CN107142891A - 粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泥石流拦砂坝稳定性测算法。针对现有测算方法存在只考虑最极端情况且无法展示泥石流过程中拦砂坝稳定性的动态变化过程的缺陷，本发明提供了一种能够反映出实体拦砂坝拦截泥石流过程中坝体稳定性的动态变化过程的测算法。本方法首先调查确定实体拦砂坝属于空库过流工况或半库过流工况，再经野外实地调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定工程参数再利用不同工况条件下抗滑移稳定性系数Kc(n‑1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n‑1)的计算式测算坝体稳定性。本方法可以具体测算拦砂坝满库过流状态下的稳定性。本发明方法能够为泥石流防治工程参数优化设计、结构安全检算等提供科学依据与参考，避免建造成本浪费，更贴合工程实际，适应实际工程需要。

Description

粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种拦砂坝稳定性测算方法及其应用，特别是涉及一种粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法及其应用，属于工程测量、山地灾害防治领域。
背景技术
拦沙坝是修建在泥石流沟道内的一种横断沟床的人工建筑物，具有工程结构简单、防治效果好、就地取材、施工及维护方便、使用周期长、造价省等特点。实体拦砂坝不仅具有良好的拦蓄效果，还有降低泥石流动力，抬高侵蚀面，增加沟床稳定性等功效，是目前泥石流灾害治理中使用最为广泛的工程措施之一，尤其在城镇、矿山、公路、铁路等泥石流整治中被优先采用。
实体拦砂坝的受力及稳定性验算时工程设计中的重要环节，需在多工况或荷载组合下进行验算。目前工程应用中普遍将首阵泥石流满库溢流(泥深h大于坝高)视为最危险工况，将满库过流视为非地震条件下的最安全工况。在于粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算中，现有技术中主要的《泥石流防治指南》、《震后泥石流治理工程设计简明指南》均只考虑首阵满库过流工况，前者建议抗滑移稳定性系数一般为1.05～1.15，抗倾覆稳定性系数一般为1.30～1.60，后者(及相关规范)要求抗滑移稳定性系数一般为1.15，抗倾覆稳定性系数一般为1.30即可，过大则应优化坝的截面。可见，上述方法均只考虑到了最极端情况。在实际工程中，当泥石流沟属于高频率小规模，或是拦砂坝坝高较高时，泥石流泥深h一般不会出现首阵泥石流满库过坝的情况，而多是连续流满库过流或多阵泥石流满库过流。因此上述方法可能使设计偏于保守，增大工程成本，且不能真实反映拦砂坝拦截泥石流的动态过程。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法，该方法能够反映出实体拦砂坝拦截泥石流过程中坝体稳定性的动态变化过程。
为实现上述目的，本发明首先提供一种粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法，其技术方案如下：
粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法，用于测算实体拦砂坝在空库过流工况或半库过流工况条件下的抗滑移稳定性与抗倾覆稳定性，其特征在于：
调查确定实体拦砂坝属于空库过流工况或半库过流工况；
在空库过流工况条件下，经野外实地调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定工程参数，包括拦砂坝基底摩擦系数f、拦砂坝坝顶厚度B、拦砂坝坝高H、迎水面坡比1:m、筑坝材料容重γb、泥石流容重γc、拦砂坝处初始状态沟道底宽Li、沟床糙率系数1:n、泥石流平均流量Q、沟道左岸坡比1:M1、沟道右岸坡比倒数1:M2、沟道纵比降I、泥石流体内摩擦角建筑物形状系数λ；所述拦砂坝基底摩擦系数f的取值是：砂类土取0.4、碎石类土和泥石流堆积取0.5、软质岩取0.4～0.6、硬质岩取0.6～0.7，所述建筑物形状系数λ取值是根据泥石流所挟石块最大颗粒粒径D取值；
联立式1.1～式1.10计算第n-1阵泥石流来流时抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)：
式中，f——拦砂坝基底摩擦系数，
B——拦砂坝坝顶厚度，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
H——拦砂坝坝高，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
m——迎水面坡比倒数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
γb——筑坝材料容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
hi——平均泥深，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
γc——泥石流容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
Li——拦砂坝处初始状态沟道底宽，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
n——沟床糙率系数倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
Q——泥石流平均流量，单位m3·s-1，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
M1——沟道左岸坡比倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
M2——沟道右岸坡比倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
I——沟道纵比降，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
——泥石流体内摩擦角，单位°，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
λ——建筑物形状系数，根据泥石流所挟石块最大颗粒粒径D取值；
在实体拦砂坝在半库过流工况条件下，进一步确定工程参数，包括库内堆积物容重γ0、库内堆积厚度h0、库内堆积物内摩擦角
联立式1.1、式2.1～式2.7、式1.3、式1.5、式1.7～式1.10计算第n-1阵泥石流来流时抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)：
式中，γ0——库内堆积物容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
h0——库内堆积厚度，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
——库内堆积物内摩擦角，单位°，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定。
上述拦砂坝稳定性测算方法是在实体拦砂坝空库过流工况或者半库过流工况条件下，分别测算坝的抗滑移稳定性系数Kc(n-1)与抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)。方法在综合考虑沟道条件、泥石流性质、坝体结构参数的基础上，基于粘性泥石流过流时坝体受力分析，通过理论推导得到满库过流或与半库过流工况下拦砂坝稳定性系数测算方法。
本技术方案基于上述原理，在空库过流工况条件下，如图1、图2所示，抗滑移稳定性系数Kc(n-1)与抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)的测算构思在于：
(1)第一阵泥石流来流时坝体受力分析及稳定性测算。此时有坝体自重(单宽)：土体重：坝体所受侧压力：泥石流产生冲击力：根据稳定性计算则有抗滑移稳定系数：抗倾覆稳定系数：且
(2)第二阵泥石流来流时坝体受力分析及稳定性测算。此时有坝体自重(单宽)：土体重：坝体所受侧压力： 泥石流产生冲击力：同理，则有抗滑移稳定系数：抗倾覆稳定系数：及式1.10。
(3)假设第n阵满库过坝，第n-1阵泥石流来流时坝体受力分析及稳定性测算。此时有坝体自重(单宽)：土体重：坝体所受侧压力：泥石流产生冲击力：同理有，抗滑移稳定系数：抗倾覆稳定系数：及式1.10。
在半库过流工况条件下，如图3、图4所示，设库内堆积物容重γ0，堆积厚度h0，堆积物内摩擦角其他条件同空库过流工况。从第一阵到第n-1阵(假设第n阵满库过坝)进行叠加计算，即可得到半库过流工况时抗滑移稳定性系数(式1.1)与抗倾覆稳定性系数(式2.1)。
上述测算方法中，λ取值具体可以泥石流所挟石块最大颗粒粒径D为基础，依照现有技术(参考文献1)取值。
上述测算方法可以具体测算拦砂坝满库过流状态下的稳定性。当某次泥石流来流时的平均泥深hi大于等于剩余坝高(坝高减去坝后淤积高度)时判断拦砂坝将在该阵次泥石流到达满库过流状态，则可根据滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)的动态数值确定满库过流状态下的坝体稳定性。
本发明粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算技术方案是一种对实体拦砂坝稳定性变化的动态测算方法，可以显出连续流满库过流或多阵泥石流满库过流工况下拦砂坝稳定性的动态变化过程与结果，真实地反映拦砂坝对泥石流的拦截过程及拦砂坝稳定性变化过程，因此，该技术方案可以应用于泥石流实体拦砂坝稳定性动态预测，用于对拟建拦砂坝防治工程时的参数设计或已建拦砂坝防治工程的稳定性检算。
本发明泥石流实体拦砂坝到达满库过流状态测算方法在泥石流实体拦砂坝工程设计中的应用。本发明泥石流实体拦砂坝到达满库过流状态测算方法应用于泥石流实体拦砂坝工程设计时，能够充分考虑多阵满库过流或连续流满库过流工况条件下坝体稳定性的动态变化过程，避免现有技术在此方面考虑过于保守、造成成本浪费的缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法是一种基于拦砂坝过流状态动态变化分析实现的稳定性测算方法，能够解决拦砂坝在满库过流与半库过流工况条件下坝体稳定性变化过程模拟的问题。(2)本发明测算方法是一种动态测算，因而能够合理预测拦砂坝坝体稳定性的动态变化趋势，以及坝体到达满库过流状态的时间。与现有技术仅将首阵泥石流到达满库过流工况作为拦砂坝设计参数确定条件相比，本发明方法能够为泥石流防治工程参数优化设计、结构安全检算等提供科学依据与参考，避免建造成本浪费，更贴合工程实际，适应实际工程需要。
参考文献1：蒋忠信编著.震后泥石流治理工程设计简明指南.西南交通大学出版社,2014年10月1日.ISBN:9787564335069
附图说明
图1是拦砂坝空库过流工况示意图。
图2A、图2B是拦砂坝空库过流工况时坝体受力分析示意图。
图3是拦砂坝半库过流工况示意图。
图4A、图4B是拦砂坝半库过流工况时坝体受力分析示意图。
附图中的数字标记分别是：
①、②、③、…、 ——泥石流阵数，v1、v2、…、vn-1、vn——每阵泥石流平均流速，h1、h2、…、hn-1、hn——每阵泥石流泥深，L1、L2、…、Ln-1、Ln……——每阵泥石流底宽
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2A、图2B所示，用本发明方法测算甘肃武都地区某泥石流沟的拟建实体拦砂坝动态稳定性。
某泥石流沟位于甘肃武都区白龙江左岸，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12.4km2，主沟长度约7.84km，流域相对高差约1960m，主沟平均纵比降250‰。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浆砌石实体重力坝。拦砂坝的主要功能是拦截泥沙，降低泥石流动力，抬高侵蚀面，增加沟床稳定性等。
新建实体拦砂坝属于空库过流工况。根据野外实地调查与室内土工试验获得相关工程参数数据：拦砂坝基底摩擦系数f＝0.5(基底摩擦系数为0.5)、拦砂坝坝顶厚度B＝3m、拦砂坝坝高H＝12m、迎水面坡比1:m＝1:0.55、筑坝材料容重γb＝2.4t·m-3、泥石流容重γc＝2.0t·m-3(计算20年一遇(P＝5％)时)、拦砂坝处初始状态沟道底宽Li＝8m、沟床糙率系数1:n＝1/0.043、泥石流平均流量Q＝75m3·s-1(计算20年一遇(P＝5％)时)、沟道左岸坡比1:M1＝1:0.75、沟道右岸坡比倒数1:M2＝1:0.75、沟道纵比降I＝250‰、泥石流体内摩擦角建筑物形状系数λ＝2.085(泥石流所挟石块最大颗粒粒径D＝1.0m)。
将上述参量代入式1.1～式1.10，联立计算得到每一阵来流时拦砂坝的抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)。结果见表1。
表1拟建拦砂坝过流时坝体稳定性系数计算结果
测算结果显示，前21阵泥石流泥深之和小于坝高，而前22阵泥石流泥深之和大于坝高(即第22阵泥石流的平均泥深hi将大于剩余坝高)，故判断坝体将在第22阵泥石流发生时达到满库过坝状态，且拦砂坝的稳定性状态是抗滑移稳定性系数Kc(n-1)＝0.874、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)＝5.932。
实施例二
如图3～图4A、图4B所示，用本发明方法对四川境内某泥石流沟的已建实体拦砂坝稳定性检算。
该泥石流沟位于四川省绵竹市境内某河左岸，是某公路交通干线南段的一条活动频繁但规模不大的泥石流沟。该沟流域汇水面积7.81km2，主沟全长约3.25km，流域相对高差约812m，沟床平均纵比降250‰。沟内曾爆发泥石流造成严重的经济损失和人员伤亡，威胁公路桥墩。为保证公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。本实施例测算目标是该防治工程中的3#拦砂坝，属于实体拦砂坝，位于泥石流沟上游，距公路交通干线约2000m的主沟。
3#拦砂坝已投入使用运行，拦砂坝库内已有淤积，属于半库过流工况。根据野外实地调查与室内土工试验获得相关工程参数数据：拦砂坝基底摩擦系数f＝0.5、拦砂坝坝顶厚度B＝3m、拦砂坝坝高H＝15.5m、迎水面坡比1:m＝1:0.6、筑坝材料容重γb＝1.9t·m-3、泥石流容重γc＝2.0t·m-3(计算20年一遇(P＝5％)时)、拦砂坝处初始状态沟道底宽Li＝15.35m、沟床糙率系数1:n＝1/0.040、泥石流平均流量Q＝80m3·s-1(计算20年一遇(P＝5％)时)、沟道左岸坡比1:M1＝1:0.8、沟道右岸坡比倒数1:M2＝1:0.7、沟道纵比降I＝250‰、泥石流体内摩擦角建筑物形状系数λ＝2.7(泥石流所挟石块最大颗粒粒径D＝1.5m)。拦砂坝库内已有淤积，库内堆积物容重γ0＝2.3t·m-3、库内堆积厚度h0＝4.9m、库内堆积物内摩擦角
将上述参量代入式1.1、式2.1～式2.7、式1.3、式1.5、式1.7～式1.10分别求得每一阵来流时拦砂坝的抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)。结果见表2。
表2 3#拦砂坝过流时坝体稳定性系数计算结果
测算结果显示，前22阵的泥深之和小于剩余坝高，而前23阵来流的泥深之和大于剩余坝高，故判断坝体将在第23阵来流时达到满库过坝状态，且拦砂坝的稳定性状态是抗滑移稳定性系数Kc(n-1)＝2.097、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)＝4.501。

Claims (4)

1.粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法，用于测算实体拦砂坝在空库过流工况或半库过流工况条件下的抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)，其特征在于：
调查确定实体拦砂坝属于空库过流工况或半库过流工况；
在空库过流工况条件下，经野外实地调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定工程参数，包括拦砂坝基底摩擦系数f、拦砂坝坝顶厚度B、拦砂坝坝高H、迎水面坡比1:m、筑坝材料容重γb、泥石流容重γc、拦砂坝处初始状态沟道底宽Li、沟床糙率系数1:n、泥石流平均流量Q、沟道左岸坡比1:M1、沟道右岸坡比倒数1:M2、沟道纵比降I、泥石流体内摩擦角建筑物形状系数λ；所述拦砂坝基底摩擦系数f的取值是砂类土取0.4、碎石类土和泥石流堆积取0.5、软质岩取0.4～0.6、硬质岩取0.6～0.7，所述建筑物形状系数λ取值是根据泥石流所挟石块最大颗粒粒径D取值；
联立式1.1～式1.10计算第n-1阵泥石流来流时抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)：
式中，f——拦砂坝基底摩擦系数，
B——拦砂坝坝顶厚度，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
H——拦砂坝坝高，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
m——迎水面坡比倒数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
γb——筑坝材料容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
hi——平均泥深，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
γc——泥石流容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
Li——拦砂坝处初始状态沟道底宽，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
n——沟床糙率系数倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
Q——泥石流平均流量，单位m3·s-1，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
M1——沟道左岸坡比倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
M2——沟道右岸坡比倒数，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
I——沟道纵比降，无量纲数，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
——泥石流体内摩擦角，单位°，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
λ——建筑物形状系数，根据泥石流所挟石块最大颗粒粒径D取值；
在实体拦砂坝在半库过流工况条件下，进一步确定工程参数，包括库内堆积物容重γ0、库内堆积厚度h0、库内堆积物内摩擦角
联立式1.1、式2.1～式2.7、式1.3、式1.5、式1.7～式1.10计算第n-1阵泥石流来流时抗滑移稳定性系数Kc(n-1)、抗倾覆稳定性系数Ky(n-1)：
式中，γ0——库内堆积物容重，单位t·m-3，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
h0——库内堆积厚度，单位m，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定，
——库内堆积物内摩擦角，单位°，根据野外调查、室内土工试验、拦砂坝设计工程确定。
2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于：测算实体拦砂坝在满库过流状态下的稳定性；当某次泥石流来流时的平均泥深hi大于等于剩余坝高时判断拦砂坝将在该阵次泥石流到达满库过流状态。
3.利用权利要求1或2所述的粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法在泥石流实体拦砂坝稳定性动态预测中的应用。
4.利用权利要求1或2所述的粘性泥石流实体拦砂坝稳定性测算方法在泥石流实体拦砂坝工程设计中的应用。
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