CN107254864A - 一种翼型消能板及含有翼型消能板的泥石流排导槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼型消能板及含有翼型消能板的泥石流排导槽，属于泥石流防治技术领域，翼型消能板为对称双翼型结构，其迎水面为圆弧面，背水面为斜坡，圆弧面与斜坡平滑相接；排导槽则主要由翼型消能板和设置在翼型消能板之间的消能球组成；消能球设置多个，构成若干个菱形体。本发明通翼型消能板和消能球组的组合结构对急流段对泥石流进行三次消能，改变泥石流流路，影响泥石流的稳定性；同时翼型消能板、消能球的存在加大了排导槽底部的粗糙率，极大的削弱泥石流的运动动能，实现泥石流在急流段减速、消能的效果，进而减弱泥石流对槽底的冲刷破坏程度，保证排导槽的安全使用，减小后期维护费用。

Description

一种翼型消能板及含有翼型消能板的泥石流排导槽

技术领域

本发明涉及泥石流防治技术，特别是涉及一种翼型消能板及基于翼型消能板和消能球组合结构进行槽底加糙从而实现消能、减速、防冲刷功能的全衬砌型泥石流排导槽。

背景技术

泥石流是产生于沟谷或坡面上的一种饱含泥砂、石块和巨砾的固液两相流体，其介于滑坡/崩塌等块体重力运动和水流等液体运动之间，呈层流或者紊流运动状态，具有爆发突然、运动速度快、历时短暂等特点。我国是世界上泥石流灾害最严重的国家之一，其灾害类型多、分布广泛，活动强烈，危害严重，制约着广大山区社会经济发展，威胁人民生命和财产安全。

排导槽是泥石流治理工程中的重要措施之一。排导槽是一种由人工开挖或填筑的过流断面，或利用自然沟道，具有规则的断面形状和衬砌的一种开敞式槽形过流建筑物。目前，一般通过修建排导槽引导和输送泥石流，从而减轻泥石流对下游地区人民的正常生产和生活的影响。

自上而下，排导槽通常由进口段、急流段和出口段三部分组成，为防止因变坡产生淤积和冲刷，排导槽纵坡一般采用一坡到底的形式。但是排导槽底面糙率较低，泥石流在排导槽中一直处于加速状态，到达急流段时具有较高的流速，泥石流中的固体颗粒对排导槽表面产生强烈的侵蚀，严重影响排导槽的使用寿命。目前泥石流排导槽主要有两类：一类是软基消能型排导槽，也称东川槽；另一类是满铺底全衬砌型排导槽，也称V型槽。其中，东川槽适合于比降和规模较大的稀性或粘性泥石流防治，V型槽更适用于小规模粘性泥石流。泥石流浆体中固体物质含量高、容重大具有很强的冲刷力，使得两种槽都存在磨蚀问题，东川槽的肋槛磨蚀严重，一般浆砌石和普通混凝土比浆砌条石和高标号混凝土磨蚀更严重，通常经历一次泥石流后磨蚀约2～5cm，更严重磨蚀成楔形深槽，甚至导致肋槛断裂；V型槽虽然采用高强度材质马鞍石铺底，但槽底的磨蚀仍然非常严重。施工质量稳定及材料均匀的V型槽，常磨蚀成成一条深槽，不均匀或者把流速提得太高的V型槽，则形成一个个串珠状的洼坑，更有甚者出现揭底掏刷。

近年来，有研究者提出一种扰流消能的全衬砌泥石流排导槽 (CN204728280U)，适合沟床比降较大的情况，其在一定程度上能够达到扰流、消能的目的，但其结构存在一个问题，即采用正四棱台结构时，其棱角在高容重泥石流的冲击下容易磨损，而采用圆台结构虽然能保证底部的抗剪切性能且能减弱磨耗，但由于其下大上小，上部结构的稳定性又难以保证。

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排导槽中过流时，易在急流段对排导槽槽底造成强烈的冲刷进而造成排导槽磨蚀严重，甚至出现揭底掏刷的现象，提供一种具有消能、防冲刷的全衬砌泥石流排导槽，加大沟槽底部的糙率，增大阻力，控制泥石流的流速，减小对槽底的冲刷，保证工程构筑物的安全，延长排导槽的使用寿命、减小维修费用。

本发明之目的通过下述技术方案实现：

一种翼型消能板，所述翼型消能板为对称双翼型结构，翼型消能板的迎水面为圆弧面，背水面为斜坡，所述圆弧面与所述斜坡平滑相接。

一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，包括全衬砌的排导槽底板及其两侧的排导槽侧墙，还包括：翼型消能板，所述翼型消能板设置在排导槽入口处与出口处的底板上；消能球，所述消能球设置在翼型消能板之间的排导槽底板上。

翼型消能板的设计理念为：翼型消能板用于最大可能性地分散泥石流的流路，其纵剖面为圆弧面与斜坡的衔接能够增加泥石流在纵剖面上的流路。翼型消能板迎水面的分水尖角度α设计为120°～150°，背水面的分水尖角度β设计为150°～180°。针对不同性质的泥石流设计不同的分水尖角度，粘性泥石流选取较小的分水尖角度，稀性泥石流选取较大的分水尖角度。翼型消能板与底板有较大的接触面积，能够有效的抵抗泥石流流体对其的剪切，保证结构自身的安全性。

翼型消能板迎水面分水尖角度α为120°～150°，翼型消能板背水面分水尖角度β为150°～180°。翼型消能板迎水面分水尖处对应的圆弧面的半径R为0.25m，圆弧面的半径R朝着翼缘方向依次减小，至翼缘末端处圆弧面的半径R减小为0.1m。

排导槽的设计理念为：排导槽常采用一坡到底的设计形式，使得泥石流在槽内处于加速状态，特别是在急流段(纵比降i为150‰-300‰)，泥石流运动速度较高，对排导槽的侵蚀能力增强，形成冲刷坑槽，进而导致排导槽失效。基于以上认识，针对排导槽的急流段易遭受泥石流冲刷破坏的情况，本发明提出了在排导槽急流段设计翼型消能板和消能球组合的技术方案。其中，翼型消能板设置在排导槽急流段入口处与出口处的底板上；消能球组则设计在翼型消能板之间的底板上。

若泥石流未能够越过翼型消能板而从其两侧流过，则翼型消能板能够增加泥石流流路，进而间接降低坡降；若泥石流越过翼型消能板从其顶部流过，则在越过翼型消能板的圆弧面时有部分能量损失，之后在翼型消能板斜坡尾部形成漩涡，消去下泄泥石流的部分能量，通过在急流段入口处设置翼型消能板从而达到对泥石流进行初次消能的目的。当泥石流流经急流段中部的消能球时，则能够再次调整泥石流的流路，改变泥石流的运动轨迹，同时泥石流在消能球的协助下产生剧烈的旋转翻滚，减弱其携带的动能，达到二次消能的目的，进一步削弱了泥石流的动能。同理，在急流段出口处的翼型消能板则进行第三次消能，使得泥石流能量降至最低。经过在排导槽急流段三次对泥石流消能、减速进而降低泥石流对排导槽底部的冲刷。

进一步地，所述消能球的数量设置为4n个，每4个消能球组合成一个菱形体，所述菱形体对应的迎水侧菱形角γ为60°。所述消能球的结构形式为半球形，消能球的半径r为0.2～0.3m。菱形体能够有效的减轻泥石流对其的撞击，保证结构的使用寿命。

消能球的设计理念为：经过入口段翼型消能板的初次消能，泥石流的流速有所降低，此时将消能球半径设为0.2-0.3m能有效的减小泥石流流速。若消能球半径过大，则占用过多的过流断面，不利于泥石流的排导，同时半径过大也容易造成泥石流的撞击，威胁消能球自身的安全；若半径设置过小，很难对泥石流起到消能、减速的目的，使得经过消能球后的泥石流流速依然很高，对槽底的冲刷仍很严重。消能球半径的选取依据排导槽的宽度，排导槽宽度大于等于6m时选消能球半径选0.3m；排导槽宽度小于6m时则选择0.2m。

进一步地，所述翼型消能板的翼展L为排导槽底宽B的1/3～1/2；所述翼型消能板的弦长b为设计为翼展L的1/3；翼型消能板纵分水尖处对应的圆弧面半径R为0.25m，圆弧面半径R朝着翼缘方向依次减小，至翼缘末端处时圆弧半径R减为0.1m。圆弧面半径不宜过大，因为入口处翼型消能板的主要作用是对上部下来、速度较快的泥石流进行初次消能，若圆弧面半径过大，造成翼型板的前缘过高，增大泥石流对翼型消能板的冲击，不利于翼型消能板的稳定；若圆弧半径过小，又达不到初次消能的目的。翼型消能板前翼末端与后翼末端通过翼缘平滑连接，也有利于减少泥石流对其的撞击，若前后两翼通过一定的角度连接，则其棱角易被泥石流磨蚀损坏。

进一步地，沿着排导槽纵向方向，入口处翼型消能板到消能球的最小距离S1为排导槽底宽B的3倍；出口处翼型消能板到消能球的最小距离S2为排导槽底板宽B的3倍。

进一步地，所述消能球的数量至少设置为8个，组合成至少2个菱形体，菱形体与菱形体之间的最小距离S3为排导槽底板宽B的3倍；菱形体长对角线距离L1为排导槽底宽B的倍。

进一步地，所述翼型消能板、消能球均为混凝土浇筑体，且与底板之间采用锚筋固定连接。为保证翼型消能板、消能球与排导槽之间的整体性，避免泥石流对翼型消能板、消能球的局部冲撞。锚筋直径为10mm 或12mm，为减小泥石流锚筋的侵蚀，嵌入翼型消能板和消能球的锚筋的混凝土保护层厚度不小于35mm，嵌入底板的锚筋长度不小于0.5m。具体施工时，先预留翼型消能板和消能球的空间位置，并安装锚筋、横向构造筋及箍筋；制作翼型消能板、消能球结构的模具，并将模具安装在翼型消能板、消能球的预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。

从空间俯视角度看，沿着排导槽横向方向，翼型消能板处于排导槽中间部位；菱形体中的两个纵向消能球处于排导槽中间部位，另外两个横向消能球则分别处于距侧墙B/4处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用急流段入口处消能翼型板、中部菱形布置的消能球及出口处的翼型消能板组合结构在急流段对泥石流进行三次消能，改变泥石流流路，影响泥石流的稳定性；同时翼型消能板、消能球的存在也加大了排导槽底部的粗糙率，增大阻力，使得泥石流与其相互作用极大的削弱泥石流的运动动能，实现泥石流在急流段减速、消能的效果，进而减弱泥石流对槽底的冲刷破坏程度，保证排导槽的安全使用，减小后期维护费用。

附图说明

图1是翼型消能板结构示意图(省略了对称的另一半)；

图2是翼型消能板俯视示意图；

图3是图2的Ⅰ-Ⅰ剖视图；

图4是排导槽结构示意图；

图5是图4的Ⅰ-Ⅰ向剖视图；

图6是图4的Ⅱ-Ⅱ剖视图；

图7是图4的Ⅲ-Ⅲ剖视图；

图8是图4的Ⅳ-Ⅳ剖视图；

图9是本发明中所述消能球俯视示意图；

图10是本发明中所述消能球剖视示意图；

图中：1、排导槽底板，2、侧墙，3、翼型消能板，4、消能球，5、锚筋，6、前翼，7、后翼，8、翼缘，9、纵剖面圆弧最高点连线，10、圆弧面，11、斜坡，12、翼型消能板迎水面分水尖，13、翼型消能板背水面分水尖，B、排导槽底宽，H、排导槽深度，S1、入口处翼型消能板到消能球的最小距离，S2、出口处翼型消能板到消能球最小距离，L、翼型消能板翼展，L1、菱形体长对角线距离，b、翼型消能板弦长，r、消能球半径，α、翼型消能板迎水面分水尖角度，β、翼型消能板背水面分水尖角度，γ、迎水侧菱形角，R、圆弧面半径，S3、菱形体与菱形体之间的最小距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例一

如图1-图10所示。某泥石流沟流域面积20.4km²，该沟道曾多次爆发泥石流，威胁下游村庄及农田。为减少泥石流灾害，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。为减小泥石流对排导槽急流段槽底的冲刷破坏，排导措施采用本发明消能防冲刷的全衬砌泥石流排导槽，设计泥石流的流量为50.3m³/s，排导槽的纵比降i为180‰，规划排导槽总长度为452m，其中急流段长158m，排导槽底宽B为6m，深度H为5m，经过上游拦砂坝拦挡之后进入排导槽的块石控制粒径为0.7m。

所述消能防冲刷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。在排导槽急流段158m范围内的底板1的入口处及出口处各布设一翼型消能板3，在急流段底板1中部布设两组消能球4，每组消能球组均由4个消能球排布成菱形体。为使施工方便，入口段与出口段的翼型消能板3取相同的结构参数，其中，翼型消能板3 为对称双翼型结构，翼型消能板3的迎水面为圆弧面10，背水面为斜坡 11，所述圆弧面10与所述斜坡11平滑相接，翼型消能板前翼6末端与后翼7末端通过翼缘8平滑连接。翼型消能板迎水面分水尖12角度α取 140°，翼型消能板背水面分水尖13角度β控制在170°；翼型消能板3 的翼展L为排导槽底宽B的1/2，即L为3m，弦长b为翼展L的1/3，即b为1m；翼型消能板3纵剖面的圆弧面半径R为0.25m，圆弧面半径 R朝着翼缘8方向依次减小，也即是沿着纵剖面圆弧最高点连线9依次减少，至翼缘8时圆弧面半径R减为0.1m；消能球4的半径为0.3m；入口处翼型消能板3到消能球的最小距离S1为排导槽底宽B的3倍，即S1为18m；出口处翼型消能板3到消能球4最小距离S2为排导槽底板1宽B的3倍，即S2为18m；由消能球4构成的菱形体与菱形体之间的最小距离S3为排导槽底板1宽B的3倍，即S3为18m；菱形体长对角线距离L1为排导槽底板宽B的倍，即L1为5.2m；翼型消能板3、消能球4均为混凝土浇筑结构，且与底板1之间采用锚筋5固定连接，锚筋直径采用10mm，嵌入翼型消能板3和消能球4的锚筋的混凝土保护层厚度为35mm，嵌入底板1的锚筋5长度大于等于0.5m。底板1施工时，预留翼型消能板3和消能球4的空间位置，并安装锚筋 5；制作翼型消能板3和消能球4模具，将模具安装在预留位置，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1至图9所示。某泥石流沟流域面积3.36km²，该沟道曾多次爆发泥石流，冲垮沟口桥梁、淤埋公路。为防止泥石流冲击桥梁、淤埋公路，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2.1t/m³，为粘性泥石流。为减小泥石流对排导槽急流段槽底的冲刷破坏，排导槽采用本发明消能防冲刷的全衬砌泥石流排导槽，设计泥石流的流量为162m³/s，排导槽的纵比降i为300‰，规划排导槽总长度为186m，其中急流段长61m，排导槽底宽B为4.5m，深度H为3.5m，经过上游拦砂坝拦挡之后进入排导槽的块石控制粒径为 0.5m。

所述消能防冲刷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。在排导槽急流段61m范围内的底板1的入口处及出口处各布设一翼型消能板3，在急流段底板1中部布设两组消能球，每组消能球组均由4个消能球排布呈菱形体。为使施工方便，入口段与出口段的翼型消能板3取相同的结构参数，其中，翼型消能板3为对称双翼型结构，翼型消能板3的迎水面为圆弧面10，背水面为斜坡11，所述圆弧面10与所述斜坡11平滑相接，翼型消能板前翼6末端与后翼 7末端则通过翼缘8平滑连接。翼型消能板迎水面分水尖12角度α取120 °，翼型消能板背水面分水尖13角度β控制在150°；翼型消能板3的翼展L为排导槽底板宽B的1/3，即L为1.5m，弦长b为翼展L的1/3，即b为0.5m；翼型板3纵剖面的圆弧面半径R为0.25m，圆弧面半径朝着翼缘8方向依次减小，也即是沿着纵剖面圆弧最高点连线9依次减少，至翼缘8时圆弧半径减为0.1m；消能球4的半径为0.2m；入口处翼型消能板3到消能球4最小距离S1为排导槽底宽B的3倍，即S1为13.5m；出口处翼型消能板3到消能球4最小距离S2为排导槽底板1宽B的3 倍，即S2为13.5m；由消能球4构成的菱形体与菱形体之间的最小距离 S3为排导槽底宽B的3倍，即S3为13.5m；菱形体长对角线距离L1为排导槽底板宽B的倍，即L1为3.9m；翼型消能板3、消能球4 均为混凝土浇筑结构，且与底板1之间采用锚筋5固定连接，锚筋直径采用12mm，嵌入翼型消能板3和消能球4的锚筋的混凝土保护层厚度为50mm，嵌入底板1的锚筋5长度大于等于0.6m。底板1施工时，预留翼型消能板3和消能球4的空间位置，并安装锚筋5；制作翼型消能板3和消能球4模具，将模具安装在预留位置，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度时，拆除模具。

Claims (10)

1.一种翼型消能板，其特征在于，所述翼型消能板为对称双翼型结构，翼型消能板的迎水面为圆弧面(10)，背水面为斜坡(11)，所述圆弧面(10)与所述斜坡(11)平滑相接。

2.根据权利要求1所述的一种翼型消能板，其特征在于，翼型消能板迎水面分水尖(12)角度α为120°～150°，翼型消能板背水面分水尖(13)角度β为150°～180°。

3.根据权利要求2所述的一种翼型消能板，其特征在于，翼型消能板迎水面分水尖(12)处对应的圆弧面(10)的半径R为0.25m，圆弧面(10)的半径R朝着翼缘(8)方向依次减小，至翼缘(8)末端处圆弧面(10)的半径R减小为0.1m。

4.一种含有权利要求1所述的翼型消能板的泥石流排导槽，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，还包括：

翼型消能板(3)，所述翼型消能板(3)设置在排导槽入口处与出口处的底板(1)上；

消能球(4)，所述消能球(4)设置在翼型消能板(3)之间的排导槽底板(1)上。

5.根据权利要求4所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，所述消能球(4)的数量设置为4n个，每4个消能球(4)组合成一个菱形体，所述菱形体对应的迎水侧菱形角γ为60°。

6.根据权利要求4所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，所述消能球(4)的结构形式为半球形，消能球(4)的半径r为0.2～0.3m。

7.根据权利要求4所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，所述翼型消能板(3)的翼展L为排导槽底宽B的1/3～1/2；所述翼型消能板(3)的弦长b为翼展L的1/3。

8.根据权利要求4所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，沿着排导槽纵向方向，入口处翼型消能板(3)到消能球(4)的最小距离S1为排导槽底宽B的3倍；出口处翼型消能板(3)到消能球(4)最小距离S2为排导槽底板宽B的3倍。

9.根据权利要求5所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，所述消能球(4)的数量至少设置为8个，组合成至少2个菱形体，菱形体与菱形体之间的最小距离S3为排导槽底板(1)宽B的3倍；菱形体长对角线距离L1为排导槽底宽B的倍。

10.根据权利要求4或5所述的一种含有翼型消能板的泥石流排导槽，其特征在于，所述翼型消能板(3)、消能球(4)均为混凝土浇筑体，且与底板(1)之间采用锚筋(5)固定连接。