CN103321190B - 一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法及其应用。该方法通过现场调查测量、野外容重试验和大比例尺地形图测算等手段，确定泥石流容重、沟道坡度、溢流口宽度、溢流口底宽、坝址处沟道宽度、溢流口位置系数、溢流口边坡系数和设计泥深，将所得参数分别代入流量系数和过流流量公式，得到不同条件下的溢流口过流流量，从而对所设计的拦砂坝溢流口过流能力进行校核。与现有技术相比，本发明综合考虑沟道条件和泥石流自身性质，通过理论推导得到流量系数方程和溢流口过流流量方程，能够唯一确定流量系数，进而能够合理确定过流流量大小，可为泥石流灾害防治工程设计提供设计依据，并且计算方法简便，适应实际工程需要。

Description

一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量的测算方法，及其在泥石流灾害防治工程中的应用。

背景技术

泥石流是中国山区一种常见的地质灾害，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、大冲淤、破坏力极强的特点。随着人类经济活动进一步向山区延伸和自然环境趋于恶化,泥石流爆发范围和频率正在逐年增大,所带来的危害也更加严重，为了保障山区经济的可持续发展，泥石流防治治理就显得十分必要。

在泥石流的防治措施中，拦砂坝由于具有防治效果好、施工及维护方便、使用周期长、造价低等特点，是目前防治泥石流灾害中使用最为广泛的工程措施。

随着拦砂坝工程的大量实施，在这个过程中遇到了许多新的工程实际问题。例如在采用拦砂坝对泥石流沟进行治理时，拦砂坝溢流口的设计是坝体设计的关键步骤之一，溢流口过流能力不足可能导致泥石流翻坝冲刷坝肩从而威胁坝体稳定性，溢流口过流能力过大则相应的拦砂坝库容减小从而影响坝体的拦蓄能力，因此在设计时必须对溢流口的过流能力进行校核测算。

目前，对拦砂坝溢流口过流能力的校核测算方法做出明确说明的主要有《泥石流防治工程技术》（王继康，1996）和日本河川建设局编制的《河流沙防技术标准》。《泥石流防治工程技术》提出矩形溢流口过流能力测算方法为式中B为溢流口宽度，H为泥深，m为流量系数，其中流量系数m一般取1.45～1.55；对于梯形溢流口其仅给出了边坡系数为1:1的计算式，故《泥石流防治工程技术》中提出的溢流口过流能力测算方法对于梯形溢流口应用性不强。日本《河流沙防技术标准》认为溢流口过流能力可按下式进行测算：式中，C为流量系数，取值范围为0.6～0.66，BB₁为溢流口底宽，BB₂为溢流水面宽，h为溢流体深度。以上两种方法虽然都明确提出了溢流口过流流量的测算公式，并且也给出了各自流量系数的取值范围，但其流量系数取值范围较宽泛，且没有考虑泥石流性质以及沟道条件的影响，选取标准具有一定随意性，导致计算存在较大误差，在实际应用中存在较大问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法及其在泥石流防治工程中的应用，该测算方法基于理论推导，能够合理确定不同泥石流性质和沟道条件下、不同拦砂坝溢流口形状的过流流量大小，可为泥石流灾害防治工程设计提供设计依据，且计算方法有效简便，适应实际工程需要。

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拦砂坝溢流口过流流量的测算方法，所述测算方法的理论推导如下：如图1所示为泥石流过坝溢流示意图，取0-0面作为基准面，对1、2位置列伯努利方程：图1中V₁为过坝前泥石流流速，V₂为过坝后泥石流流速，Li为断面1、2之间的距离L与淤积纵坡i的乘积，h为过坝前泥深，H为溢流口处泥深。令α₂=α，v₂=v，H₀=kH，可得（k-β）由此可解得式中，α为动能校正系数，β为动水压强分布改正系数，ζ为局部水头损失系数，为流速系数，g为重力加速度，H为溢流口处泥深，v为泥石流流速。

如图2推导自由出流情况下的梯形溢流口（边坡系数等于0时即为矩形溢流口）过流流量测算公式。拦砂坝溢流口为梯形，溢流口底宽为b，溢流口边坡系数为m；设泥石流泥深为H，沿顶面向下为Y轴，在y距离处取微元泥深为dy，如图2中阴影部分所示，该部分可视为矩形形状，则该部分面积大小为dA=[b+2mH]dy，过流流量dQ=vdA，在[0,H]范围内积分可以得到拦砂坝溢流口处的泥石流过流流量计算公式为：

式中，b为溢流口底宽，m为梯形溢流口边坡系数，H为泥石流泥深；为流量系数，流量系数C可由模型实验得到的经验公式C=-0.85γ_c+0.02θ+0.24b’/B+1.79进行计算取值，其中γ_c为泥石流容重，θ为沟道坡度，b’为溢流口宽度（其值等于溢流口底宽和顶宽之和的二分之一），B为坝址处的沟道宽度。

在上述理论推导得到的溢流口过流流量计算公式基础上，考虑溢流口与沟道中心的相对位置关系，引入溢流口位置系数λ，并通过模型实验得到λ的取值。当溢流口正对沟道中心时，λ为1；当溢流口偏离沟道中心位置时，λ为0.75-0.8。因此泥石流拦砂坝溢流口过流流量的最终计算公式为：

本发明在上述计算理论分析基础之上，提出了一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量的测算方法。具体而言，所述溢流口过流流量的测算方法步骤如下：

（一）通过现场调查测量，确定溢流口底宽b和溢流口顶宽，并将溢流口底宽b和溢流口顶宽之和的二分之一作为溢流口宽度b’，单位m；通过野外容重试验，确定泥石流容重γ_c，单位t/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定泥石流沟的沟道坡度θ，单位度；通过现场调查测量，确定拦砂坝坝址处沟道宽度B，单位m；

将上述参量代入公式C=-0.85γ_c+0.02θ+0.24b’/B+1.79，确定流量系数C；

（二）通过以下公式确定泥石流拦砂坝溢流口过流流量：

$Q=\mathrm{\λC}{H}^{\frac{3}{2}}(5b+4\mathrm{mH})$

式中，Q—泥石流拦砂坝溢流口过流流量，单位m³/s；

λ—溢流口位置系数；当溢流口正对沟道中心时，λ为1;当溢流口偏离沟道中心位置时，λ为0.75-0.8；

C—流量系数，由步骤（一）确定；

b—溢流口底宽，单位m，由步骤（一）确定；

m—溢流口边坡系数，通过现场调查测量确定；m=0时，即为矩形溢流口；

H—设计泥深，单位m，通过现场调查测量确定。

所述溢流口过流流量的测算方法适用于拦砂坝设计时的溢流口过流能力校核验算。通过现场调查，确定泥石流实际峰值流量Qc，单位m³/s；将通过泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法得到的泥石流拦砂坝溢流口过流流量Q，与泥石流实际峰值流量Qc进行比对，如果Q大于Qc，则所设计的溢流口合理。所述溢流口过流流量的测算方法适用于泥石流容重γ_c为1.6-2.1t/m³、沟道坡度θ为7-15度的泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑沟道条件和泥石流自身性质，通过理论推导得到流量系数方程和溢流口过流流量方程，能够唯一确定流量系数，进而能够合理确定不同条件（即泥石流性质、沟道条件、溢流口形状）组合下的拦砂坝溢流口过流流量，可为泥石流灾害防治工程设计提供设计依据，并且计算方法简便，适应实际工程需要。

附图说明

图1是泥石流过坝溢流示意图。

图2是溢流口过流断面微分图。

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。

如图1、图2所示。绵竹某泥石流沟位于绵远河左岸，流域面积为1.36km²，区域内最高点海拔1987m；最低点海拔810m，相对高差达1177m。沟床比降412‰，主沟长度2.59km，流域宽度约在330～990m之间，两侧斜坡坡度较陡，一般在30°～70°，局部为陡崖地貌。震后，该流域多次暴发较大规模泥石流，泥石流冲出沟道后直接进入沟口的绵远河，不但淤埋了沟口的公路，致使公路多次断道，而且多次堵断绵远河，形成泥石流堰塞湖。

为了减轻泥石流灾害，拟在泥石流主沟修建拦砂坝。经野外测绘调查，该拦砂坝坝址处泥石流实际峰值流量Q_c为14.58m³/s。下面对拦砂坝溢流口过流能力进行校核验算。

首先，通过现场调查，溢流口设计为矩形，溢流口底宽b和溢流口顶宽均为9.0m，因此确定溢流口宽度b’为9.0m；通过野外容重试验，确定该沟泥石流为粘性，泥石流容重γ_c为2.0t/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定沟道坡度θ为13度；通过现场调查测量，确定拦砂坝坝址处沟道宽度B为31.7m；将上述参量代入公式C=-0.85γ_c+0.02θ+0.24b’/B+1.79，计算得到流量系数C为0.419。

然后，通过现场调查，溢流口位置与沟道中心相对，确定溢流口位置系数λ为1；溢流口设计为矩形，确定溢流口边坡系数m为0；设计泥深H为1.0m；将上述参量，连同之前确定的流量系数C为0.419和溢流口底宽b为9.0m，一起代入公式计算得到泥石流拦砂坝溢流口过流流量Q为18.86m³/s。

由于泥石流拦砂坝溢流口过流流量Q=18.86m³/s大于该断面处的泥石流实际峰值流量Q_c=14.58m³/s，说明该拦砂坝溢流口设计合理，满足工程要求。

Claims (4)

1.一种泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法，其特征在于：所述泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法的步骤如下：

（一）通过现场调查测量，确定溢流口底宽b和溢流口顶宽，并将溢流口底宽b和溢流口顶宽之和的二分之一作为溢流口宽度b’，单位m；通过野外容重试验，确定泥石流容重γ_c，单位t/m³；通过大比例尺地形图测量计算，确定沟道坡度θ，单位度；通过现场调查测量，确定拦砂坝坝址处沟道宽度B，单位m；

将上述参量代入公式C=-0.85γ_c+0.02θ+0.24b’/B+1.79，确定流量系数C；

（二）通过以下公式确定泥石流拦砂坝溢流口过流流量：

$Q=\mathrm{\λC}{H}^{\frac{3}{2}}(5b+4\mathrm{mH})$

式中，Q—泥石流拦砂坝溢流口过流流量，单位m³/s；

λ—溢流口位置系数；当溢流口正对沟道中心时，λ为1;当溢流口偏离沟道中心位置时，λ为0.75-0.8；

C—流量系数，由步骤（一）确定；

b—溢流口底端，单位m，由步骤（一）确定；

m—溢流口边坡系数，通过现场调查测量确定；

H—设计泥深，单位m，通过现场调查测量确定。

2.如权利要求1所述泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法的应用，其特征在于：适用于拦砂坝设计时的溢流口过流能力校核。

3.根据权利要求2所述泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法的应用，其特征在于：通过现场调查，确定泥石流实际峰值流量Qc，单位m³/s；将通过泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法得到的泥石流拦砂坝溢流口过流流量Q，与泥石流实际峰值流量Qc进行比对，如果Q大于Qc，则所设计的溢流口合理。

4.如权利要求1所述泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算方法的应用，其特征在于：适用于泥石流容重γ_c为1.6-2.1t/m³、沟道坡度θ为7-15度的泥石流拦砂坝溢流口过流流量测算。