CN103343526A - 一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其应用。该方法通过确定泥石流类型、泥石流固体物质d₉₅粒径、开口宽度b、开口高度h、窗口坝所有开口横断面的总面积S₀、沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S，进而判断窗口坝的闭塞类型；可用于窗口坝的闭塞类型校核，或用于指导窗口坝的开口设计。与现有技术相比，本发明综合考虑开口宽度、开口高度和开口总面积三项影响因素，充分反映了开口宽度、高度和总面积对窗口坝闭塞类型的影响，能够合理区分窗口坝的闭塞类型，为窗口坝的设计提供依据，适应实际工程需要。

Description

一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法，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,其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，拦砂坝是目前防治泥石流灾害中使用最为广泛的工程措施。窗口坝作为一种重要拦砂坝类型，在实际工程中已有广泛应用。窗口坝为一种透水型拦砂坝，它是在实体坝上开一些孔口，用于透水输砂，其开口尺寸大于筛子坝，开口高宽比小于传统缝隙坝，是一种界于筛子坝与传统缝隙坝之间的拦砂坝类型。

然而目前关于窗口坝闭塞类型临界条件及其拦砂性能的研究较少，窗口坝的设计仍多以设计者的经验和水工设计方法为主，理论依据和技术指标尚还缺乏。如何在窗口坝的设计时选择合理的开口尺寸和数量等，使其达到良好的拦砂效果，为窗口坝的设计提供依据是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法及其在窗口坝设计工程中的应用，该判别方法能够合理区分窗口坝的闭塞类型，为窗口坝的设计提供依据，适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种窗口坝拦截不同性质泥石流时的闭塞型类型判别方法。窗口坝的闭塞类型由闭塞度衡量：闭塞度为开口堵塞的百分率；闭塞度为0时表示窗口坝不闭塞，闭塞度为100%时表示窗口坝全闭塞，闭塞度为0～100%时表示窗口坝部分闭塞。

具体而言，窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法步骤如下：

（一）通过野外调查，确定泥石流类型（依泥石流容重分类）和泥石流的颗粒级配分布，画出泥石流颗粒分布曲线图（以小于某一粒径的颗粒累积百分含量为纵坐标，如图1所示），并从泥石流颗粒分布曲线图中查出累计含量为95%对应的粒径值d₉₅，单位m。

（二）针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值，得到与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值；式中，b为开口宽度，单位m，通过现场调查测量确定或为设计值；h为开口高度，单位m，通过现场调查测量确定或为设计值；d95为累计含量95%对应的粒径值，单位m，由步骤（一）确定。

（三）当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均小于等于1.1，则判定窗口坝为全闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均大于1.9，则判定窗口坝为不闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在部分值大于1.9同时其余部分值小于等于1.1，则判定窗口坝为部分闭塞类型（即min(b,h)/d₉₅值大于1.9的开口没堵塞，min(b,h)/d₉₅值小于等于1.1的开口堵塞）；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在任一值大于1.1同时小于等于1.9，则进行步骤（四）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均小于等于1.7，则判定窗口坝为全闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均大于2.1，则判定窗口坝为不闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在部分值大于2.1同时其余部分值小于等于1.7，则判定窗口坝为部分闭塞类型（即min(b,h)/d₉₅值大于2.1的开口没堵塞，min(b,h)/d₉₅值小于等于1.7的开口堵塞）；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在任一值大于1.7同时小于等于2.1，则进行步骤（四）。

（四）窗口坝的每一个开口尺寸相同，则进行步骤（五）；否则，进行步骤（七）。

（五）针对窗口坝整体，通过以下公式确定F值：

$F=\left\{\begin{array}{cc}{[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{b/h}& (h<b)\\ {[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{h/b}& (h\&GreaterEqual;b)\end{array}\right.$

式中，S₀为窗口坝所有开口横断面的总面积，单位m²，通过现场调查测量确定或为设计值；S为沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积，单位m²，通过现场调查测量确定或为设计值；其他参量同步骤（二）中。

（六）当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于0同时小于等于0.95，则判定窗口坝为全闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于0.95同时小于1.5，则判定窗口坝为部分闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于1.5，则判定窗口坝为不闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于0同时小于等于2.7，则判定窗口坝为全闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于2.7，则判定窗口坝为部分闭塞类型。

（七）判别结束。

所述窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法适用于窗口坝的闭塞类型校核（即判断已建窗口坝的闭塞类型），或用于指导窗口坝的开口设计。在判断已有窗口坝闭塞类型时，通过野外调查手段，确定泥石流类型、泥石流固体物质d95粒径、开口宽度b、开口高度h、窗口坝所有开口横断面的总面积S₀、沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S，进而判断窗口坝的闭塞类型。在指导窗口坝开口设计时，首先根据实际情况选择窗口坝的闭塞类型（即全闭塞、或部分闭塞、或不闭塞），确定泥石流类型及d₉₅粒径值，然后选择窗口坝开口尺寸和数量，利用上述步骤（二）—（七）判断窗口坝闭塞类型，如果闭塞类型不符合设计要求，可通过改变开口形状（宽度和高宽比）或开口总面积而达到设计要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用判别式F判别，其综合考虑了开口宽度、开口高度和开口总面积三项影响因素，充分反映了开口宽度、高度和总面积对窗口坝闭塞类型的影响，能够合理区分窗口坝的闭塞类型，为窗口坝的设计提供依据，适应实际工程需要。

附图说明

图1是泥石流颗粒分布曲线图。

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。

实施例一

小岗剑泥石流灾害点位于绵茂路汉清段右侧、绵远河左岸，清平乡东南方向约5.0km处。小岗剑流域面积1.36km²，主沟长2.59km，沟床纵坡比降412‰。小岗剑泥石流的危险区主要分布在泥石流沟口段以及沿绵远河上下游可能被淹没和淤埋的区域。为了保护穿越此段的绵茂公路及其他基础设施，在小岗剑修建了泥石流防治工程，其中主沟1号拦砂坝是较典型窗口坝。

主沟1号坝有效拦蓄高度为12.5m，坝顶轴线全长38.2m，坝顶宽3.0m，上游面坡为1:0.60，下游面坡为1:0.1；通过现场调查确定坝身开孔三排，其中上排孔3个为0.8×1.0m（即开口宽度b为0.8m，开口高度h为1.0m），中排孔4个为0.8×2.5m（即开口宽度b为0.8m，开口高度h为2.5m），下排孔3个为0.8×3.0m（即开口宽度b为0.8m，开口高度h为3.0m），三排孔之间横向净间距均为1.5m，竖向净间距均为2.0m。1号坝设计时为全闭塞型，以便最大限度地拦蓄泥石流，坝体开口主要用于坝体排水，使泥石流尽快水土分离。下面采用窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法对1号坝的闭塞类型进行校核。

通过野外调查，确定P=5%（二十年一遇）时泥石流容重为1.90t/m³，泥石流属粘性泥石流；并通过野外调查确定泥石流的颗粒级配分布，根据泥石流颗粒分布曲线图确定d₉₅粒径为1.1m。针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值均为0.73，得到10个min(b,h)/d₉₅值。由于泥石流类型为粘性泥石流，且所有min(b,h)/d₉₅值均小于1.7，则判定窗口坝为全闭塞类型。

1号窗口坝于2012年4月完工，2012年7月、8月爆发了数次粘性泥石流（泥石流容重在1.9t/m³～2.1t/m³之间，泥石流d₉₅粒径为1.1m，），造成窗口坝闭塞并淤满泥石流堆积，达到了设计效果。

实施例二

肖家沟位于汶川县映秀镇境内，沟口地理坐标为东经103°26′20″，北纬31°04′32″。肖家沟泥石流沟平均纵向长度4.50km，沟域面积7.19km²。沟域最高点海拔高程达3483m，最低点沟口高程为1080m，相对高差为2403m。肖家沟泥石流威胁对象主要为下游映秀镇的安全和沟口S303映秀段公路。

为了有效治理泥石流，防治泥石流堵江，拦截泥石流并稳固沟床，减轻泥石流灾害，拟在肖家沟沟内修建一窗口坝。窗口坝以拦截泥石流物料，稳固沟床和岸坡为目的，因而设计窗口坝为全闭塞型坝体，设计标准为20年一遇。下面采用窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法指导窗口坝的开口设计。

通过野外调查，确定P=5%时泥石流容重为2.0t/m³，泥石流属粘性泥石流；并通过野外调查确定泥石流的颗粒级配分布，根据泥石流颗粒分布曲线图确定d₉₅粒径为1.0m。

初步设计窗口坝有效坝高18m，沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S为1570m²；设计坝体开口为2.0m×2.0m孔（即开口宽度b和开口高度h均为2.0m），开口共5排，每排4个，窗口坝所有开口横断面的总面积S₀为80m²。针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值均为2.0，得到20个min(b,h)/d₉₅值。

由于泥石流类型为粘性泥石流，且存在有min(b,h)/d₉₅值大于1.7同时小于2.1，同时窗口坝的每一个开口尺寸相同，进而针对窗口坝整体计算得到 $F={[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{h/b}={(2.0/1.0)}^2\&times;\sqrt{80/1570}\&times;\sqrt{2.0/2.0}=0.63.$ F值小于2.7,可判定窗口坝为全闭塞类型，达到了设计要求。

实施例三

小沟位于汶川县岷银杏乡，江右岸的G213国道K5+700m对岸沟口。地理坐标为东经103°18'26.3"，北纬31°05'31.9"。小沟属一新高频暴雨沟谷型泥石流沟。泥石流威胁沟口洱沟水电站、三力电厂、东界脑村居民点共计115户和G213国道交通，威胁资产6000万元左右，其险情属于大型。

为了保护上述受威胁对象，在小沟沟内修建了多处窗口坝。其中4号坝按照品字形布置了两排17个开口（上排8个，下排9个），所有为0.8×1.0m（即开口宽度b为0.8m，开口高度h为1.0m），左右净距3.0m，排间净距为2.5m，窗口坝所有开口横断面的总面积S₀为13.6m²，沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S为377m²。

经过野外调查确定P=5%时泥石流容重为1.7t/m³，泥石流属过渡性泥石流；根据泥石流颗粒分布曲线图确定d₉₅粒径为0.5m。针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值均为1.6。由于泥石流类型为过渡性泥石流，且存在有min(b,h)/d₉₅值大于1.1同时小于1.9，同时窗口坝的每一个开口尺寸相同，进而针对窗口坝整体计算得到

$F={[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{h/b}={(0.8/0.5)}^2\sqrt{13.6/377}\&times;\sqrt{1.0/0.8}=0.57$ 。F值小于0.95,可判定窗口坝为全闭塞类型。

实施例四

与实施例三相同之处不再重复赘述，不同之处在于：其中3号坝修建为部分闭塞类型窗口坝，以拦截部分泥石流达到拦粗排细的目的。设计3号坝按照品字形布置两排17个开口（上排8个，下排9个），所有为1.5×0.9m（即开口宽度b为1.5m，开口高度h为0.9m），左右净距2.0m，排间净距为2.5m，窗口坝所有开口横断面的总面积S₀为22.95m²，沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S为377m²。

经过野外调查确定P=5%时泥石流容重为1.7t/m³，泥石流属过渡性泥石流；根据泥石流颗粒分布曲线图确定d₉₅粒径为0.5m。针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d95值均为1.8。由于泥石流类型为过渡性泥石流，且存在有min(b,h)/d₉₅值大于1.1同时小于1.9，同时窗口坝的每一个开口尺寸相同，进而针对窗口坝整体计算得到

$F={[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{b/h}={(0.9/0.5)}^2\&times;\sqrt{22.95/377}\&times;\sqrt{1.5/0.9}=1.03$ 。F值大于0.95同时小于1.5,可判定窗口坝为部分闭塞类型，满足设计目的。

实施例五

与实施例三相同之处不再重复赘述，不同之处在于：其中2号坝修建为不闭塞类型窗口坝，以坝体死库容拦截大尺寸泥砂而达到拦粗排细的效果，同时可有效减少溢流口面积，优化坝体结构。设计2号坝的开口尺寸为1.2×1.2m（即开口宽度b为1.2m，开口高度h为1.2m），开口共3个，按左右净距2.0m宽度布置成一排，窗口坝所有开口横断面的总面积S₀为4.32m²，沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积S为377m²。

经过野外调查确定P=5%时泥石流容重为1.7t/m³，泥石流属过渡性泥石流；根据泥石流颗粒分布曲线图确定d₉₅粒径为0.5m。针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值均为2.4。由于泥石流类型为过渡性泥石流，且3个开口的min(b,h)/d₉₅值均大于1.9，可判定窗口坝为不闭塞类型，满足设计目的。

Claims (2)

1.一种窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法，其特征在于：所述窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法的步骤如下：

（一）通过野外调查，确定泥石流类型和泥石流的颗粒级配分布，画出泥石流颗粒分布曲线图，并从泥石流颗粒分布曲线图中查出累计含量为95%对应的粒径值d₉₅，单位m；

（二）针对窗口坝的每一个开口，确定min(b,h)/d₉₅值，得到与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值；式中，b为开口宽度，单位m，通过现场调查测量确定或为设计值；h为开口高度，单位m，通过现场调查测量确定或为设计值；d₉₅为累计含量95%对应的粒径值，单位m，由步骤（一）确定；

（三）当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均小于等于1.1，则判定窗口坝为全闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均大于1.9，则判定窗口坝为不闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在部分值大于1.9同时其余部分值小于等于1.1，则判定窗口坝为部分闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在任一值大于1.1同时小于等于1.9，则进行步骤（四）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均小于等于1.7，则判定窗口坝为全闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值均大于2.1，则判定窗口坝为不闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在部分值大于2.1同时其余部分值小于等于1.7，则判定窗口坝为部分闭塞类型；进行步骤（七）；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（二）中得到的与开口数量相同个数的min(b,h)/d₉₅值中存在任一值大于1.7同时小于等于2.1，则进行步骤（四）；

（四）窗口坝的每一个开口尺寸相同，则进行步骤（五）；否则，进行步骤（七）；

（五）针对窗口坝整体，通过以下公式确定F值：

$F=\left\{\begin{array}{cc}{[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{b/h}& (h<b)\\ {[\min (b,h)/d_{95}]}^2\&times;\sqrt{S_0/S}\&times;\sqrt{h/b}& (h\&GreaterEqual;b)\end{array}\right.$

式中，S₀为窗口坝所有开口横断面的总面积，单位m²，通过现场调查测量确定或为设计值；S为沟道宽度内窗口坝有效高度以下横断面面积，单位m²，通过现场调查测量确定或为设计值；其他参量同步骤（二）中；

（六）当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于0同时小于等于0.95，则判定窗口坝为全闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于0.95同时小于1.5，则判定窗口坝为部分闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为稀性或过渡性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于1.5，则判定窗口坝为不闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于等于0同时小于等于2.7，则判定窗口坝为全闭塞类型；

当步骤（一）中确定的泥石流类型为粘性泥石流，且步骤（五）中确定的F值大于2.7，则判定窗口坝为部分闭塞类型；

（七）判别结束。

2.如权利要求1所述窗口坝拦截泥石流闭塞类型判别方法的应用，其特征在于：

适用于窗口坝的闭塞类型校核，或用于指导窗口坝的开口设计。

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