CN106096216B - 梁式格栅坝闭塞表现判别方法、应用 - Google Patents

梁式格栅坝闭塞表现判别方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梁式格栅坝闭塞表现判别方法。针对现有技术中对影响梁式格栅坝闭塞表现的因素考虑过于简略，本发明首先提供了一种充分考虑了泥石流容重、泥石流颗粒级配和格栅坝横梁间距三个主要因素及其关系的梁式格栅坝闭塞表现判别方法。该方法根据上述三个因素的函数关系计算闭塞临界判别指标F，再根据F对应的不同区间判断坝体的闭塞表现。本发明还提供一种上述方法在梁式格栅坝设计中的应用，用于确定梁式格栅坝横梁间距的设计值b。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，判别式中参数容易获取，特别适用于工程领域的需要。

Description

梁式格栅坝闭塞表现判别方法、应用
技术领域
本发明涉及一种梁式格栅坝闭塞表现判别方法及其应用方法，属于泥石流防治工程、建筑工程设计领域。
背景技术
在泥石流防治工程中，梁式格栅坝作为一种重要的透过型拦砂坝，是以支墩支承布置横梁形成横向宽缝，具有拦粗排细、截沙排水等特殊功效，因而可以发挥拦截泥石流但排泄常年流水或挟沙洪水的功能，同时能够延长工程的使用期限，具有比实体坝更好的防治效果。与实体坝相比，以梁式格栅坝为代表的透过型拦砂坝对泥石流中携裹的漂木也有更好的拦截效果。此外，梁式格栅坝还具有工程造价低、施工工期短、对生态环境影响小等优点。总体上，梁式格栅坝在铁路、公路以及风景区泥石流的防治中有着较好的防治效果和应用前景。
作为透过型坝，梁式格栅坝的闭塞表现是指其在拦截泥石流时格栅被固体颗粒堵塞而使坝体允许过流面积减小的现象。闭塞表现可以由闭塞率衡量，闭塞率表示为泥石流过坝后坝体过流区的堵塞面积与坝体允许过流面积之百分比。当闭塞率等于100％时，表示全闭塞，即在拦截泥石流过程中梁式格栅坝的格栅有一定过流，但后续逐渐全部被泥沙物质堵塞；当闭塞率为0～100％时，表示部分闭塞，即在拦截泥石流过程中，梁式格栅坝的格栅堵塞后部分又被侵蚀冲开；当闭塞率等于0％时，表示未闭塞，即在拦截泥石流过程中，梁式格栅坝的格栅能顺利过流，仅对泥石流有一定的阻流作用。梁式格栅坝的闭塞表现是其功能正常发挥与否的重要指标。
专利申请号为2013103088965、申请公布号为CN 103343526 A的中国发明专利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。该方法是针对窗口坝类型，对梁式格栅坝的特征不适用。同时该方法将泥石流类型划分作为影响因素之一，划分过于简略。并且对于不同类型的泥石流其判别方法(即判据)的形式没有变化，同样过于简略。现有技术“泥石流梁式格栅坝拦砂性能试验研究”(水土保持学报，2001年3月)公开了梁式格栅坝4种闭塞类型的判别方法，也是目前国内外关于透过型拦砂坝的闭塞表现常用的判别方法。该方法只考虑了坝体特征尺寸(b/dmax)的影响，未考虑泥石流的性质特征，同样过于简略。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种充分考虑了泥石流容重、泥石流颗粒级配和格栅坝横梁间距三个主要因素及其关系的梁式格栅坝闭塞表现判别方法，以及该方法在工程中的应用。
为实现上述目的，本发明首先提供一种梁式格栅坝拦闭塞表现判别方法，其技术方案下：
一种梁式格栅坝闭塞表现判别方法，其特征在于：依如下步骤实施：
步骤S1、前期数据获取
通过现场调查和/或室内测试和/或行业规范确定泥石流泥沙体积容重CV、泥石流粒径d90、梁式格栅坝横梁间距b；
步骤S2、依式1计算闭塞临界判别指标F
式中，CV——泥石流泥沙体积容重，单位t/m3，步骤S1确定，
b——梁式格栅坝横梁间距，单位m，步骤S1确定，
d90——泥石流固体物质粒径，单位m，步骤S1确定；
步骤S3、闭塞表现判别
若F≤2，梁式格栅坝判别为全闭塞；若2＜F＜11，梁式格栅坝判别为部分闭塞；若F≥11，梁式格栅坝判别为未闭塞。
上述梁式格栅坝闭塞表现判别方法的技术原理在于：梁式格栅坝的闭塞状态是其拦截泥石流过程中的直接表现。梁式格栅坝的拦截过程是一个受多因素综合影响的复杂过程，其中较为重要的因素包括泥石流容重、泥石流颗粒级配、坝体特征尺寸以及泥石流的规模等。本发明方法综合考虑泥石流容重、泥石流颗粒级配、格栅坝横梁间距三个主要因素及其相互关系对闭塞表现的影响。通过确立三因素间的函数关系确定了临界判别指标F的计算方法。再结合野外实际工程的运行状况调查结果与室内的模拟试验结果解决F值的区间划分的问题，从而可以以F值所属不同数值区间直观显示梁式格栅坝闭塞表现，确定工程效果。
上述方法梁式格栅坝闭塞表现判别中，泥石流泥沙体积容重CV通过结合现场调查和/或室内测试和/或行业规范确定。CV的常规计算方法如式2：
CV＝(γc-γw)/(γs-γw) 式2
式中，γc——泥石流容重，单位t/m3，野外调查结合相关规范确定；
γw——泥石流中水的容重，单位t/m3，取值1，
γs——泥石流中土体的实体容重，单位t/m3，野外调查结合相关规范确定。
在简单计算时，泥石流中土体的实体容重γs取值一般在2.6～2.8t/m3之间，经验取值为2.65t/m3。
在泥石流发生后，通过调查与常规专业测试获取确定与泥石流及梁式格栅坝设计相关的基本参数，再依式计算，便可判断梁式格栅坝在拦截泥石流后当前的闭塞表现，从而判断坝体安全性。
上述梁式格栅坝闭塞表现判别方法可应用于梁式格栅坝设计，用于确定梁式格栅坝横梁间距的设计值b。具体是根据闭塞临界判别指标F的要求反演计算在安全条件下梁式格栅坝横梁间距b的设计值。在应用中，步骤S1中的前期数据可通过设计地点的泥石流发生历史记录数据确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的梁式格栅坝闭塞表现判别方法判别式结构简单易用，式中参数容易获取。临界判别指标F综合考虑了影响梁式格栅坝闭塞状况的泥石流性质(容重)与颗粒粒径级配、坝体结构尺寸(横梁间距)三个主要因子，在充分反映三因子共同作用关系的基础上，能够合理区分梁式格栅坝拦截泥石流时的闭塞表现。本发明方法在梁式格栅坝设计中的应用，可以为梁式格栅坝的横梁间距参数设计提供参考与依据，适应实际工程需要。
附图说明
图1是梁式格栅坝横截面结构示意图。
图2是泥石流固体物质粒径级配曲线。
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所示，将本发明方法应用于四川省境内某泥石流沟的梁式格栅坝横梁间距参数设计。
某泥石流沟位于四川省境内某河的一级支流左岸，是某铁路交通干线北段的一条活动频繁的泥石流沟。该沟流域面积约为13.6km2，主沟长度约8.4km，主沟平均纵比降155‰。沟内曾暴发大规模泥石流造成严重的经济损失和人员伤亡。为保证铁路交通的正常运行和当地居民的生命财产安全，对泥石流沟修建了一系列的防治工程，其中位于泥石流沟中上游，距铁路交通干线约2700m的主沟5#拦砂坝是典型的梁式格栅坝。
图1是梁式格栅坝横截面结构示意图。5#梁式格栅坝为钢筋混凝土梁式格栅重力坝，坝中部的溢流段长32.5m，由4墩与5孔组成，每孔格栅横梁长4m，梁厚0.3m，横梁间隙b＝0.8m，溢流段坝高8m；坝两端为浆砌重力式拦挡坝，坝总长54.2m，坝高14.5m。5号格栅坝设计要求为全闭塞，设置目的一方面是拦蓄上游带下的粗颗粒物质，利用拦挡坝回淤改变沟床坡度，保护上游布设的潜坝；另一方面是尽量顺利排泄小规模泥石流及高含沙洪水，从而保证足够的库容。
通过野外调查，确定P＝5％(20年一遇)时泥石流容重γc＝1.90t/m3，泥石流属粘性泥石流，泥石流中土体的实体容重γs＝2.65t/m3。通过野外调查配合室内测试确定泥石流固体物质级配分布(图2是泥石流固体物质粒径级配曲线)，根据泥石流固体物质级配曲线确定粒径d90＝0.9m。将以上数据代入式2得到泥石流泥沙体积容重CV＝0.545t/m3。再将各数据代入式1，确定闭塞临界判据F值为1.45，因此判定梁式格栅坝表现为全闭塞。
该坝建成后经受了多次泥石流(容重在1.9t/m3～2.1t/m3之间，泥石流d90粒径为0.9m)考验，梁式格栅坝闭塞后并淤满，但坝体十分稳定且保持完好无损，防治效果良好，达到设计要求。
实施例二
将本发明方法应用于大渡河某支流某泥石流沟的拟建梁式格栅坝横梁间距参数设计。
某泥石流沟位于大渡河某支流右岸，是区域内一条活动较为频繁的泥石流沟。该沟流域面积约为1.45km2，主沟长度约2.78km，主沟平均纵比降241‰。该泥石流沟的危险区主要分布在泥石流沟口和主河上下游由于堵河造成的淹没或淤埋的区域。
为了有效治理泥石流，防治泥石流堵河，拦截泥石流并稳固沟床，减轻泥石流灾害，保护区域基础设施建设和当地居民的生命财产安全，拟在主沟内修建一座梁式格栅坝。梁式格栅坝的主要功能是拦截泥沙，对泥石流的调控加以作用；辅助功能是利用格栅坝拦泥石流排常年挟沙洪水的效能，以提高工程使用期限，充分发挥主河的输沙能力。因而该坝需设计为部分闭塞型坝体，设计标准为P＝5％(20年一遇)。
初步设计梁式格栅坝有效坝高8m，坝中部溢流段长10.5m，溢流段设3～4孔跨径为3m的钢筋混凝土梁式格栅坝，两端非溢流段采用浆砌石重力坝型，横梁采用工型钢，梁厚0.3m，横梁间距b＝0.9m。
通过野外调查与室内测试，确定P＝5％时泥石流容重γc＝1.7t/m3，泥石流中土体的实体容重γs＝2.65t/m3；确定泥石流固体物质粒径分布，根据泥石流固体物质级配曲线确定粒径d90＝0.8m。
将上述前期数据代入式1、式2，计算得到泥石流泥沙体积容重CV＝0.424t/m3、闭塞临界判据F＝2.98，因此可判定梁式格栅坝表现为部分闭塞。横梁间距b能够达到设计要求。
实施例三
将本发明方法应用于九寨沟风景名胜区某泥石流沟的拟建梁式格栅坝横梁间距参数设计。
某泥石流沟位于九寨沟风景名胜区，近年来由于人类经济活动频繁，泥石流趋于活跃。该沟流域面积约为2.1km2，主沟长度约2.5km，主沟平均纵比降398‰。泥石流的主要危害表现在：冲毁森林，威胁旅游道路的安全，威胁游人和当地居民的生命财产安全，破坏风景区自然景观，影响当地旅游业发展等。
为了保护当地独特的景观资源和生态环境，发展可持续的生态旅游产业，拟在主沟内修建一座梁式格栅坝。该坝旨在以“拦粗排细”方式调节泥沙为主，并有效地拦截泥石流中携带的漂木，解决实体坝对漂木拦挡不佳的问题。格栅坝的设计闭塞表现为部分闭塞，设计标准为P＝5％(20年一遇)。
该梁式格栅坝采用装配式结构，以尽量减小工程施工对生态环境的影响。坝两端和支墩均采用钢筋混凝土预制构件，坝中部的溢流段由3墩4孔组成，每孔格栅横梁长4m，横梁采用直径0.3m钢管作为组装件，横梁间距b＝1.5m，溢流段设计坝高为8.5m。
通过野外调查与室内测试，确定P＝5％时泥石流容重γc＝2.0t/m3t/m3，泥石流中土体的实体容重γs＝2.65t/m3；确定泥石流固体物质粒径分布，根据泥石流固体物质级配曲线确定粒径d90＝1.0m。
将上述前期数据代入式1、式2，计算得到得到泥石流泥沙体积容重CV＝0.606t/m3、闭塞临界判据F＝3.71，因此可判定梁式格栅坝表现为部分闭塞，横梁间距b能够达到设计要求。

Claims (6)

1.梁式格栅坝闭塞表现判别方法，其特征在于：依如下步骤实施：
步骤S1、前期数据获取
通过现场调查和/或室内测试和/或行业规范确定泥石流泥沙体积容重CV、泥石流粒径d90、梁式格栅坝横梁间距b；
步骤S2、依式1计算闭塞临界判别指标F
式中，CV——泥石流泥沙体积容重，单位t/m3，步骤S1确定，
b——梁式格栅坝横梁间距，单位m，步骤S1确定，
d90——泥石流固体物质粒径，单位m，步骤S1确定；
步骤S3、闭塞表现判别
若F≤2，梁式格栅坝判别为全闭塞；若2<F<11，梁式格栅坝判别为部分闭塞；若F≥11，梁式格栅坝判别为未闭塞。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述泥石流泥沙体积容重
CV依式2计算确定：
CV＝(γc-γw)/(γs-γw) 式2
式中，γc——泥石流容重，单位t/m3，野外调查结合相关规范确定；
γw——泥石流中水的容重，单位t/m3，取值1，
γs——泥石流中土体的实体容重，单位t/m3，野外调查结合相关规范确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述泥石流中土体的实体容重γs取值2.6t/m3～2.8t/m3。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述泥石流中土体的实体容重γs取值为2.65t/m3。
5.根据权利要求1～4任一所述的梁式格栅坝闭塞表现判别方法在梁式格栅坝设计中的应用方法。
6.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于：应用于梁式格栅坝横梁间距b值设计。
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