据权利要求3所述的自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，其特征在于：所述分流坝高度H等于分流孔（2）高度h₁加上分流堰（3）深度h₂再加上安全超高Δh，Δh取值为0.5-1.0m。

5.根据权利要求1-4任一所述的自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝，其特征在于：所述分流坝的横断面采用重力式拦砂坝形式，坝体主体采用浆砌石或混凝土或钢筋混凝土。

6.如权利要求4所述的自动分配排导量和停淤量的泥石流分流坝的设计方法，其特征在于，步骤包括如下：

（一）根据停淤场设计流量Q_deposit，初步设定分流堰（3）平均宽b₂，按照公式

确定分流堰（3）深度h₂；如果分流堰（3）平均宽b₂不为分流堰（3）深度h₂的1.0-2.0倍，则重新设定分流堰（3）平均宽b₂，然后再计算分流堰（3）深度h₂，直到满足分流堰（3）平均宽b₂为分流堰（3）深度h₂的1.0-2.0倍；

（二）根据排导槽设计流量Q_drainage，初步设定分流孔（2）高度h₁，并结合步骤（一）中确定的分流堰（3）深度h₂，按照公式确定分流孔（2）宽度b₁；如果分流孔（2）宽度b₁不为分流孔（2）高度h₁的1.0-2.0倍，或者分流孔（2）宽度b₁大于排导槽的底宽，则重新设定分流孔（2）高度h₁，然后再计算分流孔（2）宽度b₁，直到满足分流孔（2）宽度b₁为分流孔（2）高度h₁的1.0-2.0倍，且分流孔（2）宽度b₁小于等于排导槽的底宽；

（三）分流坝高度H的确定依据步骤（一）中确定的分流堰（3）深度h₂和步骤（二）中确定的分流孔（2）高度h₁，再增加一个安全超高Δh，即H=h₁+h₂+Δh。

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