CN108376203B - 一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及泥石流灾害防治工程技术领域，具体地说是一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法。本发明包括以下步骤：对拟进行工程防治的泥石流沟开展泥石流灾害防治工程勘察，在该沟道泥石流密度小于2000kg/m3的情况下，确定该沟道泥石流中存在的最大固体颗粒物质的直径dmax；确定每一级梳子坝的功能，即该级梳子坝是用于对泥石流固体物质的拦截还是对泥石流速度进行调节；计算各级梳子坝的相对开度b/dmax，从而得到各级梳子坝的开口宽度。本发明在明确了泥石流类型的基础上，提出了上述梳子坝开口宽度的量化设计方法，避免了因基于经验的设计方法而导致梳子坝不能发挥其最佳防治效果的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及泥石流灾害防治工程技术领域，具体地说是一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法。
背景技术
泥石流作为一种常见的地质灾害，具有流动快、规模大、发生突然、淤积范围广、冲击力极强等特点。泥石流爆发时常常会冲毁公路、铁路等基础设施，堵断江河甚至冲毁村庄等，造成巨大的生命财产损失。随着全球气候变暖，极端气候日益增多，人类经济活动进一步向山区扩张，人民的生命和财产受到泥石流的威胁日益突出；另外，我国对生态文明建设的重视程度也达到了前所未有的高度。鉴于以上原因，对泥石流进行防治就显得迫在眉睫。
透过性拦沙坝作为泥石流防治工程中广泛使用的工程措施，具有结构简单、施工方便、透水性好、拦排兼备等优点。梳子坝作为一种常见的透过性拦沙坝，它是由数量不等的钢桩或钢筋混凝土桩等材料组成，梳子坝的开口宽度直接决定了对泥石流的防治效果和使用寿命。梳子坝还被称为梳齿坝(Comb Dam)或者缝隙坝(Slit Dam)；在有些国家或地区也被称作过滤坝(Filter Dam)。
目前关于梳子坝开口宽度的设计，主要是结合工程经验，考虑对泥石流的拦截效率来设计的。为了达到较高的拦截效率，梳子坝的开口宽度设计往往会偏小，较小的开口宽度导致梳子坝库容在一次泥石流后被淤满，大大减少了梳子坝的使用寿命。在梳子坝设计时如何合理地选择开口宽度，使其在能够减小泥石流速度的同时，又能避免因被快速淤满而失去调节功能，这是当前梳子坝设计亟需解决的技术问题。
目前国内外关于梳子坝在工程上的应用研究多集中在梳子坝的类型、结构和细部构造等方面，例如江守良介等人发明的自立式钢管材料和埋入地基的基础套管材料组成的钢制梳子坝能够便于快捷地安装、建造梳子坝。与此同时，如果梳子坝发生部分破坏，也便于快速地修复。根据梳子坝自身的特点，也被广泛地与其他泥石流防护结构结合使用，在发挥梳子坝优势的同时，也弥补了其不足之处。
在中国现行的《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T0239—2004)中，没有直接提及梳子坝设计的有关内容，但对于桩林的布置，建议桩的间距为b＝(1.5～2.0)dmax(dmax：泥石流中最大固体颗粒物质的直径)。当桩林为单排时，其功能与梳子坝的功能一致，因此，可以认为该建议宽度也适合于梳子坝开口宽度的设计。
在台湾地区采用的《水土保持手册》(2005)中，考虑到地形条件、河道自然输砂能力、桥洞断面、最大颗粒粒径等综合因素，一般以等开口宽度设计梳子坝，建议其开口宽度也为b＝(1.5～2.0)dmax。
梳子坝在工程应用上类型多样，结构多变，但其设计时缺乏对泥石流与梳子坝相互作用机制的考虑。没有考虑梳子坝的开口宽度、过坝后泥石流的速度衰减和梳子坝的物质拦截效率三者之间的耦合关系。
在现行的泥石流规范中，对梳子坝开口宽度的建议取值没有考虑到泥石流的类型(按泥石流密度进行划分)，同时也没有考虑到梳子坝的作用功能，例如梳子坝主要是用于拦截泥石流固体物质，还是主要用于调控泥石流流态的同时有选择性地拦截部分泥石流中大颗粒物质，从经验的角度笼统地建议梳子坝的开口宽度均为b＝(1.5～2.0)dmax。
从现有的工程实践和实验研究都表明了当梳子坝开口宽度b≤(1.5～2.0)dmax时，梳子坝的开口被堵塞，泥石流中的大小颗粒物质都被拦蓄，导致梳子坝库容极易被泥石流固体物质淤满而失效。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法，包括以下步骤：
对拟进行工程防治的泥石流沟开展泥石流灾害防治工程勘察，在明确该沟道泥石流密度小于2000kg/m3的情况下，确定该沟道泥石流中存在的最大固体颗粒物质的直径dmax；
确定每一级梳子坝的功能，即该级梳子坝是用于对泥石流固体物质的拦截还是对泥石流速度进行调节；
若某级梳子坝的功能是用于对泥石流速度进行调节，则根据公式
P＝[-12.4(b/dmax)+78.2]/100 (3)
计算该梳子坝的相对开度b/dmax，其中梳子坝对泥石流的速度减小率P为预定值；若某级梳子坝的功能是用于对泥石流固体物质的拦截，则根据公式
T＝[8.3(b/dmax)2-56.1(b/dmax)+96.7]/100且b/dmax≤3.6 (4)
计算该梳子坝的相对开度b/dmax，其中梳子坝对泥石流的拦截效率T为预定值；
根据各级梳子坝的相对开度b/dmax和泥石流中存在的最大固体颗粒物质的直径dmax，得到各级梳子坝的开口宽度。
还包括，根据公式
逐级计算泥石流流经各级梳子坝后的速度，泥石流经过最后一级梳子坝后的速度要满足设计要求；其中，P为梳子坝对泥石流的速度减小率，VA为泥石流来流速度，VB为泥石流经过梳子坝后的速度；
如果泥石流经过最后一级梳子坝后的速度不满足设计要求，则重新给定梳子坝对泥石流的速度减小率P和梳子坝对泥石流的拦截效率T。
还包括，根据公式
逐级计算各级梳子坝拦截的泥石流的固体物质方量，进而得到泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量，所述泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量要满足设计要求；其中，T为梳子坝对泥石流的拦截效率；M为梳子坝拦截的泥石流固体物质方量；M0为没有梳子坝时，泥石流固体物质在沟道内的自然沉积方量；MT为泥石流总方量；
如果泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量不满足设计要求，则重新给定梳子坝对泥石流的速度减小率P和梳子坝对泥石流的拦截效率T。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明在明确了泥石流类型的基础上，提出了上述的梳子坝开口宽度的设计方法，避免了因基于经验的设计方法而导致梳子坝不能发挥其最佳防治效果的弊端。
2、本发明提出了梳子坝相对开口宽度(b/dmax)与梳子坝对泥石流的速度减小率P和物质拦截效率T三者之间的耦合关系式，在此基础上，根据梳子坝在防治工程中的主要用途，综合考虑梳子坝对泥石流的速度减小率P和物质拦截效率T而采取相应的梳子坝的开口宽度，为梳子坝的设计提供合理的依据。既能使梳子坝能够对泥石流进行有效地调节，同时又能避免因其被快速淤满而失去调节功能，从而延长梳子坝的使用寿命，更长久、有效地服务泥于石流防灾减灾工作。
3、本发明能够明确梳子坝对一次泥石流调节后泥石流中固体物质的拦截量和速度减小量，为经过梳子坝调节后的泥石流的危险性定量评价提供依据。
附图说明
图1为本发明涉及的梳子坝示意图；
图2为梳子坝相对开口宽度(b/dmax)与梳子坝对泥石流的速度减小率P和物质拦截效率T三者之间的关系图；
图3为基于梳子坝相对开口宽度(b/dmax)、梳子坝对泥石流的速度减小率P和物质拦截效率T的梳子坝开口宽度设计路径图；
图4(a)和(b)为梳子坝对泥石流调节过程示意图；
图4(c)为梳子坝对泥石流调节结果示意图；
图5为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明针对密度小于2000kg/m3的泥石流，考虑梳子坝开口宽度与梳子坝对泥石流的速度减小率P和物质拦截效率T三者之间的耦合关系，根据工程设计需要，合理地选择梳子坝的开口宽度，使梳子坝能够对泥石流的速度进行有效地调节，同时又能避免因被快速淤满而失去调节功能，达到延长梳子坝的使用寿命，从而更长久、更有效地服务泥于石流防灾减灾工作的目的。除此之外，利用本发明所述的梳子坝开口宽度的设计方法，能够明确梳子坝对泥石流中固体物质的拦截量和速度减小量，为经过梳子坝调节后的泥石流的危险性定量评价提供依据。
上式(1)中，P：梳子坝对泥石流的速度减小率(％)；VA：泥石流来流速度；VB：泥石流经过梳子坝后的速度；
上式(2)中，T：梳子坝对泥石流的拦截效率(％)；M：梳子坝拦截的泥石流固体物质方量；M0：没有梳子坝时，泥石流固体物质在沟道内的自然沉积方量；MT：泥石流总方量。
梳子坝对密度小于2000kg/m3的泥石流的速度减小率和拦截效率与梳子坝的相对开口宽度(b/dmax)三者之间存在相互耦合关系(见图2)。其具体表达式为：
P＝[-12.4(b/dmax)+78.2]/100 (3)
T＝[8.3(b/dmax)2-56.1(b/dmax)+96.7]/100且b/dmax≤3.6 (4)
在此基础上，明确梳子坝防治泥石流的主要用途和泥石流中可能存在的最大颗粒物质，选择合理的梳子坝开口宽度。具体而言，梳子坝开口宽度的设计步骤如下：
(1)对拟进行工程防治的泥石流沟开展泥石流灾害防治工程勘察，确定该沟道泥石流类型(按泥石流密度进行划分)和该沟道泥石流中可能存在的最大的固体颗粒物质的粒径dmax。明确防治工程的位置及其与保护对象之间的关系。
(2)对于密度小于2000kg/m3的泥石流沟道，根据泥石流防治工程的规划布局，确立治理方案。主要是要明确每一级梳子坝的主要功能，即：该级梳子坝主要是用于对泥石流固体物质的拦截还是对泥石流速度进行调节。
(3)根据欲保护的对象和泥石流防治目标，综合考虑梳子坝对泥石流的速度减小率和固体物质拦截效率，利用公式(3)和(4)合理地选择对应的梳子坝相对开口宽度b/dmax。
根据步骤(1)中已经确定的dmax，计算出梳子坝的开口宽度b。
以下为本发明的一个具体实施例：野外勘察资料表明某泥石流沟爆发的泥石流密度范围在1500～2000kg/m3，泥石流的平均流速约为VA＝6.0m/s，泥石流一次总量为V0＝1.2×104m3，野外调查还表明该沟道泥石流可能存在的最大的固体颗粒物质的粒径dmax＝1.0m。
如图4(a)所示，该沟泥石流治理的目的是防止泥石流在沟道下游泛滥，威胁下游居民的生命财产安全。针对该泥石流沟所在区域的地形条件、泥石流的特点和防治目的，该沟泥石流防治工程上游采用2座梳子坝(梳子坝1#、梳子坝2#)对泥石流速度进行调节，同时拦蓄部分泥石流中的固体颗粒物质。经过上游2座梳子坝调节后的泥石流进入到下游排导槽中，通过排导槽对泥石流进行疏导，最终将泥石流排入主河中，避免因泥石流泛滥而威胁下游居民区的生命财产安全。由于受地形条件的限制和排导槽的设计要求，允许进入排导槽的泥石流总方量不能超过9.0×103m3，进入排导槽的泥石流的速度不能大于2.5m/s，同时不能小于1m/s。
根据工程背景和设计需要，结合泥石流沟道所在区域地形条件，梳子坝1#的库容为3000m3，梳子坝2#的库容为6000m3。如图3中的梳子坝开口宽度的设计路径①所示，梳子坝1#的主要作用是用于降低泥石流的速度，因此，建议梳子坝1#对泥石流的速度减小率为P1＝41％(P1为治理工程需要，结合工程经验，预先给定的值)，通过公式(3)计算可知，此时梳子坝的相对开度b/dmax＝3.0。由于对梳子坝1#，泥石流来流速度VA＝6.0m/s，根据公式(1)可知，泥石流经过梳子坝1#调节后的速度VB＝3.54m/s。再由公式(4)可知，对于梳子坝1#，当相对开度b/dmax＝3.0时，此时梳子坝1#对泥石流的拦截效率为T1＝3.1％。对于梳子坝1#，泥石流总方量MT等于1.2×104m3，根据公式(2)可知，梳子坝1#拦截的泥石流固体物质方量M等于372m3(这里不需要算自然沉积量M0，关心的是拦截率，拦截率公式是考虑了自然沉积率的条件下而得到的)。所以，经过梳子坝1#调节后，泥石流的速度减小到3.54m/s，泥石流总方量减小到1.16×104m3。
假设泥石流在经过梳子坝1#以后的速度和总方量保持不变，到达梳子坝2#。由于梳子坝2#的主要作用是拦蓄泥石流中的固体颗粒物质，需要拦截泥石流的固体物质方量M至少为2600m3。除此之外，设计的排导槽要求泥石流的速度不能大于2.5m/s，同时不能小于1m/s，否则泥石流容易在排导槽内淤积或者排导槽易被泥石流损坏。如图3中的梳子坝开口宽度的设计路径②所示，经综合考虑，建议梳子坝2#对泥石流的物质拦截率为T2＝23％(T2为治理工程需要，结合工程经验，预先给定的值)，由公式(4)计算得到，b/dmax＝1.8。再由公式(3)可知，当相对开度b/dmax＝1.8时，此时梳子坝对泥石流的速度减小率为P2＝56％。从野外调查资料可知，该沟道泥石流可能存在的最大的固体颗粒物质的粒径dmax＝1.0m，所以梳子坝1#的开口宽度为3.0m，梳子坝2#的开口宽度为1.8m。
泥石流经过梳子坝1#和梳子坝2#的调节以后，速度从6.0m/s的降到为1.6m/s，泥石流方量从1.2×104m3降低到8.9×103m3。经过两座梳子坝调节后泥石流能够以预期的速度进入到排导槽内，同时避免了因泥石流泛滥而威胁下游居民区的生命财产安全。
梳子坝1#对泥石流的固体物质的拦截量为372m3，占设计库容的12.4％；梳子坝2#对泥石流的固体物质的拦截量为2.67×103m3，占设计库容的44.5％。所以，此次泥石流事件以后，梳子坝1#的拦截库容余量较大，能够继续使用。而梳子坝2#的库容需要清理，以便在下一次泥石流中能够更好地发挥拦截效果。
图4(b)和(c)展示了梳子坝对泥石流调节的过程和结果，采用本发明所述的梳子坝设计方法，实现了梳子坝1#对泥石流的速度进行调节，同时又避免了因梳子坝1#被快速淤满而失去调节功能，从而延长梳子坝1#的使用寿命。梳子坝2#的设计要求主要是用于拦截泥石流中的固体颗粒物质，此次泥石流防治效果也达到预期的目的，总之，该梳子坝设计方法合理、有效。
Claims (3)
1.一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
对拟进行工程防治的泥石流沟道开展泥石流灾害防治工程勘察，在明确该沟道泥石流密度小于2000kg/m3的情况下，确定该沟道泥石流中存在的最大固体颗粒物质的直径dmax；
确定每一级梳子坝的功能，即该级梳子坝是用于对泥石流固体物质的拦截还是对泥石流速度进行调节；
若某级梳子坝的功能是用于对泥石流速度进行调节，则根据公式
P＝[-12.4(b/dmax)+78.2]/100 (3)
计算该梳子坝的相对开度b/dmax，其中梳子坝对泥石流的速度减小率P为预定值；
若某级梳子坝的功能是用于对泥石流固体物质的拦截，则根据公式
T＝[8.3(b/dmax)2-56.1(b/dmax)+96.7]/100且b/dmax≤3.6 (4)
计算该梳子坝的相对开度b/dmax，其中梳子坝对泥石流的拦截效率T为预定值；
根据各级梳子坝的相对开度b/dmax和泥石流中存在的最大固体颗粒物质的直径dmax，得到各级梳子坝的开口宽度。
2.根据权利要求1所述的一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法，其特征在于，还包括，根据公式
逐级计算泥石流流经各级梳子坝后的速度，泥石流经过最后一级梳子坝后的速度要满足设计要求；其中，P为梳子坝对泥石流的速度减小率，VA为泥石流来流速度，VB为泥石流经过梳子坝后的速度；
如果泥石流经过最后一级梳子坝后的速度不满足设计要求，则重新给定梳子坝对泥石流的速度减小率P和梳子坝对泥石流的拦截效率T。
3.根据权利要求1所述的一种针对非粘性泥石流的梳子坝开口宽度的设计方法，其特征在于，还包括，根据公式
逐级计算各级梳子坝拦截的泥石流的固体物质方量，进而得到泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量，所述泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量要满足设计要求；其中，T为梳子坝对泥石流的拦截效率；M为梳子坝拦截的泥石流固体物质方量；M0为没有梳子坝时，泥石流固体物质在沟道内的自然沉积方量；MT为泥石流总方量；
如果泥石流经过最后一级梳子坝后的总方量不满足设计要求，则重新给定梳子坝对泥石流的速度减小率P和梳子坝对泥石流的拦截效率T。
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