CN103696403A - 一种阶梯-深潭结构型泥石流排导槽及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于大沟床纵比降泥石流的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽。所述排导槽槽底包括若干全衬砌阶梯段和充填于上下游阶梯段之间的深潭段；阶梯段包括位于上游的上端齿槛、位于下游的下端齿槛、及连接上下端齿槛的全衬砌底板；深潭段包括钢索网箱体护底，设于护底上方、紧贴下游阶梯段上端齿槛的钢索网箱体缓冲层，及设于侧墙、护底、上游阶梯段下端齿槛和缓冲层包围空间内的块石；护底和缓冲层的结构均为钢索网包裹块石；深潭段顶面与下游阶梯段的最高处平齐，深潭段长度L4小于阶梯段长度L1。与现有技术相比，本发明充分利用阶梯-深潭结构调控泥石流流速，控制泥石流体对槽底的冲刷，保障正常排导功能发挥，减小后期维护费用。

Description

一种阶梯-深潭结构型泥石流排导槽及其应用
技术领域
本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽。
背景技术
泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一。随着山区经济的发展、西部大开发的深化，泥石流工程治理需求越来越旺盛。排导槽作为泥石流防治工程的主要类型之一，在泥石流治理中大量使用。
在汶川地震后，大量的崩塌滑坡为泥石流的形成提供了丰富的固体物质来源，出现了大量的沟床纵比降很大的泥石流沟，其沟床纵比降超过0.20，甚至达到0.50-0.60。针对沟床比降很大的泥石流，如果使用目前常用的全衬砌型泥石流排导槽（俗称V型槽）来排导槽泥石流，会出现因泥石流在槽中运动速度太大而强烈磨蚀槽底，导致大大降低排导槽的使用寿命、增加运行期的维护费用。针对沟床比降很大的泥石流，如果使用目前常用的肋槛软基消能型泥石流排导槽（俗称东川槽）来排导泥石流，当肋槛间距较大时，会出现泥石流跌落高差过大，与槽底土体强烈作用而冲刷槽底，威胁肋槛安全，导致排导槽整体破坏；当肋槛间距较小时，不但会大大增加工程投资，也不能很好保障肋槛的安全。针对沟床比降很大的泥石流，如果使用箱体衬砌式泥石流排导槽（ZL201110380681.5）来排导泥石流，针对低频泥石流的防治效果较好，但针对高频泥石流，由于箱体壁的抗磨蚀能力和抗冲击能力有限，容易出现箱体壁被破坏而大大降低对泥石流的调控效果。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，针对沟床纵比降很大、泥石流频发情况下泥石流强烈的磨蚀和冲刷作用常造成排导槽槽底严重破坏、无法正常使用、后期维护费用高昂的情况，提供一种安全性高、后期维护费用少、适用于很大沟床纵比降泥石流沟的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明提出的一种阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙；所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段和充填于上下游阶梯段之间的深潭段；阶梯段包括位于上游的上端齿槛、位于下游的下端齿槛、及连接上端齿槛和下端齿槛的全衬砌底板；所述深潭段包括钢索网箱体护底，设于钢索网箱体护底上方、紧贴下游阶梯段上端齿槛的钢索网箱体缓冲层，以及设于侧墙、钢索网箱体护底、上游阶梯段下端齿槛和钢索网箱体缓冲层包围空间内的块石；钢索网箱体护底和钢索网箱体缓冲层的结构均为钢索网包裹块石；所述深潭段顶面与下游阶梯段的最高处平齐，深潭段长度L4小于阶梯段长度L1。所述深潭段发挥的最主要功能是消耗部分泥石流运动动能、调控泥石流流速、控制泥石流体对排导槽槽底的冲刷；所述深潭即为侧墙、钢索网箱体护底、上游阶梯段下端齿槛和钢索网箱体缓冲层所包围的空间，其中充填的块石与泥石流体相互作用来消耗泥石流运动动能，实现调控泥石流流速、控制泥石流对槽底冲刷和对阶梯段磨蚀的目的；所述钢索网箱体护底可以吸收泥石流的冲击能量，抑制泥石流体与槽底地基土体交换，特别是控制地基土体参与泥石流活动，从而控制泥石流体对排导槽槽底的冲刷，保障正常排导功能发挥，减小后期维护费用；所述钢索网箱体缓冲层能够对阶梯段承受的泥石流体水平冲击力起到缓冲作用。
深潭段长度L4等于块石铺设长度L2与钢索网箱体缓冲层厚度L3之和，钢索网箱体护底长度与深潭段长度L4相等。上端齿槛高度h2等于块石铺设厚度h12与钢索网箱体护底厚度h13之和，钢索网箱体缓冲层高度与块石铺设厚度h12相等。下端齿槛高度h1等于下端齿槛悬空高度h11、块石铺设厚度h12、钢索网箱体护底厚度h13及下端齿槛超埋深度h14（即钢索网箱体护底以下下端齿槛的埋深）之和。为了平衡控制投资和施工进度，下端齿槛悬空高度h11宜控制小于等于3.0m，为此，深潭段长度L4大于等于阶梯段长度L1的四分之一，同时小于等于阶梯段长度L1的二分之一。
下端齿槛悬空高度h11=(L1+L4)×i0－L1×i1；式中L1为阶梯段长度，单位m，L4为深潭段长度，单位m，i0为沟床平均纵比降，一般取值为0.2-0.4，i1为阶梯段比降；下端齿槛超埋深度h14一般为0.5-1.0m。
块石铺设长度（即深潭段的深潭长度）L2和块石铺设厚度h12主要根据泥石流体容重来规划，一般L2取2.0-4.0m，h12取1.0-2.0m；当泥石流体容重较大时，L2和h12取大值；当泥石流体容重较小时，L2和h12取小值。深潭中块石粒径不小于0.2m，一般为0.2-0.5m，可根据泥石流容重来规划；当泥石流体容重较大时，块石粒径取大值；当泥石流体容重较小时，块石粒径取小值。
钢索网箱体缓冲层厚度L3主要根据泥石流体容重来规划，一般L3取0.5-1.0m；当泥石流体容重较大时，L3取大值；当泥石流体容重较小时，L3取小值。钢索网箱体护底厚度h13一般取0.5-1.0m，钢索网箱体护底和钢索网箱体缓冲层的钢索直径一般为0.005-0.01m，钢索网网孔大小一般为0.1m×0.1m-0.2m×0.2m，主要根据泥石流体容重和下端齿槛悬空高度h11来规划；当泥石流体容重较大、下端齿槛悬空高度h11较大时，h13、钢索直径和钢索网网孔大小取大值；当泥石流体容重较小、下端齿槛悬空高度h11较小时，h13、钢索直径和钢索网网孔大小取小值。
全衬砌底板一般为浆砌石结构、或混凝土结构、或钢筋混凝土结构，厚度一般为0.5-1.0m。阶梯段比降i1根据全衬砌底板材料的耐磨性确定，一般取0.08-0.15。阶梯段长度L1主要根据沟床平均纵比降i0和全衬砌底板材料来规划，一般取5.0-20.0m；当沟床平均纵比降i0较大、全衬砌底板材料耐磨性较小时，阶梯段长度L1取小值；当沟床平均纵比降i0较小、全衬砌底板材料耐磨性较大时，阶梯段长度L1取大值。
为了更适合沟床纵比降很大情况下均衡排泄泥石流，避免出现强烈冲刷和淤积的情况，排导槽槽底宽度B和排导槽深度H（即侧墙有效高度）之比大于等于2.0，即B/H≥2.0。所述沟床纵比降很大一般指沟床平均纵比降i0大于等于0.20，即i0≥0.20。本发明提出的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽特别适用于沟床平均纵比降i0为0.2-0.4的泥石流排导。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分利用阶梯-深潭结构使泥石流与块石相互作用来消耗部分运动动能，调控泥石流流速，并利用钢索网箱体吸收泥石流的冲击能量，抑制泥石流体与槽底地基土体交换，从而控制泥石流体对排导槽槽底的冲刷，保障正常排导功能发挥，减小后期维护费用；与全衬砌型排导槽相比，在陡坡条件下排导泥石流更安全，工程可靠性大幅度提高，后期维护费用降低50～80%，与肋槛软基消能型排导槽相比，工程可靠性大幅度提高，后期维护费用降低30～50%，与箱体衬砌式排导槽相比，后期维护费用降低20～40%。
附图说明
图1是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的俯视示意图。
图2是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的侧面纵剖面示意图。
图3是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的槽心纵剖面示意图。
图4是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的槽心纵剖面放大示意图。
图5是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的深潭段横截面示意图。
图6是阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的阶梯段横截面示意图。
图中标号如下：
1   侧墙                        2    阶梯段
3   上端齿槛                    4    下端齿槛
5   底板                        6    钢索网箱体护底
7   钢索网箱体缓冲层            8    块石
i1  阶梯段比降                  i0    沟床平均纵比降
L1  阶梯段长度                  L2    块石铺设长度
L3  钢索网箱体缓冲层厚度        L4    深潭段长度
h1  下端齿槛高度                h11   悬空高度
h12 块石铺设厚度                h13   钢索网箱体护底厚度
h14 超埋深度                    h2    上端齿槛高度
B   槽底宽度                    H     排导槽深度
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、图2、图3、图4、图5、图6所示。某泥石流沟流域面积1.78km2，为了控制泥石流灾害，规划在流域中部设置拦砂坝1座、堆积扇上修建排导槽240m。针对排导槽，槽底沟床平均纵比降i0为0.40，排泄泥石流流量96m3/s、容重21.5kN/m3，为了控制泥石流强烈的磨蚀和冲刷作用采用阶梯-深潭结构型泥石流排导槽。阶梯-深潭结构型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙1，所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段2和充填于上下游阶梯段2之间的深潭段；阶梯段2包括位于上游的上端齿槛3、位于下游的下端齿槛4、及连接上端齿槛3和下端齿槛4的全衬砌底板5；所述深潭段包括钢索网箱体护底6，设于钢索网箱体护底6上方、紧贴下游阶梯段2上端齿槛3的钢索网箱体缓冲层7，以及设于侧墙1、钢索网箱体护底6、上游阶梯段2下端齿槛4和钢索网箱体缓冲层7包围空间内的块石8；钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的结构均为钢索网包裹块石；所述深潭段顶面与下游阶梯段2的最高处平齐。
根据泥石流区域的实际情况——排泄泥石流流量96m3/s、槽底沟床平均纵比降i0为0.40、容重21.5kN/m3，规划设计排导槽槽底宽度B为8.0m、排导槽深度H为2.5m。
根据泥石流容重，确定块石8铺设长度L2取2.0m、块石8铺设厚度h12取2.0m、钢索网箱体缓冲层7厚度L3取1.0m、深潭中铺设块石8的粒径取0.5m，深潭段长度L4=L2+L3=3.0m。
全衬砌底板5采用钢筋混凝土结构，厚度取1.0m。阶梯段2比降i1根据全衬砌底板5材料的耐磨性取0.15。阶梯段2长度L1主要根据沟床平均纵比降i0和全衬砌底板5材料来规划，取6.0m，满足L1/4≤L4≤L1/2。由此，计算下端齿槛4悬空高度h11=(L1+L4)×i0－L1×i1=(L1+L2+L3)×i0－L1×i1=(6.0+2.0+1.0)×0.40－6.0×0.15=2.7m。
根据泥石流体容重和下端齿槛4悬空高度h11，确定钢索网箱体护底6厚度h13取1.0m，钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的钢索直径取0.01m，钢索网网孔大小取0.2m×0.2m；下端齿槛4超埋深度h14取1.0m。
下端齿槛4高度h1=h11+h12+h13+h14=2.7+2.0+1.0+1.0=6.7m，上端齿槛3高度h2=h12+h13=2.0+1.0=3.0m。
综上，阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的关键参数为：槽底沟床平均纵比降i0为0.40，排导槽槽底宽度B为8.0m、排导槽深度H为2.5m；对于阶梯段2，阶梯段2比降i1为0.15、阶梯段2长度L1为6.0m，上端齿槛3高度h2为3.0m、下端齿槛4高度h1为6.7m，全衬砌底板5采用钢筋混凝土结构，厚度为1.0m；对于深潭段，块石8铺设长度L2为2.0m、块石8铺设厚度h12为2.0m、块石8粒径为0.5m，钢索网箱体缓冲层7厚度L3为1.0m、钢索网箱体缓冲层7高度为2.0m，钢索网箱体护底6厚度h13为1.0m、钢索网箱体护底6长度为3.0m，钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的钢索直径为0.01m，钢索网网孔大小为0.2m×0.2m，下端齿槛4悬空高度h11为2.7m。
实施例二
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。某泥石流沟流域面积8.6km2，为了控制泥石流灾害，规划在流域中部设置拦砂坝3座、堆积扇上修建排导槽480m。针对排导槽，槽底沟床平均纵比降i0为0.20，排泄泥石流流量265m3/s、容重15kN/m3，为了控制泥石流强烈的磨蚀和冲刷作用采用阶梯-深潭结构型泥石流排导槽。阶梯-深潭结构型泥石流排导槽包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙1，所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段2和充填于上下游阶梯段2之间的深潭段；阶梯段2包括位于上游的上端齿槛3、位于下游的下端齿槛4、及连接上端齿槛3和下端齿槛4的全衬砌底板5；所述深潭段包括钢索网箱体护底6，设于钢索网箱体护底6上方、紧贴下游阶梯段2上端齿槛3的钢索网箱体缓冲层7，以及设于侧墙1、钢索网箱体护底6、上游阶梯段2下端齿槛4和钢索网箱体缓冲层7包围空间内的块石8；钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的结构均为钢索网包裹块石；所述深潭段顶面与下游阶梯段2的最高处平齐。
根据泥石流区域的实际情况——排泄泥石流流量265m3/s、槽底沟床平均纵比降i0为0.20、容重15kN/m3，规划设计排导槽槽底宽度B为10.0m、排导槽深度H为5.0m。
根据泥石流容重，确定块石8铺设长度L2取4.0m、块石8铺设厚度h12取1.0m、钢索网箱体缓冲层7厚度L3取0.5m、深潭中铺设块石8的粒径取0.2m，深潭段长度L4=L2+L3=4.5m。
全衬砌底板5采用浆砌石结构，厚度取0.5m。阶梯段2比降i1根据全衬砌底板5材料的耐磨性取0.08。阶梯段2长度L1主要根据沟床平均纵比降i0和全衬砌底板5材料来规划，取18.0m，计算下端齿槛4悬空高度h11=(L1+L4)×i0－L1×i1=(L1+L2+L3)×i0－L1×i1=(18.0+4.0+0.5)×0.20-18.0×0.08=3.06m，由于h11＞3.0m，不满足条件；阶梯段2长度L1取16.0m，满足L1/4≤L4≤L1/2，计算下端齿槛4悬空高度h11=(L1+L4)×i0－L1×i1=(L1+L2+L3)×i0－L1×i1=(16.0+4.0+0.5)×0.20－16.0×0.08=2.82m。
根据泥石流体容重和下端齿槛4悬空高度h11，确定钢索网箱体护底6厚度h13取0.5m，钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的钢索直径取0.005m，钢索网网孔大小取0.1m×0.1m；下端齿槛4超埋深度h14取0.5m。
下端齿槛4高度h1=h11+h12+h13+h14=2.82+1.0+0.5+0.5=4.82m，上端齿槛3高度h2=h12+h13=1.0+0.5=1.5m。
综上，阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的关键参数为：槽底沟床平均纵比降i0为0.20，排导槽槽底宽度B为10.0m、排导槽深度H为5.0m；对于阶梯段2，阶梯段2比降i1为0.08、阶梯段2长度L1为16.0m，上端齿槛3高度h2为1.5m、下端齿槛4高度h1为4.82m，全衬砌底板5采用浆砌石结构，厚度为0.5m；对于深潭段，块石8铺设长度L2为4.0m、块石8铺设厚度h12为1.0m、块石8粒径为0.2m，钢索网箱体缓冲层7厚度L3为0.5m、钢索网箱体缓冲层7高度为1.0m，钢索网箱体护底6厚度h13为0.5m、钢索网箱体护底6长度为4.5m，钢索网箱体护底6和钢索网箱体缓冲层7的钢索直径为0.005m，钢索网网孔大小为0.1m×0.1m，下端齿槛4悬空高度h11为2.82m。

Claims (10)

1.一种阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，包括排导槽槽底及其两侧的排导槽侧墙（1），其特征在于：所述排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段（2）和充填于上下游阶梯段（2）之间的深潭段；阶梯段（2）包括位于上游的上端齿槛（3）、位于下游的下端齿槛（4）、及连接上端齿槛（3）和下端齿槛（4）的全衬砌底板（5）；所述深潭段包括钢索网箱体护底（6），设于钢索网箱体护底（6）上方、紧贴下游阶梯段（2）上端齿槛（3）的钢索网箱体缓冲层（7），以及设于侧墙（1）、钢索网箱体护底（6）、上游阶梯段（2）下端齿槛（4）和钢索网箱体缓冲层（7）包围空间内的块石（8）；钢索网箱体护底（6）和钢索网箱体缓冲层（7）的结构均为钢索网包裹块石；所述深潭段顶面与下游阶梯段（2）的最高处平齐，深潭段长度L4小于阶梯段（2）长度L1。
2.根据权利要求1所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：深潭段长度L4等于块石（8）铺设长度L2与钢索网箱体缓冲层（7）厚度L3之和，钢索网箱体护底（6）长度与深潭段长度L4相等；上端齿槛（3）高度h2等于块石（8）铺设厚度h12与钢索网箱体护底（6）厚度h13之和，钢索网箱体缓冲层（7）高度与块石（8）铺设厚度h12相等。
3.根据权利要求1所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：深潭段长度L4大于等于阶梯段（2）长度L1的四分之一，同时小于等于阶梯段（2）长度L1的二分之一。
4.根据权利要求2所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：下端齿槛（4）高度h1等于下端齿槛（4）悬空高度h11、块石（8）铺设厚度h12、钢索网箱体护底（6）厚度h13及下端齿槛（4）超埋深度h14之和，其中下端齿槛（4）悬空高度h11小于等于3.0m。
5.根据权利要求4所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：下端齿槛（4）悬空高度h11=(L1+L4)×i0－L1×i1；式中L1为阶梯段（2）长度，L4为深潭段长度，i0为沟床平均纵比降，取值为0.2-0.4，i1为阶梯段（2）比降；下端齿槛（4）超埋深度h14为0.5-1.0m。
6.根据权利要求2-5任一所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：块石（8）铺设长度L2为2.0-4.0m，块石（8）铺设厚度h12为1.0-2.0m，块石（8）粒径为0.2-0.5m。
7.根据权利要求2-5任一所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：钢索网箱体护底（6）厚度h13为0.5-1.0m，钢索网箱体缓冲层（7）厚度L30.5-1.0m；钢索网箱体护底（6）和钢索网箱体缓冲层（7）的钢索网网孔大小为0.1m×0.1m-0.2m×0.2m，钢索直径为0.005-0.01m。
8.根据权利要求2-5任一所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：阶梯段（2）比降i1为0.08-0.15，阶梯段（2）长度L1为5.0-20.0m。
9.根据权利要求1-5任一所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽，其特征在于：底板（5）为浆砌石结构、或混凝土结构、或钢筋混凝土结构，厚度为0.5-1.0m；排导槽槽底宽度B和排导槽深度H之比大于等于2.0。
10.如权利要求1所述的阶梯-深潭结构型泥石流排导槽的应用，其特征在于：适用于沟床平均纵比降i0为0.2-0.4的泥石流排导。
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