CN105256768A - 箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法及应用。所述设计方法首先确定排导槽纵比降、全衬砌底板的糙率系数，然后依据防治工程设计方案设定箱体消能段参数，将相关参数代入公式计算得到排导槽综合糙率系数，再通过曼宁公式计算得到泥石流流速，最后将泥石流流速与排导槽允许不冲不淤流速进行对比，最终优化得到箱体消能段设计值。该方法综合考虑了排导槽纵比降、箱体消能段长度、箱体消能段宽度和装填块石平均直径等因素，并结合箱体消能式泥石流排导槽的特点，能够合理确定不同设计条件下的排导槽综合糙率系数，进而能够实现箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段的合理优化设计，且设计方法简便有效，所需参数少。

Description

箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法及应用

技术领域

本发明涉及一种泥石流防治技术，特别是涉及一种箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法及其应用。

背景技术

箱体消能式泥石流排导槽是一种针对较大沟床纵比降设计的槽型。在沟床纵比降较大的情况下，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；箱体消能式泥石流排导槽通过设置箱体结构的消能槛，通过泥石流与箱体中充填块石的相互作用增加排导槽糙率，有效调控排导槽中泥石流流速，从而实现泥石流在槽中的安全排泄。

在排导槽设计过程中，根据实际情况合理选择糙率系数，对排导槽的设计具有重要意义。在已知排导槽通过的设计流量时，如果糙率取值偏小，流速就偏大，流量一定时，过流断面面积就偏小，则满足不了过流能力，易导致泥石流满槽并可能溢出槽外；如果糙率取值偏大，流速减小，流量一定时，过流断面面积就偏大，则会因过流断面的尺寸偏大而造成投资浪费，还会因实际流速过大而对槽底产生磨蚀。针对利用混凝土和浆砌石修建的排导槽，其糙率可根据材料类型和种类来选取，进而计算得到排导槽中泥石流的流速；而对于箱体消能式泥石流排导槽，由于其槽底设置了箱体结构，底部边界条件发生了改变，因此，无法完全根据排导槽的材料类型确定其糙率，也就无法为箱体消能式泥石流排导槽的优化设计提供支撑。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种以确定排导槽综合糙率系数为基础的箱体消能式泥石流排导槽箱体消能段设计方法，该方法综合考虑了排导槽纵比降、箱体消能段长度、箱体消能段宽度和装填块石平均直径等因素，并结合箱体消能式泥石流排导槽的特点，能够合理确定不同设计条件下的排导槽综合糙率系数，进而能够实现箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段的合理优化设计，且设计方法简便有效，所需参数少。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法。所述箱体消能式泥石流排导槽包括全衬砌槽底及其两侧的侧墙，全衬砌槽底的中部设有箱体消能段；所述箱体消能段包括按一定间距设置的横向贯穿型肋槛(用于保护消能槛安全)和充填于上下游肋槛之间、呈阶梯状分布的若干级消能槛，消能槛沿横向贯穿排导槽方向设置，每一级消能槛由至少一个预制好的钢筋混凝土长方箱体构成，长方箱体顶面开敞、其余五面封闭、内部装填块石。长方箱体内的块石装填高度与长方箱体高度之比为0.5-0.8。所述箱体消能段的设计方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽纵比降J；通过现场调查，选定全衬砌槽底的材质，根据选定的全衬砌槽底材质，确定全衬砌槽底的糙率系数n₀；通过现场调查，获得泥石流物源和颗粒级配资料以及排导槽建筑材料性质，确定排导槽允许的不冲流速和不淤流速，单位m/s。

(二)根据排导槽设计流量和步骤(一)中得到的排导槽纵比降J，设定箱体消能段长度L、箱体消能段宽度b、装填块石的平均直径D，单位均为m。

(三)通过以下公式确定排导槽综合糙率系数n

$n=(0.0136\·\frac{bL}{{\mathrm{\πD}}^2}\·J^{1/2}+1.1921)\·n_0$

式中，n—排导槽综合糙率系数；

n₀—全衬砌槽底的糙率系数，由步骤(一)确定；

b—箱体消能段宽度，单位m，由步骤(二)确定；

L—箱体消能段长度，单位m，由步骤(二)确定；

D—装填块石的平均直径，单位m，由步骤(二)确定；

J—排导槽纵比降，由步骤(一)确定；

π—圆周率，取值3.14。

(四)将步骤(三)中得到的排导槽综合糙率系数n代入曼宁公式计算得到泥石流流速、单位m/s。曼宁公式中，V为计算得到的泥石流流速、单位m/s，n为步骤(三)中得到的排导槽综合糙率系数，R为水力半径、单位m、根据泥石流泥深h和排导槽宽度B确定，J为步骤(一)中得到的排导槽纵比降。

(五)将步骤(四)中得到的泥石流流速与步骤(一)中得到的不冲流速和不淤流速进行对比；如果步骤(四)中得到的泥石流流速大于步骤(一)中得到的不冲流速、或小于步骤(一)中得到的不淤流速，则重复进行步骤(二)-步骤(五)；如果步骤(四)中得到的泥石流流速大于等于步骤(一)中得到的不淤流速、同时小于等于步骤(一)中得到的不冲流速，则采用步骤(二)中设定的箱体消能段长度L、箱体消能段宽度b、装填块石的平均直径D作为箱体消能段设计值。

箱体消能段宽度b与排导槽宽度B之比为0.5-1.0。箱体消能段长度L与排导槽总长度之比为0.10-0.25。箱体消能段上游的泥石流泥深h与装填块石的平均直径D之比为1.0-4.0。所述箱体消能段设计方法适用于排导槽纵比降J为0.15-0.35，适用于泥石流容重为16-22kN/m³。

本发明提出的箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，其关键核心是排导槽综合糙率系数的确定。箱体消能式泥石流排导槽综合糙率系数的计算公式是基于160余组排导槽模型试验，通过对模型试验结果的数据拟合，综合考虑了箱体消能式泥石流排导槽的纵比降，箱体消能段的长度、宽度，以及消能结构中装填块石的平均直径和全衬砌槽底的糙率系数等因素。箱体消能段设计方法可通过改变箱体消能段的长度和宽度、以及装填块石的平均直径，实现有效调控排导槽中泥石流流速的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：综合考虑了排导槽纵比降、箱体消能段长度、箱体消能段宽度、装填块石平均直径和全衬砌槽底糙率系数等因素，并结合箱体消能式泥石流排导槽的特点，通过将大量室内模型试验结果进行拟合，得到箱体消能式泥石流排导槽综合糙率系数的计算公式，能够合理确定不同设计条件下的排导槽综合糙率系数，进而能够实现箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段的合理优化设计，且设计方法简便有效，所需参数少。

附图说明

图1是箱体消能式泥石流排导槽的纵剖面示意图。

图2是箱体消能式泥石流排导槽的俯视示意图。

图中标号如下：

1全衬砌槽底2肋槛

3消能槛

J排导槽纵比降L箱体消能段长度

b箱体消能段宽度B排导槽宽度

h泥石流泥深

具体实施方式

下面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所示。某泥石流沟位于绵远河左岸，流域面积约为1.36km²，主沟上游山体地形陡峻，最高点位于流域东侧，海拔1987m；最低点位于沟口，海拔810m，相对高差达1177m；该泥石流沟主沟长度2.59km。该流域平面形态呈桃叶形，有利于泥石流体汇流。地震后发生多次泥石流，沟道下切严重，切割深度约30m，沟道形态呈“V”型，平均宽度约3～5m。陡峻的地形条件为暴雨洪水的汇集提供了良好的条件，同时较好的临空条件为沟域内不良地质现象的发育以及泥石流松散固体物源的汇集提供了有利的条件。加之沟谷纵坡大，为松散固体物质的搬运和泥石流的形成提供了极为有利的地形。

为了减轻泥石流灾害对沟口公路安全畅通的影响，拟在泥石流沟口修建箱体消能式泥石流排导槽跨越公路。所述箱体消能式泥石流排导槽包括全衬砌槽底1及其两侧的侧墙，全衬砌槽底1的中部设有箱体消能段，所述箱体消能段包括按5m间距设置的横向贯穿型肋槛2(宽度1m)和充填于每两个上下游肋槛2之间、呈阶梯状分布的5级消能槛3，消能槛3沿横向贯穿排导槽方向设置，每一级消能槛3由至少一个预制好的钢筋混凝土长方箱体构成，长方箱体顶面开敞、其余五面封闭、内部装填块石，块石装填高度与长方箱体高度之比为0.8。所述箱体消能段的设计方法步骤如下：

第一步，通过现场调查实测，确定排导槽纵比降J为0.35，爆发泥石流容重为22kN/m³，排导槽总长度为105m，过水断面设计为矩形，排导槽宽度B为6m，排导槽高度为3.5m。通过现场调查，选定全衬砌槽底1的材质为混凝土底加水泥砌块石抹面，根据选定的全衬砌槽底1材质，确定全衬砌槽底1的糙率系数n₀为0.02。通过现场调查，根据钢筋混凝土材料的抗冲流速特性建议，确定排导槽允许的不冲流速为8m/s，不淤流速为2.7m/s。

第二步，根据排导槽设计流量和第一步中得到的排导槽纵比降J，设定箱体消能段长度L为15m、箱体消能段宽度b为3m、装填块石的平均直径D为0.4m。

第三步，通过公式 $n=(0.0136\·\frac{bL}{{\mathrm{\πD}}^2}\·J^{1/2}+1.1921)\·n_0$ $=(0.0136\·\frac{3\×15}{3.14\×{0.4}^2}\·{0.35}^{1/2}+1.1921)\×0.02,$ 确定排导槽综合糙率系数n为0.038。

第四步，箱体消能段上游的设计泥石流泥深h取4D、即h＝1.6m，将第三步中得到的排导槽综合糙率系数n为0.038代入曼宁公式 $V=\frac{1}{n}{R}^{2/3}\·J^{1/2}=\frac{1}{n}{\left(\frac{Bh}{B+2h}\right)}^{2/3}\·J^{1/2}=\frac{1}{0.038}{\left(\frac{6\×1.6}{6+2\×1.6}\right)}^{2/3}\×{0.35}^{1/2},$ 计算得到泥石流流速为12.67m/s。

第五步，将第四步中得到的泥石流流速与第一步中得到的不冲流速和不淤流速进行对比；第四步中得到的泥石流流速12.67m/s大于第一步中得到的不冲流速8m/s，表明箱体消能段的设计参数不合理，因此重复进行第二步-第五步。

第2次设计过程：设定箱体消能段长度L为20m、箱体消能段宽度b为4m、装填块石的平均直径D为0.4m；计算得到排导槽综合糙率系数n为0.049，设计泥石流泥深h＝4D＝1.6m，泥石流流速为10.12m/s。10.12m/s大于第一步中得到的不冲流速8m/s，因此重复进行第二步-第五步。

第3次设计过程：设定箱体消能段长度L为25m、箱体消能段宽度b为6m、装填块石的平均直径D为0.3m；计算得到排导槽综合糙率系数n为0.109，设计泥石流泥深h＝4D＝1.2m，泥石流流速为4.89m/s。4.89m/s满足大于等于第一步中得到的不淤流速、同时小于等于第一步中得到的不冲流速，因此采用L＝25m、b＝6m、D＝0.3m作为箱体消能段设计值。

实施例二

如图1、图2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，沟口坐标N31.5°，E104.1°。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，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，相对高差1519m。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。

为了保护该泥石流沟沟口道路的安全运行，拟在泥石流沟下游修建箱体消能式泥石流排导槽跨越公路。所述箱体消能式泥石流排导槽包括全衬砌槽底1及其两侧的侧墙，全衬砌槽底1的中部设有箱体消能段，所述箱体消能段包括按6m间距设置的横向贯穿型肋槛2(宽度1.2m)和充填于每两个上下游肋槛2之间、呈阶梯状分布的6级消能槛3，消能槛3沿横向贯穿排导槽方向设置，每一级消能槛3由至少一个预制好的钢筋混凝土长方箱体构成，长方箱体顶面开敞、其余五面封闭、内部装填块石，块石装填高度与长方箱体高度之比为0.5。所述箱体消能段的设计方法步骤如下：

第一步，通过大比例尺地形图测量计算，确定排导槽纵比降J为0.15。通过现场调查，确定该沟道爆发泥石流容重为16kN/m³。通过地形测量，确定排导槽总长度为150m，过水断面设计为矩形，排导槽宽度B为8m，排导槽高度为4m。通过现场调查，选定全衬砌槽底1的材质为混凝土底加水泥砌块石抹面，根据选定的全衬砌槽底1材质，确定全衬砌槽底1的糙率系数n₀为0.02。通过现场调查，根据钢筋混凝土材料的抗冲流速特性建议，确定排导槽允许的不冲流速为8m/s，不淤流速为2.7m/s。

第二步，根据排导槽设计流量和第一步中得到的排导槽纵比降J，设定箱体消能段长度L为30m、箱体消能段宽度b为8m、装填块石的平均直径D为0.4m。

第三步，通过公式 $n=(0.0136\·\frac{bL}{{\mathrm{\πD}}^2}\·J^{1/2}+1.1921)\·n_0$ $=(0.0136\·\frac{8\×30}{3.14\×{0.4}^2}\·{0.15}^{1/2}+1.1921)\×0.02,$ 确定排导槽综合糙率系数n为0.074。

第四步，箱体消能段上游的设计泥石流泥深h取为D、即h＝0.4m，将第三步中得到的排导槽综合糙率系数n代入曼宁公式 $V=\frac{1}{n}{R}^{2/3}\·J^{1/2}=\frac{1}{n}{\left(\frac{Bh}{B+2h}\right)}^{2/3}\·J^{1/2}=\frac{1}{0.074}{\left(\frac{8\×0.4}{8+2\×0.4}\right)}^{2/3}\×{0.15}^{1/2},$ 计算得到泥石流流速为5.06m/s。

第五步，将第四步中得到的泥石流流速与第一步中得到的不冲流速和不淤流速进行对比；第四步中得到的泥石流流速5.06m/s满足大于等于第一步中得到的不淤流速、同时小于等于第一步中得到的不冲流速，因此采用L＝30m、b＝8m、D＝0.4m作为箱体消能段设计值。

Claims (7)

1.一种箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，所述箱体消能式泥石流排导槽包括全衬砌槽底(1)及其两侧的侧墙，全衬砌槽底(1)的中部设有箱体消能段，所述箱体消能段包括按一定间距设置的横向贯穿型肋槛(2)和充填于上下游肋槛(2)之间、呈阶梯状分布的若干级消能槛(3)，消能槛(3)沿横向贯穿排导槽方向设置，每一级消能槛(3)由至少一个预制好的钢筋混凝土长方箱体构成，长方箱体顶面开敞、其余五面封闭、内部装填块石，其特征在于：所述箱体消能段的设计方法步骤如下：

(一)通过大比例尺地形图测量计算或现场调查实测，确定排导槽纵比降J；通过现场调查，选定全衬砌槽底(1)的材质，根据选定的全衬砌槽底(1)材质，确定全衬砌槽底(1)的糙率系数n₀；通过现场调查，确定排导槽允许的不冲流速和不淤流速，单位m/s；

(二)根据排导槽设计流量和步骤(一)中得到的排导槽纵比降J，设定箱体消能段长度L、箱体消能段宽度b、装填块石的平均直径D，单位均为m；

(三)通过以下公式确定排导槽综合糙率系数n

$n=(0.0136\·\frac{bL}{{\mathrm{\πD}}^2}\·J^{1/2}+1.1921)\·n_0$

式中，n—排导槽综合糙率系数；

n₀—全衬砌槽底(1)的糙率系数，由步骤(一)确定；

b—箱体消能段宽度，单位m，由步骤(二)确定；

L—箱体消能段长度，单位m，由步骤(二)确定；

D—装填块石的平均直径，单位m，由步骤(二)确定；

J—排导槽纵比降，由步骤(一)确定；

π—圆周率，取值3.14；

(四)将步骤(三)中得到的排导槽综合糙率系数n代入曼宁公式，计算得到泥石流流速、单位m/s；

(五)将步骤(四)中得到的泥石流流速与步骤(一)中得到的不冲流速和不淤流速进行对比；如果步骤(四)中得到的泥石流流速大于步骤(一)中得到的不冲流速、或小于步骤(一)中得到的不淤流速，则重复进行步骤(二)-步骤(五)；如果步骤(四)中得到的泥石流流速大于等于步骤(一)中得到的不淤流速、同时小于等于步骤(一)中得到的不冲流速，则采用步骤(二)中设定的箱体消能段长度L、箱体消能段宽度b、装填块石的平均直径D作为箱体消能段设计值。

2.根据权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，其特征在于：箱体消能段宽度b与排导槽宽度B之比为0.5-1.0。

3.根据权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，其特征在于：箱体消能段长度L与排导槽总长度之比为0.10-0.25。

4.根据权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，其特征在于：长方箱体内的块石装填高度与长方箱体高度之比为0.5-0.8。

5.根据权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽的箱体消能段设计方法，其特征在于：箱体消能段上游的泥石流泥深h与装填块石的平均直径D之比为1.0-4.0。

6.如权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽箱体消能段设计方法的应用，其特征在于：适用于排导槽纵比降J为0.15-0.35。

7.如权利要求1所述箱体消能式泥石流排导槽箱体消能段设计方法的应用，其特征在于：适用于泥石流容重为16-22kN/m³。