CN104912036B - 一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽及其施工方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽及其施工方法和应用。所述排导槽包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙，在排导槽中部的底板上设有若干呈梅花型布置的消能墩；消能墩高度h_d为排导槽深度H的1/10‑1/5，且满足消能墩高度h_d小于等于1m；消能墩的结构型式为正四棱台或圆台，消能墩的下底面面积大于上底面面积。与现有技术相比，本发明既能够分散泥石流对槽底的磨蚀，又能降低泥石流流速、减弱对槽底的冲刷破坏，达到延长排导槽使用寿命的目的，同时大幅降低排导槽后期的修复费用和运行维护费用。

Description

一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽及其施工方法和应用

技术领域

本发明涉及一种山洪泥石流防治技术，特别是涉及一种具有消能墩、扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，及其施工方法和应用。

背景技术

泥石流作为山区常见的一种自然灾害，具有暴发突然、运动快速、破坏力强等特点，严重制约山区的经济建设和社会发展。随着我国西部山区经济的快速发展，人类活动范围的不断拓展，以及极端降雨的增多，未来山区的泥石流灾害将逐渐增多，防治的任务也将会更加繁重。通过适当的工程措施可以有效地防治泥石流灾害，而排导槽作为防治工程中减灾效果良好的一类主体工程在泥石流防治工程中广泛应用，尤其是在汶川地震后修建的泥石流防治工程中。

目前，排导槽工程技术成熟并广泛应用的有两种类型：全断面衬砌型槽和肋槛软基消能槽。其中，全断面衬砌型槽因结构简单、施工方便等特点而运用广泛，但由于泥石流具有很强的冲刷磨蚀力，对排导槽的冲击磨蚀破坏大，容易致使全衬砌排导槽槽底磨蚀严重，甚至泥石流对部分排导槽形成揭底冲刷，导致排导槽槽底磨穿，侧墙基础外漏，失去排导功能。因此，全衬砌排导槽后期的修复费用和运行维护费用也将大幅度增加。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，针对目前泥石流在全衬砌型排导槽中过流时、易对排导槽槽底形成磨蚀破坏的情况，提供一种具有消能墩、扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，既能够分散泥石流对槽底的磨蚀，又能降低泥石流流速、减弱对槽底的冲刷破坏，达到延长排导槽使用寿命的目的，同时大幅降低排导槽后期的修复费用和运行维护费用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出的一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙，在排导槽中部的底板上设有若干呈梅花型布置的消能墩。通过对泥石流在排导槽内的运动特征进行分析，同时结合在实际工程中泥石流对排导槽槽底的破坏特征，可以发现，泥石流在排导槽入口处的流速小，中部处于加速阶段，泥石流的流速逐渐增大，泥石流在槽内的整体运动和泥石流中大石块的相互碰撞使得排导槽槽底磨蚀严重，而且局部位置会产生冲刷坑，这势必影响排导槽的自身结构安全和长期运行。基于上述分析，针对排导槽中部易遭受泥石流磨蚀破坏的问题，本发明提出在排导槽中部的底板上设置若干呈梅花型布置的消能墩，能够对泥石流产生扰流的作用，在布设梅花型消能墩的区域，泥石流形成“S”型的运动流路，改变了泥石流的运动轨迹，极大地分散了流路也分散了泥石流对槽底的磨蚀，减小了泥石流对槽底的集中冲刷。其上设有消能墩的底板长度为排导槽总长度的1/3。排导槽纵比降i为150‰～350‰。

消能墩的结构型式为正四棱台或圆台，消能墩的下底面面积大于上底面面积，便于维持消能墩结构自身的安全性。正四棱台或圆台的侧面与泥石流运动的方向为斜交，相比正面撞击，冲击力小，能够保证消能墩结构的安全，且制作模具简单，便于施工；若消能墩采用圆柱体，上下底面面积相等，且泥石流正面撞击柱体，易被泥石流损坏；若消能墩采用正三棱台，三个棱角易被泥石流撞击磨蚀；若消能墩采用其他棱台结构，施工时制作模具复杂，不利于施工。

消能墩高度h_d为排导槽深度H的1/10-1/5，且满足消能墩高度h_d小于等于1m；若计算得到消能墩高度h_d＞1m，则h_d取1m。消能墩高度以排导槽深度为依据，若消能墩高度过高，泥石流对消能墩的撞击程度就越大，不利于消能墩自身稳定，同时也会过多地占用排导槽的过流断面面积，影响泥石流过流能力；若消能墩高度过低，则对泥石流的扰动和影响较小，泥深较大时达不到分流和消能的目的。

确定消能墩相关设计参数如下：消能墩距侧墙的最小净距离c大于0.5m；在排导槽横向方向(即垂直于流向)，消能墩间横向净间距L₁为进入排导槽的控制粒径d_max的1-1.5倍，其中d_max不应大于1m(可通过上游的拦挡工程实现)；在排导槽纵向方向(即顺流向)，消能墩间纵向净间距L₂为消能墩间横向净间距L₁的2-3倍。针对不同宽度的排导槽，可设计不同尺寸的消能墩；若消能墩尺寸过大，泥石流易对消能墩产生冲击破坏，同时占用排导槽有效排导空间；若消能墩尺寸过小，达不到预期的扰流和消能目的。消能墩的结构型式为正四棱台时，上下底面均为正方形，其余侧面为面积相等的等腰梯形，消能墩上底面边长a为0.2-0.3m，消能墩下底面边长b为0.4-0.6m，消能墩侧面与下底面呈arctan(2h_d/b-a)角度，h_d为消能墩高度。消能墩的结构型式为圆台时，上下底面均为圆形，消能墩上底面直径D₁为0.2-0.3m，消能墩下底面直径D₂为0.4-0.6m。

消能墩与底板之间采用锚筋固定连接，保证消能墩与排导槽底板之间的整体性，避免泥石流在运动过程中对消能墩产生整体的撞击破坏。锚筋直径可以是8mm、或10mm、或12mm，嵌入消能墩的锚筋长度为消能墩高度h_d的1/2，嵌入底板的锚筋长度大于等于0.5m。锚筋可与底板的钢筋连接，保证消能墩与排导槽底板之间的整体性。

底板施工时，预留消能墩的位置空间，并安装锚筋；制作正四棱台或圆台结构的消能墩模具，将消能墩模具安装在消能墩的预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。正四棱台或圆台结构具有施工简便的特点。

在实际应用时，在所述扰流消能的全衬砌泥石流排导槽上游，配合使用泥石流拦挡工程措施，控制进入排导槽的块石粒径小于等于1m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用呈梅花型布置的消能墩，能够对泥石流产生扰流的作用，在布设梅花型消能墩的区域，泥石流形成“S”型的运动流路，改变了泥石流的运动轨迹，极大地分散了流路也分散了泥石流对槽底的磨蚀，减小了泥石流对槽底的集中冲刷；同时，消能墩与泥石流相互作用能够消耗泥石流运动的动能，降低泥石流流速，减弱对槽底的冲刷破坏；排导槽使用寿命能够大幅延长，排导槽后期的修复费用和运行维护费用能够大幅降低。

附图说明

图1是具有正四棱台消能墩的扰流消能全衬砌泥石流排导槽中部俯视示意图。

图2是具有圆台消能墩的扰流消能全衬砌泥石流排导槽中部俯视示意图。

图3是扰流消能全衬砌泥石流排导槽中部沿中心线方向的纵剖面示意图。

图4是图1、图2中I-I的剖视图。

图5是图1、图2中Ⅱ-Ⅱ的剖视图。

图6是结构型式为正四棱台的消能墩俯视示意图。

图7是结构型式为正四棱台的消能墩立体示意图。

图8是结构型式为圆台的消能墩俯视示意图。

图9是结构型式为圆台的消能墩立体示意图。

图中标号如下：

1底板 2侧墙

3消能墩 4锚筋

B排导槽底宽 H排导槽深度

h_d消能墩高度 i排导槽纵比降

c消能墩距侧墙的最小近距离

L₁消能墩间横向净间距 L₂消能墩间纵向净间距

a正四棱台消能墩上底面边长 b正四棱台消能墩下底面边长

D₁圆台消能墩上底面直径 D₂圆台消能墩下底面直径

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3、图4、图5、图6、图7所示。某泥石流沟流域面积1.36km²，该沟道多次暴发泥石流，淤埋沟口公路，并堵塞主河，形成堰塞湖。为防止泥石流淤埋沟口公路和堵塞河道，采用“拦挡+排导+停淤”的综合治理措施，即规划在主沟中下游修建4座拦砂坝、1条排导槽和沟口修建1个停淤场。在20年一遇的设计标准下，泥石流容重为2.0t/m³，属于粘性泥石流。为了减小泥石流对排导槽中部槽底的磨蚀破坏，采用本发明扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，排导槽需排泄的流量为154m³/s，排导槽纵比降i为350‰，规划排导槽总长度为126m，排导槽底宽B为6.0m，排导槽深度H为3.50m，经过上游4座拦砂坝拦挡之后进入排导槽的块石控制粒径d_max为0.6m。

所述扰流消能的全衬砌泥石流排导槽包括全衬砌的排导槽底板1及其两侧的排导槽侧墙2。在排导槽中段42m范围内的底板1上布设若干呈梅花型布置的消能墩3，消能墩3的结构型式为正四棱台。消能墩3距侧墙2的最小净距离c为0.85m；在排导槽横向方向，消能墩3间横向净间距L₁为进入排导槽的控制粒径d_max的1.5倍，即L₁为0.9m；在排导槽纵向方向，消能墩3间纵向净间距L₂为消能墩3间横向净间距L₁的3倍，即L₂为2.7m；消能墩3高度h_d为排导槽深度H的1/5，即h_d为0.7m；消能墩3上底面边长a为0.2m，消能墩3下底面边长b为0.4m，消能墩3侧面与下底面呈arctan(2h_d/b-a)角度、即81.87°。消能墩3与底板1之间采用锚筋4固定连接，锚筋直径为10mm，嵌入消能墩3的锚筋4长度为消能墩3高度h_d的1/2、即0.35m，嵌入底板1的锚筋4长度为0.5m。底板1施工时，预留消能墩3的位置空间，并安装锚筋4；制作正四棱台的消能墩3模具，将消能墩3模具安装在消能墩3的预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。

实施例二

如图2、图3、图4、图5、图8、图9所示。某泥石流沟流域面积44.49km²，该泥石流沟十分活跃，威胁当地的多户村民和房屋建筑，以及乡镇驻地的多家单位。采用“拦挡+排导+停淤”的治理措施。在20年一遇的设计标准下，泥石流体容重为1.8t/m³，以过渡性—粘性泥石流为主。为了减小泥石流对排导槽中部槽底的磨蚀破坏，采用本发明扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，需排导设计泥石流的流量为111.9m³/s，排导槽纵比降i为150‰，规划排导槽总长度为1380m，排导槽底宽B为7.4m，排导槽深度H为5.0m，经过上游拦砂坝拦挡之后进入排导槽的块石控制粒径d_max为0.8m。

所述扰流消能的全衬砌泥石流排导槽包括全衬砌的排导槽底板1及其两侧的排导槽侧墙2。在排导槽中段460m范围内的底板1上布设若干呈梅花型布置的消能墩3，消能墩3的结构型式为圆台。消能墩3距侧墙2的最小净距离c为0.6m；在排导槽横向方向，消能墩3间横向净间距L₁为进入排导槽的控制粒径d_max的1倍，即L₁为0.8m；在排导槽纵向方向，消能墩3间纵向净间距L₂为消能墩3间横向净间距L₁的2倍，即L₂为1.6m；消能墩3高度h_d为排导槽深度H的1/5，即h_d为1.0m；消能墩3上底面直径D₁为0.3m，消能墩3下底面直径D₂为0.6m。消能墩3与底板1之间采用锚筋4固定连接，锚筋直径为12mm，嵌入消能墩3的锚筋4长度为消能墩3高度h_d的1/2、即0.5m，嵌入底板1的锚筋4长度为0.6m。底板1施工时，预留消能墩3的位置空间，并安装锚筋4；制作圆台的消能墩3模具，将消能墩3模具安装在消能墩3的预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。

Claims (8)

1.一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，包括全衬砌的排导槽底板(1)及其两侧的排导槽侧墙(2)，其特征在于：在排导槽中部的底板(1)上设有若干呈梅花型布置的消能墩(3)；消能墩(3)高度h_d为排导槽深度H的1/10-1/5，且满足消能墩(3)高度h_d小于等于1m；消能墩(3)的结构型式为正四棱台或圆台，消能墩(3)的下底面面积大于上底面面积；消能墩(3)的结构型式为正四棱台时，消能墩(3)上底面边长a为0.2-0.3m，消能墩(3)下底面边长b为0.4-0.6m，消能墩(3)侧面与下底面呈arctan(2h_d/b-a)角度，h_d为消能墩(3)高度；消能墩(3)的结构型式为圆台时，消能墩(3)上底面直径D₁为0.2-0.3m，消能墩(3)下底面直径D₂为0.4-0.6m。

2.根据权利要求1所述的扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，其特征在于：其上设有消能墩(3)的底板(1)长度为排导槽总长度的1/3。

3.根据权利要求1所述的扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，其特征在于：消能墩(3)距侧墙(2)的最小净距离c大于0.5m。

4.根据权利要求1所述的扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，其特征在于：在排导槽横向方向，消能墩(3)间横向净间距L₁为进入排导槽的控制粒径d_max的1-1.5倍；在排导槽纵向方向，消能墩(3)间纵向净间距L₂为消能墩(3)间横向净间距L₁的2-3倍。

5.根据权利要求1所述的扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，其特征在于：消能墩(3)与底板(1)之间采用锚筋(4)固定连接，嵌入消能墩(3)的锚筋(4)长度为消能墩(3)高度h_d的1/2，嵌入底板(1)的锚筋(4)长度大于等于0.5m。

6.根据权利要求1所述的扰流消能的全衬砌泥石流排导槽，其特征在于：排导槽纵比降i为150‰～350‰。

7.如权利要求5所述的扰流消能全衬砌泥石流排导槽的施工方法，其特征在于：底板(1)施工时，预留消能墩(3)的位置空间，并安装锚筋(4)；制作正四棱台或圆台结构的消能墩(3)模具，将消能墩(3)模具安装在消能墩(3)的预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。

8.如权利要求1所述的扰流消能全衬砌泥石流排导槽的应用，其特征在于：在所述扰流消能的全衬砌泥石流排导槽上游，配合使用泥石流拦挡工程措施，控制进入排导槽的块石粒径小于等于1m。