CN104895013B - 阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阶梯‑深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法及应用。所述测算方法首先确定排导槽选址范围内的天然沟道平均纵比降、排导槽设计总长度、阶梯段悬空高度，然后确定无量纲参数坡比和潭配置密度，接着确定深潭段的数量，最后通过设计纵比降测算公式确定阶梯‑深潭型泥石流排导槽设计纵比降。该方法基于严格的理论推导，并定义有物理意义的无量纲参数，能够合理确定阶梯‑深潭型泥石流排导槽的设计纵比降，为排导槽的纵断面设计提供依据，计算简便，计算结果精度高，能适应实际工程需要。

Description

阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法及应用

技术领域

本发明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设计纵比降测算方法，及其在阶梯-深潭型泥石流排导槽纵断面设计中的应用。

背景技术

我国地质灾害多发，泥石流作为主要的山地灾害之一，给人民生命财产安全和生产生活带来了严重影响，对山区经济发展也产生了一定的制约作用。尤其是“5.12”汶川Ms8.0级大地震之后，震区泥石流活动因物源丰富、地形地貌条件优越，具有易堵溃、低临界雨量、高频率、高容重等特点，震后有相当数量的泥石流活动集中在流域面积＜5km²、沟道纵比降＞20％，甚至达50％的沟道或坡面上。这类多物源、大比降泥石流沟在形成条件上与东川蒋家沟泥石流和成昆铁路沿线众多泥石流沟有着明显差异，目前常用的泥石流防治工程技术已经不能满足当前泥石流工程治理需求。

针对沟床比降很大的泥石流沟，目前常用的全衬砌型泥石流排导槽(俗称V型槽)和肋槛软基消能型泥石流排导槽(俗称东川槽)均不太适用。陈晓清等人以消能的观点为指导思想，提出了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(申请号201410001807.7)，其中描述了“梯-潭”槽的结构特征，分析了“梯-潭”槽的排导原理，但对其具体设计参数确定及纵比降特性的计算方法并未涉及。

现有的排导槽纵比降设计区分泥石流性质，分别按照稀性泥石流和粘性泥石流来考虑，并以不淤纵坡为下限，以防冲的限制断面流速对应的纵坡为上限，得到经验取值：对于稀性泥石流合理纵坡为3％～10％，对于粘性泥石流合理纵坡为5％～18％。部分震后泥石流沟道纵比降＞20％，甚至达50％，上述经验取值无法应用于这类泥石流沟道。阶梯-深潭结构型泥石流排导槽具有间接降低泥石流分段排泄纵坡的特性，但难点在于如何定义适当的参数、建立各参数之间的关系，定量评估这一特性，并将其应用到工程设计。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法及其应用，该方法基于严格的理论推导，并定义有物理意义的无量纲参数，能够合理确定阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降，为排导槽的纵断面设计提供依据，计算简便，计算结果精度高，能适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法，所述阶梯-深潭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；所述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。

本发明提出的阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法，其理论推导如下：如说明书附图1所示，推导以排导槽设计总长度L、阶梯段悬空高度H、深潭段数量n、深潭段长度L₁和阶梯段长度L₂为参数的排导槽设计纵比降i与天然沟道平均纵比降i₀关系，并建立阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降计算方法。

如附图1所示，排导槽起点与终点之间，沟道纵坡满足：

$\frac{n\×H+(n+1)\×i\×L_3}{n\×L_1+(n+1)\×L_3}=i_0$ 公式1

公式1中，分子n×H+(n+1)×i×L₃为垂直方向上的距离，分母n×L₁+(n+1)×L₃为水平方向上的距离，故二者相除为天然沟道纵比降i₀。其中，i×L₃为阶梯段长度L₂在垂直方向上的投影长度。

如附图1所示，任一阶梯段的起点与终点之间，设计纵比降满足：

$L_3^2+{(i\×L_3)}^2=L_2^2$ 公式2

公式1和2中，n为深潭段数量、H为阶梯段悬空高度、i为排导槽设计纵比降、L₃为阶梯段长度的水平投影长度、L₁为深潭段长度、i₀为天然沟道平均纵比降、L₂为阶梯段长度。

由公式2解出然后代入公式1中，并按照i的降幂排列得到公式3：

$[n^2{(L_1\×i_0-H)}^2-{(n+1)}^2{L}_2^2]i^2+2{(n+1)}^2\×L_2^2\×i_0\×i+n^2{(L_1\×i_0-H)}^2-{(n+1)}^2{L}_2^2\×i_0^2=0$ 公式3

定义无量纲参数坡比a＝H/L₁、潭配置密度b＝L₂/L₁，对公式3两侧同乘以1/L₁ ²得：

$[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0$ 公式4

根据水力学阶梯溢洪道的取值，同时考虑泥石流流体性质的修正值，无量纲参数坡比a一般取值为0.2-0.5；根据东川槽的肋槛配置间距，潭配置密度b一般取值为1-10；深潭段数量n的取值为n≥1；根据调查和实践经验，一般排导槽设计纵比降为0.05-0.20，阶梯-深潭型泥石流排导槽适用于天然沟道纵比降为0.20-0.40。通过上述边界条件限制，得到阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵比降特性的适用条件，如下公式5：

$\left\{\begin{array}{c}[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0\\ 0.2\≤a\≤0.5;1\≤b\≤10\\ 0.05\≤i\≤0.20;0.20\≤i_0\≤0.40\\ 1\≤n\end{array}\right.$ 公式5

本发明在上述计算理论分析基础之上，提出一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法，并给定了测算方法中各个参数的限制关系。具体而言，所述阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法步骤如下：

(一)通过现场调查实测，确定排导槽选址范围内的天然沟道平均纵比降i₀；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计总长度L、单位m，及阶梯段悬空高度H、取值3-5m。对于粘性泥石流，H取较小值，对于稀性泥石流，H取较大值。

(二)通过现场调查，并结合工程实际情况，确定无量纲参数坡比a、取值0.2-0.5，及潭配置密度b、取值1-10；对于粘性泥石流，a、b取较小值，对于稀性泥石流，a、b取较大值。无量纲参数坡比a的含义为阶梯段悬空高度与深潭段长度的比值，潭配置密度b的含义为阶梯段长度与深潭段长度的比值，即a＝H/L₁，b＝L₂/L₁，其中H为阶梯段悬空高度、L₁为深潭段长度、L₂为阶梯段长度、单位均为m，阶梯段悬空高度H的取值由步骤(一)确定。

(三)通过以下公式确定深潭段的数量n

式中，n—深潭段数量(n取整数，即先算然后向上取整)；

L—排导槽设计总长度，单位m，由步骤(一)确定；

i₀—天然沟道平均纵比降，由步骤(一)确定；

a—无量纲参数坡比，由步骤(二)确定；

b—潭配置密度，由步骤(二)确定；

H—阶梯段悬空高度，由步骤(一)确定。

深潭段数量n的计算公式是将排导槽设计总长度L整体投影到水平轴上得到水平距离，再将深潭段长度L₁和阶梯段长度L₂也分别投影到水平轴上得到水平距离，前者除以后者即可得到深潭段数量n。

(四)将步骤(一)中得到的天然沟道平均纵比降i₀，步骤(二)中得到的无量纲参数坡比a、潭配置密度b，及步骤(三)中得到的深潭段(2)数量n，分别代入以下公式，求解排导槽设计纵比降i(即阶梯段设计纵比降)

$[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0$

(五)如果步骤(四)中得到的排导槽设计纵比降i大于等于0.05同时小于等于0.20，则测算结束；如果步骤(四)中得到的排导槽设计纵比降i大于0.20、或小于0.05，则重复进行步骤(二)—步骤(四)。

本发明的阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降测算方法适用于天然沟道平均纵比降i₀为0.20-0.40的泥石流沟。适用于阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵断面设计参数的确定；排导槽设计纵比降i确定后，将求解排导槽设计纵比降i所用的无量纲参数坡比a、潭配置密度b和步骤(一)中得到的阶梯段悬空高度H分别代入公式a＝H/L₁、b＝L₂/L₁，得到深潭段长度L₁和阶梯段长度L₂。

排导槽设计纵比降i确定后，还可进一步计算纵比降降低率η＝(i₀-i)/i₀。通过纵比降降低率来定量评价阶梯-深潭型泥石流排导槽通过设置阶梯段悬空高度分段排泄泥石流以达到分段、间接降低沟道整体纵比降的特性，评估测算得到的排导槽设计纵比降i与天然沟道平均纵比降i₀相比所发挥的效益。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过理论推导建立了阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降i与天然沟道纵比降i₀的定量关系，得到阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降计算公式，通过野外调查天然沟道，输入排导槽设计总长度L、阶梯段悬空高度H、无量纲参数坡比a和潭配置密度b等相关参数，就能合理确定阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降，为排导槽的纵断面设计提供依据，为定量评估阶梯-深潭型泥石流排导槽的分段降低纵比降特性提供了方法，且计算简便，计算结果精度高，能适应实际工程需要。

附图说明

图1是阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵剖面示意图。

图中标号如下：

1 阶梯段 2 深潭段

i₀ 天然沟道平均纵比降 i 排导槽设计纵比降

L 排导槽设计总长度 H 阶梯段悬空高度

L₁ 深潭段长度 L₂ 阶梯段长度

L₃ 阶梯段长度的水平投影长度

n 深潭段数量

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。某泥石流沟位于绵竹市西北部，绵远河的左岸，是震后多物源、大比降、小流域泥石流沟的典型代表。沟域面积：1.36km²；主沟纵长：2.59km；最高点高程：1980m；沟口高程：960m；相对高差：1020m；平均纵比降：625‰。该沟震前为一山洪沟，5.12地震后，中上部山体产生崩塌碎屑流，堆积沟道内，在降雨作用下形成泥石流。2008年6月至2011年9月，该流域共发生规模5000m³以上的泥石流活动10余次，不但多次淤埋沟口生命线汉旺-清平公路，且多次堵断绵远河，形成泥石流堰塞湖。经工程治理后，由于排导槽纵比降过大，泥石流能量巨大，冲击磨蚀作用强烈，治理效果不理想。

为了有效排导泥石流，防止泥石流再次淤埋汉清公路，减轻泥石流灾害，拟在下游沟口处修建一条阶梯-深潭型泥石流排导槽，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1和充填于上下游阶梯段1之间的深潭段2，深潭段2顶面与下游阶梯段1的最高处平齐。排导槽的纵断面设计参数通过采用本发明的设计纵比降测算方法得到，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定排导槽选址范围内的天然沟道平均纵比降i₀为0.349；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计总长度L为143m；通过实际取样实测容重，确定泥石流体的重度为21kN/m³，选定阶梯段1悬空高度H为3m。

第二步，通过现场调查，并结合工程实际情况，确定无量纲参数坡比a为0.2，潭配置密度b为1。

第三步，通过公式确定深潭段2的数量n； $\frac{L\×\cos \left(\arctan i_0\right)\×a}{\cos \left(\arctan i_0\right)\×b\×H+H}=\frac{143\×\cos \left(\arctan 0.349\right)\×0.2}{\cos \left(\arctan 0.349\right)\×1\×3+3}=4.629,$ 向上取整，故n＝5。

第四步，将第一步中得到的天然沟道平均纵比降i₀＝0.349，第二步中得到的无量纲参数坡比a＝0.2、潭配置密度b＝1，及第三步中得到的深潭段2数量n＝5，分别代入公式 $[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0,$ 求解得到排导槽设计纵比降i＝0.1604。

第五步，第四步中得到的排导槽设计纵比降i满足大于等于0.05同时小于等于0.20，因此测算结束。

第六步，排导槽设计纵比降i确定后，将求解排导槽设计纵比降i所用的无量纲参数坡比a、潭配置密度b和第一步中得到的阶梯段1悬空高度H分别代入公式a＝H/L₁、b＝L₂/L₁，得到深潭段2长度L₁＝15m，阶梯段1长度L₂＝15m。

综上，阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵断面设计参数分别为：排导槽设计总长度L＝143m，阶梯段1悬空高度H＝3m，深潭段2长度L₁＝15m，阶梯段1长度L₂＝15m，深潭段2数量n＝5，排导槽设计纵比降i＝0.1604。

实施例二

如图1所示。某泥石流沟位于四川省绵竹市西北部山区的清平场镇北，属长江流域的沱江水系上游绵远河左岸一支沟。在地貌上属构造侵蚀中切割陡峻低-中山地貌、斜坡冲沟地形。该流域总体东西向伸展，主沟呈“7”字型，横断面呈“V”“U”结合，汇水面积7.81km²，主沟全长3.25km，流域内最低点位于沟口海拔883m，最高峰位于东部分水岭九顶山的顶子崖，海拔2402m，相对高1519m。沟床平均纵坡降458.5‰。该沟多次暴发超大规模泥石流，对清平乡场镇构成极大威胁。

为了有效排导泥石流，减轻泥石流灾害。拟在中游修建一条阶梯-深潭型泥石流排导槽，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1和充填于上下游阶梯段1之间的深潭段2，深潭段2顶面与下游阶梯段1的最高处平齐。排导槽的纵断面设计参数通过采用本发明的设计纵比降测算方法得到，具体步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定排导槽选址范围内的天然沟道平均纵比降i₀为0.254；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计总长度L为2400m；通过实际取样实测容重，确定泥石流体的重度为17kN/m³，选定阶梯段1悬空高度H为5m。

第二步，通过现场调查，并结合工程实际情况，确定无量纲参数坡比a为0.5，潭配置密度b为2.5。

第三步，通过公式确定深潭段2的数量n； $\frac{L\×\cos \left(\arctan i_0\right)\×a}{\cos \left(\arctan i_0\right)\×b\×H+H}=\frac{2400\×\cos \left(\arctan 0.254\right)\×0.5}{\cos \left(\arctan 0.254\right)\×2.5\×5+5}=67.8,$ 向上取整，故n＝68。

第四步，将第一步中得到的天然沟道平均纵比降i₀＝0.254，第二步中得到的无量纲参数坡比a＝0.5、潭配置密度b＝2.5，及第三步中得到的深潭段2数量n＝68，分别代入公式 $[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0,$ 求解得到排导槽设计纵比降i＝0.1808。

第五步，第四步中得到的排导槽设计纵比降i满足大于等于0.05同时小于等于0.20，因此测算结束。

第六步，排导槽设计纵比降i确定后，将求解排导槽设计纵比降i所用的无量纲参数坡比a、潭配置密度b和第一步中得到的阶梯段1悬空高度H分别代入公式a＝H/L₁、b＝L₂/L₁，得到深潭段2长度L₁＝10m，阶梯段1长度L₂＝25m。

综上，阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵断面设计参数分别为：排导槽设计总长度L＝2400m，阶梯段1悬空高度H＝5m，深潭段2长度L₁＝10m，阶梯段1长度L₂＝25m，深潭段2数量n＝68，排导槽设计纵比降i＝0.1808。

Claims (4)

1.一种阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法，所述阶梯-深潭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(1)和充填于上下游阶梯段(1)之间的深潭段(2)，深潭段(2)顶面与下游阶梯段(1)的最高处平齐，其特征在于：阶梯-深潭型泥石流排导槽的设计纵比降测算方法步骤如下：

(一)通过现场调查实测，确定排导槽选址范围内的天然沟道平均纵比降i₀；通过现场调查，并结合工程实际情况，确定排导槽设计总长度L、单位m，及阶梯段(1)悬空高度H、取值3-5m；

(二)通过现场调查，并结合工程实际情况，确定无量纲参数坡比a、取值0.2-0.5，及潭配置密度b、取值1-10；

(三)通过以下公式确定深潭段(2)的数量n

式中，n—深潭段(2)数量；

L—排导槽设计总长度，单位m，由步骤(一)确定；

i₀—天然沟道平均纵比降，由步骤(一)确定；

a—无量纲参数坡比，由步骤(二)确定；

b—潭配置密度，由步骤(二)确定；

H—阶梯段(1)悬空高度，由步骤(一)确定；

(四)将步骤(一)中得到的天然沟道平均纵比降i₀，步骤(二)中得到的无量纲参数坡比a、潭配置密度b，及步骤(三)中得到的深潭段(2)数量n，分别代入以下公式，求解排导槽设计纵比降i，

$\[n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2\]i^2+2{(n+1)}^2{b}^2{i}_{0}i+n^2{(i_0-a)}^2-{(n+1)}^2{b}^2{i}_0^2=0;$

(五)如果步骤(四)中得到的排导槽设计纵比降i大于等于0.05同时小于等于0.20，则测算结束；如果步骤(四)中得到的排导槽设计纵比降i大于0.20、或小于0.05，则重复进行步骤(二)—步骤(四)。

2.如权利要求1所述的阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降测算方法的应用，其特征在于：适用于天然沟道平均纵比降i₀为0.20-0.40的泥石流沟。

3.如权利要求1所述的阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降测算方法的应用，其特征在于：适用于阶梯-深潭型泥石流排导槽的纵断面设计参数的确定。

4.根据权利要求3所述的阶梯-深潭型泥石流排导槽设计纵比降测算方法的应用，其特征在于：排导槽设计纵比降i确定后，将求解排导槽设计纵比降i所用的无量纲参数坡比a、潭配置密度b和步骤(一)中得到的阶梯段(1)悬空高度H分别代入公式a＝H/L₁、b＝L₂/L₁，得到深潭段(2)长度L₁和阶梯段(1)长度L₂。