CN103306242A - 一种调节洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用 - Google Patents

一种调节洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用 Download PDF

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CN103306242A CN2013102727143A CN201310272714A CN103306242A CN 103306242 A CN103306242 A CN 103306242A CN 2013102727143 A CN2013102727143 A CN 2013102727143A CN 201310272714 A CN201310272714 A CN 201310272714A CN 103306242 A CN103306242 A CN 103306242A
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Abstract

本发明公开了一种调节洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用。所述控流坝包括坝体基础和坝体主体,所述坝体主体的底部设有向下游排泄泥石流的控流孔,顶部设有溢流堰;溢流堰位于控流孔的正上方,且控流孔顶面与溢流堰底面之间存有高差;控流孔和溢流堰的横截面大小、控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差分别根据防护泥石流最大洪峰流量、下游设计排导量、下游设计停淤量、泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间等参数确定。与现有技术相比,本发明充分利用控流坝的调控库容对泥石流流量过程进行调控,将排泄泥石流流量控制在设计流量范围内,充分发挥下游排导工程和停淤工程的效能,既对下游保护对象提供充分保障,又防止产生二次灾害。

Description

一种调节洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用
技术领域
本发明涉及一种泥石流防治技术,特别是涉及一种能够调节泥石流洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用。
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,采用拦挡、排导、停淤等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;但是对于如何保证通过拦挡工程后的排导量和停淤量不超过设计标准进而保护下游对象的安全,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保证通过拦挡工程后的排导量和停淤量不超过设计标准的情况,对流通段下段有修建较大库容控流坝条件的泥石流防治,提供一种调节洪峰流量的泥石流控流坝及其设计方法和应用,将排泄泥石流流量控制在设计流量(排导量加停淤量)范围内,然后向下游排泄,充分发挥下游排导工程和停淤工程的效能,既对下游保护对象提供充分保障,又防止超设计标准泥石流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:
本发明提出一种调节洪峰流量的泥石流控流坝,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向下游排泄泥石流的控流孔,所述坝体主体的顶部设有溢流堰;溢流堰位于控流孔的正上方,且控流孔顶面与溢流堰底面之间存有一定高差;控流孔的横截面大小根据下游排导量和停淤量之和确定,溢流堰的横截面大小根据防护泥石流最大洪峰流量与排导停淤设计流量之差确定,控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差根据防护泥石流最大洪峰流量、排导停淤设计流量和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间确定。
溢流堰的横截面为梯形,溢流堰的横截面大小(即溢流堰平均宽b2和溢流堰深度h2)根据以下公式确定,同时满足溢流堰平均宽b2为溢流堰深度h2的2.0-4.0倍:
Figure BDA00003447757200021
式中QMax为防护泥石流最大洪峰流量,单位m3/s,根据泥石流防护需求确定;QDrainage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QDrainage=Qd×b来确定;QDeposit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QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock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为溢流堰平均宽,单位m;h2为溢流堰深度,单位m。
控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差h12为坝高-库容曲线中与调控库容V12对应的值;所述控流坝的调控库容V12根据公式V12=(QMax-QDrainage-QDeposit)×Tc/2确定;式中QMax为防护泥石流最大洪峰流量,单位m3/s,根据泥石流防护需求确定;QDrainage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QDrainage=Qd×b来确定;QDeposit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QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock来确定;Tc为泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间,单位s,根据历史调查或水文调查确定;V12为控流坝的调控库容,单位m3
控流孔的横截面为矩形,控流孔的横截面大小(即控流孔宽度b1和控流孔高度h1)根据以下公式确定,同时满足控流孔宽度b1为控流孔高度h1的1.0-3.0倍:
Figure BDA00003447757200031
式中QDrainage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QDrainage=Qd×b来确定;QDeposit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QDeposit=QTotal-QDrainage-QBlock来确定;μc为流量系数,一般取值0.60-0.70;g为重力加速度;h1为控流孔高度,单位m;h12为控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差,单位m,在上一段内容中已确定(即控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差较控流孔横截面大小先确定);h2为溢流堰深度,单位m,在上上一段内容中已确定(即溢流堰的横截面大小较控流孔横截面大小先确定);b1为控流孔宽度,单位m。
所述控流坝高度H等于控流孔高度h1、加上控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差h12、加上溢流堰深度h2、再加上安全超高Δh,Δh一般取值为0.5-1.0m。所述控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。针对泥石流中含有较大颗粒的情况,所述控流坝的上游可修建至少1座缝隙坝对泥石流中粗颗粒进行分选;所述控流坝的下游与排导槽,或/和停淤场配合使用。
本发明提出的泥石流控流坝不具备长期拦挡泥石流、减小泥石流容重和下泄量、抬高沟床侵蚀基准、抑制泥石流发育等常规泥石流拦砂坝的功能,唯一作用只是对泥石流流量过程进行调控、削减泥石流洪峰至设计流量;当进入控流坝的泥石流流量较小的时候,通过控流孔将泥石流全部排入下游排导槽或/和停淤场进行排泄;当进入控流坝的泥石流流量超过设计流量时,控流坝只向下游排泄设计流量的泥石流,剩余的泥石流则被控流坝拦挡在库内,直到进入控流坝的泥石流流量小于设计流量后,控流坝继续将入流泥石流和库内拦挡泥石流以设计流量向下游排泄,实现对泥石流流量过程的有效调控。控流孔设于坝体主体的底部是为了充分利用坝内库容调控泥石流流量过程。在坝体主体的顶部设置溢流堰是为了在泥石流流量超过最大防护流量后进行泄流,以保证坝体安全。溢流堰底面与控流孔顶面之间必须存在一定高差,因为控流坝的核心正是充分利用这一高差间的库容发挥削减泥石流峰值流量的作用,实现调节泥石流流量过程。
上述调节洪峰流量的泥石流控流坝的设计方法,步骤包括如下:
(一)根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定溢流堰平均宽b2,按照公式
Figure BDA00003447757200041
确定溢流堰深度h2;如果溢流堰平均宽b2不为溢流堰深度h2的2.0-4.0倍(即b2小于h2的2.0倍或大于h2的4.0倍),则重新设定溢流堰平均宽b2,然后再按照上述公式重新计算溢流堰深度h2,直到满足溢流堰平均宽b2为溢流堰深度h2的2.0-4.0倍。这一步即是通过迭代的计算方法确定溢流堰平均宽b2和溢流堰深度h2
(二)根据地形图编制坝高-库容曲线;根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage、停淤场设计流量QDeposit和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间Tc,按照公式V12=(QMax-QDrainage-QDeposit)×Tc/2确定控流坝的调控库容V12;然后,根据坝高-库容曲线查出调控库容V12对应的控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差h12
(三)根据排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定控流孔高度h1,并结合步骤(一)中确定的溢流堰深度h2和步骤(二)中确定的控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差h12,按照公式
Figure BDA00003447757200051
确定控流孔宽度b1;如果控流孔宽度b1不为控流孔高度h1的1.0-3.0倍(即b1小于h1或大于h1的3倍),则重新设定控流孔高度h1,然后再重新计算控流孔宽度b1,直到满足控流孔宽度b1为控流孔高度h1的1.0-3.0倍。这一步即是通过迭代的计算方法确定控流孔宽度b1和控流孔高度h1
(四)控流坝高度H的确定依据步骤(一)中确定的溢流堰深度h2、步骤(二)中确定的控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差h12和步骤(三)中确定的控流孔高度h1,再增加一个安全超高Δh,即H=h1+h2+h12+Δh。
除上述四个步骤外,泥石流控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:充分利用控流坝的调控库容对泥石流流量过程进行调控,将排泄泥石流流量控制在设计流量(排导量加停淤量)范围内,然后向下游排泄,充分发挥下游排导工程和停淤工程的效能,既对下游保护对象提供充分保障,又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是泥石流控流坝的结构示意图。
图中标号如下:
1坝体基础       2控流孔
3溢流堰
b1控流孔宽度    h1控流孔高度
b2溢流堰平均宽  h2溢流堰深度
H控流坝高度    Δh安全超高
h12控流孔顶面与溢流堰底面之间的高差
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。某泥石流沟流域面积24.1km2,由于该泥石流流域流通段下段有修建较大库容控流坝条件,为了控制泥石流灾害,采用沟内修建拦砂坝群、流通段下段修建1座调节洪峰流量的泥石流控流坝、堆积扇修建排导槽的防治方案。调节洪峰流量的泥石流控流坝包括坝体基础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向下游排泄泥石流的控流孔2,所述坝体主体的顶部设有溢流堰3;溢流堰3位于控流孔2的正上方,且控流孔2顶面与溢流堰3底面之间存有高差;控流孔2的横截面大小根据下游排导量和停淤量之和确定,溢流堰3的横截面大小根据防护泥石流最大洪峰流量与排导停淤设计流量之差确定,控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差根据防护泥石流最大洪峰流量、排导停淤设计流量和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间确定。
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QDrainage为240.0m3/s、停淤场设计流量QDeposit为0.0m3/s;根据堆积扇上保护对象的重要性确定防护泥石流最大洪峰流量QMax为350.0m3/s;根据水文调查,泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间Tc为2700s;拟定泥石流控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,溢流堰3的横截面为梯形,根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定溢流堰3平均宽b2为15.0m,根据坝体主体材料取流量系数m为0.48,按照公式
Figure BDA00003447757200071
确定溢流堰3深度h2为2.3m;由于溢流堰3平均宽b2不为溢流堰3深度h2的2.0-4.0倍,重新设定溢流堰3平均宽b2为10.0m,然后再计算溢流堰3深度
Figure BDA00003447757200072
满足溢流堰3平均宽b2为溢流堰3深度h2的2.0-4.0倍;因此,设计溢流堰3平均宽b2为10.0m、溢流堰3深度h2为3.0m。
第二步,根据地形图编制坝高-库容曲线;根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage、停淤场设计流量QDeposit和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间Tc,按照公式V12=(QMax-QDrainage-QDeposit)×Tc/2=(350.0-240.0-0.0)×2700/2=148500.0m3确定控流坝的调控库容V12为148500.0m3;然后,根据坝高-库容曲线查出调控库容V12对应的控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差h12为14.5m。
第三步,控流孔2的横截面为矩形,根据排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定控流孔2高度h1为3.0m,根据坝体主体材料取流量系数μc为0.70,并结合第一步中确定的溢流堰3深度h2为3.0m和第二步中确定的控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差h12为14.5m,按照公式 b 1 = Q Drainage + Q Deposit h 1 μ c 2 g ( h 1 / 2 + h 12 + h 2 ) = 540.0 + 0.0 3.0 × 0.70 2 g ( 3.0 / 2 + 14.5 + 3.0 ) = 6.2 m 确定控流孔2宽度b1为6.2m,满足控流孔2宽度b1为控流孔2高度h1的1.0-3.0倍;因此,设计控流孔2宽度b1为6.2m、控流孔2高度h1为3.0m。
第四步,控流坝高度H的确定依据第一步中确定的溢流堰3深度h2、第二步中确定的控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差h12和第三步中确定的控流孔2高度h1,再增加一个安全超高Δh,这里安全超高Δh取1.0m,那么控流坝高度H=h1+h2+h12+Δh=3.0+3.0+14.5+1.0=21.5m。
实施例二
如图1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6.8km2,采用沟内修建拦砂坝群、流通段下段修建1座调节洪峰流量的泥石流控流坝、堆积扇修建排导槽和停淤场的防治方案。排导槽设计流量QDrainage为35.0m3/s,停淤场设计流量QDeposit为15.0m3/s,防护泥石流最大洪峰流量QMax为70.0m3/s,泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间Tc为1200s。坝体主体采用浆砌石材料。
第一步中,初步设定溢流堰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 = ( Q Max - Q Drainage - Q Deposit m b 2 2 g ) 2 3 = ( 70.0 - 35.0 - 15.0 0.46 × 5.0 2 g ) 2 3 =1.6m确定溢流堰3深度h2为1.6m,满足溢流堰3平均宽b2为溢流堰3深度h2的2.0-4.0倍;因此,设计溢流堰3平均宽b2为5.0m、溢流堰3深度h2为1.6m。
第二步中,确定控流坝的调控库容V12为12000.0m3;然后,根据坝高-库容曲线查出调控库容V12对应的控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差h12为4.6m。
第三步中,初步设定控流孔2高度h1为3.0m,根据坝体主体材料取流量系数μc为0.60,并结合第一步中确定的溢流堰3深度h2为1.6m和第二步中确定的控流孔2顶面与溢流堰3底面之间的高差h12为4.6m,按照公式 b 1 = Q Drainage + Q Deposit h 1 μ c 2 g ( h 1 / 2 + h 12 + h 2 ) = 35.0 + 15.0 3.0 × 0.60 2 g ( 3.0 / 2 + 4.6 + 1.6 ) = 2.3 m , 确定控流孔2宽度b1为2.3m,不满足控流孔2宽度b1为控流孔2高度h1的1.0-3.0倍,重新设定控流孔2高度h1为1.6m,计算得b1=4.4m确定控流孔2宽度b1为4.4m,满足控流孔2宽度b1为控流孔2高度h1的1.0-3.0倍;因此,设计控流孔2宽度b1为4.4m、控流孔2高度h1为1.6m。
第四步中,安全超高Δh取0.5m,则控流坝高度H=h1+h2+h12+Δh=1.6+1.6+4.6+0.5=8.3m。
针对泥石流中大颗粒达1.5m且大于控流孔2高度的一半,导致控流孔2可能出现排泄不畅的情况,规划在控流坝上游修建缝隙坝1座,缝隙宽度设计为控流坝高度的一半,即1.6m/2=0.8m,实现对泥石流中粗颗粒进行分选,充分发挥控流坝的最大调峰效能。

Claims (9)

1.一种调节洪峰流量的泥石流控流坝,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向下游排泄泥石流的控流孔(2),所述坝体主体的顶部设有溢流堰(3);溢流堰(3)位于控流孔(2)的正上方,且控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间存有高差;控流孔(2)的横截面大小根据下游排导量和停淤量之和确定,溢流堰(3)的横截面大小根据防护泥石流最大洪峰流量与排导停淤设计流量之差确定,控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差根据防护泥石流最大洪峰流量、排导停淤设计流量和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间确定。
2.根据权利要求1所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝,其特征在于:溢流堰(3)的横截面为梯形,溢流堰(3)的横截面大小根据以下公式确定,同时满足溢流堰(3)平均宽b2为溢流堰(3)深度h2的2.0-4.0倍:
h 2 = ( Q Max - Q Drainage - Q Deposit m b 2 2 g ) 2 3
式中QMax为防护泥石流最大洪峰流量,单位m3/s,根据泥石流防护需求确定;QDrainage为排导槽设计流量,单位m3/s;QDeposit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为溢流堰(3)平均宽,单位m;h2为溢流堰(3)深度,单位m。
3.根据权利要求2所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝,其特征在于:控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差h12为坝高-库容曲线中与调控库容V12对应的值;所述控流坝的调控库容V12根据公式V12=(QMax-QDrainage-QDeposit)×Tc/2确定;式中QMax为防护泥石流最大洪峰流量,单位m3/s,根据泥石流防护需求确定;QDrainage为排导槽设计流量,单位m3/s;QDeposit为停淤场设计流量,单位m3/s;Tc为泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间,单位s,根据历史调查或水文调查确定;V12为控流坝的调控库容,单位m3
4.根据权利要求3所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝,其特征在于:控流孔(2)的横截面为矩形,控流孔(2)的横截面大小根据以下公式确定,同时满足控流孔(2)宽度b1为控流孔(2)高度h1的1.0-3.0倍:
b 1 = Q Drainage + Q Deposit h 1 μ c 2 g ( h 1 / 2 + h 12 + h 2 )
式中QDrainage为排导槽设计流量,单位m3/s;QDeposit为停淤场设计流量,单位m3/s;μc为流量系数,取值0.60-0.70;h1为控流孔(2)高度,单位m;h12为控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差,单位m;h2为溢流堰(3)深度,单位m;b1为控流孔(2)宽度,单位m。
5.根据权利要求4所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝,其特征在于:所述控流坝高度H等于控流孔(2)高度h1、加上控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差h12、加上溢流堰(3)深度h2、再加上安全超高Δh,Δh取值为0.5-1.0m。
6.根据权利要求1-5任一所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝,其特征在于:所述控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。
7.如权利要求5所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝的设计方法,其特征在于,步骤包括如下:
(一)根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定溢流堰(3)平均宽b2,按照公式
Figure FDA00003447757100022
确定溢流堰(3)深度h2;如果溢流堰(3)平均宽b2不为溢流堰(3)深度h2的2.0-4.0倍,则重新设定溢流堰(3)平均宽b2,然后再计算溢流堰(3)深度h2,直到满足溢流堰(3)平均宽b2为溢流堰(3)深度h2的2.0-4.0倍;
(二)根据地形图编制坝高-库容曲线;根据防护泥石流最大洪峰流量QMax、排导槽设计流量QDrainage、停淤场设计流量QDeposit和泥石流洪峰流量超过设计流量的持续时间Tc,按照公式V12=(QMax-QDrainage-QDeposit)×Tc/2确定控流坝的调控库容V12;然后,根据坝高-库容曲线查出调控库容V12对应的控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差h12
(三)根据排导槽设计流量QDrainage和停淤场设计流量QDeposit,初步设定控流孔(2)高度h1,并结合步骤(一)中确定的溢流堰(3)深度h2和步骤(二)中确定的控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差h12,按照公式
Figure FDA00003447757100031
确定控流孔(2)宽度b1;如果控流孔(2)宽度b1不为控流孔(2)高度h1的1.0-3.0倍,则重新设定控流孔(2)高度h1,然后再计算控流孔(2)宽度b1,直到满足控流孔(2)宽度b1为控流孔(2)高度h1的1.0-3.0倍;
(四)控流坝高度H的确定依据步骤(一)中确定的溢流堰(3)深度h2、步骤(二)中确定的控流孔(2)顶面与溢流堰(3)底面之间的高差h12和步骤(三)中确定的控流孔(2)高度h1,再增加一个安全超高Δh,即H=h1+h2+h12+Δh。
8.如权利要求1-5任一所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝的应用,其特征在于:所述控流坝的上游修建至少1座缝隙坝对泥石流中粗颗粒进行分选。
9.如权利要求1-5任一所述的调节洪峰流量的泥石流控流坝的应用,其特征在于:所述控流坝的下游与排导槽,或/和停淤场配合使用。
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