CN103276700A

CN103276700A - 一种泥石流排导槽规划设计方法及其应用

Info

Publication number: CN103276700A
Application number: CN2013102449928A
Authority: CN
Inventors: 陈晓清; 游勇; 崔鹏; 陈建刚; 邹玉华; 王涛
Original assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Current assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103276700B; US10202731B2; WO2014201742A1; US20160040381A1

Abstract

本发明公开了一种泥石流排导槽规划设计方法及其应用。所述排导槽规划设计方法首先确定拟建排导槽的总长度L和排导槽沟床纵比降；然后确定进口段采用全衬砌槽型，及进口段长度L₁和进口段侧墙与主槽的夹角α；然后确定出口段采用全衬砌槽型，及出口段长度L₄和出口段侧墙与主槽的夹角β；然后确定加速段采用全衬砌槽型，及加速段长度L₂；最后确定主槽段槽型，及主槽段长度L₃。与现有技术相比，本发明以调控泥石流运动流速为主线，合理选用排导槽主槽槽型，将泥石流高效向下游排泄，避免泥石流在排导槽内大冲大淤，为排导槽两侧的防护对象提供最大保障，并减小工程的运行维护费用。

Description

一种泥石流排导槽规划设计方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种泥石流排导槽的规划设计方法，及其分别在300米及以下泥石流堆积扇和300米以上泥石流堆积扇上的应用。

背景技术

泥石流具有比水流高得多的容重，其包含碎屑土的流体二元结构具有特殊性，表现出惯性高、输移力强、冲击力巨大等特点。泥石流运动产生的强烈冲刷，导致沟床发生剧烈改变，引起沟床揭底和沟岸崩塌，增加了补给泥石流的固体物质来源，增大了泥石流的危害。排导槽是防治泥石流的主要工程措施之一，合理规划泥石流排导槽，对于减小泥石流的破坏力，提高下游防护对象的安全性，具有重大的社会经济意义和生态环境意义。

受山区地形、泥石流沟与主河的交互作用等因素的影响，修建排导槽的泥石流堆积扇可能很长，达1000米以上，也可能很短，只有100米左右。针对不同长度的泥石流堆积扇，如何合理规划泥石流排导槽是有效防治泥石流、保护堆积扇上保护对象的关键。

目前，泥石流排导槽平面上一般包括进口段、主槽段和出口段，三段均采用同一槽型，主要采用全衬砌型和横向贯穿齿槛型；这种整体单一槽型的结构极易出现泥石流在主槽上端流速提升太慢、下端流速太高，而导致排导槽上端淤积和下游冲刷的问题。另一方面，对于长堆积扇（300米以上）目前一般采用同一排导槽对泥石流进行排导，导致难以适应长堆积扇沟床纵比降的巨大变化，而存在上端冲刷、下端淤积的缺陷，且过长的排导槽不利于整个排导系统的稳定性；例如，云南云龙县狮尾河750米长全衬砌型排导槽出现排导槽上端揭底后发生连锁揭底而全槽破坏的结果。

发明内容

本发明的目的就是针对目前修建排导槽缺乏合理规划设计的情况，提供一种泥石流排导槽的规划设计方法，科学规划泥石流排导槽组成，合理选用主槽的槽型，特别针对在长度大于300米的长泥石流堆积扇上修建排导槽的情况，利用槽间过渡带调控泥石流流速，高效地将泥石流通过排导槽向下游排泄，防止泥石流在排导槽内大冲大淤，最大限度保护堆积扇上的保护对象。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种泥石流排导槽规划设计方法，所述排导槽沿泥石流流向分为呈上大下小喇叭口状的进口段、加速段、均衡流动的主槽段和呈上小下大喇叭口状的出口段；所述排导槽规划设计方法步骤如下：

(一)根据泥石流堆积扇的地形条件，规划排导槽位置，确定拟建排导槽的总长度L；根据拟建排导槽的地形，并按照挖方和填方基本平衡的原则确定排导槽沟床纵比降。排导槽的总长度L小于等于300m。

(二)进口段采用全衬砌槽型；根据排泄泥石流的性质和步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降，确定进口段长度L₁及进口段侧墙与主槽的夹角α。进口段长度L₁一般取排导槽底宽的1.5-5.0倍，进口段侧墙与主槽的夹角α一般取10-30度；具体取值参照泥石流性质，粘性泥石流L₁取大值、α取小值，过渡性泥石流L₁和α均取中值，稀性泥石流L₁取小值、α取大值。

(三)出口段采用全衬砌槽型；根据排泄泥石流的性质和步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降，确定出口段长度L₄及出口段侧墙与主槽的夹角β。出口段长度L₄一般取排导槽底宽的1.0-3.0倍，出口段侧墙与主槽的夹角β一般取5-15度；具体取值参照泥石流性质，粘性泥石流L₄取大值、β取小值，过渡性泥石流L₄和β均取中值，稀性泥石流L₄取小值、β取大值。

(四)加速段采用全衬砌槽型；根据明渠恒定非均匀渐变流计算模型，确定加速段长度L₂。即，加速段长度L₂＝(E_x-E_s)/(i-J)，其中E_x为加速段下游断面的断面比能，

E_{X} = h_{2} + \frac{v_{2}^{2}}{2 g};

E_s为加速段上游断面的断面比能，

E_{S} = h_{1} + \frac{v_{1}^{2}}{2 g};

i为排导槽沟床纵比降；J为加速段泥石流顶面的平均水力坡度；h₁为加速段上游断面的泥石流泥位深度；v₁为加速段上游断面的泥石流流速；h₂为加速段下游断面的泥石流泥位深度；v₂为加速段下游断面的泥石流流速。

(五)根据步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降、及不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间，确定主槽段槽型；确定主槽段长度L₃=L-L₁-L₂-L₄。主槽段槽型可以是全衬砌型（又称V型槽），或对称齿槛型（具体结构参见专利ZL201020223262.1），或交错齿槛型（具体结构参见专利ZL200910058217.7），或横向贯穿齿槛型（又称东川槽），或箱体衬砌型（具体结构参见专利申请201110380681.5）。不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间为：全衬砌型为0.01-0.03，对称齿槛型为0.03-0.08，交错齿槛型为0.08-0.12，横向贯穿齿槛型0.12-0.20，箱体衬砌型为0.20-0.40。

上述泥石流排导槽规划设计方法的主要技术思想是：从上游到下游以调控泥石流流速为主线，防止泥石流在运动中出现强烈的冲刷和大量淤积；以尽量提升泥石流流动速度但不超出槽体材料的承受范围为目标，将排导槽分为进口段（让泥石流顺利进入排导槽）、加速段（快速提升泥石流流速）、主槽段（泥石流以尽量快但不超过材料承受范围的流速均衡排泄）和出口段。为了顺利入流和出流，进口段、加速段和出口段均采用全衬砌槽型；由于泥石流在不同槽型中的运动特征不同，耗能量不同，冲淤特征也就不同，根据沟床纵比降，对主槽段槽型选用全衬砌型、或对称齿槛型、或交错齿槛型、或横向贯穿齿槛型、或箱体衬砌型，其中全衬砌型和横向贯穿齿槛型的合理比降范围是依据大量实际排导槽工程统计得到，对称齿槛型、交错齿槛型和箱体衬砌型的合理比降是根据槽型的糙率依据经验确定。

所述调控泥石流流速，根据排导槽材质结构，确定排导槽的限制流速；对于浆砌石结构，限制流速6米/秒；对于混凝土结构或钢筋混凝土结构，限制流速8米/秒；对于钢纤维混凝土结构，限制流速10米/秒。为了使排导槽的排泄效率最大化，加速段下游断面的设计流速v2和主槽段的设计流速按照所述限制流速的0.8-1.0倍设计。

所述规划设计方法适用于修建总长度L小于等于300m的泥石流排导槽，且进口段上游设置一座调控泥石流运动的拦砂坝，与修建的排导槽配合使用。

当泥石流堆积扇的长度大于300m，从上游至下游首尾相连至少2个相对独立的、按照所述规划设计方法修建的泥石流排导槽，且最上游排导槽的进口段上游设置一座拦砂坝配合使用。在上下游两个排导槽之间设有一过渡带，用于接纳扇面支沟泥石流或山洪的汇入，或用于导出部分泥石流进行停淤。针对长堆积扇上修建排导槽的情况，根据长堆积扇的沟床比降，在长堆积扇上采用分段相对独立的短槽，每个短槽均包括有进口段、加速段、主槽段和出口段，且各独立短槽的沟床纵比降和主槽段槽型分别单独确定；两短槽之间的衔接部位设有过渡带，可以接纳扇面其他支沟泥石流或洪水的汇入；由于沟床纵比降的变化，对于下端排泄能力降低的情况，可以导出部分泥石流进行停淤（通过过渡带上设置溢流口，连接停淤场），消除局部淤积，维持排导槽的安全运行；长堆积扇分成若干个短槽，各个槽体相对独立，避免一处溃决、全槽破坏的情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分利用泥石流在排导槽内的运动特征，以调控泥石流运动流速为主线，合理选用排导槽主槽槽型，针对在长度大于300米的长泥石流堆积扇上修建排导槽的情况，将长排导槽分解为数个短排导槽，并在槽间设置过渡带调控泥石流流速，将泥石流高效向下游排泄，避免泥石流在排导槽内大冲大淤，为排导槽两侧的防护对象提供最大保障，并减小工程的运行维护费用。

附图说明

图1是按照本发明泥石流排导槽规划设计方法修建的泥石流排导槽的平面布置示意图。

图2是泥石流堆积扇长度大于300m情况下、过渡带有支沟泥石流汇入时，按照本发明泥石流排导槽规划设计方法修建的泥石流排导槽的平面布置示意图。

图3是泥石流堆积扇长度大于300m情况下、过渡带导出部分泥石流停淤时，按照本发明泥石流排导槽规划设计方法修建的泥石流排导槽的平面布置示意图。

图中标号如下：

1 进口段 2 加速段

3 主槽段 4 出口段

5 过渡带

α进口段侧墙与主槽的夹角 β出口段侧墙与主槽的夹角

L 总长度 L₁ 进口段长度

L₂ 加速段长度 L₃ 主槽段长度

L₄ 出口段长度

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所示。某泥石流沟为粘性泥石流，流域面积5.4km²，堆积扇长260m，为了治理泥石流灾害，拟采用流域内修建拦砂坝群、堆积扇修建排导槽的防治方案。所述排导槽沿泥石流流向分为呈上大下小喇叭口状的进口段1、加速段2、均衡流动的主槽段3和呈上小下大喇叭口状的出口段4；排导槽为混凝土材质结构，因此确定排导槽的限制流速为8.0m/s。所述排导槽规划设计方法步骤如下：

第一步，根据泥石流堆积扇的地形条件，在堆积扇中部位置规划排导槽，并在排导槽进口段1上游设置一座调控泥石流运动的拦砂坝，根据堆积扇长度确定拟建排导槽的总长度L为250m，并按照挖方和填方基本平衡的原则确定排导槽沟床纵比降为0.15；根据排导槽设计排泄流量为40.0m³/s，确定排导槽底宽为4.0m。

第二步，进口段1采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为粘性泥石流，第一步中确定的排导槽沟床纵比降为0.15，确定进口段1长度L₁为排导槽底宽的5.0倍，即L₁＝5.0×4.0＝20.0m，同时确定进口段1侧墙与主槽的夹角α为10度。

第三步，出口段4采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为粘性泥石流，第一步中确定的排导槽沟床纵比降为0.15，确定出口段4长度L₄为排导槽底宽的3.0倍，即L₄＝3.0×4.0＝12.0m，同时确定出口段4侧墙与主槽的夹角β为5度。

第四步，加速段2采用全衬砌槽型；根据现场调查，确定加速段2上游断面的泥石流流速v₁为2.3m/s，加速段2上游断面的泥石流泥位深度h₁＝设计排泄流量/(排导槽底宽×v₁)=40.0/(4.0×2.3)=4.35m；加速段2下游断面的设计流速取限制流速的1.0倍，即v₂＝8.0m/s，加速段2下游断面的泥石流泥位深度h₂＝设计排泄流量/(排导槽底宽×v₂)=40.0/(4.0×8.0)=1.25m；将上述参量带入明渠恒定非均匀渐变流计算模型，迭代计算得到加速段2长度L₂=10.9m。

第五步，根据第一步中确定的排导槽沟床纵比降为0.15、及不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间，确定主槽段3槽型为横向贯穿齿槛型；确定主槽段3长度L₃=L-L₁-L₂-L₄＝250-20.0-10.9-12.0＝207.1m。

实施例二

如图1、图2所示。某泥石流沟为稀性泥石流，流域面积8.6km²，堆积扇长500m，为了治理泥石流灾害，拟采用流域内修建拦砂坝群、堆积扇修建排导槽的防治方案。由于泥石流堆积扇的长度大于300m，因此拟建排导槽包括从上游至下游首尾相连2个相对独立的泥石流排导槽（即包括上排导槽和下排导槽）。在上下两排导槽之间设有一过渡带5，其沿流向长度为20m，用于接纳扇面支沟泥石流的汇入。

上排导槽沿泥石流流向分为呈上大下小喇叭口状的进口段1、加速段2、均衡流动的主槽段3和呈上小下大喇叭口状的出口段4；上排导槽为钢筋混凝土材质结构，因此确定排导槽的限制流速为8m/s。所述上排导槽规划设计方法步骤如下：

第一步，根据泥石流堆积扇的地形条件，在堆积扇上部位置规划上排导槽，并在上排导槽进口段1上游设置一座调控泥石流运动的拦砂坝，拟建上排导槽的总长度L为300m，并按照挖方和填方基本平衡的原则确定上排导槽沟床纵比降为0.22；根据排导槽设计排泄流量为64.0m³/s，确定上排导槽底宽为5.0m。

第二步，进口段1采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为稀性泥石流，第一步中确定的上排导槽沟床纵比降为0.22，确定进口段1长度L₁为排导槽底宽的1.5倍，即L₁＝1.5×5.0＝7.5m，同时确定进口段1侧墙与主槽的夹角α为30度。

第三步，出口段4采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为稀性泥石流，第一步中确定的上排导槽沟床纵比降为0.22，确定出口段4长度L₄为排导槽底宽的1.0倍，即L₄＝1.0×5.0＝5.0m，同时确定出口段4侧墙与主槽的夹角β为15度。

第四步，加速段2采用全衬砌槽型；根据明渠恒定非均匀渐变流计算模型，迭代计算得到加速段2长度L₂=6.1m。

第五步，根据第一步中确定的上排导槽沟床纵比降为0.22、及不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间，确定主槽段3槽型为箱体衬砌型；确定主槽段3长度L₃=L-L₁-L₂-L₄＝300-7.5-6.1-5.0＝281.4m。

下排导槽沿泥石流流向分为呈上大下小喇叭口状的进口段1、加速段2、均衡流动的主槽段3和呈上小下大喇叭口状的出口段4；下排导槽为浆砌石材质结构，因此确定排导槽的限制流速为6m/s。所述下排导槽规划设计方法步骤如下：

第一步，根据泥石流堆积扇的地形条件，在堆积扇下部位置规划下排导槽，拟建下排导槽的总长度L为180m，并按照挖方和填方基本平衡的原则确定下排导槽沟床纵比降为0.07；由于扇面支沟泥石流的汇入13.0m³/s，下排导槽设计排泄流量为77.0m³/s，确定下排导槽底宽为6.0m。

第二步，进口段1采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为稀性泥石流，第一步中确定的下排导槽沟床纵比降为0.07，确定进口段1长度L₁为排导槽底宽的2.0倍，即L₁＝2.0×6.0＝12.0m，同时确定进口段1侧墙与主槽的夹角α为30度。

第三步，出口段4采用全衬砌槽型；根据排泄设计标准下泥石流为稀性泥石流，第一步中确定的下排导槽沟床纵比降为0.07，确定出口段4长度L₄为排导槽底宽的1.5倍，即L₄＝1.5×6.0＝9.0m，同时确定出口段4侧墙与主槽的夹角β为15度。

第四步，加速段2采用全衬砌槽型；根据明渠恒定非均匀渐变流计算模型，迭代计算得到加速段2长度L₂=4.3m。

第五步，根据第一步中确定的下排导槽沟床纵比降为0.07、及不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间，确定主槽段3槽型为对称齿槛型；确定主槽段3长度L₃=L-L₁-L₂-L₄＝180-12.0-4.3-9.0＝154.7m。

实施例三

如图1、图3所示。与实施例二相同的地方不再重复赘述，不同之处在于：过渡带5用于导出部分泥石流进行停淤，在面向下排导槽的左侧设置停淤场1座。

Claims

1.一种泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：所述排导槽沿泥石流流向分为呈上大下小喇叭口状的进口段（1）、加速段（2）、均衡流动的主槽段（3）和呈上小下大喇叭口状的出口段（4）；所述排导槽规划设计方法步骤如下：

(一)根据泥石流堆积扇的地形条件，规划排导槽位置，确定拟建排导槽的总长度L，并按照挖方和填方基本平衡的原则确定排导槽沟床纵比降；

(二)进口段（1）采用全衬砌槽型；根据排泄泥石流的性质和步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降，确定进口段（1）长度L₁及进口段（1）侧墙与主槽的夹角α；

(三)出口段（4）采用全衬砌槽型；根据排泄泥石流的性质和步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降，确定出口段（4）长度L₄及出口段（4）侧墙与主槽的夹角β；

(四)加速段（2）采用全衬砌槽型；根据明渠恒定非均匀渐变流计算模型，确定加速段（2）长度L₂；

(五)根据步骤（一）中确定的排导槽沟床纵比降、及不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间，确定主槽段（3）槽型；确定主槽段（3）长度L₃=L-L₁-L₂-L₄。

2.根据权利要求1所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：根据排导槽材质结构，确定排导槽的限制流速；加速段（2）下游断面的设计流速和主槽段（3）的设计流速为所述限制流速的0.8-1.0倍。

3.根据权利要求1或2所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：主槽段（3）槽型为全衬砌型，或对称齿槛型，或交错齿槛型，或横向贯穿齿槛型，或箱体衬砌型。

4.根据权利要求3所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：不同排导槽槽型适用的最佳沟床纵比降区间为：全衬砌型为0.01-0.03，对称齿槛型为0.03-0.08，交错齿槛型为0.08-0.12，横向贯穿齿槛型0.12-0.20，箱体衬砌型为0.20-0.40。

5.根据权利要求1或2所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：进口段（1）长度L₁为排导槽底宽的1.5-5.0倍，进口段（1）侧墙与主槽的夹角α为10-30度。

6.根据权利要求1或2所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：出口段（4）长度L₄为排导槽底宽的1.0-3.0倍，出口段（4）侧墙与主槽的夹角β为5-15度。

7.根据权利要求1或2所述的泥石流排导槽规划设计方法，其特征在于：排导槽的总长度L小于等于300m。

8.如权利要求1所述的泥石流排导槽规划设计方法的应用，其特征在于：所述规划设计方法适用于修建总长度L小于等于300m的泥石流排导槽，且进口段（1）上游设置一座拦砂坝，与修建的排导槽配合使用。

9.如权利要求1所述的泥石流排导槽规划设计方法的应用，其特征在于：当泥石流堆积扇的长度大于300m，从上游至下游首尾相连至少2个相对独立的、按照所述规划设计方法修建的泥石流排导槽，且最上游排导槽的进口段（1）上游设置一座拦砂坝配合使用。

10.根据权利要求9所述的泥石流排导槽规划设计方法的应用，其特征在于：在上下游两个排导槽之间设有一过渡带（5），用于接纳扇面支沟泥石流或山洪的汇入，或用于导出部分泥石流进行停淤。